5種姜科植物對污水的凈化作用研究

黃威龍，宋鳳鳴，何新杰，彭昭良，董 雷，吳 志

（深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，我國的水體污染越來越嚴(yán)重［1］。水生植物由于具有良好的凈化能力、豐富多樣的景觀效果、獨特的經(jīng)濟(jì)效益和能耗較低等優(yōu)點［2］，正越來越多地被運用于污染水體的修復(fù)工程。尤其是在人工濕地的構(gòu)建中，水生植物更是必不可少的要素，具有巨大的應(yīng)用價值。

一直以來，凈化污水的水生植物研究多局限在一些喜陽的挺水植物［3］，相對耐陰的濕地植物僅有菖蒲（Acorus calamus）、海芋（Alocasia macrorrhiza）和鳶尾（Iris tectorum）。姜科（Zingiberaceae）植物廣泛分布于熱帶和亞熱帶地區(qū)，該科觀賞植物大部分濕生或水生［4-6］，由于其特有的耐陰性和芳香性，在特色專類植物園中開發(fā)前景獨具一格，如白姜花（Hedychium coronarium）和花葉艷山姜（A.zerumbertcv. Variegata）已被廣泛應(yīng)用于華南地區(qū)園林綠化。近幾年有較多關(guān)于白姜花、花葉艷山姜的富營養(yǎng)化水體修復(fù)研究［7-8］，而關(guān)于紅豐收（Alpinia‘ Red harvest’）、墨爾本姜花（H.sp.）、青城姜花（H. qingchengense）和峨眉姜花（H. flavescens）的園林應(yīng)用以及相關(guān)水體凈化作用的研究尚未見報道。因此，探討更多姜科植物在污水處理過程中對污染物質(zhì)的去除能力具有一定實踐意義和參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年10～11月在深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司東莞橋頭研發(fā)基地的溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，供試姜科植物紅豐收、白姜花、墨爾本姜花、峨眉姜花和青城姜花均來源于東莞橋頭研發(fā)基地生產(chǎn)苗圃。選擇苗齡一致、規(guī)格一致、生長狀態(tài)良好的植物盆苗。植物盆苗中使用的基質(zhì)為統(tǒng)一配比（有機(jī)肥、珍珠巖、園土為1∶1∶1），種植緩苗2周后待用。

1.2 試驗設(shè)計

在溫室大棚內(nèi)設(shè)置多個人工培養(yǎng)箱，分別種植相等數(shù)量的5種姜科植物。培養(yǎng)箱采用藍(lán)色聚乙烯整理箱，規(guī)格為61.5 cm×42 cm×31 cm。試驗設(shè)5個處理，分別種植紅豐收、白姜花、墨爾本姜花、峨眉姜花、青城姜花，每個品種3個重復(fù)，每個人工培養(yǎng)箱放置3盆植物，空白對照放置3盆基質(zhì)。每個試驗箱加污水30 L，試驗用污水為配制生活污水，配方如下：C6H5COONa 80.33 mg/L，CH3COONa 153.68 mg/L，NH4NO316 mg/L，NH4Cl 106.1 mg/L，K2HPO4·3H2O 36.7 mg/L，NaCl 7 mg/L，MgCl2·6H2O 3.4 mg/L，CaCl2·2H2O 4 mg/L［9］。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測定及分析方法

待箱內(nèi)水體穩(wěn)定后，采集水樣測得本底值，其中總磷12 mg/L、總氮32 mg/L、氨氮28 mg/L、化學(xué)需氧量（COD）240 mg/L、溶氧量（DO）6.5 mg/L。試驗組水箱放入植物盆苗后每隔7 d采集水樣1次，用于測定水體理化指標(biāo)，包括總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH4+-N）、COD和DO濃度等，同時測定實時水體溫度、pH等指標(biāo)。其中，總氮濃度的測定參照國家標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 636-2012堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷濃度的測定參照國家標(biāo)準(zhǔn)方法GB 11893-1989鉬酸銨分光光度法，氨氮的測定參照國家標(biāo)準(zhǔn)方法HJ535-2009納氏試劑比色法，COD濃度的測定參照國家標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 828-2017重鉻酸鹽法，DO濃度的測定采用溶解氧測定儀。計算總磷、總氮和氨氮的去除率：

