不同pH下水葫蘆凈化生活污水研究

陳海松，張海群，吳洪煒，

(安慶師范大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，安徽安慶246133)

人類活動(dòng)向水體中排放了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，超過了水體的自我凈化能力，引起了嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。我國(guó)的巢湖、鄱陽(yáng)湖、太湖[1]和滇池[2]等內(nèi)陸湖泊均受到了富營(yíng)養(yǎng)化污染。對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理有多種措施[3]，如泥沙疏浚[6]和植物恢復(fù)[5]。雖然河底沉積物的疏浚和沉積物固化能取得不錯(cuò)的效果，但是人力物力花費(fèi)巨大，還有可能造成二次污染。利用植物進(jìn)行原位修復(fù)受污染的水體，具有投資少、高效率、綠色安全等優(yōu)點(diǎn)[6]。其中，水葫蘆在不同類型污染水體均表現(xiàn)出良好的凈化效果[7]，在高濃度氮環(huán)境中，水葫蘆比其他植物表現(xiàn)出更好的富集效果[8]，此外，水葫蘆加快了湖泊底泥中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放速率[9]。張迎穎等研究了不同堿度下水葫蘆的凈化效果[10]，本文通過設(shè)置不同酸堿度進(jìn)一步探究水葫蘆在不同pH下的生長(zhǎng)狀態(tài)及其對(duì)水體的凈化效果，從而為更好地利用水葫蘆修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體提供依據(jù)與參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

(1)試劑。優(yōu)級(jí)純：硝酸鉀、氯化銨；化學(xué)純：硫酸肼、六次甲基四胺、過硫酸鉀、氫氧化鈉、濃鹽酸、濃硫酸、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、磷酸二氫鉀、硫酸銀、硫酸汞、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、七水合硫酸亞鐵、1，10-菲繞啉、氫氧化鉀、碘化鉀、二氧化汞、酒石酸鉀鈉。

(2)儀器。電子天平、紫外分光光度計(jì)、電爐、醫(yī)用手提式蒸氣消毒器、冰箱、帶有24號(hào)標(biāo)準(zhǔn)磨口的250 mL錐形瓶的全玻璃回流裝置。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

實(shí)驗(yàn)開始前，選取生長(zhǎng)狀態(tài)良好且一致的水葫蘆幼苗，用自來水洗凈根系備用。向1、2、3、4、5、6號(hào)實(shí)驗(yàn)缸中倒入等量的采自校園內(nèi)的生活污水，并標(biāo)記好水位刻度線，待生活污水靜置兩天后從1、2、3、4、5、6號(hào)實(shí)驗(yàn)缸中各取上層生活污水1 000 mL觀察測(cè)定初始生活污水的pH、濁度、TN、TP、COD、NH4+-N。然后用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)缸中水體pH，1、2、3、4、5、6號(hào)實(shí)驗(yàn)缸水體分別設(shè)置pH為4、6、7、8、9、10，并加自來水至水位刻度線處。最后將之前洗凈的水葫蘆均勻平鋪在缸中，為保證水葫蘆在試驗(yàn)期間有足夠的生長(zhǎng)空間，每個(gè)水缸里投放30株，陰雨天用篷布遮擋，對(duì)于蒸發(fā)和植物蒸騰作用引起的水體積的減少，適當(dāng)補(bǔ)充一些自來水，并將水體pH調(diào)至初始值。定期觀察水葫蘆的生長(zhǎng)狀態(tài)和測(cè)定水體中各指標(biāo)含量變化情況。實(shí)驗(yàn)缸里水葫蘆如出現(xiàn)死亡，盡快撈出。pH采用pH計(jì)，濁度采用分光光度法，TN采用過硫酸鉀-紫外分光光度法，TP采用鉬酸銨分光度法，COD采用重鉻酸鉀法，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法。水葫蘆的日均生長(zhǎng)率的計(jì)算公式為[ln(Wt)-ln(W0)]/t，其中，Wt為時(shí)間t時(shí)水葫蘆的鮮重，W0為試驗(yàn)初始水葫蘆的鮮重，t為試驗(yàn)持續(xù)天數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始水體水質(zhì)狀況

