劉海琴, 邱園園, 聞學政, 王 巖, 張迎穎, 宋 偉, 張志勇**
(1. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室 南京 210014; 2. 南京理工大學環(huán)境與生物工程學院 南京 210094)
水體富營養(yǎng)化是目前水環(huán)境污染的一個主要問題, 引起了人們的廣泛關注和政府部門的高度重視,氮、磷濃度過高是水體富營養(yǎng)化的關鍵原因。目前,城市污水廠的大量建立和排放標準的嚴格執(zhí)行, 工業(yè)廢水和城市生活污水等點源污染得到了有效控制。但對于農(nóng)村面源污染的重視程度遠遠不夠, 農(nóng)村面源污染已經(jīng)取代點源污染成為水環(huán)境污染的重要來源[1]。農(nóng)村污水排放具有污染分散、間歇排放、銨態(tài)氮含量高、重金屬等有毒有害物質(zhì)較少等特點,且農(nóng)村生活污水排放和當?shù)剞r(nóng)民生活方式與作息規(guī)律密切相關[2]。目前村鎮(zhèn)污水廠主要以A2O工藝生物處理為主, 污水廠尾水排放執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準,允許的最高總氮(TN)和總磷(TP)排放濃度分別為15.0 mg·L-1和 0.5 mg·L-1, 仍然比《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中Ⅴ類水TN和TP濃度(2.0 mg·L-1、0.2 mg·L-1)分別高 6.5 倍和 1.5 倍。污水中氮、磷的去除是治理富營養(yǎng)化水體的關鍵。然而, 投入大量資金修復富營養(yǎng)化湖泊水體, 并不能從根本上解決其富營養(yǎng)化問題, 只能延緩其發(fā)展趨勢。減少入湖河流水體中的污染物尤其水體氮、磷濃度才能從根本上減緩水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。污水廠排放的較高氮、磷濃度尾水是入湖河流氮、磷的一個重要來源[3]。因此, 深度凈化污水廠尾水, 進一步削減水體中的氮、磷污染物非常必要。污水廠尾水高濃度常規(guī)污水深度處理技術包括活性炭吸附、膜分離、離子交換和高級氧化等物理化學方法[4-5], 以及曝氣生物濾池和生物接觸氧化法等生物法[6-9]。近幾年,人工濕地也廣泛應用于尾水的深度凈化[10-11]。這些尾水深度凈化措施在應用過程中均存在一定的缺陷,如: 物理化學法處理流程復雜; 膜反應器存在膜污染;活性炭的再生成本高; 高級氧化法的運行費用高,推廣難度大問題; 人工濕地法存在植物腐敗滋生二次污染且基質(zhì)使用壽命短的缺點。根據(jù)農(nóng)村污水來源和村鎮(zhèn)污水廠尾水排放特點, 從生態(tài)效益和經(jīng)濟效益綜合考慮, 利用水生植物具有高氮磷富集能力和資源化利用潛力的特點, 削減源頭污染物, 養(yǎng)分循環(huán)再利用, 可以創(chuàng)建水生植物深度凈化污水廠尾水和氮磷等養(yǎng)分再利用的生態(tài)治理新模式。
目前水生植物修復技術主要應用于富營養(yǎng)化湖泊或其他富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復中, 在尾水深度凈化方面研究和應用較少。水生植物生態(tài)特性不同, 對水體氮、磷的去除效果和機制不同。劉士哲等[12]研究3種漂浮植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果, 發(fā)現(xiàn)漂浮植物對富營養(yǎng)化水體具有較好的凈化效果。唐藝璇等[13]研究了3種挺水植物對富營養(yǎng)化水體效果的研究, 表明3種挺水植物對水體氮、磷吸收特性具有差異性, 適合修復的水體類型不同。吳娟等[14]研究了沉水植物輪葉黑藻(Hydrilla verticillata)對富營養(yǎng)化湖泊水體和沉積物中氮、磷去除效果, 發(fā)現(xiàn)輪葉黑藻可以顯著提高水體溶解氧(DO)和沉積物氧化還原電位(ORP), 有效降低水體和沉積物中的氮、磷含量。由上述研究可知水生植物可應用于水體氮、磷的去除, 且不同水生植物具有不同的吸收氮、磷特性, 因此對于特定水體植物修復技術中的植物篩選研究具有必要性。
