鳳眼蓮對黑臭水體污染物處理效果的研究

張華俊, 王 妙, 王廣義, 蘇 蕾,2, 周 剛, 張曉健

(1.廣州資源環(huán)保科技股份有限公司,廣東 廣州 510601；2.廣東中大環(huán)?？萍纪顿Y有限公司,廣東 廣州 510601)

鳳眼蓮對黑臭水體污染物處理效果的研究

張華俊1, 王 妙1, 王廣義1, 蘇 蕾1,2, 周 剛1, 張曉健1

(1.廣州資源環(huán)保科技股份有限公司,廣東 廣州 510601；2.廣東中大環(huán)?？萍纪顿Y有限公司,廣東 廣州 510601)

為研究鳳眼蓮在黑臭水體生態(tài)修復(fù)過程中的處理能力，于2016年3—9月，分別進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)黑臭水體模擬實驗。研究表明：在靜態(tài)水實驗中，鳳眼蓮對TP和NH3-N表現(xiàn)出了良好的去除效果(86.6%，99.7%)，且隨著實驗時間的延長去除率逐漸增大，但對COD卻表現(xiàn)出相反的規(guī)律；在動態(tài)水體實驗中，鳳眼蓮表現(xiàn)出的污染物削減效率較靜態(tài)水體低，平均1m2鳳眼蓮對NH3-N去除率為2.76%～19.44%，對COD去除率為2.35%～19.76%，對TP去除率為5.22%～30.57%，這與水體滯留時間有較大關(guān)系。實驗證實鳳眼蓮用于黑臭水體修復(fù)是可行的，但要定期不間斷地收割過剩的鳳眼蓮，帶走其吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，從而提高總污染負(fù)荷去除量。

黑臭水體；生態(tài)修復(fù)；鳳眼蓮；污染物；削減能力

0 引言

我國城市水體正遭受嚴(yán)重污染威脅，其生態(tài)容納量小、污染來源廣、汛期水深流急、缺少自凈功能等特點(diǎn)增加了修復(fù)難度。引進(jìn)水生生物增加水環(huán)境生物多樣性，恢復(fù)水體原有生態(tài)環(huán)境，是城市黑臭水體修復(fù)的重要一步。水生植物修復(fù)是目前凈化污染水體關(guān)鍵技術(shù)之一，與傳統(tǒng)物理、化學(xué)方法相比，具有環(huán)境友好、投資低、凈化效果穩(wěn)定、便于應(yīng)用等優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

鳳眼蓮(Eichhoniacrassipes)是水生植物中研究最早同時也是實際修復(fù)工程中應(yīng)用范圍較廣的水生植物，大量研究顯示其是去除富營養(yǎng)化水體N、P效果最好的水生植物。近年來已廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水、富營養(yǎng)化湖泊、黑臭河道等水體處理中[1-5]。如在我國太湖、滇池及外港河等生態(tài)治理中得到了實際應(yīng)用[3,6-8]。大量研究證明，鳳眼蓮對污染水體的凈化效果明顯優(yōu)于任何一種水生植物[9-10]。在適宜條件下1hm2鳳眼蓮能吸收800人每天排出的氮、磷元素[11]。同時，鳳眼蓮的分泌物能克制藻類生長[11]。但鳳眼蓮大量繁殖會引起一系列生態(tài)、經(jīng)濟(jì)及社會問題[10]。由于鳳眼蓮速生快長且過度繁殖，其對水體環(huán)境質(zhì)量的綜合影響在水體生態(tài)修復(fù)工程實踐中存在較大爭議。當(dāng)其覆蓋整個水體時，會降低溶氧和透光度使其他水生動植物缺氧、缺光死亡，形成單優(yōu)種群，占據(jù)土著生物生存空間，使土著種滅絕而導(dǎo)致生物多樣性下降[3,13]。其死亡后根系吸附的懸浮物會重新釋放入水體，其殘體也會造成水體二次污染[6]。但有研究表明，鳳眼蓮衰亡期對富營養(yǎng)化水體的透明度、CODMn、TN、TP、NH4+-N 等指標(biāo)仍然具有改善作用。其殘體無論是在衰亡期(漂在水面) 還是在后續(xù)影響期(完全沉入水底)，均未對水質(zhì)惡化造成明顯的影響[14]。

