海南高爾夫球場湖水生態(tài)凈化對比分析

魏伊寧，唐少霞，吳丹，陳艷，丁新穎，李智明，雷秋艷

(海南師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，海南 ?？?71158)

高爾夫球場為了得到高質(zhì)量的草坪和良好的擊球草坪面,在種植和養(yǎng)護(hù)草坪過程中必然要進(jìn)行施肥[1].2014年海南高爾夫球場草坪年平均單位面積施用量為371 g/m2[2].草坪大量農(nóng)藥化肥的施用，不可避免的會(huì)導(dǎo)致球場內(nèi)湖水遭受一定的污染[3,4]，研究表明球場內(nèi)湖水質(zhì)雨、旱季均出現(xiàn)CODcr、TP、Hg、Cr含量超標(biāo)現(xiàn)象[5,6]，這些超標(biāo)的污染物單純依靠湖水自凈能力很難清除干凈[7].目前國內(nèi)外主要的湖水凈化技術(shù)有物理吸附過濾、化學(xué)氧化、生物接觸氧化和生態(tài)凈化技術(shù)[8]，且研究主要集中于受污染較嚴(yán)重河流湖泊，對熱帶地區(qū)高爾夫球場內(nèi)湖水體的凈化研究則相對薄弱.而且物理吸附過濾、化學(xué)氧化、生物接觸氧化方法設(shè)備工藝相對復(fù)雜，運(yùn)行和操作條件要求較高，投入成本高，因此單純依靠物理和化學(xué)的方法不能從根本上解決問題.而海南島瓊北地區(qū)廣泛分布第四紀(jì)形成的玄武巖，如果能就地取材采用玄武巖的物理吸附及挺水植物再力花的吸收作用對高爾夫球場內(nèi)湖水體進(jìn)行生態(tài)凈化，則成本低廉、維護(hù)簡單.

玄武巖與塑料濾料、沸石、陶粒濾料相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：玄武巖表面粗糙多孔，粒徑4～6 mm,有效粒徑5.17 mm, 堆積密度0.67 g/cm3, 顆粒密度2.06 g/cm3, 粒內(nèi)孔隙率22.33%,摩擦損失率3.76%,比表面積8.23×104 cm2/g，有利于植物根徑攀扎，適合于微生物在其表面生長、繁殖，形成生物膜，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在環(huán)境中不參與生物膜的物化反應(yīng)；而且具有表面電性與親水性，可以過濾吸附重金屬等有害物質(zhì)，調(diào)節(jié)pH值，活躍水中離子含量，并且可以輕微釋放a射線和紅外線，是理想的凈水材料[9,10].而再力花為多年生挺水草本植物,好溫暖、濕潤、陽光充足的氣候環(huán)境,橫斷面具有疏松的多孔結(jié)構(gòu)，是一種潛在活性炭的制備原料.研究表明，再力花的生物存活率達(dá)70%以上，生長季結(jié)束收割時(shí)鮮重達(dá)28.7 kg/株，為移栽時(shí)的796倍，單位面積氮吸收量大，達(dá)到 72.82 g/株，單位面積對磷的吸收率為4.95 g/株，僅次于美人蕉[11].

因此為分析生態(tài)凈化技術(shù)對高爾夫球場內(nèi)湖水的凈化效果，本項(xiàng)目以?？跂|山高爾夫球場內(nèi)湖水體為研究對象，就地取材構(gòu)建生態(tài)小池，選取在海南分布廣泛的玄武巖，以及對氮、磷富集作用較明顯的再力花作為實(shí)驗(yàn)材料，通過對生態(tài)小池水質(zhì)的跟蹤監(jiān)測，分析不同凈化方式及不同時(shí)間條件下對球場湖水的凈化效果，揭示玄武巖及再力花對球場湖水的凈化規(guī)律，為海南水環(huán)境管理提供科學(xué)的數(shù)據(jù).

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域

海口市地處海南島北部，位于北緯19°32′～20°05′，東經(jīng)110°10′～110°41′，屬于熱帶海島季風(fēng)氣候區(qū)，春季溫暖少雨，夏季高溫多雨，淋溶作用強(qiáng)，秋季臺(tái)風(fēng)、雨較多，冬季少雨.海南東山高爾夫球場位于?？谑行阌^(qū)東山鎮(zhèn)距海榆中線27 km處，與嶺北水庫相依而建.于1997年開業(yè)，至今營業(yè)20年.占地124 hm2，球道總長6 446.5 m，為18洞72桿國際標(biāo)準(zhǔn)高爾夫球場[12].球場所在地的本土層主要是磚紅壤，為了增加草坪土壤的透水性，球場在建設(shè)期間，果嶺及發(fā)球臺(tái)分別輔了40～60 cm的礫石和沙子.球場內(nèi)湖位于110°14.779′E，19°47.311′N，承接球場草坪灌溉水及雨水，暴雨時(shí)人工湖一旦水滿，便排向球場西側(cè)的嶺北水庫.