研究表明, 水生植物凈化水體氮、磷的能力與水體流動模式有關, 流動水體 TN、TP的去除率遠低于靜止水體[15]; 低負荷氮、磷含量水生系統(tǒng)中, 水生植物對氮、磷的去除起主要作用[16], 而在高氮、磷負荷的系統(tǒng)中, 雖然植物吸收量增加, 但是其吸收量占水體損失量比例卻是降低趨勢[17]。張志勇等[18]研究發(fā)現(xiàn)不同的水力負荷條件下, 鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)對富營養(yǎng)化水體TN、TP的去除率不同, 隨水力負荷的增加而減少。目前水生植物已被廣泛應用于多類污染水體的生態(tài)修復, 但對于污水廠尾水深度凈化以及對氮、磷等污染物的削減能力方面的研究較少, 尤其對于村鎮(zhèn)污水廠尾水的水生植物生態(tài)處理研究更少。
本研究以南京市高淳區(qū)東壩鎮(zhèn)生活污水廠實際排放尾水為深度凈化對象, 構(gòu)建小型動態(tài)模擬試驗裝置, 研究了鳳眼蓮、水浮蓮(Pistia stratiotes)、輪葉黑藻和黃菖蒲(Iris pseudacorus)4種水生植物對同一尾水的深度凈化效果, 以期為后續(xù)污水廠尾水深度凈化生態(tài)工程的水生植物篩選提供依據(jù)。
供試植物: 鳳眼蓮, 俗名水葫蘆, 雨久花科(Pontederiaceae)鳳眼蓮屬, 多年生漂浮植物; 水浮蓮, 天南星科(Araceae)大薸屬, 多年生漂浮植物;輪葉黑藻, 水鱉科(Hydrocharitaceae)黑藻屬, 多年生沉水植物; 黃菖蒲, 鳶尾科(Iridaceae)鳶尾屬, 多年生挺水植物。4種水生植物均采自江蘇省農(nóng)業(yè)科學院1#塘。進水來自東壩鎮(zhèn)生活污水廠實際每天排放的尾水, 其主要理化指標見表 1。用水泵直接從污水廠出水口抽入到1 000 L的儲水箱, 采用20個300 L白色周轉(zhuǎn)箱作為試驗容器, 中轉(zhuǎn)箱長、寬、高分別為0.90 m、0.55 m、0.65 m。
表1 試驗用村鎮(zhèn)污水處理廠尾水的主要理化指標Table 1 Main physicochemical indexes of the tailrace of rural sewage treatment plant used in the experiment
2016年8月26日至11月25日, 在南京市高淳區(qū)東壩鎮(zhèn)生活污水處理廠(3 1°1 7′2 8.0″N、119°02′29.3″E)北側(cè)一個通風透光的擋雨棚中進行試驗。構(gòu)建水生植物動態(tài)模擬試驗裝置(圖1)。本試驗設置5個處理組, 每組4 個重復, 分別為鳳眼蓮組、水浮蓮組、輪葉黑藻組、黃菖蒲組和對照組。利用小流量潛水泵將污水廠尾水持續(xù)抽入5個處理組的試驗裝置中, 水力停留時間(HRT)為3 d, 水力負荷為0.20 m3·m-2·d-1。除對照組外, 其他4組相對應地均分別投放2.53 kg·m-2植株, 其中黃菖蒲固定在白色泡沫板上, 除沉水植物輪葉黑藻外, 其余處理系統(tǒng)中植物的水面覆蓋度均為80%。每6 d采集水樣1次,每個處理采集4個重復, 每個重復采集500 mL水樣?,F(xiàn)場測定水體水溫、溶解氧(DO)、pH、氧化還原電位(ORP)和電導率(EC); 采集的水樣及時帶回實驗室測定。植物樣每15 d采集1次, 現(xiàn)場測定株高、根長和SPAD值(輪葉黑藻除外), 每種植物測定4次;每個重復裝置采集3株植株帶回實驗室, 測定植株干物質(zhì)含量和氮磷含量。試驗結(jié)束時(2016年11月25日)采收各處理系統(tǒng)內(nèi)植物, 并用自來水沖洗干凈, 稱量生物量(鮮重)。
