不同水生植物人工浮島對生活污水的凈化效果

何海成 李青青 崔建平

摘要[目的]研究水生植物人工浮島對生活污水水體的凈化效果。[方法]利用人工浮島技術(shù)種植水生植物，通過建立模擬的靜態(tài)污水池，研究千屈菜、水生黃鳶尾、菖蒲、水生美人蕉對污水中化學(xué)需氧量（COD）、氨氮和總磷的凈化效果。[結(jié)果]污水池中，千屈菜長勢最好，所有植株開花；水生黃鳶尾和香蒲的株高變化明顯，且不斷有新芽冒出，長成完整的植株；水生美人蕉長勢最差，根系生長不明顯，只有少數(shù)植株開花，葉子呈黃色。4種植物對COD的凈化主要在生殖生長階段，對氨氮和總磷的凈化主要在營養(yǎng)生長階段。4種植物的優(yōu)選順序依次為千屈菜、水生黃鳶尾（菖蒲）、水生美人蕉。[結(jié)論]該研究可為優(yōu)選水生植物和地面水的凈化修復(fù)研究提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞 水生植物；生活污水；COD；氨氮；總磷

中圖分類號(hào) X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）03-0068-04

Abstract[Objective] To study the purification effect of aquatic plant by an artificial floating island method on domestic sewage. [Method] Cultivating aquatic plant by artificial floating island， through establishing simulated static sewage tank， the removal effects of willow vegetables， aquatic yellow iris， calamus， aquatic canna on COD， ammonia nitrogen， TP were studied. [Result] In sewage pond， willow vegetables grow best， all plants bloom；plant height of aquatic yellow iris， calamus changed obviously；aquatic canna grow worst， root growth was not obvious， only a few plants flowering， with yellow leaves. For COD， the purification of plants was mainly in the reproductive stage， and for ammonia nitrogen and total phosphorus， it was mainly in the vegetative growth stage. The optimal order of four plants was as following， willow vegetables， aquatic yellow iris（calamus）， aquatic canna. [Conclusion] This study can benefit to the optimization of the aquatic plants and the further research on purification of surface water.

Key words Aquatic plant；Domestic sewage；COD；Ammonia nitrogen；Total phosphorus

水生植物修復(fù)技術(shù)是一項(xiàng)用于清除環(huán)境中有毒有害污染物的綠色修復(fù)技術(shù)，是通過植物的根系吸附、吸收、富集和降解去除水中污染物以達(dá)到修復(fù)污水的目的，具有效率高、成本低、環(huán)境擾動(dòng)小、易于操作的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該技術(shù)還可以打造城市水體生態(tài)景觀與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，是一種具有廣闊發(fā)展前景的環(huán)境治理技術(shù)[1]。

人工浮島具有效率高、投資少、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、可實(shí)現(xiàn)原位修復(fù)和控制污染物等特點(diǎn)，近年來得到廣泛關(guān)注[2]。利用人工浮島作為載體種植水生植物可用來修復(fù)污水。同時(shí)篩選適合當(dāng)?shù)厣L且有一定觀賞價(jià)值的植物種植在人工浮島上，具有美化環(huán)境和凈化污水雙重功能[3-5]。

目前關(guān)于水生植物修復(fù)技術(shù)的報(bào)道較多，但大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室模擬階段[6-7]，而且受地域、氣候等條件的影響，無論是水生植物品種的選擇和優(yōu)化效果，還是推廣用于水體的動(dòng)態(tài)修復(fù)，都還有很多工作要做。

廊坊市蓮韻苑花卉研究所在國內(nèi)較早利用人工浮島栽培水生植物進(jìn)行景觀修飾和凈化污水研究，并在全國多地實(shí)施，取得了良好效果，但一直缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的支撐來說明不同植物對污水的凈化程度。鑒于此，筆者選擇適合北方氣候且有一定觀賞價(jià)值的千屈菜、水生黃鳶尾、菖蒲、水生美人蕉4種水生植物，通過建立模擬的靜態(tài)污水池，利用人工浮島技術(shù)，研究不同水生植物對污水的凈化效果，旨在為人工浮島污水修復(fù)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑 主要儀器：