實(shí)驗(yàn)采集污水來自學(xué)?；S池上層清水，測(cè)定水體中的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值（如表1），參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）符合污水排放標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)甚至達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，但是這部分污水還未進(jìn)行任何處理，直接排放到校園內(nèi)湖中，造成內(nèi)湖水體污染。

表1 生活污水各指標(biāo)初始均值

2.2 實(shí)驗(yàn)用生活污水中各種理化指標(biāo)測(cè)定

2.2.1 水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體濁度的去除率

測(cè)定各實(shí)驗(yàn)缸水體中濁度的變化，如圖1所示。結(jié)果表明，水葫蘆在6種不同pH梯度下，對(duì)水體中濁度均具有良好的凈化效果。隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，各實(shí)驗(yàn)缸里水體的濁度含量呈下降趨勢(shì)，水體濁度下降速率也在放緩，各實(shí)驗(yàn)缸里的水葫蘆對(duì)水體濁度的去除率分別為97.16%、98.78%、96.37%、94.81%、97.03%、98.92%，水體濁度達(dá)到正常水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，水體pH對(duì)水葫蘆去除水體濁度影響不明顯。

圖1 水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體濁度的去除情況

2.2.2 水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體TN的去除率

由圖2可知，培養(yǎng)28天之后，水葫蘆對(duì)總氮的凈化效果顯著，各實(shí)驗(yàn)缸里水葫蘆對(duì)總氮的去除率分別為97.17%、96.40%、95.90%、91.18%、86.92%、93.49%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，經(jīng)處理后的污水，達(dá)到正常水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在酸性條件下，水葫蘆對(duì)總氮的去除效果優(yōu)于中性和堿性條件下，這與展巨宏等的研究結(jié)果一致[11]。在培養(yǎng)初期，中性條件下的水葫蘆降解總氮的速率最快，隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，酸性和堿性條件下的水葫蘆對(duì)總氮的降解速率加快。

2.2.3 水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體TP的去除率

由圖3可知，培養(yǎng)28天，水葫蘆對(duì)水中總磷具有很好的凈化效果，水體中總磷含量呈下降趨勢(shì)，各實(shí)驗(yàn)缸里總磷去除率分別為92.15%、92.15%、95.35%、94.00%、92.03%、92.61%。在中性條件下，水葫蘆對(duì)總磷的去除率最高，達(dá)到了95.35%；在酸性和堿性條件下，水葫蘆對(duì)總磷的去除效果相對(duì)減弱，但仍有很高的去除率。每次采集水樣測(cè)定時(shí)，測(cè)得酸性水體的pH較初始值變大，堿性水體的pH較初始值變小，這可能與水葫蘆在生長(zhǎng)過程中，會(huì)釋放某些物質(zhì)，來調(diào)節(jié)周圍環(huán)境中的pH，從而更好地生長(zhǎng)。

2.2.4 水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體COD的去除率

由圖4可知，培養(yǎng)28天之后，水葫蘆對(duì)COD有一定的去除效果。各實(shí)驗(yàn)缸里水葫蘆對(duì)COD去除率分別為19.01%、1.01%、34.01%、1.01%、45.01%、10.91%，且在不同pH條件下，水葫蘆對(duì)水體中COD去除率有較大差異。在中性和中低堿度條件下，水葫蘆對(duì)COD的去除率最高能達(dá)45.01%。這可能是因?yàn)樵谥行院椭械蛪A度條件下，水葫蘆能夠正常生長(zhǎng)，且水中的氫氧根對(duì)COD的降解有促進(jìn)作用；在高堿度條件和酸性條件下，可能是水葫蘆根部生長(zhǎng)受到比較明顯的抑制，對(duì)COD的去除效果相對(duì)較差。