因此在黑臭水體生態(tài)治理前期，在做好控制的前提下，可適當(dāng)利用鳳眼蓮處理污染較嚴(yán)重水體，待水質(zhì)提升后再改變水生物植物群落結(jié)構(gòu)，逐步恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)。在用鳳眼蓮治理黑臭水體時，不僅要定期加以收集，還要找到對鳳眼蓮進(jìn)行科學(xué)合理的后處理方法。在生態(tài)型河道治理過程中，一旦出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象要及時打撈。同時在生長旺盛時，也要見機(jī)打撈過剩鳳眼蓮，以防過度擁擠而出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象[15]。其可作畜禽的青綠飼料，也可通過技術(shù)處理將其制成干草粉等干飼料，還可用來制作沼氣或有機(jī)肥料等，但要注意重金屬污染問題[11]。通過在太湖、滇池流域進(jìn)行鳳眼蓮高效控制性種植，利用其吸收水中氮磷，并通過機(jī)械化大規(guī)模采收，制成沼氣、有機(jī)肥和飼料，不僅改善水體水質(zhì)，還實現(xiàn)了鳳眼蓮的資源化利用[7,13]。

目前對鳳眼蓮處理污染能力的研究主要集中在低污染程度水體中[1]。在高污染程度黑臭水體處理中的研究應(yīng)用少見報道。本研究系統(tǒng)研究了鳳眼蓮在靜態(tài)和動態(tài)黑臭水體中的污染處理能力。

1 材料與方法

1.1 靜態(tài)水體實驗

取3個用自來水沖洗并晾干的白色塑料水桶(直徑50cm，高60cm)為平行組，試驗中保持水深40cm，標(biāo)號分別為A、B、C，每桶加入40cm深的黑臭河道污水，用自來水將水葫蘆清洗干凈并晾干，分別稱重。A、B、C放入相同數(shù)量的水葫蘆且均勻鋪滿于試驗桶水面，保證水葫蘆在試驗期間有足夠的生長空間。陰雨天用篷布遮擋，以防降雨對實驗的影響。對于蒸發(fā)和植物蒸騰作用引起的水體減少，適當(dāng)補(bǔ)充自來水，試驗周期為20d，每隔3d測量水樣的TP、COD和NH3-N濃度。

1.2 動態(tài)水體實驗

實驗裝置由2個相同大小聚乙烯塑料水箱構(gòu)成。水箱長110cm，寬80cm，高100cm。河涌污水由潛水泵1抽入調(diào)節(jié)池，然后通過潛水泵2將調(diào)節(jié)池中的河涌污水抽入反應(yīng)池，再通過反應(yīng)池出水口排出。從反應(yīng)池上部取水，整個過程控制水體流量為0.199m3/h，水力停留時間為4.42h。實驗前，選取長勢良好等大的水葫蘆植株，進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)7d，然后從中選擇植株長勢良好、大小較一致的鳳眼蓮，去除黃葉、腐葉后放入反應(yīng)池中，鋪滿。保持實驗原設(shè)計水流，期間每天定時取調(diào)節(jié)池和反應(yīng)池中水樣1次，檢測NH3-N、COD 及TP，實驗持續(xù)時間約7d。

1.3 鳳眼蓮處理

李寶星也提出相關(guān)建議，他說：“申請注冊的商標(biāo)，凡不符合商標(biāo)法有關(guān)規(guī)定或者同他人在同一種商品或者類似商品上已經(jīng)注冊的或者初步審定的商標(biāo)相同或者近似的，由商標(biāo)局駁回申請，不予公告。所以，及時關(guān)注商標(biāo)局的公告信息至關(guān)重要，對于侵害商標(biāo)專用權(quán)的初步公告商標(biāo)，及時向商標(biāo)局提出異議。以免’生米做成熟飯’另外，他還建議，企業(yè)為保護(hù)自己的商標(biāo)權(quán)益可以注冊防御性商標(biāo)，即對與主商標(biāo)相同或相似的商標(biāo)進(jìn)行注冊，這在法律范圍是允許的，也是企業(yè)的聰明之舉。

