富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體高效修復(fù)水生植物的篩選

劉建偉　夏雪峰　呂臣等

摘要： 研究美人蕉、黃菖蒲、水蔥水生植物系統(tǒng)在水體中的生長(zhǎng)及對(duì)水體中有機(jī)物、氮、磷的去除情況，以期找出能凈化富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體的優(yōu)勢(shì)水生植物。結(jié)果表明：各水生植物在景觀水體中均能正常生長(zhǎng)，其中平均分蘗數(shù)最多的是美人蕉，相對(duì)增長(zhǎng)率最大的是黃菖蒲，其次是水蔥，最低的是美人蕉；各水生植物系統(tǒng)對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)物都有一定的降解能力，美人蕉、黃菖蒲、水蔥系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率分別為48 8%、70 0%、30 0%，而對(duì)總磷的去除率分別為72 2%、43 4%、33 3%。美人蕉、黃菖蒲水生植物系統(tǒng)分別最適合凈化磷含量、氮含量較高的景觀水體，在實(shí)際應(yīng)用中，為了同時(shí)達(dá)到較好的富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體氮、磷去除效果，可選擇美人蕉與黃菖蒲混種的水生植物系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 水生植物；富營(yíng)養(yǎng)化；景觀水體；修復(fù)；凈化能力；氮；磷

中圖分類號(hào)： X173 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0354-03

景觀水體在提高城市環(huán)境品質(zhì)、增強(qiáng)居住舒適感、改善城市微氣候方面發(fā)揮著重要作用。然而隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展和城市化水平的提高，景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化程度日益加深，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成的危害越來(lái)越大，因而景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化的防治正受到越來(lái)越多的重視。

常規(guī)的水體污染處理技術(shù)包括物理化學(xué)、化學(xué)、生物處理技術(shù)等，然而由于景觀水體大多為微污染，具有發(fā)生期短、流動(dòng)性差、美學(xué)要求高的特點(diǎn)，難以直接采用常規(guī)污水處理技術(shù)進(jìn)行污染治理。人工濕地作為一種污水生態(tài)處理技術(shù)，不僅具有較高的氮、磷去除率，而且具有建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)單、效果好、適用面廣、耐負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)、美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn) [1]，因此適宜用作富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體的生態(tài)處理系統(tǒng)。植物是人工濕地的重要組成部分之一，能夠吸收水體中的污染物質(zhì)，其根系可以向基質(zhì)釋放氧氣、改變水力傳導(dǎo)能力、創(chuàng)造生物共生條件，還能夠調(diào)節(jié)微生物和酶的分布。因此，富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體生態(tài)處理系統(tǒng)中水生植物的構(gòu)建已經(jīng)成為環(huán)境領(lǐng)域和水生生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一。

不同種類水生植物在污染物吸收能力、根系分布深度、氧氣釋放量、生物量、抗逆性方面存在差異，因此對(duì)水體污染物的凈化作用各異。本研究在分析適合北京市現(xiàn)有水體中生長(zhǎng)的各種水生植物特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以北京市典型富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體為研究對(duì)象，以水體去除有機(jī)物、脫氮、除磷等為目標(biāo)，通過(guò)模型試驗(yàn)研究不同種類的水生植物在水體中的生長(zhǎng)情況、污染物凈化效率及景觀效果，同時(shí)考慮植物取材方便等條件，優(yōu)選出適合富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體污染處理的水生植物，并進(jìn)行優(yōu)化搭配組合 [2-3]。研究結(jié)果可為富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體高效修復(fù)水生植物的選擇和提高系統(tǒng)污水處理效率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1 1 試驗(yàn)材料

選取北京市廣泛分布的3種水生植物美人蕉、黃菖蒲、水蔥作為研究對(duì)象。供試水生植物均從當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)上采購(gòu)，試驗(yàn)前先在試驗(yàn)用水中預(yù)培養(yǎng)10 d左右，從中挑選性狀統(tǒng)一的健壯植株進(jìn)行移栽、試驗(yàn)。試驗(yàn)用水取自北京市某景觀水體，水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

