幾種水生植物凈化城市污水能力比較研究

張志敏，朱 祥，丁新泉，王 銳

(1. 銅仁學院；2.銅仁市創(chuàng)建國家環(huán)境保護模范城市辦公室，貴州 銅仁 554300；3.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100)

幾種水生植物凈化城市污水能力比較研究

張志敏1,2，朱 祥3，丁新泉1，王 銳1,2

(1. 銅仁學院；2.銅仁市創(chuàng)建國家環(huán)境保護模范城市辦公室，貴州 銅仁 554300；3.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100)

為了給選擇優(yōu)良凈化城市污水植物提供依據(jù)，采用城市污水模擬和盆栽試驗，對玉帶草、千屈菜、菖蒲、石菖蒲、黃花鳶尾、香蒲、水芹、水葫蘆等8種常見水生植物凈化城市污水TN、TP、BOD5、COD能力進行了比較研究，結(jié)果為，供試8種水生植物后第5～20d，TN的去除率為(54.45±1.62)%～(95.45±1.47)%，在第20d，TN去除率黃花鳶尾最高，石菖蒲次之，它們顯著高于其他6種植物(P\%<0.05)；TP去除率為(50.24±1.87)%～(96.27±2.46)%，在第20d黃花鳶尾最高，水芹和石菖蒲較高, 它們顯著高于其他5種植物(P\%<0.05)；COD去除率為(59.34±1.37)%～(93.27±2.36)%，黃花鳶尾最高，玉帶草最低，8種植物之間差異不顯著(P\%>0.05)；BOD5去除率為( 64.48±1.16)%～(92.98±1.23)%,水芹最高，黃花鳶尾、石菖蒲次之，它們3個顯著高于其它5種植物(P\%<0.05)；試驗期內(nèi)，每種水生植物對每種污染物的去除率隨時間的延長而升高。應優(yōu)先選用黃花鳶尾、石菖蒲。

水生植物；栽植；城市污水；凈化；功效

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設的加劇，城市廢水排放量與日俱增，而由于污水處理設備及環(huán)境保護設施不健全，大量城市污水處理效果不佳甚至未經(jīng)處理直接排放，造成水體污染，使水體富營養(yǎng)化程度逐漸增加[1-2]，嚴重影響人類的健康和社會的可持續(xù)發(fā)展。如何有效地治理水體污染，已成為國內(nèi)外專家研究的重點。目前，我國廣泛采用化學、物理的方法處理城市污水，這些方法存在諸多缺點，比如：費用高、運行慢、易造成二次污染、工藝復雜等[2-3]。

植物修復技術作為一項高效、經(jīng)濟、持久的水體凈化綠色修復技術，在城市污水治理方面具有廣闊的發(fā)展前景。它利用植物的吸收和固定的生理生化特點及對某些化學元素的忍耐和超量積累特性，通過固定、吸收、轉(zhuǎn)化、降解等過程，部分或完全消除和修復水體有毒物質(zhì)[4-7]。學界還把植物修復分為植物萃取、植物講解、植物根際降解、植物根系過濾、植物穩(wěn)定作用、植物揮發(fā)等6種類型[6]，但植物修復治理水污染過程中最關鍵的技術是篩選出凈化效果好、適應強的植物種類[8-10]。因此，為了給城市污水治理過程中的植物選擇提供依據(jù)和參考，我們對幾種常見水生植物凈化城市污水主要成分TN、TP、BOD5、COD等的能力進行了比較研究，結(jié)果如下。

1 材料與方法

1.1 材料

在對貴州省銅仁市水生植物資源、氣候特征進行詳細調(diào)查的基礎上，并結(jié)合植物的觀賞及經(jīng)濟價值，選取以下8種水生植物為試驗材料：玉帶草(Phalaris arundinacea var.picta)、千屈菜(Lythrum salicaria)、菖蒲(Acorus calamus)、石菖蒲(A. tatarinowii)、黃花鳶尾(Iris wilsonii )、香蒲(Typha orientalis)、水芹(Oenanthe javanica)、水葫蘆(Eichhornia crassipes)。供試植物材料來自銅仁市水生植物基地及某水生植物公司。

試驗水樣采自銅仁市某下水道出口，其TN、TP、COD、BOD5濃度分別為42.56、5.32、387、264mg·L-1，水質(zhì)劣于《地面水環(huán)境質(zhì)量標準GB3838-88》第V類水。

1.2 試驗設計與布置

試驗設為實驗組、CK組，實驗組每桶種植4株，3次重復，CK組不種植植物。在試驗期間每天保持桶中水位(實驗組、CK組分別加同種方法同一時間處理過的污水)，試驗第5、10、15、20d時對植物和污水進行采樣測定。