鳳眼蓮采自河道周邊池塘，選擇生長健壯、無病害的植株。將其打撈上來后, 去除黃葉、腐根，選取大小、重量相近植株置于白色塑料桶中用自來水養(yǎng)殖備用。

1.4 分析方法

實驗過程中定期采用移液槍采集水樣于試管中直接測量。本研究所有水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)由哈希分光光度計測得。

1.5 計算公式

去除率=(處理前濃度-處理后濃度)/處理前濃度×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)水體中處理能力

整個實驗期間，水體pH呈現(xiàn)微弱增加趨勢，由初始7.76逐漸升高至7.99。研究表明適宜鳳眼蓮生長的水體pH值為6.0～9.0[2]，該范圍適合鳳眼蓮的生長，故整個實驗期間并未出現(xiàn)鳳眼蓮死亡或枯萎現(xiàn)象。

由圖2可知，在靜態(tài)水體實驗期間，水桶中COD前期表現(xiàn)出了較大的降幅，由38.67mg/L降至10mg/L，去除率高達(dá)74.1%。后期濃度雖有所增加但仍維持較低水平，去除率也相對降低。后期COD濃度有所增加，與鳳眼蓮根系生物死亡脫落有關(guān)，增加了有機(jī)質(zhì)污染。與COD的變化不同，TP和NH3-N濃度變化均一直表現(xiàn)出較大的降低趨勢。對TP而言，實驗開始時，TP濃度為1.42mg /L。隨著實驗的進(jìn)行，鳳眼蓮生長吸收大量磷元素，利用其合成了自身需要的有機(jī)物，7d后TP濃度下降至0.19mg /L，去除率高達(dá)86.6%。在實驗期最后TP降至0.07mg/ L，表現(xiàn)出對P較好的去除效果，這也可能與部分磷鹽沉入容器底部有關(guān)。NH3-N濃度的變化與TP一致，從初始的10.97mg /L，在第7d就降至3.17mg/ L，去除率高達(dá) 71.1%。到實驗結(jié)束時，水體氨氮濃度降至0.03～0.04mg/ L，去除率高達(dá)99.7%。

通常情況下，鳳眼蓮優(yōu)先選擇吸收水體NH3-N，其促進(jìn)了水體硝化、反硝化脫氮反應(yīng)過程，是污染水體脫氮機(jī)理之一[7-8]。鳳眼蓮龐大的根系可為硝化、反硝化微生物提供繁殖生長根際環(huán)境，可通過根系向水體中分泌氧氣和有機(jī)碳，其莖葉覆蓋水面限制大氣復(fù)氧及根系豐富的微生物活動強(qiáng)烈消耗氧氣，這些都為生物的硝化、反硝化過程提供了好氧-厭氧交替的良好根際微環(huán)境，從而促進(jìn)水體生物脫氮作用[2,4]。鳳眼蓮根系共生的硝化、反硝化細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水體中，進(jìn)一步說明了鳳眼蓮根系微生物可能是鳳眼蓮促進(jìn)污染水體反硝化反應(yīng)過程的主要貢獻(xiàn)者[8]。

在實驗后期，鳳眼蓮生長緩慢，這可能與營養(yǎng)鹽的大幅降低有關(guān)。研究表明在缺乏氮磷的條件下，鳳眼蓮生長會受到明顯抑制，且水體氮含量是限制鳳眼蓮生長的最主要因素，磷的影響相對較弱[2]。