圖1 水生植物深度凈化村鎮(zhèn)污水處理廠尾水動態(tài)模擬試驗裝置圖Fig. 1 Sketch of the dynamic simulation device of the deep purification of rural sewage treatment plant tailrace with aquatic plants
水溫、pH、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)和電導率(EC)采用YSI professional plus (USA)測定儀現(xiàn)場測定。水樣總氮(TN)、銨態(tài)氮(NH-N)和總磷(TP)采用 SEAL AA3連續(xù)流動分析儀測定; 高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用酸性高錳酸鹽滴定法測定; 水生植物鮮重采用稱重法測定; 植株TN和TP含量采用濃H2SO4-H2O2消解法測定, 測定方法詳見《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[19]。試驗數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值±標準偏差表示, 統(tǒng)計分析采用 SPSS 22.0軟件處理,對水質(zhì)參數(shù)比較差異進行單因素方差分析, 多重比較選用LSD檢驗, 顯著性水平設置為P<0.05, 作圖均采用Origin 8.5軟件。
如圖 2A所示, 進水 pH變化范圍是 7.3~8.9, 5個處理組出水與進水 pH變化趨勢相同, 其中對照組pH為8.4~10.1, 極顯著高于進水和4種水生植物處理組(P<0.01); 鳳眼蓮、水浮蓮漂浮植物處理組pH顯著低于進水(P<0.05); 黃菖蒲處理組pH低于進水, 但差異不顯著(P>0.05); 輪葉黑藻處理組出水pH 高于進水, 但不存在顯著性差異(P>0.05)。鳳眼蓮、水浮蓮和黃菖蒲出水pH接近中性, 均值分別為7.2、7.4和 7.7。
如圖2B所示, 進水DO濃度為5.9~13.7 mg·L-1,變化幅度較大, 呈先升高后降低的變化趨勢, 試驗周期內(nèi), 均值為10.2 mg·L-1; 鳳眼蓮、水浮蓮及黃菖蒲處理組出水DO濃度顯著低于進水, 均值分別為5.8 mg·L-1、6.1 mg·L-1和 8.3 mg·L-1; 輪葉黑藻處理組出水與進水 DO 濃度不存在顯著差異, 均值為 9.3 mg·L-1;對照組出水顯著高于進水, 均值為12.5 mg·L-1。
如圖 3A所示, 整個試驗周期內(nèi), 進水 ORP在88.3~207.8 mV波動, 平均值為150.8 mV, 呈先升高后降低再升高的變化趨勢, 進水與 5個處理組出水之間無顯著性差異; 鳳眼蓮、水浮蓮和黃菖蒲 3種水生植物處理組出水ORP略高于進水, 顯著高于對照組出水, 其均值分別為 164.1 mV、156.3 mV、152.5mV。試驗初始階段, 輪葉黑藻處理組出水略低于進水, 隨著試驗進行, 其出水略高于進水, 顯著高于對照組出水, 顯著低于另外 3種水生植物處理組,均值為139.8 mV。
試驗水體 EC變化如圖 3B所示。進水 EC在307.3~444.7 μS·cm-1波動, 均值為 391.3 μS·cm-1, 呈先升高后降低再升高的變化趨勢。5個處理組出水EC與進水變化趨勢相同, 略低于進水, 但不存在顯著性差異, 且 5個處理組出水 EC間也無顯著性差異。鳳眼蓮、水浮蓮、黃菖蒲、輪葉黑藻處理組和對照組出水 EC 均值分別為 355.5 μS·cm-1、368.0 μS·cm-1、370.0 μS·cm-1、384.5 μS·cm-1和 347.2 μS·cm-1。