1 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3種水生植物的培養(yǎng)采用150 L的塑料圓桶，水容積均為100 L。供試圓桶水面用有定植孔的塑料泡沫板作為栽培定植板，在定植孔中用海綿固定植物。每桶為1個(gè)重復(fù)，每種植物設(shè)3個(gè)重復(fù)，并設(shè)1組覆有泡沫板無(wú)植物的空白對(duì)照、無(wú)覆蓋物無(wú)植物的空白對(duì)照。每次取樣時(shí)以原水補(bǔ)充蒸發(fā)、蒸騰、采樣所耗的水量。

試驗(yàn)于2012年7月至2012年8月在北京建筑大學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間為50 d，室內(nèi)溫度30～35 ℃。

1 3 測(cè)定方法

水樣的pH值、溶氧量、水溫指標(biāo)每天現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)1次，化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、總氮含量、總磷含量指標(biāo)每3～5 d監(jiān)測(cè)1次，各指標(biāo)測(cè)定方法均參照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。

采用卷尺測(cè)量水生植物在種植前后的株高、根長(zhǎng)，計(jì)算其生長(zhǎng)量。

2 結(jié)果與分析

[BT2+ 3]2 1 植物生長(zhǎng)情況

在試驗(yàn)過(guò)程中，3種植物生長(zhǎng)狀況均良好，且生長(zhǎng)速度快，生物量變化較大。特別是株高和根長(zhǎng)較初期有明顯增長(zhǎng)：植株變高，并產(chǎn)生分蘗；根系上長(zhǎng)出大量須根，整個(gè)根系在水中寬松展開。除此以外，每株植物也都有新葉長(zhǎng)出，葉明顯增長(zhǎng)、增多。試驗(yàn)過(guò)程中各系統(tǒng)植物的生長(zhǎng)量變化情況見表2。

由表2可以看出，試驗(yàn)前后美人蕉、黃菖蒲、水蔥各系統(tǒng)中植物的平均株高相對(duì)增長(zhǎng)率分別為140 6%、154 4%、143 0%；最長(zhǎng)根長(zhǎng)的相對(duì)增長(zhǎng)率分別為205 4%、333 7%、262 4%?？梢姼飨到y(tǒng)植物的生物量變化都較大，尤其以黃菖蒲最為突出，而且3種水生植物的最長(zhǎng)根長(zhǎng)的相對(duì)增長(zhǎng)率都比平均株高的相對(duì)增長(zhǎng)率高。這說(shuō)明3種水生植物對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化景觀水水質(zhì)有較好的適應(yīng)能力，可生長(zhǎng)出發(fā)達(dá)的根系，而水生植物根系則為水中污染降解微生物、微型動(dòng)植物提供了良好的微生態(tài)環(huán)境 [4-6]。

2 2 總體凈化效果

由表3可以看出，在本試驗(yàn)條件下，美人蕉、黃菖蒲、水蔥水生植物系統(tǒng)均能有效凈化受試水體的水質(zhì)。相對(duì)于空白對(duì)照系統(tǒng)，3種植物浮床系統(tǒng)對(duì)水體氮、磷污染物均有較好的去除效果，而對(duì)COD的去除效果一般。美人蕉、黃菖蒲、水蔥水生植物系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率分別為48 8%、70 0%、30 0%，對(duì)NH+4-N的去除率分別81 9%、87 6%、60 0 %，對(duì)總磷的去除率分別為72 2%、43 4%、33 3%，對(duì)PO 3-4的去除率分別69 0%、42 9%、32 1%，對(duì)COD的去除率分別僅為302%、31 7%、29 5%。黃菖蒲水生植物系統(tǒng)對(duì)氮（包括總氮、NH+4-N）的去除率高于磷（包括總磷、PO4 3-），而美人蕉水生植物系統(tǒng)對(duì)于磷的去除率高于氮，對(duì)氮的去除效果稍差。因此在實(shí)際應(yīng)用中，可將美人蕉、黃菖蒲這2種水生植物混合種植于同一系統(tǒng)內(nèi)，以達(dá)到同時(shí)去除水體中氮、磷的效果 [7]endprint