試驗歷時1個月，結(jié)束時測定植物株高、冠幅生長量變化、葉片葉綠素含量和同等光照強(qiáng)度下（約100 μmol/m2·s）的凈光合速率Pn。

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行處理，采用Excel 2007軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種姜科植物在污水環(huán)境中的生長和生理指標(biāo)變化

參試5種姜科植物移栽入富營養(yǎng)化的水體后，均能良好生長。結(jié)果（表1）顯示，5種植物在試驗期均有新芽、新葉萌出，株高、冠幅和生物量也明顯增加，其中增幅較大的是白姜花，株高增長8.96%，冠幅增長25.00%；增幅較小的是紅豐收，株高、冠幅分別增長4.81%、9.78%；墨爾本姜花、峨眉姜花、青城姜花的株高和冠幅增長率分別為7.14%和16.67%、6.89%和17.91%、7.34%和18.87%；葉綠素含量SPAD值與凈光合速率（Pn）均以白姜花最高且顯著大于其他試驗植物。

2.2 5種姜科植物對水質(zhì)指標(biāo)的影響

2.2.1 總磷吸收量 各處理水體總磷含量隨時間變化的情況如圖1所示。在試驗周期內(nèi)，5種姜科植物培養(yǎng)30 d對水體總磷的去除率依次為白姜花（87.08%）＞墨爾本姜花（85.33%）＞峨眉姜花（65.83%）＞青城姜花（57.5%）＞紅豐收（53.33%），而對照的總磷整體呈逐漸下降趨勢，試驗結(jié)束時去除率為30%。

表1 5種姜科植物的生長和生理指標(biāo)狀況

圖1 5種姜科植物對水體總磷含量的影響

2.2.2 總氮吸收量 各處理水體總氮含量隨時間變化的情況如圖2所示。5種姜科植物培養(yǎng)30 d對水體總氮的去除率依次為白姜花（85.44%）＞墨爾本姜花（80.31%）＞青城姜花（79.63%）＞峨眉姜花76.41%）＞紅豐收（74.47%），而對照的水體總氮含量從7～14 d大幅度降低后便逐漸趨于穩(wěn)定，整個過程中對照始終高于其他處理。

圖2 5種姜科植物對水體總氮含量的影響

2.2.3 氨氮吸收量 由圖3可知，5種姜科植物培養(yǎng)30 d對水體氨氮的去除率依次為峨眉姜花（98.03%）＞紅豐收（97.93%）＞白姜花（97.86%）＞青城姜花（97.43%）＞墨爾本姜花（97.36%），而對照的水體氨氮含量在14 d時大幅度下降，逐漸穩(wěn)定在6 mg/L左右，在整個過程中對照始終高于其他各個處理。試驗結(jié)束時，對照的氨氮去除率為77.67%，各處理水體的氨氮含量則均低于1 mg/L。

圖3 5種姜科植物對水體氨氮含量的影響

圖4 5種姜科植物對水體化學(xué)需氧量（COD）的影響

2.2.4 化學(xué)需氧量（COD） 各處理水體COD含量隨時間變化的情況如圖4所示。試驗周期內(nèi)，各處理的COD均呈先下降再上升后下降的變化趨勢，5種姜科植物培養(yǎng)30 d對水體COD的去除率依次為白姜花（76.67%）＞青城姜花（72.5%）＞紅豐收（68.75%）＞峨眉姜花（65.83%）＞墨爾本姜花（62.9%），而對照的水體COD含量在160～200 mg/L間波動，整個過程中對照始終顯著高于其他處理。

2.2.5 溶解氧（DO） 各處理的水體DO含量隨時間變化的情況如圖5所示。對照的水體溶解氧量呈逐漸下降趨勢，各處理0～21 d的DO濃度均呈下降趨勢，之后逐漸升高。試驗結(jié)束時，對照的水體DO濃度為5.11 mg/L，較試驗前6.31 mg/L下降19.85%，5種姜科植物下水體DO濃度依次為白姜花（7.65 mg/L）＞峨眉姜花（6.52 mg/L）＞青城姜花（6.35 mg/L）＞墨爾本姜花（6.14 mg/L）＞紅豐收（5.73 mg/L）。最終對照組的DO濃度均顯著低于其他處理