CODMn可以反映水體中可被氧化的有機物含量。試驗水體CODMn變化如圖4所示。進水CODMn為 2.0~4.6 mg·L-1, 均值為 3.88 mg·L-1, 低于《水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類水, 濃度較低, 但整體上5個處理組對尾水有機物都有一定的削減作用。試驗周期內(nèi),鳳眼蓮、水浮蓮、輪葉黑藻、黃菖蒲處理組和對照組出水 CODMn濃度均值分別為 2.41 mg·L-1、2.68 mg·L-1、2.62 mg·L-1、2.62 mg·L-1和 2.41 mg·L-1, 5個處理組 CODMn平均去除率分別為 42.27%、30.93%、32.47%、32.47%和37.89%。5個處理組之間無顯著性差異, 有機物降解效果較低, 可能原因是水體本身的有機物含量較低, 水生植物作用不明顯??瞻讓φ战M滋生了大量的藻類, 對水體有機物起到一定的降解作用。
試驗水體TN變化趨勢如圖5所示。試驗周期內(nèi), 進水TN變化幅度為7.52~21.81 mg·L-1, 變化波動較大, 均值為12.22 mg·L-1; 鳳眼蓮、水浮蓮、輪葉黑藻、黃菖蒲處理組和對照組出水 TN濃度變化幅度分別為 3.95~12.70 mg·L-1、4.37~13.11 mg·L-1、3.83~13.40 mg·L-1、3.89~12.77 mg·L-1和 4.30~14.86 mg·L-1, 均值分別為 6.57 mg·L-1、6.63 mg·L-1、6.92 mg·L-1、7.53 mg·L-1和 8.65 mg·L-1, 顯著低于進水,水生植物處理組顯著低于對照組, 平均去除率分別為46.25%、45.74%、43.41%、38.39%和29.22%, 水生植物處理組顯著高于對照組。
圖2 試驗期間村鎮(zhèn)污水處理廠尾水和不同處理組出水pH和溶解氧(DO)變化Fig. 2 Changes of pH and dissolved oxygen (DO) in the tailrace of rural sewage treatment plant and effluents of different treatments during the experiment
試驗水體TP的濃度變化如圖7所示。進水與5個處理組出水 TP濃度整體呈波動變化趨勢。進水TP 濃度為 0.14~0.80 mg·L-1, 均值為 0.38 mg·L-1。整個試驗期間, 鳳眼蓮、水浮蓮、輪葉黑藻、黃菖蒲處理組及對照組出水 TP濃度分別為 0.08~0.72 mg·L-1、 0.08~0.73 mg·L-1、 0.08~0.74 mg·L-1、0.08~0.79 mg·L-1和 0.09~0.78 mg·L-1, 均值分別為0.24 mg·L-1、0.25 mg·L-1、0.26 mg·L-1、0.27 mg·L-1和0.28 mg·L-1, 除10月9日外, 顯著低于進水, 去除率分別為 36.84%、34.21%、31.58%、28.95%和26.32%。
圖3 試驗期間村鎮(zhèn)污水處理廠尾水和不同處理組出水氧化還原電位(OPR)和電導率(EC)變化Fig. 3 Changes of redox potential (ORP) and electrical conductivity (EC) in the tailrace of rural sewage treatment plant and effluents of different treatments during the experiment
圖4 試驗期間村鎮(zhèn)污水處理廠尾水和不同處理組出水高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)變化Fig. 4 Changes of permanganate index (CODMn) in the tailrace of rural sewage treatment plant and effluents of different treatments during the experiment