在試驗前將植物幼苗移入自來水中馴養(yǎng)4d，使移栽過程中受損的根系得以恢復。4d后選取生長健壯、無枯葉、長勢基本一致、苗高在40cm左右的植株，用去離子水沖洗干凈幼苗根系后，放置于直徑、25cm、高40cm特制的黑色塑料桶內(nèi)，每桶底部鋪10cm厚、經(jīng)鹽酸浸泡16h消毒和用超離子水漂洗4次的粗砂基質(zhì)，用打孔塑料板將基質(zhì)和桶底隔開。

1.3 測定方法

水中TN含量用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定(GB1189-89)[11]，COD用HH-6化學耗氧量測定儀測定，BOD5用890型微機測定儀測定。

1.4 修復結(jié)果評價指標

植物凈化污水效果用去除率表示。去除率R\%(%)=(W初-W測)/W初×100。式中W初、W測分別表示試驗初期和測定期污水中某物質(zhì)的含量濃度(mg·L-1)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用SAS軟件GML過程進行方差分析，圖表使用Origin8.5繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 水生植物對城市污水中TN(總氮)的凈化效果

從表1可以看出，處理5d，對照對TN的去除率為(48.24±1.42)%，8種試驗水生植物去除率為(54.45±1.62)%～(74.34±2.1)%，高于對照，除玉帶草、千屈菜與對照差異不顯著(P\%>0.05)外，其他6種水生植物與對照的差異均顯著(P<0.05)，石菖蒲、黃花鳶尾去除效果最好；處理10d，8種試驗水生植物去除率為(76.12±0.79)%～(90.21±0.89)%，都顯著高于對照的(59.56±2.15)%(P\%<0.05)，黃花鳶尾最高(與石菖蒲、香蒲差異不顯著，P\%>0.05)，水葫蘆、玉帶草最低(分別與千屈菜、菖蒲、水芹差異不顯著，P\%>0.05)，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；處理15d，8種試驗水生植物去除率為(80.45±1.03)%～(92.14±1.87)%，都顯著高于對照的(63.23±1.80)%(P<0.05)，黃花鳶尾最高(與石菖蒲差異不顯著，P>0.05)，千屈菜最低(分別與水葫蘆、玉帶草、菖蒲、香蒲、水芹差異不顯著，P>0.05)，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；處理20d,8種試驗水生植物去除率為(84.12±2.67)%～(95.45±1.47)%，都顯著高于對照的(67.18±2.15)%(P<0.05)，黃花鳶尾最高(與石菖蒲、菖蒲差異不顯著，P>0.05)，玉帶草最低(分別與千屈菜、香蒲、水葫蘆、水芹差異不顯著，P>0.05)，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；黃花鳶尾、石菖蒲、菖蒲清除TN的效果最好。

隨著處理時間延長，在對照因自我修復對TN的去除率上升的同時，8種水草對TN的去除率也都呈上升趨勢，且在第15d以后都達到了80%以上，表明在一定時段內(nèi)延長處理時間可以提高對TN的去除效果。

表1 不同水生植物不同時間內(nèi)對城市污水中TN的去除率 %

注：同列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 水生植物對城市污水中TP(總磷)的凈化效果

由表2看出，處理5d，對照對TP的去除率8種試驗水生植物去除率為(50.24±1.87)%～(61.05±2.75)%，高于對照的(45.12±1.57)%，除玉帶草與對照差異不顯著外(P\%>0.05)，其他7種水生植物與對照的差異均顯著(P\%<0.05)，黃花鳶尾去除效果最好；處理10d，8種試驗水生植物去除率為(69.34±2.76)%～(76.43±2.87)%，都顯著高于對照的(59.47±2.05)%(P\%<0.05)，黃花鳶尾最高(與石菖蒲、菖蒲差異不顯著，P>0.05)，水葫蘆最低(分別與千玉帶草、千屈菜、香蒲、水芹差異不顯著，P\%>0.05)，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；處理15d，8種試驗水生植物去除率為(82.17±2.27)%～(93.04±1.67)%，都顯著高于對照的(68.46±3.04)%(P\%<0.05)，石菖蒲最高(與黃花鳶尾、水芹差異不顯著，P\%>0.05)，水葫蘆最低(分別與玉帶草、千屈菜、菖蒲、香蒲差異不顯著，P>0.05)，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；處理20d，8種試驗水生植物去除率為(84.37±1.38)%～(96.27±2.46)%，都顯著高于對照的(71.28±1.58)%(P<0.05)，黃花鳶尾最高(與石菖蒲、水芹差異不顯著，P>0.05)，水葫蘆最低(分別與玉帶草、千屈菜、菖蒲、香蒲、水葫蘆差異不顯著，P>0.05)，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；黃花鳶尾、石菖蒲、水芹清除TP的效果最好。

