水生植物組合凈化受污染河道研究

李秀芳，王 龍，聶煜東，徐宇峰

(1. 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140；2. 重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401123； 3. 重慶工商大學(xué)，重慶 400067；4. 河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038)

城市河道是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，在城市防洪排澇、生態(tài)維持、景觀改善、小氣候調(diào)節(jié)、及生態(tài)用水等方面有著不可替代的作用。但近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加劇，部分生活污水、工農(nóng)業(yè)廢水及受污染雨水未達(dá)標(biāo)排河現(xiàn)象越加嚴(yán)重，眾多城市景觀水體均已出現(xiàn)不同程度的污染，同時(shí)，景觀水體流速慢，復(fù)氧能力差、自凈能力有限，易導(dǎo)致藻類大量繁殖，破壞水體生態(tài)平衡，進(jìn)一步加劇了城市水體富營(yíng)養(yǎng)化程度[1]。

水體富營(yíng)養(yǎng)化是城市景觀河道所普遍面臨的關(guān)鍵問(wèn)題[2,3]。而治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的核心在于控制水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，防止藻類產(chǎn)生“水華”或“湖靛”現(xiàn)象[4]。植物修復(fù)技術(shù)是一項(xiàng)針對(duì)受污染河道的生態(tài)型修復(fù)技術(shù)，具有效果好、投資省及二次污染低等特點(diǎn)，適用于河道的大規(guī)模修復(fù)。近年來(lái)，利用植物修復(fù)原理建立的生態(tài)浮床、植物塘、人工濕地等水陸生植物修復(fù)技術(shù)已在治理富營(yíng)養(yǎng)化水體方面取得了一定的進(jìn)展和突破[5-7]。

通過(guò)對(duì)以往的研究分析可以發(fā)現(xiàn)，不同植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的降解效果差異較大，即，同一植物對(duì)水體中某一類營(yíng)養(yǎng)鹽去除效果較好，而對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果相對(duì)較差，這說(shuō)明單一植物類型很難對(duì)水體中所有營(yíng)養(yǎng)鹽類均有較好的降解效果[8-11]。因此，基于植物類型及其對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的降解率，對(duì)植物進(jìn)行合理的搭配組合，并注重植物組合的生長(zhǎng)時(shí)效及生態(tài)功能，可使植物修復(fù)技術(shù)對(duì)污染物質(zhì)有更為高效恒久的降解能力。本研究基于前期篩選的三種滏陽(yáng)河原生水生植物，通過(guò)對(duì)三種植物的兩兩結(jié)合，構(gòu)建出狐尾藻組、金魚藻組、篦齒眼子菜組、狐尾藻-篦齒眼子菜組、狐尾藻-金魚藻組及金魚藻-篦齒眼子菜組6種植物栽培形式，通過(guò)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)實(shí)驗(yàn)，分析六組植物的凈化效能，應(yīng)用層次分析法(AHP)建立綜合評(píng)估模式，評(píng)價(jià)并確定植物的最佳組合模式。以期為營(yíng)造具有高效恒久自凈能力的生態(tài)水景提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 沉水植株組合基本情況表 叢

1.2 采樣與測(cè)試

1.3 層次分析法

層次分析法(AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策分析方法，旨在構(gòu)建受多因素影響的決策過(guò)程。它通過(guò)數(shù)學(xué)方法將決策規(guī)劃過(guò)程中的非系統(tǒng)性問(wèn)題變換為系統(tǒng)化的層次結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行解析，其處理結(jié)果更具客觀性、準(zhǔn)確性和有效性。本文基于對(duì)AHP 的污染物去除綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)植物組合的性能進(jìn)行了評(píng)估。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)期間水溫及DO的變化

實(shí)驗(yàn)期間，水溫及DO變化如圖1所示。水溫變化區(qū)間為28.2～34.3 ℃以保證水體中微生物活性較強(qiáng)。各植物組中DO含量均較高，維持在5.5 mg/L以上，這主要是由于實(shí)驗(yàn)采用水桶模擬，水深較淺，水體天然富氧能力較高，因此對(duì)照組也顯現(xiàn)出較高的DO濃度。

圖1 實(shí)驗(yàn)期間水溫及DO的變化

2.2 水生植物對(duì)水體中污染物的去除效果

圖2 不同沉水植株組對(duì)-N的去除效果

圖3 不同沉水植株組對(duì)TN的去除效果

2.2.2 水生植物對(duì)水體中TN的去除效果

橫向?qū)Ρ戎参锝M1～6，按照對(duì)TN最終去除能力大小進(jìn)行排序：組6(88.66%)>組5(88.22%)>組2(84.73%)>組4(84.16%)>組1(81.45%)>組3(75.34%)>對(duì)照(49.98%)?？梢钥闯?，植物組合較植物單體對(duì)TN的去除能力更好，3組植物組合對(duì)TN的平均去除率為87.02%，而三組植物單體對(duì)TN的平均去除率僅為80.51%，同時(shí)，從去除率最高的前三項(xiàng)植物組分析，分別為金魚藻-篦齒眼子菜組、狐尾藻-金魚藻組及金魚藻組，說(shuō)明金魚藻對(duì)TN去除效果較好，從去除率最高及最低的二項(xiàng)植物組分析，分別為金魚藻-篦齒眼子菜組及篦齒眼子菜組，說(shuō)明篦齒眼子菜與金魚藻組合更適宜降解水體中的TN。