2 3 各水生植物系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果

由圖1可以看出，各水生植物系統(tǒng)中COD均有不同程度的降低。試驗(yàn)初期（前5 d），各水生植物系統(tǒng)主要是通過(guò)沉淀作用去除COD，去除效果相當(dāng)且去除速度較快；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，沉淀作用逐漸減弱，而系統(tǒng)中植物直根、須根不斷生長(zhǎng)，植物根系對(duì)COD的吸附、截留作用及根系附著的微生物對(duì)COD降解作用逐漸增強(qiáng)，各水生植物系統(tǒng)對(duì)COD去除效果有一定的提高，但COD去除效果提高的幅度與試驗(yàn)之初相比較差，降低趨勢(shì)相對(duì)平緩。各水生植物系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果相差不大，從大到小依次為黃菖蒲系統(tǒng)>美人蕉系統(tǒng)>水蔥系統(tǒng)。

黃菖蒲水生植物系統(tǒng)對(duì)COD的去除率最高，濃度由初始的28 1 mg/L下降到19 2 mg/L，對(duì)COD的去除率達(dá)317%；其次為美人蕉水生植物系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)COD濃度為19 6 mg/L，對(duì)COD的去除率為30 2%；種植水蔥的水生植物系統(tǒng)對(duì)COD的去除率稍差，為29 5%。

在相同試驗(yàn)條件下，黃菖蒲水生植物系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果最好，可能是由于系統(tǒng)植物的生物量較大，沉淀、過(guò)濾作用明顯，而且根系附著的微生物種群數(shù)量較多，對(duì)COD的吸附、吸收及生物代謝降解過(guò)程較為突出 [8-9]。同時(shí)，空白對(duì)照系統(tǒng)的COD濃度也有一定程度的降低，去除率呈波動(dòng)趨勢(shì)，可能是空白水樣系統(tǒng)中的有機(jī)污染物在自然狀態(tài)下受到微生物的作用轉(zhuǎn)化所致。

2 4 各水生植物系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果

本研究還比較了美人蕉、黃菖蒲、水蔥、空白對(duì)照系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)水體中總氮的去除效果，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，試驗(yàn)初期，各水生植物系統(tǒng)總氮下降趨勢(shì)較快； 而后總氮下降趨勢(shì)變得平緩；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各植物浮床系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果均優(yōu)于空白對(duì)照系統(tǒng)。3種植物浮床系統(tǒng)中，以黃菖蒲系統(tǒng)的去除效果最佳，總氮濃度由開始17 0 mg/L降至5 1 mg/L， 去除率達(dá)到70%，美人蕉、水蔥系統(tǒng)的總氮去除率分別為488%、30 0%，空白對(duì)照系統(tǒng)的總氮去除率僅為5 3%。因此，各系統(tǒng)對(duì)總氮的去除能力從強(qiáng)到弱依次為黃菖蒲>美人蕉>水蔥>空白系統(tǒng)。

水生植物系統(tǒng)對(duì)總氮的去除主要包括沉淀、吸附、揮發(fā)，植物的吸收、截留，以及微生物的降解作用 [10]。在最初階段，總氮的去除主要依賴于沉淀和植物根系的吸附、截留作用，去除速率較快。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，沉淀作用減弱，根系吸附逐漸達(dá)到了飽和，總氮的去除主要依靠植物的吸收和根系微生物的降解作用。首先，將有機(jī)氮氧化為NH4+-N；其次，在有氧條件下，經(jīng)硝化細(xì)菌的硝化作用將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N；最后，一部分氮被植物吸收，一部分在植物根部所在的底質(zhì)周圍厭氧條件下，由反硝化細(xì)菌將NO3--N反硝化為氮?dú)?[11-12]，這一系列過(guò)程較為緩慢，總氮的去除速率降低。

試驗(yàn)條件相同時(shí)，黃菖蒲對(duì)總氮的去除效果最好，可能是由于黃菖蒲生長(zhǎng)速率高，生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)氮素的需求程度高、吸收能力強(qiáng)。

