3種沉水植物對(duì)再生水水質(zhì)維護(hù)效果的比較*

周 雪 李兆欣 顧永鋼，3 黃炳彬 劉 操#

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

3種沉水植物對(duì)再生水水質(zhì)維護(hù)效果的比較*

周 雪1，2李兆欣1顧永鋼1，3黃炳彬1劉 操1#

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

為了防止再生水利用時(shí)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，選用苦草(Vallisnerianatans(Lour.)Hara)、金魚(yú)藻(CeratophyllumdemersumL.)和穗狀狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)3種沉水植物，配合投加鰱魚(yú)(Hypophthalmichthysmolitrix)和橢圓背角無(wú)齒蚌(Anadontawoodianaelliptica)，對(duì)再生水水質(zhì)進(jìn)行維護(hù)，對(duì)比不同組合對(duì)再生水的凈化和保持效果。結(jié)果表明：金魚(yú)藻能較好維護(hù)再生水的水質(zhì)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)中后期COD、氨氮分別在30、0.4mg/L以下，而且金魚(yú)藻可較好地抑制浮游植物的生長(zhǎng)，葉綠素a基本都小于葉綠素a水華閾值(40μg/L)，同時(shí)鰱魚(yú)和橢圓背角無(wú)齒蚌的投加能完善生態(tài)系統(tǒng)，并維護(hù)再生水pH的穩(wěn)定。

再生水 沉水植物 金魚(yú)藻 水質(zhì)維護(hù)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，水資源短缺形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻，再生水成為城市景觀用水的重要補(bǔ)給水源，得到廣泛利用。但是，由于再生水中部分污染物的濃度遠(yuǎn)高于天然水體，水體自凈能力較差，使得再生水補(bǔ)水型景觀水體的水質(zhì)難以維持穩(wěn)定。關(guān)于再生水回用于景觀水體后引起的水質(zhì)變化及維持水質(zhì)穩(wěn)定的措施，也越來(lái)越多的得到研究[1-4]。其中，利用水生植物，抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)，維護(hù)水體生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，被廣泛研究[5]。對(duì)水生植物的研究多集中于沉水植物，作為初級(jí)生產(chǎn)者，其在以再生水為水源的景觀生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控中具有重要地位[6]。

沉水植物以其特有的生態(tài)和景觀功能及易于人工操作等優(yōu)點(diǎn)，在凈化水質(zhì)和修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)方面受到普遍關(guān)注，并開(kāi)展了大量的研究[7-9]。多數(shù)研究模擬再生水的水質(zhì)條件，自配實(shí)驗(yàn)用水，之后引入沉水植物，測(cè)試水體污染物的濃度變化情況，以得出凈水效果最佳的沉水植物。但在指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，存在地域應(yīng)用限制和修復(fù)維護(hù)效果不佳等現(xiàn)象。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，本研究保持實(shí)驗(yàn)用水氮磷濃度恒定，利用水生生物——沉水植物、鰱魚(yú)和河蚌修復(fù)維持再生水，以求得適用于北京地區(qū)的再生水水體維護(hù)生物組合，為北京再生水補(bǔ)水型城市河湖的生態(tài)修復(fù)，提供應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水生生物

對(duì)沉水植物進(jìn)行篩選，以適應(yīng)性好、成活率高、對(duì)氮磷富集效果好、光合效率高、美觀、具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇[10]。選擇較多應(yīng)用于北方地區(qū)水體生態(tài)修復(fù)中的3種沉水植物[11-13]，包括苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)、金魚(yú)藻(CeratophyllumdemersumL.)和穗狀狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)。實(shí)驗(yàn)所用沉水植物購(gòu)自北京市懷柔區(qū)某園藝場(chǎng)，在自來(lái)水中馴養(yǎng)5 d后使用。

對(duì)水生動(dòng)物進(jìn)行篩選，以能夠維持水質(zhì)、吞食浮游動(dòng)植物、控制水體水華等為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。選擇鰱魚(yú)(Hypophthalmichthysmolitrix)和橢圓背角無(wú)齒蚌(Anadontawoodianaelliptica)作為實(shí)驗(yàn)用水生動(dòng)物，均購(gòu)自北京市順義區(qū)某魚(yú)塘。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水取自北京某再生水廠的再生水出水，其處理工藝為A2/O+膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在北京市順義區(qū)某再生水廠室外進(jìn)行，搭建防雨棚，放置有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。有機(jī)玻璃裝置尺寸為1.0 m×1.0 m×1.5 m，加水量為1.2 m3。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

