塘西河濕地水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果研究

崔麗杉， 洪　磊， 吳京京， 金　杰,

(1. 合肥學院 生物與環(huán)境工程系，合肥 230601； 2. 安徽省環(huán)境污染防治生態(tài)修復協(xié)同創(chuàng)新中心，

合肥230601； 3. 合肥環(huán)境工程研究院，合肥 230601)

?

塘西河濕地水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果研究

崔麗杉1， 洪磊2, 3， 吳京京1， 金杰1, 2, 3

(1. 合肥學院 生物與環(huán)境工程系，合肥 230601； 2. 安徽省環(huán)境污染防治生態(tài)修復協(xié)同創(chuàng)新中心，

合肥230601； 3. 合肥環(huán)境工程研究院，合肥 230601)

摘要通過靜態(tài)水培試驗研究塘西河濕地9種常見的水生植物在富營養(yǎng)化水體中的生長狀況及對TN、TP、COD(cr)的去除能力。結果表明：1)供試的水生植物均能正常生長，30天后，石菖蒲在供試植物中生物量增長比達到最高54.36%，黑藻生物量增長比最低39.14%；2)9種植物中石菖蒲對TN的去除率最高可達80.62%，水葫蘆最低56.16%；對TP的去除率最高是蘆葦可達78.84%，最低是黑藻43.78%；對COD(cr)的去除率最高是黃菖蒲可達81.60%，最低是黑藻44.76%。

關鍵詞水生植物；富營養(yǎng)化水；凈化效果

Study on the purification effect on eutrophic water by aquatic plants in Tanxi River wetland

CUI Li-shan1, HONG Lei2， 3, WU Jing-jing1, JIN Jie1， 2， 3

(1.Department of Biological and Environmental Engineering, Hefei University;2. Collaborative Innovation Center for Environmental Pollution Precaution and Ecological Rehabilitation of Anhui; 3.Institude for Environmental Engineering of Hefei, Hefei 230601，China)

AbstractThrough the static hydroponics tests, 9 kinds of common aquatic plants from Tangxi River Wetland were cultured in the eutrophic water, and their removal abilities of TN. TP and CODcrwere determined. Result showed that the tested plants grew well. After 30 d, the highest growth ratio of biomass among the tested samples was 54.36% fromAcorustata, and the lowest 39.14% fromHydrillaverticillata.Acorustatashowed the highest TN removal ability with the rate of 80.62%, while water hyacinth the lowest with 56.16%. Result showed the highest TP removal ability with 78.84%.Hydrillaverticllatawas the lowest with 43.78%. For CODcrRemoval,Irispseudacoruswas the best with 81.60%.HydrillaVerticillatawas the lowest with 44.76%.

Keywords aquatic plants; eutrophication water; water quality purification

近年來，隨著江、河、湖等水體的富營養(yǎng)化程度變得日益嚴重[1]，水體污染已經成為當下環(huán)境污染問題中的重大難題。而人工濕地就是在這樣的背景下出現(xiàn)的一種生態(tài)型的污水處理技術系統(tǒng)[2，3]，并且已經被廣泛地用于處理城市污水、城鎮(zhèn)河流和養(yǎng)殖廢水[4，5]，比傳統(tǒng)的污水處理技術具有效果好、易管理、持續(xù)時間長等優(yōu)點，是一種綠色的污水處理技術[6，7]。在這項技術中，具有改善水質、美化景觀等重要作用的是濕地植物，而不同植物的凈化效果不同，因此如何選擇和配置濕地植物是人工濕地建設的重要內容。

本文選取塘西河濕地內9種常見的水生植物，研究其對污水中的TN、TP及CODcr的凈化效果，以期篩選出凈化效果好，易于生長和觀賞性高的植物。研究結論可為人工濕地植物的篩選提供參考，同時對怎樣組合植物可更高效地凈化水質有一定的參考價值。