圖5 試驗期間村鎮(zhèn)污水處理廠尾水和不同處理組出水總氮(TN)濃度變化Fig. 5 Changes of total nitrogen (TN) concentration in the tailrace of rural sewage treatment plant and effluents of different treatments during the experiment
圖6 試驗期間村鎮(zhèn)污水處理廠尾水和不同處理組出水銨態(tài)氮(NH-N)濃度變化Fig. 6 Changes of ammonia nitrogen (NH-N) concentration in the tailrace of rural sewage treatment plant and effluents of different treatments during the experiment
不同水生植物有不同的生長特性, 在水體凈化過程中具有不同的氮、磷富集能力。即使對同一種水生植物, 其莖葉和根系吸收氮、磷能力也不相同。由表 2可知, 4種水生植物初始生物量(鮮重)均為2.53 kg·m-2, 試驗結(jié)束時, 鳳眼蓮、水浮蓮、黃菖蒲和輪葉黑藻的生物量凈增長率分別為 550.5%、418.8%、210.6%和 80.3%, 鳳眼蓮和水浮蓮增長率顯著高于黃菖蒲和輪葉黑藻, 輪葉黑藻的凈增長率最小。鳳眼蓮、水浮蓮、黃菖蒲和輪葉黑藻對尾水氮、磷的吸收能力存在差異, 其中沉水植物輪葉黑藻每千克干基對尾水氮、磷吸收量最高, 顯著高于另外 3種水生植物。整個試驗周期內(nèi), 鳳眼蓮對模擬試驗系統(tǒng)中的氮富集總量顯著高于另外3種水生植物, 沉水植物輪葉黑藻對磷的富集總量顯著高于另外3種水生植物。由表3可知, 在此模擬水生植物凈化尾水系統(tǒng)中, 植物吸收作用不是水體總氮去除的主要途徑; 但植物吸收作用是水體總磷去除的重要或主要途徑。
圖7 試驗期間村鎮(zhèn)污水處理廠尾水和不同處理組出水總磷(TP)濃度變化Fig. 7 Changes of total phosphorus (TP) concentration in the tailrace of rural sewage treatment plant and effluents of different treatments during the experiment
表2 試驗周期內(nèi)鳳眼蓮、水浮蓮、黃菖蒲和輪葉黑藻生物量和氮、磷吸收能力Table 2 Absorptive capacities of nitrogen (N) and phosphorus (P) and total biomass of Eichhornia crassipes, Pistia stratiotes, Hydrilla verticillata, and Iris pseudacorus during the experiment
表3 試驗期間各處理系統(tǒng)植物吸收作用對尾水氮、磷削減表觀貢獻率Table 3 Apparent contributions of plant absorption to nitrogen (N) and phosphorus (P) removals in the effluents from rural sewage treatment plants after different aquatic plants treatments during the experiment
本試驗結(jié)果表明鳳眼蓮和水浮蓮等漂浮植物可以降低水體pH和DO, 與王智等[20]研究結(jié)果一致。原因可能是鳳眼蓮和水浮蓮覆蓋于水面之上, 抑制了水體中藻類的光合作用, 阻止了水體初級生產(chǎn)者對 CO2的利用; 漂浮植物茂密的根系及根系附著的水生動物的呼吸作用可以產(chǎn)生 CO2; 鳳眼蓮和水浮蓮的根系可以分泌酸性有機物質(zhì), 使pH降低。輪葉黑藻沉水植物可以促進水體 pH的升高, 這與輪葉黑藻可在水體中進行光合作用, 消耗水體中CO2, 打破水體中和的離子平衡, 生成更多的OH-有關[21]。鳳眼蓮和水浮蓮等漂浮植物可以降低水體中 DO濃度, 原因可能是鳳眼蓮和水浮蓮覆蓋于水面之上, 阻礙氧氣由大氣進入水體, 同時由于遮光作用, 抑制了水體中浮游藻類的光合作用; 黃菖蒲處理組出水 DO降低, 則是因為固定黃菖蒲的飄浮載體的遮光作用, 抑制了水體中浮游藻類的光合作用。因此應用水生植物凈化水體時應注意覆蓋度對其 DO的影響, 合理安排水生植物投放量和控制水生植物覆蓋面積。輪葉黑藻沉水植物可提高水體DO, 這與吳娟等[14]研究結(jié)果相一致。