LB-901A COD恒溫加熱器（青島路博偉業(yè)環(huán)?？萍迹?/p>

722G分光光度計(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司），

KDY-9820凱氏定氮儀（北京市通潤源機(jī)電技術(shù)有限責(zé)任公司），

SHZ-D（III）循環(huán)式真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），

FA1604N型電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司），

SC404-24-4型電熱板（江蘇省東臺(tái)市電器廠）。

主要試劑：

氯化銨、硝酸、高氯酸、氫氧化鈉，均為優(yōu)級純；

硫酸銀、硫酸汞、硫酸、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵、鄰菲啰啉、二氯化汞、碘化鉀、硼酸、氫氧化鉀、酒石酸鉀鈉、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、磷酸二氫鉀、酚酞，均為分析純。

1.2 水樣的采集及前處理

對建在廊坊市蓮韻苑花卉研究所基地的19個(gè)污水池中的水進(jìn)行采樣，污水采自廊坊市西昌路西側(cè)環(huán)城水系，同時(shí)以1個(gè)地下清水池作為對照。按照五點(diǎn)采樣法取樣，共采集樣品19個(gè)，每個(gè)樣品包含5個(gè)子樣，每個(gè)子樣250 mL，每個(gè)樣品取樣量為1 250 mL，置于聚乙烯容器中。

水樣經(jīng)過濾，測定COD含量的水樣置于細(xì)口瓶中，待用。測量水池的長、寬及水的深度，并記錄。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

2014年6—10月每隔7 d分別測定1次COD、氨氮、總磷濃度，據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式求出COD、氨氮、總磷的濃度后，乘以模擬水池中水的體積求得其含量（g）。

1.3.1 COD濃度的測定——重鉻酸鉀法[8]。

去干擾試驗(yàn)：該試驗(yàn)的主要干擾物是氯化物，可加入少量硫酸汞部分除去，經(jīng)回流后，氯離子可與硫酸汞結(jié)合成可溶性的氯汞絡(luò)合物。

水樣測定：在20 mL水樣中加入10 mL重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液、少量硫酸銀固體和幾顆沸石，搖勻，從空氣冷凝管上端緩慢加入約30 mL濃硫酸，不斷轉(zhuǎn)動(dòng)消煮管使之混合均勻。將消煮管放于恒溫加熱器上，自消解管內(nèi)溶液達(dá)到170 ℃開始沸騰起回流2 h。冷卻至室溫后，用80 mL水從空氣冷凝管上端沖洗空氣冷凝管，取下空氣冷凝管，將消煮管中液體轉(zhuǎn)移至錐形瓶中，再用水稀釋至140 mL左右。加入3滴鄰菲啰啉指示劑，用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液的顏色由黃色經(jīng)藍(lán)綠色變?yōu)榧t褐色，即為滴定終點(diǎn)。記錄滴定時(shí)消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（V1）。

空白測定：按水樣測定的方法，以20 mL超純水替代水樣進(jìn)行空白試驗(yàn)，其余試劑和水樣測定時(shí)相同，記錄空白滴定時(shí)消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（V0）。

水樣中COD濃度按下式計(jì)算：

CODCr（O2，mg/L）=（V0-V1）×c×8×1 000V

式中，c為硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；

V0為滴定空白時(shí)消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

V1為滴定水樣時(shí)消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

V為水樣的體積20 mL；

8為氧氣轉(zhuǎn)移1 mol電子的質(zhì)量。

1.3.2 氨氮濃度的測定——納氏試劑分光光度法[9]。

銨標(biāo)準(zhǔn)使用溶液：移取5 mL銨標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液于500 mL容量瓶中，加水至標(biāo)線。該溶液氨氮濃度為0.010 mg/mL。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：量取0、0.25、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL銨標(biāo)準(zhǔn)使用溶液分別于25 mL比色管中，加水稀釋至標(biāo)線，加1.00 mL酒石酸鉀鈉溶液，搖勻。再加1.50 mL納氏試劑，搖勻。放置10 min后，用光程1 cm的比色皿，以水為參比，在波長420 nm處測定吸光度。由測得的吸光度減去零濃度空白管的吸光度后，得到校正吸光度，繪制以氨氮量（mg/L）對校正吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1）。其回歸方程為：Y=-0.022 82+0.481 23X，線性相關(guān)系數(shù)（r）為0.998 5。