表2 不同水生植物不同時間內(nèi)對城市污水中TP的去除率 %

隨著處理時間延長，在對照因自我修復對TP的去除率上升的同時，8種水草對TP的去除率也都呈上升趨勢，且在第15d以后都達到了80%以上，表明在一定時段內(nèi)延長處理時間可以提高對TP的去除效果。

2.3 水生植物對城市污水中化學需氧量(COD)的凈化效果

從表3可以看出，處理5d，對照對COD的去除率為(50.23±2.37)%，8種試驗水生植物去除率為(59.34±1.37)%～(68.23±1.54)%，高于對照，除菖蒲與對照差異不顯著外(P>0.05)，其他7種水生植物與對照的差異均顯著(P\%<0.05)；處理10d，8種試驗水生植物去除率為(70.18±2.62)%～(83.25±1.75)%，都顯著高于對照的(58.98±2.14)%(P<0.05)，石菖蒲最高(與黃花鳶尾差異不顯著，P>0.05)，水葫蘆最低(分別與千玉帶草、千屈菜、菖蒲、香蒲、水芹差異不顯著，P>0.05)，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；處理15d，8種試驗水生植物去除率為(80.24±2.56)%～(91.25±1.31)%，都顯著高于對照的(65.56±2.45)%(P<0.05)，黃花鳶尾最高(與石菖蒲、香蒲、水芹差異不顯著，P>0.05)，玉帶草最低(分別與千屈菜、菖蒲、水葫蘆差異不顯著，P>0.05)，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；處理20d，8種試驗水生植物去除率為(86.19±1.13)% ～(93.27±2.36)%，都顯著高于對照的(67.28±1.45)%(P<0.05)，黃花鳶尾最高(與石菖蒲、香蒲、水芹差異不顯著，P>0.05)，玉帶草最低(分別與千屈菜、菖蒲、水葫蘆差異不顯著，P>0.05)，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；黃花鳶尾、石菖蒲、香蒲、水芹清除COD的效果比較好。

隨著處理時間延長，在對照因自我修復對COD的去除率上升的同時，8種水草對COD的去除率也都呈上升趨勢，且在第15d以后都達到了80%以上，表明在一定時段內(nèi)延長處理時間可以提高對COD的去除效果。

表3 不同水生植物在不同時間內(nèi)對城市污水中COD的去除率 %

2.4 水生植物對城市污水中生化需氧量(BOD5)的凈化效果

處理5d，對照對BOD5的去除率為(62.12±1.56)%(表4)，8種試驗水生植物去除率為(64.48±1.16)%～(72.45±2.18)%，高于對照，除玉帶草、水葫蘆與對照差異不顯著外(P>0.05)，其他6種水生植物與對照的差異均顯著(P\%<0.05)；處理10d，8種試驗水生植物去除率為(70.48±1.89)%～(83.43±2.56)%，除玉帶草外，都顯著高于對照的(67.34±2.15)%(P\%<0.05)，黃花鳶尾最高(與菖蒲、石菖蒲差異不顯著，P>0.05)，千屈菜、菖蒲、香蒲、水芹、水葫蘆之間差異不顯著，P>0.05，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；處理15d，8種試驗水生植物去除率為(78.64±1.88)%～(91.23±1.64)%，都顯著高于對照的(71.23±2.46)%(P<0.05)，黃花鳶尾最高(與石菖蒲、水芹差異不顯著，P>0.05)，玉帶草最低，千屈菜、菖蒲、香蒲、水葫蘆之間差異不顯著，P>0.05，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；處理20d，8種試驗水生植物去除率為(82.14±2.13)%～(93.27±2.86)%，都顯著高于對照的(73.45±1.58)%(P<0.05)，黃花鳶尾最高(與石菖蒲、香蒲、水芹、水葫蘆、千屈菜差異不顯著，P>0.05)，玉帶草最低，與菖蒲差異不顯著，P>0.05，最高者與最低者之間差異顯著(P\%<0.05)；在處理期間黃花鳶尾、石菖蒲、水芹清除BOD5的效果比較好。

隨著處理時間延長，在對照因自我修復對BOD5的去除率上升的同時，8種水草對BOD5的去除率也都呈上升趨勢，且在第15d以后都達到了75%以上，表明在一定時段內(nèi)延長處理時間可以提高對BOD5的去除效果。