ORP是水體生態(tài)系統(tǒng)中一系列氧化物質(zhì)和還原物質(zhì)進行氧化還原反應的綜合結(jié)果[22], 可以客觀反映水質(zhì)狀況, 是水質(zhì)變化的先行指標, 與水體中其他水質(zhì)指標有關, 因此可以綜合其他水質(zhì)指標來衡量水體生態(tài)狀況[23]。水體ORP與水體水溫和pH呈顯著負相關[24], 與水體 DO濃度呈正相關[25]。水生植物光合作用產(chǎn)生的氧氣, 除通過莖葉等組織釋放到水體中外, 還通過自身的維管束系統(tǒng)運送到根系,滿足根系呼吸作用等生命活動的需要, 維持植物的正常生長, 同時, 將氧氣通過根毛區(qū)釋放到根區(qū)環(huán)境中, 調(diào)節(jié)水體的氧化還原環(huán)境[26]。本試驗結(jié)果表明水生植物可以提高水體的 ORP, 這與以往研究結(jié)論一致[27]。
水體 EC是衡量水質(zhì)的重要指標之一, 反映了水體中的離子強度, 水體中不同形態(tài)的營養(yǎng)鹽離子、金屬離子濃度都會影響水體EC。4種水生植物可以降低水體的 EC, 這與王智等[27]研究鳳眼蓮可以提高水體的EC而輪葉黑藻可以降低水體EC的結(jié)論不太一致, 原因可能是處理的水體不同, 水生植物生長狀況不同。pH升高, 可以促進水體中一些金屬離子發(fā)生沉淀作用, 水體EC降低。本研究中鳳眼蓮和水浮蓮處理使水體 pH降低的同時, 也降低了水體EC, 原因可能是本試驗漂浮植物的根系相對比較發(fā)達, 對系統(tǒng)水體中懸浮物、顆粒物等吸附攔截能力較強所致。
4種水生植物對尾水TN、TP的去除率顯著高于對照組, 鳳眼蓮高于另外 3種水生植物處理組, 但無顯著性差異。試驗周期內(nèi)鳳眼蓮富集水體氮的總量雖顯著高于另外 3種水生植物, 其吸收作用對尾水 TN的削減表觀貢獻率也最高, 但僅為 15.29%,因此, 本試驗條件下植株吸收作用不是尾水氮去除的主要途徑。而就尾水總磷的去除而言, 鳳眼蓮和輪葉黑藻自身吸收的磷總量分別占本處理系統(tǒng)尾水TP消減總量的50.34%和76.34%, 2種植物的吸收作用則是尾水磷去除的主要途徑。此外, 本模擬試驗與以往水生植物修復富營養(yǎng)化水體氮、磷效果的研究結(jié)果相比, 對污水廠尾水氮、磷的去除效率較低,可能因為本試驗所在的污水處理廠6—7月受持續(xù)強降雨影響遭到水淹, 致使相關處理設施修繕后才開始正式運行, 導致本試驗開始日期相對較晚, 受溫度等因素影響, 水生植物生長和微生物作用減弱所致。有研究[28-29]表明, 水生植物生長初期對水體氮、磷的吸收作用高于生長后期, 特別是鳳眼蓮在生長初期通過主動吸收凈化高濃度富營養(yǎng)化水體氮的效率最高。
本研究發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮對尾水氮的吸收能力雖低于黃菖蒲和輪葉黑藻, 但其生物凈增量最高, 達到了初始生物量的6.5倍, 遠高于其他3種水生植物。因此, 試驗期間鳳眼蓮對尾水氮的吸收總量最高; 而輪葉黑藻盡管生物增長量最低, 但因其組織內(nèi)磷含量遠高于其他 3種植物, 致使其對磷的吸收總量最高。綜合考慮 4種水生植物的生長狀況和對尾水氮磷的吸收總量與去除效果, 筆者認為漂浮植物鳳眼蓮和沉水植物輪葉黑藻可作為生活污水尾水深度處理的優(yōu)勢物種, 在生態(tài)修復工程實踐中, 若采取兩種水生植物立體復合種養(yǎng)的方式, 將有助于提高尾水氮、磷的去除效果。
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