水樣的處理：量取25 mL水樣加入消煮管內(nèi)，打開凱氏定氮儀，設(shè)定加入氫氧化鈉溶液和硼酸溶液的時(shí)間均為2 s，點(diǎn)擊開始，加入溶液后，自動(dòng)蒸餾。待蒸餾結(jié)束后，接收瓶中約有100 mL液體，取25 mL液體置于25 mL比色管中。

水樣的測定：將處理后的水樣以測定標(biāo)準(zhǔn)曲線步驟測量吸光度。以蒸餾水代替水樣，做全程空白測定?？鄢瞻缀螅瑥臉?biāo)準(zhǔn)曲線上查得氨氮濃度（mg/L），進(jìn)而得到水樣中氨氮濃度（mg/L）。

1.3.3 總磷濃度的測定——鉬酸銨分光光度法[10]。

磷標(biāo)準(zhǔn)使用溶液：將10 mL磷標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線并混勻。該標(biāo)準(zhǔn)使用溶液磷濃度為2.00 μg/mL。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：取7支比色管分別加入0、0.50、1.00、3.00、5.00、10.00、15.00 mL磷標(biāo)準(zhǔn)使用溶液，加水至25.00 mL。加入1.00 mL抗壞血酸溶液混勻，30 s后加2.00 mL鉬酸鹽溶液充分混勻。室溫下放置15 min后，使用光程為1 cm比色皿，在700 nm波長下，以水做參比，測定吸光度?？鄢瞻自囼?yàn)的吸光度后和對應(yīng)的磷濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖2）。

水樣的消解：取25 mL水樣于50 mL錐形瓶中，加數(shù)粒碎瓷片，加2 mL硝酸在電熱板上加熱濃縮至10 mL。冷卻后加5 mL硝酸，再加熱濃縮至10 mL，冷卻。再加3 mL高氯酸，加熱至高氯酸冒白煙，調(diào)節(jié)電熱板溫度，使消解液在瓶內(nèi)壁保持回流狀態(tài)，直至剩下3～4 mL，冷卻。加5 mL水，再加2滴酚酞指示劑，滴加氫氧化鈉溶液至剛好呈微紅色，再滴加硫酸溶液，使微紅褪去，充分混勻，移至25 mL比色管中，加水定容至標(biāo)線。其回歸方程為Y=0.004 97+0.335 58X，線性相關(guān)系數(shù)（r）為0.999 9。

水樣的測定：將消解后的水樣以測定標(biāo)準(zhǔn)曲線步驟測量吸光度?？鄢瞻自囼?yàn)的吸光度后，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得磷的濃度（mg/L），即得水樣中的磷濃度（mg/L）。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種水生植物的生長狀況

植物的生長情況可以間接反映植物凈化水體和適應(yīng)污水的能力，因此試驗(yàn)期間對植物的生長狀況進(jìn)行了觀察?？傮w來說，污水池中，千屈菜長勢最好，株高變化最大，根系較發(fā)達(dá)，所有植株都開花。水生黃鳶尾和菖蒲的株高變化明顯，且不斷有新芽生出，長成完整的植株，使得試驗(yàn)種植密度增大；水生美人蕉長勢最差，根系生長不明顯，只有少數(shù)植株開花，且葉子呈現(xiàn)黃色的不健康顏色。