2.2 動態(tài)水體中處理能力

鳳眼蓮對氮、磷元素有很高的耐受性。研究表明，只有水體氮濃度達(dá)到1514.26mg /L或水體中磷濃度達(dá)到 200.4mg /L時，鳳眼蓮才會死亡，說明鳳眼蓮具有超強(qiáng)的耐污能力[6]，可在可控前提下應(yīng)用在黑臭河道治理中。從圖3可知：鳳眼蓮植株數(shù)量明顯增多；總體來說，實驗期間黑臭河道水體中化學(xué)需氧量、總磷、氨氮均有不同程度的降低，尤其是在9月20和23日這2天，NH3-N、COD和TP濃度降幅最大，其余時間段鳳眼蓮對各營養(yǎng)鹽去除效果不是很明顯，這可能與動態(tài)水流速度不穩(wěn)定及天氣情況有關(guān)。根據(jù)研究結(jié)果初步估算，在7d內(nèi)，鳳眼蓮對水體中各營養(yǎng)鹽去除效果，對NH3-N去除率約為2.76%～19.44%，對COD去除率約為2.35%～19.76%，對TP去除率約為5.22%～30.57%。該范圍同王錦旗等研究結(jié)果一致，其研究發(fā)現(xiàn)：在流動水體中，鳳眼蓮在重污染水體流動約500m 后，平均TN、TP、BOD5含量分別降低 11.93%、4.93%、18.98%[10]。

以上研究結(jié)果表明，鳳眼蓮具有良好的凈化水體、去除黑臭水體中營養(yǎng)物質(zhì)的能力，黑臭水體在一定污染濃度范圍內(nèi)也為鳳眼蓮的生長與繁殖提供了營養(yǎng)物質(zhì)。由此可見，如能將鳳眼蓮的發(fā)生范圍控制在一定區(qū)域內(nèi)，它將大大減輕水體污染狀況，從而以危害性最低的生物修復(fù)方法來實現(xiàn)對黑臭水體的凈化。

2.3 動靜水體去除率對比分析

由圖4可知，在靜態(tài)水體中，鳳眼蓮對TP和NH3-N表現(xiàn)出了良好的去除效果，且隨著實驗時間的延長去除率逐漸增大。但對COD的去除效果卻表現(xiàn)出相反的規(guī)律。這可能與后期水葫蘆植物體或根系附作物衰老死亡剝落有關(guān)。研究表明：鳳眼蓮對污水中 N、P 等營養(yǎng)物的凈化效率與污水中N、P 營養(yǎng)的濃度負(fù)荷有很大相關(guān)性。隨著 N、P 濃度負(fù)荷的增加，風(fēng)眼蓮對N、P的去除亦增加，但若N、P濃度負(fù)荷太高，超過鳳眼蓮的吸收速度，則凈化效率反而下降[1,4]。前期實驗污水各營養(yǎng)鹽濃度較高，吸收率較低，隨著污染物的逐漸吸收削減降低，后期植物對營養(yǎng)鹽的吸收越來越高，故營養(yǎng)鹽的吸收率逐漸表現(xiàn)為升高。此外也與大苗齡鳳眼蓮對水體氮去除率更高有關(guān)[16]。

但在流動水體試驗中，鳳眼蓮表現(xiàn)出的污染物削減效率并不理想，平均每1m2鳳眼蓮對NH3-N去除率約為2.76%～19.44%，對COD去除率約為2.35%～19.76%，對TP去除率約為5.22%～30.57%。這與水體滯留時間有較大關(guān)系，水力負(fù)荷是影響污水凈化系統(tǒng)N、P去除的一個重要因素。一般水力負(fù)荷越小，污水的停留時間就越長，N、P去除效率越高。鳳眼蓮凈化系統(tǒng)對水體N、P的去除率隨水力負(fù)荷的提高而降低[1]。