1材料與方法

1.1實驗材料

在塘西河濕地調查區(qū)域內選取9種常見的水生植物進行對比實驗，包括挺水植物美人蕉、石菖蒲、黃菖蒲、蘆葦、再力花，浮葉植物大薸、水葫蘆，沉水植物苦草和黑藻。

1.2實驗方法

將在濕地采集的植物帶回實驗室，首先要用清水洗凈根部的泥土，再用蒸餾水沖洗3遍，以減少實驗誤差，最后，放入配置好的營養(yǎng)液中進行適應性生長。15 d后確定植物已穩(wěn)定生長，挑選生長狀態(tài)最佳的植株移入培養(yǎng)缸中，然后只將供試污水作為植物生長的單獨營養(yǎng)液。實驗期間，觀察植物的根、莖、葉，防止病蟲害的發(fā)生，及時修剪枯萎、腐敗的枝葉。

實驗裝置是體積為40 L的棕色瓷缸，供試污水為人工配制的富營養(yǎng)化水。培養(yǎng)缸中投放兩層砂層作為基質，下層為5 cm的細沙，上層為5 cm的礫石。細沙和礫石投入瓷缸前要經過預處理，首先用自來水沖干凈，再用蒸餾水沖洗幾遍，以減少細沙和礫石給試驗帶來的影響[8]。設計水力停留時間(HRT)為30 d，培養(yǎng)缸內污水體積為10 L，確定植物穩(wěn)定生長后開始水體凈化實驗，不種植物的作為空白對照。

實驗開始后，水樣的采集分為短期和長期兩個階段，短期為處理后(培養(yǎng)植物的前半個月)每隔2 d采集1次水樣，長期每隔6 d采集1次水樣，共采集水樣8次，對水質指標CODcr、TP和TN進行檢測。供試污水的初始水質指標 CODcr、TN、TP、如表1。

表1 實驗廢水主要初始指標

1.3測試方法

1.3.1監(jiān)測指標與分析方法[9]

表2 主要監(jiān)測指標和監(jiān)測分析方法

各水體指標的去除率按下列公式[10]計算：

去除率(%)=[(Co-Ci)/Co]×100%。

其中，Co為實驗開始時水體中的污染物濃度；Ci為第i天時水體中的污染物濃度。

1.3.2生物量的測定方法

生物量稱取的是植物的鮮重，稱重包括植物根部在內的植物整體的重量且要瀝干植物自身所帶的水分。初始生物量為實驗開始時的植物重量，最終生物量為實驗結束后的植物重量。

生物量增長比(%)=[(最終生物量-初始能量)/初始生物量]×100%

2結果與討論

2.1生物量變化

這9種水生植物在富營養(yǎng)化水體中均能正常生長，各植物長勢良好，都有新葉長出，無大批植物死亡枯萎現(xiàn)象。由圖1可看出，9種水生植物在實驗期間的生物量都有所增加，30 d后生物量增長比最大的是石菖蒲為54.36%，黑藻的生物量增長比最小為39.14%。挺水植物中再力花的凈增量227.7 g為最大，其次為石菖蒲225.9 g，最小的是蘆葦?shù)膬粼隽繛?59.6 g；浮水植物中最大凈增量為122.4 g(大薸)，水葫蘆的凈增量為89.9 g；沉水植物中最大凈增量為83.9 g(苦草)，黑藻的凈增量為72.1 g。

挺水植物在生活型上的優(yōu)勢決定它們可以在水面上下立體發(fā)展[11]，并且自身初始生物量就偏大，在富營養(yǎng)水體條件下凈增生物量明顯高于其他生活型植物。浮水植物和沉水植物，在培養(yǎng)開始時生物量迅速增加由于空間限制及環(huán)境影響使得凈增生物量要小于挺水植物。

實驗結束時，各植物的凈增生物量的比較結果為：再力花>石菖蒲>黃菖蒲>美人蕉>蘆葦>大薸>水葫蘆>苦草>黑藻。

圖1 植物生物量變化

2.2CODcr的去除效果

實驗在平均水溫為25℃的環(huán)境下進行，植物生長良好，利于植物對水體中營養(yǎng)鹽的吸收，各試驗組都表現(xiàn)出明顯的凈化效果，空白組由于其水體本身的自凈作用使得培養(yǎng)缸內的CODcr的含量有所降低，但是所有植物對水體中CODcr的凈化效果明顯高于空白組。