圖4 不同沉水植株組對(duì)TP的去除效果

2.2.3 水生植物對(duì)水體中TP的去除效果

各植物組對(duì)TP的去除效果如圖4所示。各植物組及對(duì)照組所處理的水體中，TP濃度的下降趨勢(shì)與TN等有較大差異。在0～20 d內(nèi)，各植物組1～6及對(duì)照組對(duì)TP的去除效果明顯，迅速由最初的22.27 mg/L，分別降低至0.29、0.26、0.28、0.18、0.17及0.21 mg/L，去除速率高于對(duì)照組(0.44 mg/L)，隨后，在20～60 d，植物組2～6對(duì)TP的去除效果有較大波動(dòng)，而植物組1及對(duì)照組對(duì)TP的去除效果繼續(xù)保持穩(wěn)定但略有下降。趙興云等[22]認(rèn)為環(huán)境中磷的存在形態(tài)主要有聚磷酸鹽、磷酸鹽及有機(jī)磷酸鹽等，其中易被植物吸收的磷的主要形態(tài)為H2PO-4及HPO2-4，其他形態(tài)磷則難以被植物吸收。因此磷的去除途徑主要包括植株吸收、吸附沉淀及微生物吸收三部分。實(shí)驗(yàn)前期水體中TP的去除可能是磷酸鹽的沉降及植物吸附作用所致，而后期磷的緩慢下降可能是PAOs菌不穩(wěn)定的吸釋作用[23-25]。至60 d實(shí)驗(yàn)結(jié)束，各植物組水體中TP濃度分別降低至0.26、0.17、0.21、0.19、0.17及0.19 mg/L，去除率達(dá)47.35%、64.54%、58.23%、61.82%、64.01%及60.53%，遠(yuǎn)高于對(duì)照組(24.86%)(P<0.05)。

橫向?qū)Ρ雀髦参锝M1～6，按照對(duì)TP最終去除能力大小進(jìn)行排序：組2(64.54%)>組5(64.01%)>組4(61.82%)>組6(60.53%)>組3(58.23%)>組1(47.35%)>對(duì)照(24.86%)?？梢钥闯?，植物組合較植物單體對(duì)TP的去除能力更好，3組植物組合對(duì)TP的平均去除率為62.12%，而三組植物單體對(duì)TP的平均去除率僅為52.71%。

圖5 不同沉水植株組對(duì)CODMn的去除效果

2.2.4 水生植物對(duì)水體中CODMn的去除效果

各植物組對(duì)CODMn的去除效果如圖5所示。各植物組及對(duì)照組所處理的水體中CODMn濃度降低明顯。至60 d實(shí)驗(yàn)結(jié)束，各植物組水體中CODMn濃度分別降低至10.97、11.39、9.61、9.80、10.24及9.97 mg/L，去除率達(dá)59.95%、58.43%、64.93%、64.23%、62.63%及63.63%，遠(yuǎn)高于對(duì)照組(47.35%)(P<0.05)。

橫向?qū)Ρ戎参锝M1～6，按照對(duì)CODMn最終去除能力大小進(jìn)行排序：組3(64.93%)>組6(63.63%)>組5(62.63%)>組1(59.95%)>組2(58.43%)>對(duì)照(47.35%)。可以看出，植物組合較植物單體對(duì)CODMn的去除能力更好，3組植物組合對(duì)CODMn的平均去除率為63.40%，而三組植物單體對(duì)CODMn的平均去除率僅為61.11%，植物組合與植物單體對(duì)CODMn的去除能力差異不大。這主要是因?yàn)镃ODMn的降解主要依靠異養(yǎng)微生物完成[26]，異養(yǎng)微生物受溫度、溶解氧濃度及CODMn自身性質(zhì)影響較大。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，28.2～34.3 ℃可保證水體中微生物活性較強(qiáng)。各植物組中DO含量均較高，平均維持在5.5 mg/L以上。同時(shí)各植物組系統(tǒng)中，植物釋放的氧氣可促進(jìn)好氧菌的生長(zhǎng)，進(jìn)一步提升了體系中CODMn去除效率[27,28]。實(shí)驗(yàn)后期，隨著易降解CODMn的殆盡，實(shí)驗(yàn)各組對(duì)CODMn的去除均進(jìn)入平臺(tái)期，因此其差別不大。

圖6 不同沉水植株組對(duì)水體中葉綠素的抑制效果

2.2.5 水生植物對(duì)水體中葉綠素的去除效果

各植物組對(duì)水體中葉綠素的改善效果如圖6所示。各植物組及對(duì)照組所處理的水體中葉綠素相對(duì)降低明顯。至60 d實(shí)驗(yàn)結(jié)束，各植物組水體中葉綠素濃度分別降低至24.79、22.18、20.96、18.09、17.65及17.58 μg/L，遠(yuǎn)低于對(duì)照組(44.58 μg/L)(P<0.05)。