實驗證實鳳眼蓮用于黑臭河道修復(fù)是可行的，但必須因地制宜，保證營養(yǎng)夠投放的生物量所需。在凈化階段，要定期不間斷地收割過剩的鳳眼蓮，帶走其吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，從而提高總污染負(fù)荷去除量，并及時打撈腐爛有機(jī)體，以防其溶解釋放導(dǎo)致水體水質(zhì)二度惡化。在鳳眼蓮生長初期，其生長速度快、吸收氮磷效率高，應(yīng)增大鳳眼蓮種苗的用量，在控制性種植的前提下給予足夠的繁殖空間，控制性種植區(qū)域內(nèi)植株個體出現(xiàn)擁擠時，應(yīng)及時收獲部分鳳眼蓮，通過控制生物量為植物快速生長創(chuàng)造優(yōu)良條件，將植物吸收作用發(fā)揮到極限。 實際種養(yǎng)過程中，建議每隔 14～21d收獲 1次鳳眼蓮，以獲取更高的鳳眼蓮生物量，從而達(dá)到提高其凈化效果的目的[1]。利用鳳眼蓮進(jìn)行生態(tài)修復(fù)過程中，要區(qū)別水體環(huán)境，對流動水體，鳳眼蓮蓋度可達(dá)100%，對靜止水體，可通過定期打撈的方式，控制其蓋度(不超過 50%為宜)，既可不影響水體復(fù)氧，又可不影響其他水生生物生長繁殖，還可有效地去除水體營養(yǎng)鹽，起到凈化水質(zhì)、美化環(huán)境的作用[10]。

3 結(jié)論

在靜態(tài)水體中，鳳眼蓮對TP和NH3-N表現(xiàn)出了良好的去除率，且隨著實驗的持續(xù)去除率逐漸增大，但COD卻表現(xiàn)出相反的規(guī)律。

在動態(tài)水體中，鳳眼蓮表現(xiàn)出的污染物削減效率較靜態(tài)水體中低，平均1m2鳳眼蓮對NH3-N去除率約為2.76%～19.44%，對COD去除率約為2.35%～19.76%，對TP去除率約為5.22%～30.57%。這與裝置中水體滯留時間有較大關(guān)系。

實驗證實鳳眼蓮用于黑臭河道修復(fù)是可行的，尤其在靜態(tài)水體中效果更好。在工程實踐中，采用其凈化水體時建議將其布置在流速較低的緩流區(qū)域。

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Study on Pollutants Treatment Capacity of EichhorniaCrassipes inthe Ecological RestorationofBlack and Odorous Water Body

ZHANG Hua-jun1, WANG Miao1, WANG Guang-yi1, SU Lei1,2, ZHOU Gang1, ZHANG Xiao-jian1

(1. Guangzhou Resource Environmental Protection Technology Co.,Ltd , GuangzhouGuangdong 510601, China)

In order to study the treatment capability of Eichhorniacrassipes in black and odorous water body ecological restoration, static and dynamic black and odorous water simulations were conducted to quantify their ability to remove nutrients in March to September, 2016. The results showed that the removal efficiency of TP and NH3-N was high in the static water, and the removal rates increased with the progress of the experiment, but COD showed the opposite regularity. In dynamic water, Eichhorniacrassipes showed lower treatment capability than that in static water, the average removal rate of NH3-N was about 2.76-19.44%, the COD removal rate was about 2.35-19.76% and TP removal rate was about 5.22-30.57%, which indicated a greater relationship with the water retention time.The experiment proved that Eichhorniacrassipes was feasible for the restoration of the black and odorous water body, but it must be adapted to the local conditions to ensure that the nutrients needed to put in the biomass. The continuous and regular harvest of excess Eichhorniacrassipesshouldbeensured to take away its absorption of nutrients.Thereby increasing the total pollution load removal and timely salvage of rotting organisms were necessary to prevent the dissolution of the release of water leading to deterioration again.

black and odorous water body; ecological restoration; Eichhoniacrassipes; pollutants; treatment capability

2017-02-14

廣州市科技計劃科技攻關(guān)項目(201300000117)；廣州市科技計劃產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項項目民生科技研究(201508020077)。

張華俊(1983-), 男, 博士, 主要從事水環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計與研究。

張華俊, 博士, 主要從事水環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計與研究。

X52

A

1673-9655(2017)04-0031-04