水體中的CODcr去除主要是通過沉淀、過濾和植物的根系截留、吸附及其微生物降解等綜合作用而去除[12]。明顯的自然降解與濕地植物共同作用的效果要優(yōu)于只在自然作用下的效果。停留時間(HRT)為6 d時，蘆葦、美人蕉和黃菖蒲的去除率都超過了50%，分別為60.24%、50.54%和55.81%。當停留時間(HRT)為10 d時，挺水植物中除再力花外，對CODcr的去除率均超過60%，其中蘆葦去除率最高達到70.89%。從這個短期測試結果來看各種植物對CODcr的去除率是蘆葦>黃菖蒲>美人蕉>石菖蒲>再力花>大薸>苦草>水葫蘆>黑藻。因此，所選的挺水植物的去除率要優(yōu)于其他受試浮水植物和沉水植物。

培養(yǎng)植物半個月后，黃菖蒲對CODcr的去除率有所增加，到第29天時已經達到81.60%，成為所有受試植物中去除率最高的。其次為石菖蒲、蘆葦、再力花和美人蕉，這幾種挺水植物對CODcr的去除率都超過了70%。分析其原因，一方面黃菖蒲根系發(fā)達，根區(qū)微生物數(shù)量較多，更有利于根區(qū)的泌氧作用，對CODcr的降解效果好；另一方面，蘆葦前期栽種時根系有所損傷致后期生長劣于其它挺水植物，使得培養(yǎng)后期對CODcr的去除率沒有大幅上升。浮水植物大薸對CODcr的去除率為67.83%要大于水葫蘆，沉水植物苦草對CODcr的去除率為63.58%也要高過水葫蘆，可能是因為水葫蘆快速生長覆蓋了培養(yǎng)缸水體表面，使缸內藻體增加，也可能是水葫蘆自身釋放了一部分營養(yǎng)物質使缸內CODcr值增加。

圖2 不同植物降解污水中CODcr情況比較

培養(yǎng)期要結束時，沉水植物黑藻缸內的CODcr含量開始上升，黑藻對CODcr的去除率是所有植物中最差的，后期藻類覆蓋缸體致使CODcr開始上升，在培養(yǎng)房內還可聞到異味。

由實驗結果可以看出，這9種植物對污水都具有良好地凈化作用，這9種植物的去除率的高低順序為，黃菖蒲(81.60%)>石菖蒲(80.41%)>蘆葦(79.30%)>再力花(75.86%)>美人蕉(72.56%)>大薸(67.83%)>苦草(63.58%)>水葫蘆(52.26%)>黑藻(44.76%)。

2.3TN的去除效果

由圖3可以看出，這幾種植物對培養(yǎng)缸內的污水中的TN都有一定的去除效果且均大于空白對照組。在實驗過程中，由于此小型模擬人工濕地系統(tǒng)的自身的凈化作用[13]，對照培養(yǎng)缸中TN的濃度也比開始有所降低，但是，系統(tǒng)自身凈化污水的能力是有限的，因此，沒種任何植物的培養(yǎng)缸內，在實驗的后期TN的濃度幾乎不再下降。培養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)，這9個培養(yǎng)缸中的污水顏色都由最初的黃色逐漸變成了無色，這說明經過植物的凈化作用污水水質得到很好的轉化。不同的植物具有的生物量不同、根系也不盡相同，所以植物的去除效果也會有差距。美人蕉、再力花、黃菖蒲、蘆葦、石菖蒲、大薸、水葫蘆、黑藻和苦草這9種植物在培養(yǎng)的第11天對TN的去除率分別為51.42%、55.47%、57.62%、45.26%、65.34%、52.86%、36.21%、47.77%、51.81%。從短期結果來看，石菖蒲對TN的去除效果最優(yōu)，黃菖蒲、苦草次之，水葫蘆對TN的去除效果最差。對照培養(yǎng)缸內的TN濃度的降低說明，TN不僅通過植物吸收而降解，還可以通過濕地中的基質吸附和其體系內生長的微生物的消化作用而去除。

從圖3還可看出，水體中的 TN 去除率開始較快，到培養(yǎng)后期植物去除污染物的速度逐漸減慢，這與植物成長后期，其體內對 N、P 的需求量的減少以及植物內部 N、P 的再次分配有很大的關系[14]。