2 5 各水生植物系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果

本研究還探討了美人蕉、黃菖蒲、水蔥、空白對(duì)照系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)水體中總磷的去除效果。由圖3可以看出，包括空白對(duì)照系統(tǒng)在內(nèi)的4個(gè)系統(tǒng)中，總磷都有不同程度的降低，且各水生植物系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果明顯優(yōu)于空白對(duì)照系統(tǒng)。除美人蕉水生植物系統(tǒng)外，其他系統(tǒng)水體總磷降低的速率相對(duì)較為平緩，且呈現(xiàn)一定的波動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，美人蕉系統(tǒng)水體的總磷濃度由0 90 mg/L降至0 25 mg/L，去除率達(dá)72 2%，而黃菖蒲、水蔥系統(tǒng)內(nèi)水體的總磷濃度分別由0 90 mg/L降至0 51、0 60 mg/L，去除率分別為43 3%、33 3%，可見美人蕉水生植物系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果最好。

水體中總磷包括PO 3-4、酸式水解磷酸鹽、可溶有機(jī)磷酸鹽、單質(zhì)磷等形態(tài)，植物、微生物對(duì)各種形態(tài)磷的同化、轉(zhuǎn)化、去除途徑不同?？扇苄杂袡C(jī)磷須通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，然后被植物同化；單質(zhì)磷通過(guò)植物根的吸附和過(guò)濾被去除。試驗(yàn)水體中，總磷主要是以PO 3-4形式存在，各水生植物系統(tǒng)通過(guò)植物根區(qū)對(duì)磷的截留、吸附、吸收、生物降解等作用去除PO 3-4。

在相同條件下，美人蕉水生植物系統(tǒng)對(duì)于總磷的去除效果較好，可能是因?yàn)槊廊私端参锵到y(tǒng)具有生物量大、對(duì)總磷的吸收吸附性能好、根區(qū)酶活性強(qiáng)，以及聚磷菌數(shù)量多等優(yōu)勢(shì) [13-14]。因此，可用美人蕉水生植物系統(tǒng)來(lái)凈化磷含量較高的景觀水體。

根據(jù)以上研究結(jié)果，從水生植物生物量變化，對(duì)COD、氮、磷污染物的去除效果和特性方面綜合考慮，美人蕉、黃菖蒲水生植物系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體中氮、磷均有較好的去除效果。其中，黃菖蒲水生植物系統(tǒng)對(duì)氮的去除率高于磷，更適合于凈化氮含量較高的景觀水體；美人蕉水生植物系統(tǒng)對(duì)于磷的去除率高于氮，對(duì)氮的去除效果稍差，更適合凈化磷含量較高的景觀水體。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為同時(shí)取得較好的水體氮、磷去除效果，可將美人蕉、黃菖蒲2種水生植物混合種植應(yīng)用 [15]。

3 結(jié)論

通過(guò)美人蕉、黃菖蒲、水蔥水生植物系統(tǒng)的植物生長(zhǎng)量和生長(zhǎng)率變化、在水體中的適應(yīng)性和對(duì)水體COD、總氮、總磷凈化效果的研究，得出以下結(jié)論：（1）美人蕉、黃菖蒲、水蔥水生植物系統(tǒng)的相對(duì)增長(zhǎng)率變化從大到小依次為黃菖蒲>水蔥>美人蕉；（2）美人蕉、黃菖蒲、水蔥3種水生植物系統(tǒng)對(duì)景觀水體中氮、磷等污染物有較好的去除效果，其中黃菖蒲系統(tǒng)對(duì)氮的去除效果最好，美人蕉系統(tǒng)對(duì)磷的去除效果最好；（3）美人蕉、黃菖蒲水生植物系統(tǒng)分別最適合凈化磷含量、氮含量較高的景觀水體。在實(shí)際應(yīng)用中，為了同時(shí)達(dá)到較好的富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體氮、磷的去除效果，可選擇美人蕉與黃菖蒲混種的水生植物系統(tǒng)。

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