實(shí)驗(yàn)周期為2015年8月1日至10月1日。實(shí)驗(yàn)組設(shè)置：(1)空白組，即只添加再生水；(2)單一沉水植物組，即在空白組上分別投加苦草、金魚(yú)藻和穗狀狐尾藻；(3)生態(tài)組，即在單一沉水植物組上加入鰱魚(yú)和橢圓背角無(wú)齒蚌。沉水植物方式：選取大小一致、生長(zhǎng)狀況良好的植株，增加配重將其壓入實(shí)驗(yàn)裝置底部。沉水植物的種植量為50株，總鮮質(zhì)量為(250±25) g，鰱魚(yú)的投加量為(300±5) g，橢圓背角無(wú)齒蚌投加量為3只，每只(420±20) g。

實(shí)驗(yàn)期間，蒸發(fā)水量用再生水補(bǔ)充，并用NaNO3和KH2PO4調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)用水的TN和TP濃度，使其保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷加入的氮磷元素，可模擬真實(shí)環(huán)境中氮磷污染物進(jìn)入水體的過(guò)程，并且能得到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水生生物系統(tǒng)消耗利用的氮磷元素總量，為工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

通過(guò)測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)濃度的變化，評(píng)價(jià)沉水植物對(duì)水質(zhì)的保持效果。測(cè)定指標(biāo)主要有TN、氨氮、TP、COD、pH、水溫、葉綠素a。水質(zhì)指標(biāo)測(cè)試方法參照文獻(xiàn)[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生水水質(zhì)

測(cè)試了實(shí)驗(yàn)用水初始水質(zhì)，結(jié)果如表1所示。目前，北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11890—2012)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：TN≤15 mg/L，TP≤0.5 mg/L。因此，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)用水的TN和TP濃度，使TN、TP分別穩(wěn)定在15、0.5 mg/L左右。

2.2 沉水植物生長(zhǎng)狀況

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，定期測(cè)定了沉水植物的生長(zhǎng)長(zhǎng)度，比較了不同實(shí)驗(yàn)組沉水植物的生長(zhǎng)狀況，結(jié)果如圖2所示。穗狀狐尾藻在移植后未能適應(yīng)再生水環(huán)境，未能正常生長(zhǎng)；苦草在移植初期未能正常生長(zhǎng)，生長(zhǎng)適應(yīng)期過(guò)后正常生長(zhǎng)，其中單一苦草組中苦草從30 cm左右逐漸生長(zhǎng)到40 cm左右，苦草生態(tài)組中苦草從30 cm左右逐漸生長(zhǎng)到50 cm左右；金魚(yú)藻對(duì)再生水環(huán)境的適應(yīng)較好，實(shí)驗(yàn)期間生長(zhǎng)狀況良好，且單一金魚(yú)藻組中的金魚(yú)藻在實(shí)驗(yàn)初期生長(zhǎng)較迅速，單一金魚(yú)藻組和金魚(yú)藻生態(tài)組的金魚(yú)藻均從50 cm左右逐漸生長(zhǎng)到70 cm左右。可見(jiàn)，在此再生水環(huán)境中，苦草和金魚(yú)藻能較快適應(yīng)，并正常生長(zhǎng)，可用于此再生水體的水質(zhì)維護(hù)，而穗狀狐尾藻未能正常生長(zhǎng)，在再生水體的水質(zhì)維護(hù)中，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。

表1 實(shí)驗(yàn)用水初始水質(zhì)指標(biāo)平均值

圖2 沉水植物生長(zhǎng)情況Fig.2 Growth of submerged plants

實(shí)驗(yàn)后期，水溫從最初的28 ℃左右下降到18 ℃左右，隨著水溫的降低，沉水植物生長(zhǎng)速度變慢，并逐漸停滯，之后出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。由于沉水植物死亡腐爛后，會(huì)向水體釋放污染物，對(duì)水體水質(zhì)造成污染，因此實(shí)際工程應(yīng)用中，為防止沉水植物死亡腐爛對(duì)水體造成二次污染，可在10月初進(jìn)行收割，以此施加生態(tài)管理有利于水體水質(zhì)的維護(hù)。