圖5 5種姜科植物對水體溶解氧（DO）的影響

3 結(jié)論與討論

本試驗結(jié)果表明，5種姜科植物處理的水質(zhì)澄清，而對照的水體透明度較低，說明這5種姜科植物對污水均有一定的凈化作用。僅放置基質(zhì)盆對照的水體污染物含量整體呈逐漸下降趨勢，表現(xiàn)出一定的自凈現(xiàn)象，這可能是由于污水通過基質(zhì)之間的顆粒時，污水中的有機(jī)物質(zhì)被吸附于礫石表面形成的生物膜，被水體中的微生物所利用吸收［10］，這也可能是對照在試驗結(jié)束后水體溶氧量（DO）下降的原因。但對照的自凈效果十分有限，試驗結(jié)束時對照的水體污染物含量顯著高于各姜科植物處理。

水體中磷素的去除主要有植物吸收、底質(zhì)和根系吸附等途徑［11-12］，而水體氮的去除不僅可以依靠上述途徑，還可以通過氨的揮發(fā)、硝化和反硝化等途徑去除［13-14］。研究表明，利用植物凈化污水，主要的處理過程在植物水下的根部周圍進(jìn)行［15］，水生植物對水質(zhì)的凈化作用與植物的生長狀態(tài)、根系發(fā)達(dá)水平、光合效率和根系泌氧等生理生態(tài)特性相關(guān)密切。

本試驗中，各處理水體總氮、總磷的濃度均顯著低于對照，說明參試5種姜科植物均能較好地吸收水體中的氮和磷。其中，白姜花和墨爾本姜花的葉綠素、凈光合速率高于其他3種姜科植物，說明其生長速度較快，對污水環(huán)境適應(yīng)良好，同時，白姜花和墨爾本姜花也有較高的氮、磷吸收率，可能與其生長速度較快、根系較發(fā)達(dá)有關(guān)，從而有利于對水體氮、磷素的吸收［11］。本試驗結(jié)果表明，植物發(fā)達(dá)的根系生物量大、根長較長，能夠擴(kuò)大植物凈化污水的空間。根系發(fā)達(dá)的植物不但對水體的磷素吸收有利，而且利于微生物（特別是好氧細(xì)菌）向更廣的污水域中擴(kuò)散分布［16-17］，從而提高其凈化污水的能力，同時也利于植物從葉片輸送氧氣到根際區(qū)域，為根系微生物的附著并提供進(jìn)行硝化與反硝化作用的良好環(huán)境，進(jìn)而提高水體氮素的去除率［18］。

各處理水體的化學(xué)需氧量（COD）呈先升高再降低的變化趨勢，可能與姜科植物地下根莖的更新有關(guān)。隨著試驗的進(jìn)行，5種姜科植物先后均有新芽長出，老根莖營養(yǎng)轉(zhuǎn)移至新芽后逐漸腐爛，從而導(dǎo)致COD含量出現(xiàn)波動。另外，由于各種姜花物候存在一定差異，導(dǎo)致各處理水體的COD峰值出現(xiàn)的時間也不同。水體氧來源主要是根系泌氧與大氣復(fù)氧［19］：根系泌氧是植物通過內(nèi)部強(qiáng)大的通氣組織對缺氧的水體釋放氧氣［20］；大氣復(fù)氧是通過礫間接觸氧化等途徑，水體自由界面?zhèn)髻|(zhì)與大氣氣泡接觸，產(chǎn)生自然曝氣現(xiàn)象。

本試驗過程中，前期由于各處理植物葉片的遮擋減少了水面與空氣的接觸面，減少了空氣氣流對水流動的影響，阻礙了自然曝氣過程，導(dǎo)致水體的大氣復(fù)氧不足，因此，前期各處理的水體溶氧量（DO）低于對照。后期隨著植物的生長，根系逐漸發(fā)達(dá)，導(dǎo)致根系泌氧增多，最終使得水體DO逐漸升高，部分姜科植物（如峨眉姜花）處理的水體COD較高、DO較低，這可能是由于水體的好氧微生物和硝化細(xì)菌降解有機(jī)物和氮類物質(zhì)均需要消耗溶解氧，且峨眉姜花的凈光合速率偏低。植物的根系復(fù)氧量低與試驗環(huán)境導(dǎo)致大氣復(fù)氧不足，進(jìn)而使水體的COD升高［21］。

本試驗結(jié)果表明，在供試5種姜科植物中，白姜花對污水的凈化效果最好，對總氮、總磷、氨氮均有較好的去除效果，與多數(shù)研究結(jié)論一致；墨爾本姜花是凈化效果較好的另外一種姜科植物，與白姜花接近，且其景觀價值較高，目前園林應(yīng)用較少，適合推廣應(yīng)用。

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