2.2.5 水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體NH4+-N的去除率

由圖5可知，培養(yǎng)28天后，水中氨氮呈明顯的下降趨勢(shì)，說明水葫蘆對(duì)于水中氨氮具有很強(qiáng)的去除能力。各實(shí)驗(yàn)缸里水葫蘆對(duì)NH4+-N去除率 分 別 為 95.48%、92.96%、96.57%、93.28%、95.73%、94.04%。在中性條件下，水葫蘆對(duì)氨氮的去除率最高，達(dá)到了96.57%；在酸性和堿性條件下，水葫蘆對(duì)水中氨氮的去除能力相對(duì)減弱，可能是在酸性和堿性條件下水葫蘆的生長(zhǎng)受到一定的抑制；總的來說，在不同pH下，水葫蘆均能夠正常生長(zhǎng)，水葫蘆對(duì)氨氮的去除率相差不大。

圖2 水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體TN的去除情況

圖3 水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體TP的去除情況

圖4 水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體COD的去除情況

2.3 實(shí)驗(yàn)缸中水葫蘆的生長(zhǎng)狀況

2.3.1 培養(yǎng)前后水葫蘆生物量對(duì)比

分別測(cè)定了實(shí)驗(yàn)前后各實(shí)驗(yàn)缸中水葫蘆的鮮重，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中水葫蘆長(zhǎng)勢(shì)良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各實(shí)驗(yàn)缸中水葫蘆鮮重分別是初始鮮重的1.77、2.02、2.11、1.84、1.67、1.52倍，如表2所示。

2.3.2 水葫蘆不同生長(zhǎng)階段對(duì)比圖

圖6中（1）～（4）分別是水體pH為固定值的水葫蘆在不同生長(zhǎng)階段的對(duì)比圖。水葫蘆剛投放時(shí)，植株較??；培養(yǎng)15天后，水葫蘆數(shù)量開始擴(kuò)增；繼續(xù)培養(yǎng)到21天左右，水葫蘆數(shù)量再次擴(kuò)增，此時(shí)生長(zhǎng)狀態(tài)達(dá)到最佳，葉片呈現(xiàn)嫩綠色；培養(yǎng)28天以后，水缸中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡，再加上水葫蘆數(shù)量較之前明顯增多，水葫蘆生長(zhǎng)明顯受到環(huán)境抑制，葉片開始枯黃，部分植株死亡。

2.3.3 不同堿度下水葫蘆生長(zhǎng)對(duì)比圖

圖7是pH分別為8、9、10環(huán)境下水葫蘆的生長(zhǎng)圖，由圖可知，在本實(shí)驗(yàn)中，堿度越高，水葫蘆生長(zhǎng)受到的抑制越明顯，葉片發(fā)黃的現(xiàn)象越明顯，部分植株出現(xiàn)死亡的現(xiàn)象。

表2 實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)前后水葫蘆生長(zhǎng)情況

圖6 水葫蘆不同生長(zhǎng)階段對(duì)比圖

3 結(jié)論

綜上所述，在不同pH梯度下，水葫蘆均能正常生長(zhǎng)，對(duì)水體中濁度、總氮、總磷、氨氮都具有很好的凈化效果。在中性條件下，水葫蘆對(duì)總氮、氨氮表現(xiàn)出更好地去除效果；在酸性條件下，水葫蘆對(duì)總氮表現(xiàn)出更好的去除效果。水葫蘆在不同pH條件下對(duì)COD的去除效果有著較大的差異。在偏酸性、偏中性和偏低堿度條件下，水葫蘆生長(zhǎng)良好，葉片呈綠色狀態(tài)；在高堿度條件下，水葫蘆葉片偏黃，堿度越高，水葫蘆葉片發(fā)黃現(xiàn)象越明顯，部分植株出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。

圖7 水葫蘆的生長(zhǎng)圖