2.3 氮磷元素投加量對(duì)比

由圖3可知，投加苦草的實(shí)驗(yàn)組中，氮磷元素的消耗量最高，其中單一苦草組的氮、磷元素投加量達(dá)到17.04、1.500 g，苦草生態(tài)組的氮、磷元素投加量分別為12.18、1.572 g；投加金魚(yú)藻和穗狀狐尾藻的實(shí)驗(yàn)組，氮磷元素的消耗量相似；空白組出現(xiàn)氮磷元素消耗的情況，可能的原因是水體中浮游植物的生長(zhǎng)，利用了水體中的氮磷元素。因此，比較了各實(shí)驗(yàn)組的浮游植物的細(xì)胞密度，結(jié)果如圖4所示?？瞻捉M浮游植物的細(xì)胞密度明顯高于其他實(shí)驗(yàn)組，空白組浮游植物的生長(zhǎng)消耗了水中的氮磷元素。同時(shí)，投加水生生物，對(duì)水中的浮游植物有較好的抑制作用。

2.4 再生水氨氮變化對(duì)比

水體氨氮主要通過(guò)生物同化吸收和微生物的硝化與反硝化作用、揮發(fā)等機(jī)制去除，各種去除機(jī)制都直接或間接受植物和浮游植物的影響[15]。對(duì)比了各實(shí)驗(yàn)組的氨氮變化，結(jié)果如圖5所示。

沉水植物的投加，使得水體氨氮快速降低，之后氨氮能維持在0.1～0.8 mg/L，其中單一金魚(yú)藻組對(duì)水體氨氮的維護(hù)效果最好，保持在0.3 mg/L左右，金魚(yú)藻生態(tài)組的氨氮基本維持在0.4 mg/L以下，后期出現(xiàn)急增現(xiàn)象，原因是植物出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，植物體中的蛋白質(zhì)被微生物分解后產(chǎn)生氨基酸，隨后氨基酸再進(jìn)一步分解成氨氮[16]。單一金魚(yú)藻組和金魚(yú)藻生態(tài)組對(duì)水體氨氮有較好的維護(hù)效果，是由于金魚(yú)藻為微生物提供了良好的附著基質(zhì)和棲息場(chǎng)所，而且金魚(yú)藻光合作用產(chǎn)生的O2也促進(jìn)了氨氮的硝化去除?？瞻捉M出現(xiàn)氨氮降低的原因是水體浮游植物的大量生長(zhǎng)，消耗了水中的氨氮。

圖3 氮磷元素投加量對(duì)比Fig.3 Comparison of nitrogen and phosphorus adding quantity

2.5 再生水COD變化對(duì)比

對(duì)比了不同實(shí)驗(yàn)組COD的變化情況，結(jié)果如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)初期，水體中COD均出現(xiàn)快速下降又回升的現(xiàn)象，其原因是由于投加的水生生物存在吸附作用，被吸附的有機(jī)物并沒(méi)有去除，因此之后出現(xiàn)了COD的回升；而空白組COD出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象可能是再生水中的浮游生物生長(zhǎng)吸收部分COD，之后存在浮游生物死亡并產(chǎn)生釋放，總體上空白組COD穩(wěn)定在37 mg/L左右。

圖4 浮游植物的細(xì)胞密度對(duì)比Fig.4 Comparison of phytoplankton cell density

圖5 再生水氨氮變化情況Fig.5 Ammonia nitrogen concentration changes of reclaimed water

圖6 再生水COD變化情況Fig.6 COD concentration changes of reclaimed water

投加金魚(yú)藻的實(shí)驗(yàn)組，水體COD能維持在相對(duì)低的水平。單一金魚(yú)藻實(shí)驗(yàn)組隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，COD總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且在實(shí)驗(yàn)中后期COD≤30 mg/L；金魚(yú)藻生態(tài)組的COD能維持在30 mg/L左右。投加苦草和穗狀狐尾藻的實(shí)驗(yàn)組，對(duì)COD的去除效果不佳，COD波動(dòng)明顯，部分采樣時(shí)間甚至超過(guò)空白組，原因是部分沉水植物腐爛而導(dǎo)致COD升高，且實(shí)驗(yàn)組會(huì)出現(xiàn)已沉淀物質(zhì)再懸浮現(xiàn)象[17]，引起水體COD的上升。單一沉水植物組的COD總體低于生態(tài)組的原因是底棲軟體動(dòng)物排泄物釋放、積累影響到實(shí)驗(yàn)水質(zhì)[18]，致使生態(tài)組水體COD升高。

2.6 再生水葉綠素a變化對(duì)比

隨著再生水水溫的增高，葉綠素a會(huì)出現(xiàn)升高現(xiàn)象，并易發(fā)生水華，文獻(xiàn)[19]得到葉綠素a的水華閾值為40 μg/L。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，葉綠素a的變化情況如圖7所示。