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)球場的實(shí)際情況及巖石的物理吸附、水生植物的吸收原理，項(xiàng)目構(gòu)建三個(gè)60×60×80 cm的水池，A池底一層厚15 cm的玄武巖石基質(zhì),并種挺水景觀植物再力花，為了減少再力花根系所攜帶泥土對水體的污染，移植前將再力花的根系進(jìn)行清洗，然后將再力花插入漂浮在水池內(nèi)的平整泡沫板孔隙內(nèi)，泡沫板長47.0 cm、寬41.0 cm、厚3.0 cm,按“5×3”布局均勻打孔15個(gè)(株行距5 cm,孔徑4 cm)；B池底只輔一層厚15 cm的玄武巖石基質(zhì)；C池做參照池.本項(xiàng)目于2015年12月11日、2016年4月1日、2016年5月5日三次將東山球場內(nèi)湖水引入A、B、C三個(gè)池.每次引水前對湖水中的金屬元素及營養(yǎng)鹽物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測并記錄，然后再跟蹤監(jiān)測實(shí)驗(yàn)池中的水質(zhì)變化，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，分析不同凈化方式及不同時(shí)間條件下湖水的凈化效果.

1.2.2 水樣檢測與數(shù)據(jù)處理

按照國家地表水的檢測方法對海南東山高爾夫球場湖泊及生態(tài)小池內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行典型性采樣及跟蹤監(jiān)測分析. 采用ICP-MS電感耦合等離子質(zhì)譜儀檢測水體中重金屬的含量，采用Aglient Cary 60紫外分光光度計(jì)，用優(yōu)化后的鉬酸銨分光光度法測定水體中氨氮、總磷的含量[13]，采用GB11914-89重鉻酸鉀法檢測CODcr的含量，采用哈希專業(yè)檢測儀檢測水體中BOD5的含量.

用excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單項(xiàng)污染指數(shù)作為水體中CODcr、BOD5、總磷、氨氮及重金屬Cr、Zn、As、Cd、Pb、Hg等污染物富集評價(jià)方法，其計(jì)算公式為：Pi=Ci/Si.其中，Pi為水體單項(xiàng)污染指數(shù)，Ci為水樣中i的實(shí)測值，Si為國家地表水環(huán)境Ⅲ類水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)i類物質(zhì)的限值.當(dāng)Pi≤1 時(shí)，表明i類污染物未超標(biāo)，反之則超出國家標(biāo)準(zhǔn)限值.

2 結(jié)果與分析

2.1 影響湖水凈化的條件

2.1.1凈化時(shí)間對重金屬凈化效果的影響

在B池其它因素不變的情況下,2015年12月11日和2016年5月5日分別將球場內(nèi)湖水引入B池凈化8d和15d，并檢測兩個(gè)時(shí)間段后的重金屬含量，結(jié)果見圖1和表1.

圖1 不同凈化時(shí)間對重金屬凈化幅度的對比

從圖1和表1中可以看出，玄武巖對水體中的Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg等重金屬均有凈化作用，其中Cr、Cu、Zn、As、Hg的凈化效果隨時(shí)間的延長而提高.尤其是Cr、As、Hg的凈化效果更明顯，Cr元素8 d的凈化幅度為16%，而15 d的凈化幅度則為34%；As元素8 d的凈化幅度僅為1%，而15 d的凈化幅度則為22%；Hg元素8d的凈化幅度為19%，而15 d的凈化幅度則為33%.由此可見，對As、Cr、Hg元素15 d的凈化效果明顯比8 d好.對Cu、Zn這兩種元素雖然也是15 d的凈化效果比8 d好，但效果不明顯.對Cd、Pb元素15 d的凈化效果則不如8 d的好.

表1 玄武巖對湖水重金屬含量凈化幅度的時(shí)間差異

注：CiC、CiB分別為C、B池靜置和凈化8d和15d的檢測值

2.1.2凈化材料對重金屬的凈化效果

不同的凈化材料對重金屬的凈化效果有所不同.2015年5月5日將球場內(nèi)湖水引入A、B、C三個(gè)池中，15 d后檢測三個(gè)池中重金屬的含量，結(jié)果見表2和圖2.從表2和圖2中可看出A池中Hg元素經(jīng)玄武巖加再力花凈化后，凈化幅度達(dá)100%，基本上可達(dá)到完全去除的效果，將A池對水體的凈化效果與B池的進(jìn)行對比，A池中Hg的凈化效果增加了2倍；Zn的凈化效果增加了2.3倍；Cr的凈化效果增加了0.24倍；Cu的凈化效果增加了0.3倍.可見玄武巖加再力花組合對水體中Cr、Cu、Zn、Hg的凈化效果比單一采用玄武巖的效果好.但玄武巖加再力花組合對水體中As、Cd、Pb的凈化效果不如玄武巖.