在實驗結束時，挺水植物培養(yǎng)缸內TN濃度在1.56 mg/L～2.58 mg/L，浮水植物培養(yǎng)缸內TN濃度在2.86 mg/L～3.56 mg/L，沉水植物培養(yǎng)缸內TN濃度在2.43 mg/L～2.82 mg/L。

實驗結束時，各培養(yǎng)體系內植物對TN的去除率如下：石菖蒲(80.62%)>美人蕉(79.16%)>黃菖蒲(73.85%)>再力花(72.08%)>苦草(69.74%)>蘆葦(67.83%)>黑藻(65.01%)>大薸(64.43%)>水葫蘆(56.16%)。

2.4TP的去除效果

由圖4看出是各培養(yǎng)體系對TP均有一定的去除效果。空白對照組對TP的凈化率最高也達到了16%，因為，植物對磷的去除，一部分是植物的吸收，一部分是以磷酸鹽形式沉降并沉積在基質上，P極易被底部基質吸附[15]，所以試驗前11天 TP濃度降低得很快。但下降到某一值后，就會有少量的P從基質中逐漸被釋放出來，因此，試驗后期TP濃度下降逐漸變緩，甚至會有所上升。

圖3 不同植物降解污水中TN情況比較

實驗前期，這十個培養(yǎng)缸中的總磷濃度都迅速下降，體現(xiàn)了很好的凈化效果。不同的是，對照組TP濃度下降較為平緩，而植物組TP濃度下降較快。到11 d時去除速率都基本達到最大，TP去除率分別為蘆葦(73.60%)>黃菖蒲(70.29)>再力花(68.23%)>石菖蒲(65.27%)>美人蕉(62.98%)>大薸(60.02%)>水葫蘆(42.93%)>苦草(55.54%)>黑藻(41.87%)。

實驗結束時挺水植物的培養(yǎng)體系中的TP濃度為0.178 mg/L～0.226 mg/L，浮游植物培養(yǎng)缸內TP濃度為0.316 mg/L～0.339 mg/L，沉水植物培養(yǎng)缸內TP濃度為0.244 mg/L～0.479 mg/L。

此外，同 TN 一樣，水體中的 TP 去除率開始較快，到后期去除TP的速度逐漸減慢，這同樣是與后期植物本身對 N、P 需求量的減少以及N、P 在植物體內的再次分配有關。這也與李科德[16]等用蘆葦床系統(tǒng)凈化污水的研究結果一致。李科德研究得出，微生物的數(shù)量與P的去除率基本不相關，認為污水中磷的去除一方面與底部基質有關，一方面則是植物的吸收作用。由圖4可知，5種挺水植物對磷的去除曲線基本一致，這是因為挺水植物根系比較發(fā)達、生物量相對較大，可以吸附大量的磷酸鹽，最終使總磷含量大大地降低。

TP最終去除率為蘆葦(78.84%)>美人蕉(75.56%)>黃菖蒲(74.28%)>石菖蒲(73.05%)>再力花(71.84%)>苦草(69.95%)>大薸(61.60%)>水葫蘆(59.09%)>黑藻(43.78%)

圖4 不同植物降解污水中TP情況比較

3 結論與建議

1)不同類型的水生植物的凈生物量的增長比差異較明顯，各植物凈生物量增長比的變化范圍為39.14%～54.36%，凈生物量增長比最大的是石菖蒲。

2)不同植物的水質凈化能力也存在較大的差異，9種濕地植物的TN、TP、CODcr的去除率分別在64.43%～80.62%、43.78%～78.84%和44.76%～81.60%。其中石菖蒲(80.62%)對TN的去除率最高，美人蕉(79.16%)次之；蘆葦(78.84%)TP的去除率最高，美人蕉(75.56%)次之；黃菖蒲(81.60%)對CODcr的去除率最高，石菖蒲(80.41%)次之。

3)為了達到更好的污水凈化效果，建議將去除TN能力最強的石菖蒲與去除TP能力最強的蘆葦兼美人蕉和去除CODcr能力最強的黃菖蒲混種，這樣可以將去除TN、TP和CODcr的能力達到更高。