表4 不同水生植物不同時間內(nèi)對城市污水中BOD5的去除率 %

3 結(jié)論與討論

本試驗結(jié)果為，用TN、TP、COD、BOD5濃度分別為42.56、5.32、387、264mg·L-1的污水，栽植玉帶草、千屈菜、菖蒲、石菖蒲、黃花鳶尾、香蒲、水芹、水葫蘆等8種水生植物后第5～20d，TN的去除率為(54.45±1.62)%～(95.45±1.47)%，TP的去除率為(50.24±1.87)%～(96.27±2.46)%，COD去除率為(59.34±1.37)%～(93.27±2.36)%，BOD5去除率為(64.48±1.16)%～(93.27±2.86)%；8種水生植物對城市污水中TN、TP、COD、BOD5去除率明顯高于CK，凈化效果良好，尤其是黃花鳶尾、石菖蒲，在8種植物中對TN、TP、COD、BOD5凈化效果優(yōu)于其它植物;在試驗期內(nèi)，每種水生植物對每種污染物的去除率隨時間的延長而升高，隨后趨于平穩(wěn)，去除率達到最大值。這些結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[7,10]。在栽植條件允許的情況下，為凈化城市污水中這4種污染物可優(yōu)先選用黃花鳶尾、石菖蒲。

本研究中水生植物表現(xiàn)出很好的去磷效果，去除率達(96.27±2.46)%，這可能由于磷與污水中金屬離子結(jié)合形成穩(wěn)定的化合物[13]，或者與植物根系的吸收能力有關，被根系微生物同化的結(jié)果[7,13]。李科德等人研究表明，COD的去除率與水體中的微生物數(shù)量、活動呈明顯的正相關；微生物數(shù)量大，水體溫度適宜，COD的去除率就高[14]。另外，TN、TP、COD、BOD5的去除率還與根系的組織結(jié)構有很大的關系，因為根系生物膜、導管等組織能吸附、過濾、沉淀污水中的可溶性物質(zhì)和不溶性物質(zhì)[9-10]。本試驗只篩選出在城市污水治理中比較理想的水生植物種類，至于水生植物對污水的凈化機理有待進一步的研究。

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Study on Phytoremediation of Urban Wastewater by Hydrophytes

ZHANGZhi-min1,2,ZHUXiang3,DINGXin-quan1,WANGRui1,2

(1.Tongren University, Tongren, Guizhou 554300;2.Tongren Office for Establishing National Environmental Protection Model City, Tongren,Guizhou 554300; 3.Yangling Vocational & Technical College, Yangling, Shaanxi 712100)

Phytoremediationofurbanwastewaterwasstudiedbyusing8kindsofhydrophytesnamely,Phalarisarundinaceavar.picta,LythrumsalicariaL.,Acoruscalamus,Acorusgramineus,Iriswilsonii,TyphaorientalisPresl,Oenanthejavanica(Blume)DC,Eichhorniacrassipes(Mart.)Solmsastheobjects.Whenthesehydrophytesgrewfor5d, 10d, 15dand20d,theindexofTN,TP,COD,BOD5andwastewatertransparencywasdetermined.TheresultshowedthattheTNremovalratefrom5dto20dinthewastewaterbyallthehydrophytesrangedfrom(54.45±1.62)%to(95.45±1.47)% .At20d,TNremovalbyIriswilsoniiishighest,followedbyAcorusgramineus,bothhigherthantherestofsixplantsinremovalofTN.RemovalofTPrangedfrom(50.24±1.87)%～(96.27±2.46)%andat20d,TPremovalbyIriswilsoniiishighestfollowedbyOenanthejavanica\%(Blume)DCandAcorusgramineus,bothhigherthanrestoffiveplants.RemovalofCODrangedfrom(59.34±1.37)%～(93.27±2.36)%andCODremovalbyIriswilsoniiishighestandtheleastbyPhalaris?arundinacea?var.?picta,slightdifferenceamong8plants.RemovalofBOD5rangedfrom( 64.48±1.16)%～(92.98±1.23)%,highestremovalbyOenanthejavanica\%(Blume)DCfollowedbyIriswilsoniiandAcorusgramineus,threeofthemhigherthantherestoffiveplants.The8kindsofhydrophytesshowedagoodpurificationeffectonurbanwastewater,especiallyIriswilsoniiandAcorusgramineus..Fromtheanalysisofstudy,IriswilsoniiandAcorusgramineus\%areidealplantspeciesinthephytoremediationforurbanwastewater.

Hydrophytes;urbanwastewater;phytoremediation;purificationeffect

2016-09-08 基金項目：銅仁市環(huán)保局專項(TRCMB16-3)；貴州省教育廳特色重點實驗室項目(黔教合KY字[2011]005)。

張志敏(1981-)，女，河南周口人，博士研究生，副教授，主要從事植物生理、栽培及育種研究。

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