表2 凈化材料對湖水重金屬凈化幅度的差異

注：CiC、CiB、CiA分別為C、B、A池靜置和凈化15d的檢測值.

圖2 凈化材料對重金屬凈化幅度的對比

2.2 玄武巖加再力花生態(tài)凈化效果評價(jià)

2.2.1對水體理化指標(biāo)凈化效果的評價(jià)

對2016年5月5日至2016年5月20日A池和C池凈化和靜置水中的CODcr、BOD5、總磷、氨氮檢測指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果見表3.

表3 靜置與凈化的水體理化指標(biāo)對比

注：CiC、CiA是實(shí)測值，Pi=Ci/Si,Si是地表水環(huán)境Ⅲ類水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值(總磷，0.05；氨氮，1；CODcr,20；BOD5,4；單位：mg/L)

從表3中可看出，凈化15 d后，A池水體中BOD5的單因子污染指數(shù)Pi值降到0.95，C池水體中的BOD5單因子污染指數(shù)Pi值為3.3，雖然凈化15 d后，A池中總磷、CODcr的Pi雖大于1，但與C池靜置的效果相比凈化幅度達(dá)78%、56%，氨氮的凈化幅度也達(dá)11%.由此可見，玄武巖加再力花對球場內(nèi)湖水中理化指標(biāo)的凈化效果是明顯的.

2.2.2 對水體重金屬指標(biāo)凈化效果的評價(jià)

對2016年5月5日至2016年5月20日A池和C池凈化和靜置水中重金屬的檢測值進(jìn)行評價(jià).結(jié)果見表4.由表4可見，雖然A池和C池靜置15 d后的Pi均小于1，但A池水的重金屬含量均比C池中的低，尤其是水體中Hg元素，C池靜置15 d后監(jiān)測值仍然為0.030，而A池凈化15 d后的監(jiān)測值已降為0.00，凈化幅度為100% ；Cr元素的凈化幅度為42%.由此可見，玄武巖加再力花對球場內(nèi)湖水中的重金屬有凈化作用.

表4 靜置與凈化的水體重金屬指標(biāo)對比

注：CiC、CiA是實(shí)測值，Pi=Ci/Si,Si是地表水環(huán)境Ⅲ類水重金屬限值(Cr，50；Cu，1000；Zn，1000；As，50；Cd，5；Pb，50；Hg，0.1；單位：μg·L-1)

3 討論

玄武巖與再力花組合對水體有凈化作用，主要是由于海南島玄武巖表面粗糙多孔，比表面積大，可以過濾吸附重金屬等有害物質(zhì)，調(diào)節(jié)pH值，活躍水中離子含量并且可以輕微釋放a射線和紅外線，而再力花則通過根系分泌含特殊的功能團(tuán)的有機(jī)物,吸附、過濾和沉淀水中的化合物,并能通過直接吸收和利用氮、磷,以及從周圍環(huán)境中交換吸附重金屬等作用以達(dá)到凈化水體.但植物在長期的進(jìn)化過程中會(huì)產(chǎn)生抵抗重金屬毒害的防御機(jī)制.解清杰等(2014)認(rèn)為玄武巖對水體的凈化效果優(yōu)于的塑料濾料、沸石、陶粒濾料[10]，再力花對水體中氮和磷的吸收效果比美人蕉好，但植物在重金屬污染的環(huán)境中，受某些重金屬脅迫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生抵抗重金屬毒害的防御機(jī)制，許彩霞(2005)研究就指出菖蒲、水蔥、美人蕉對重金屬Hg、Cd有很強(qiáng)的抵抗性[14].玄武巖與再力花組合對As、Cd、Pb的凈化效果不如單純采用玄武巖的效果好，有可能是再力花對As、Cd、Pb這三種重金屬有金屬排斥性.研究過程中發(fā)現(xiàn)有些元素隨著時(shí)間的遞延，凈化幅度變得不太明顯，有可能是受水體中元素濃度的影響,如凈化8d后Cd和Pb的凈化幅度為38%、27%，而凈化15d后凈化幅度為23%、22%.玄武巖與再力花組合對水體生態(tài)凈化的機(jī)制需要進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

(1)玄武巖對Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg重金屬均有凈化作用，玄武巖對Cr、Cu、Zn、As的凈化15d的效果比8d的好；采用玄武巖加再力花組合對重金屬Cr、Cu、Zn、Hg的凈化效果比單一采用玄武巖的效果好.

(2)玄武巖加再力花組合對球場內(nèi)湖水中的總磷、CODcr、BOD5、氨氮有凈化作用，凈化幅度分別是78%、56%、71%、11%.

(3)玄武巖加再力花組合對As、Cd、Pb的凈化效果不如玄武巖.原因需要進(jìn)一步探討.

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