圖7 再生水葉綠素a變化情況Fig.7 Chla concentration changes of reclaimed water

不同實(shí)驗(yàn)組的葉綠素a變化區(qū)別較大。空白組葉綠素a峰值達(dá)到56.15 μg/L，之后由于水溫降低，葉綠素a下降。單一金魚(yú)藻組和金魚(yú)藻生態(tài)組對(duì)于再生水體的葉綠素a的維護(hù)效果較好，其中單一金魚(yú)藻組葉綠素a最高時(shí)僅為20.89 μg/L，而金魚(yú)藻生態(tài)組的葉綠素a在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)曾達(dá)到44.90 μg/L，隨后能較好地保持在30 μg/L以下。投加苦草和穗狀狐尾藻的實(shí)驗(yàn)組，葉綠素a變化較大，對(duì)葉綠素a的維護(hù)效果弱于金魚(yú)藻。

金魚(yú)藻對(duì)葉綠素a有較好控制作用，一方面是通過(guò)光和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)，抑制了藻類(lèi)的生長(zhǎng)；另一方面是產(chǎn)生抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)的化感物質(zhì)，通過(guò)化感作用抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)[20]，進(jìn)而維護(hù)了再生水水體的葉綠素a濃度。

2.7 再生水pH變化對(duì)比

對(duì)比了不同實(shí)驗(yàn)組pH的變化情況，結(jié)果如圖8所示。

圖8 再生水pH變化情況Fig.8 pH changes of reclaimed water

各實(shí)驗(yàn)組再生水pH均出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，再生水pH升高的原因是水生植物和浮游植物的光合作用，促進(jìn)了水體pH的升高[21]。生態(tài)組的pH總體低于單一沉水植物組，原因是鰱魚(yú)和橢圓背角無(wú)齒蚌的加入，能消化吸收水體中的藻類(lèi)和有機(jī)物碎屑，且水生動(dòng)物的呼吸作用能釋放CO2，溶于水后使水體pH降低[22]。將沉水植物與鰱魚(yú)、橢圓背角無(wú)齒蚌組合使用，能完善生態(tài)鏈，促進(jìn)生態(tài)平衡。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 再生水中投加金魚(yú)藻，能較好維護(hù)水體的水質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)葉綠素a有較好控制作用，并抑制再生水水體浮游植物的生長(zhǎng)，防止水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，可應(yīng)用于北京地區(qū)再生水補(bǔ)水型城市河湖的生態(tài)修復(fù)，與鰱魚(yú)和橢圓背角無(wú)齒蚌組合使用，能完善生態(tài)鏈，促進(jìn)生態(tài)平衡。

(2) 由于水箱模擬實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際水體的真實(shí)情況依舊存在較大差距，在水溫保持、流速控制等方面存在局限性，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)不同的水文水質(zhì)條件，進(jìn)一步研究水生生物的具體投配方式，并配合施加生態(tài)管理，以達(dá)到水質(zhì)維護(hù)效果好、生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高的效果。

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編輯:黃 葦 (2016-02-29)

Comparisonofthreekindsofsubmergedplantsonthereclaimedwaterqualitymaintenance

ZHOUXue1，2，LIZhaoxin1，GUYonggang1，3，HUANGBingbin1，LIUCao1.

(1.BeijingKeyLaboratoryofWaterEnvironmentalandEcologicalTechnologyforRiverBasins，BeijingWaterScienceandTechnologyInstitute，Beijing100048;2.SchoolofEnvironment，HohaiUniversity，NanjingJiangsu210098；3.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’anShaanxi710055)

In order to prevent eutrophication coursed by the reclaimed water reuse,Vallisnerianatans(Lour.) Hara,CeratophyllumdemersumL. andMyriophyllumspicatumL. were selected,theHypophthalmichthysmolitrixandAnodontawoodianaellipticawere added as well,to maintain the reclaimed water quality. The purification and maintenance effect were compared between different experimental combinations. The results showed that the reclaimed water quality could keep stable in theCeratophyllumdemersumL. experimental group,the COD,ammonia nitrogen concentration could sustain below 30 mg/L and 0.4 mg/L respectively in the middle and later periods.CeratophyllumdemersumL. also could inhibit the growth of phytoplankton,and the chlorophyll a concentration could keep less than threshold of algal blooms (40 μg/L). Simultaneously,the ecological system was completed by the adding ofHypophthalmichthysmolitrixandAnodontawoodianaelliptica,which also maintained the pH value of reclaimed water stable.

reclaimed water; submerged plant;CeratophyllumdemersumL.; water quality maintenance

周 雪，女，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樗w富營(yíng)養(yǎng)化治理與生態(tài)修復(fù)。#

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*北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.Z151100002115008)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.007