2.2 4種水生植物對COD、氨氮、總磷的凈化效果

2.2.1 對COD凈化效果。

從圖3可以看出，千屈菜和水生美人蕉對COD的去除呈波動(dòng)變化，最后COD含量下降相對較少；水生黃鳶尾和菖蒲對COD的凈化也呈波動(dòng)變化，最后COD含量下降相對較多。這是由于植物對COD的凈化屬于根部吸附，并由根部微生物吸收利用一部分，這說明根的多少、長短和寄居在根部的微生物成為吸附吸收COD的關(guān)鍵因素；COD含量容易受到外部環(huán)境的影響。夏季降雨增多、持續(xù)高溫等，試驗(yàn)后期模擬水池表面的藻類在生長過程中釋放大量營養(yǎng)物質(zhì)，以及植物衰敗，水生植物根系吸附能力降低，根系微生物吸收量減少等，都會(huì)導(dǎo)致COD含量的波動(dòng)。

2.2.2 對氨氮的凈化效果。從圖4可以看出，4種水生植物

對水中氨氮的凈化呈先快速下降中間波動(dòng)最后平穩(wěn)的變化趨勢。原因分析：試驗(yàn)開始階段由于泥土本身的氨氮及污水中氨氮含量較高，而此時(shí)植物生長速率較快，故氨氮含量降低較快；試驗(yàn)中期處于波動(dòng)狀態(tài)，氨氮含量的變化還受2種效應(yīng)的影響：一是水生植物吸收凈化作用，即使水中氨氮含量降低的效應(yīng)；二是細(xì)菌的氨化作用，即使水中氨氮含量升高的效應(yīng)。當(dāng)凈化作用大于氨化作用時(shí)，氨氮含量呈降低趨勢；當(dāng)凈化作用小于氨化作用時(shí)，氨氮含量呈上升趨勢。這2種作用與植物及相關(guān)微生物有關(guān)，植物的凈化能力不同，因此出現(xiàn)波動(dòng)的時(shí)間及時(shí)間的長短不同；后期趨于平穩(wěn)是由于植物對污水中氨氮的吸收量已經(jīng)達(dá)到飽和，植物所需的氨氮量和污水的氨氮量達(dá)到平衡，因此變化不大。

2.2.3 對總磷的凈化效果。從圖5可以看出，4種水生植物對總磷的凈化效果明顯，呈先快速下降后平穩(wěn)的趨勢。正磷酸鹽是總磷的重要組成部分，也是水生植物生長所必需的養(yǎng)分，同時(shí)微生物也可以通過正常同化，將磷納入分子組織去除過量的磷。

2.3 4種水生植物的優(yōu)選順序

從景觀修飾、COD、氨氮、總磷的凈化效果4個(gè)方面得到植物的優(yōu)先順序，結(jié)果見表1。

在選擇植物時(shí)不僅要考慮凈化水體的效果，還要考慮到景觀修飾的作用。在這4種水生植物中，由于水生美人蕉長勢不好，只有少數(shù)植株開花，景觀修飾作用差，雖然對水體有一定的凈化效果，但是水生美人蕉不適合種植在生活污水中；千屈菜植株變化明顯，所有植株都開花且花期相對較長，景觀修飾良好，對水體的修復(fù)效果好，達(dá)到了水體修復(fù)和景觀修飾的雙重作用，因此在生活污水中最適合種植千屈菜；而水生黃鳶尾和菖蒲的景觀修飾和水體凈化雙重作用相似。植物的優(yōu)選順序依次為千屈菜、水生黃鳶尾（菖蒲）、水生美人蕉。

3 結(jié)論

該研究結(jié)果表明，4種水生植物用于生活污水水體凈化的優(yōu)選順序依次為千屈菜、水生黃鳶尾（菖蒲）、水生美人蕉。但對于水生美人蕉的最高耐受污染濃度仍有待進(jìn)一步研究。

從對不同植物不同生長時(shí)期對COD、氨氮和總磷的吸收情況可知，植物對COD的凈化主要體現(xiàn)在營養(yǎng)生長結(jié)束、根系達(dá)到最大，即生殖生長階段；而對于氨氮和總磷來說，吸收最為明顯的階段在營養(yǎng)生長的開始，為植物的生長提供大量的營養(yǎng)物質(zhì)，以促進(jìn)其營養(yǎng)生長。

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