通過對人工濕地植物的水培實驗結果可以得知，生物量較大的挺水植物對污水的凈化效果是最好的。并且在實驗系統(tǒng)運行過程中，挺水植物管理較為方便，通過定期的收割則可避免水體的二次污染。因此，合理的篩選植物、組合植物群落就可以提高植物對水體中CODcr、TN、TP的凈化效果。人工濕地中若水域中只有單一水生植物，則會受季節(jié)性變化影響，導致其凈化作用不穩(wěn)定，但將多種水生植物綜合配置，就可以營造出一個獨特的人工復合生態(tài)系統(tǒng)，還能夠實現(xiàn)多種水生植物的優(yōu)勢互補。

本實驗設計的種植水生植物的生態(tài)修復體系，見效快、花費少且管理運行也方便，為凈化本地的河水提供了很好的思路。既可以凈化污水又可以修復生態(tài)環(huán)境還可以美化景觀，是一種很好的改善水體環(huán)境的方法。但是，要注意植物的選擇和配置以使其達到更好的效果，具體配置還有待更進一步的研究。

參考文獻:

[1]張桂杰, 康健, 包化國.我國水環(huán)境現(xiàn)狀研究[J].科技資訊, 2010(19):150.

[2]劉淑芳.人工濕地處理污水技術的應用[J].科技情報開發(fā)與經濟, 2008, 18(24):203-204.

[3]Knox A S, Paller M H, Nelson E A, et al. Metal distribution and stability in constructed wetland sediment [J]. Journal Environmental Quality, 2006, 35(5):1948-1959.

[4]Headley T R, Tanner C C. Constructed wetlands with floating emergent macrophytes: An innovative stormwater treatment technology[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology， 2012, 42(21):2261-2310.

[5]于少鵬, 王海霞, 萬忠娟, 等.人工濕地污水處理技術及其在我國發(fā)展的現(xiàn)狀與前景[J]. 地理科學進展, 2004, 23(1): 22-29.

[6]Brix H, Arias C A. The use of vertical flow constructed wetlands for on-site treatment of domestic wastewater: New Danish guidelines [J]. Ecological Engineering, 2005, 25(5):491-500.

[7]屠曉翠, 蔡妙珍, 孫建國.大型水生植物對污染水體的凈化作用和機理[J].安徽農業(yè)科學, 2006, 34(12):2843-2844.

[8]劉盼, 宋超, 朱華, 等.3種水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化作用研究[J].水生態(tài)學雜志, 2011, 32(3):69-74.

[9]國家環(huán)境保護總局編,水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)[M]. 北京: 中國環(huán)境出版社, 2002, 200-284.

[10]吳卿, 王美, 許吟波, 等.不同植物生物柵系統(tǒng)對富營養(yǎng)化景觀水凈化試驗[J].水土保持學報, 2013, 27(4):171-175.

[11]魯敏, 曾慶福.七種植物的人工濕地處理生活污水的研究[J].武漢科技學院學報, 2004, 17(2):32-35.

[12]許航, 楊一清.水生植物塘運行規(guī)律及設計參數(shù)的研究[J].城市環(huán)境與城市生態(tài), 2002, 15(3):19-21.

[13]蔣躍平, 葛瀅, 岳春雷, 等.人工濕地植物對觀賞水中氮磷去除的貢獻[J].生態(tài)學報, 2004, 24(8):1718-1723.

[14]孫瑞蓮, 張建, 王文興.8種挺水植物對污染水體的凈化效果比較[J].山東大學學報:理學版, 2009, 44(1):12-16.

[15]黃蕾, 翟建平, 王傳瑜, 等.4種水生植物在冬季脫氮除磷效果的試驗研究[J].農業(yè)環(huán)境科學學報, 2005, 24(2):366-370.

[16]李科德, 胡正嘉.蘆葦床系統(tǒng)凈化污水的機理[J].中國環(huán)境科學, 1995, 15(2):140-144.

中圖分類號X52；X173

文獻標識碼A

文章編號2095-1736(2016)02-0018-04

作者簡介：崔麗杉，碩士研究生，研究方向為環(huán)境工程；通信作者：金 杰，教授，研究方向為生物及環(huán)境工程領域，E-mail: amushui@hfuu.edu.cn。

基金項目：合肥學院重點學科項目(2014xk01)；合肥學院院級學科帶頭人項目(2014dtr02)；安徽省高校自然科學研究重大項目(KJ2016SD50)

收稿日期：2015-11-06；修回日期：2015-12-01

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2016.02.018