葉綠素含量在一定程度上可以反映水體中藻類豐度[29]，橫向?qū)Ρ戎参锝M1～6，按照對(duì)水體中葉綠素最終的抑制效果排序：組6(17.58 μg/L)>組5(17.65 μg/L)>組4(18.09 μg/L)>組3(20.96 μg/L)>組2(22.18 μg/L)>組1(24.79 μg/L)>對(duì)照(44.58 μg/L)，3組植物組合所處理的水體中葉綠素的最終平均濃度為17.78 μg/L，而三組植物單體所處理的水體中葉綠素的最終平均濃度為22.65 μg/L，植物組合較植物單體對(duì)葉綠素的去除能力更好。這主要是因?yàn)楦黝惓了参锓置诘幕形镔|(zhì)不同[30]，影響的藻類各異，因此不同沉水植物組合對(duì)水體中藻類抑制效果更具廣泛性。狐尾藻-金魚藻組及金魚藻-篦齒眼子菜組對(duì)葉綠素的抑制效果最好。

2.3 AHP對(duì)各組水生植物的綜合評(píng)價(jià)

在上述不同植物體系對(duì)N、P、COD等的去除實(shí)驗(yàn)中，組4的TP去除效率最高，組5的TN去除效率最高，組6在其他污染指標(biāo)的去除中效率最高，而植物的處理效果需要同時(shí)考慮上述所有指標(biāo)的全過(guò)程去除效率，因此需要一個(gè)合理的模型對(duì)其綜合去除效率進(jìn)行判斷。AHP方法已被國(guó)際科學(xué)界接受為處理復(fù)雜決策問(wèn)題的強(qiáng)大靈活的多準(zhǔn)則決策工具。模型評(píng)價(jià)指標(biāo)和層次結(jié)構(gòu)，如圖7所示，各組污染物指數(shù)的權(quán)重對(duì)最終評(píng)估結(jié)果有重要影響。根據(jù)Saaty[31]提出的AHP理論，結(jié)合污染物造成的環(huán)境影響及Bottero M等[32]的前期研究，并綜合考慮了各組污染物在富營(yíng)養(yǎng)化誘發(fā)方面的環(huán)境影響潛值，判斷各指標(biāo)的相對(duì)重要性，確定出各污染物的權(quán)重(表2)。

表2 指標(biāo)層各指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的總排序列

圖7 綜合性能評(píng)價(jià)示意圖

為了獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的無(wú)量綱化值，基于國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)Ⅳ類指標(biāo)，并參考國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GHZB1-1999)，將污染參數(shù)評(píng)價(jià)權(quán)重進(jìn)行歸一化，公式為：

(1)

式中：ST是無(wú)量綱化值；SC表示國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)值；SE表示各組植物處理過(guò)程的平均值。

T=∑STWi

(2)

其次，利用公式(2)，將各組無(wú)量綱化值進(jìn)行加和，其中T是綜合評(píng)估分?jǐn)?shù)。根據(jù)無(wú)量綱化值ST和權(quán)重Wi，通過(guò)公式(2)計(jì)算得到綜合評(píng)分T，如表2所示?？梢钥闯?，組4最終得分最高，即狐尾藻+篦齒眼子菜組合的效果最好，表明其在水質(zhì)凈化全過(guò)程對(duì)污染物均有較好地去除效果。

表3 各植物組合在全過(guò)程對(duì)污染物去除效果的綜合評(píng)價(jià)

3 結(jié) 論

(2)6種植物組植物均對(duì)TN的去除率達(dá)75%以上，同時(shí)植物組合較植物單體對(duì)TN的去除能力更好，3組植物組合對(duì)TN的平均去除率為87.02%，而三組植物單體對(duì)TN的平均去除率僅為80.51%，去除率最高的為金魚藻-篦齒眼子菜組。

(3)6種植物組植物均對(duì)TP的去除率達(dá)47%以上，植物組合較植物單體對(duì)TP的去除能力更好，3組植物組合對(duì)TP的平均去除率為62.12%，而三組植物單體對(duì)TP的平均去除率僅為52.71%，但去除率最高的植物組為單體金魚藻。

(4)6種植物組植物均對(duì)CODMn的去除率達(dá)58%以上，植物組合與植物單體對(duì)CODMn的去除能力差異不大，3組植物組合對(duì)TP的平均去除率為63.40%，而三組植物單體對(duì)CODMn的平均去除率為61.11%。

(5)6種植物組植物均對(duì)葉綠素有一定的抑制效果，植物組合較植物單體對(duì)葉綠素的抑制效果更好，3組植物組合所處理的水體中葉綠素的最終平均濃度為17.78 μg/L，而三組植物單體所處理的水體中葉綠素的最終平均濃度為22.65 μg/L，其中狐尾藻-金魚藻組對(duì)葉綠素的抑制效果最好。

采用AHP法對(duì)各水生植物組合進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)組4最終得分最高，即狐尾藻+篦齒眼子菜組合的效果最好，表明其在水質(zhì)凈化全過(guò)程對(duì)污染物均有較好地去除效果。

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