生態(tài)凈水系統(tǒng)對富營養(yǎng)化園林水體的凈化效應(yīng)研究

許銘宇，劉 雯，譚廣文，黃少斌，吳勁華，盧藝菲，陳 平，3

（1.廣州普邦園林股份有限公司，廣州 510600；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣州 510225；3.廣東省普通高校土地復(fù)墾植被景觀恢復(fù)工程技術(shù)研究中心，廣州 510225；4.華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣州 510006；5.廣州太和水生態(tài)科技有限公司，廣州 510000）

1 研究背景

由于人類的頻繁活動和部分自然原因（枯枝落葉、浮塵）引起景觀水體中N，P等營養(yǎng)元素過量，導(dǎo)致藻類大量繁殖，致使水體富營養(yǎng)化的現(xiàn)象已成為全球性的環(huán)境問題之一。隨著城市綠化美化工作的快速發(fā)展，園林水體不斷增多，水源不足、消耗量大、循環(huán)能力差的現(xiàn)象日益嚴重，一些城市內(nèi)湖、河流或園林水體水質(zhì)不斷惡化，水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化，引發(fā)藻類過量生長、魚類大量死亡，嚴重破壞了水生態(tài)環(huán)境。

大多數(shù)的園林水體為靜態(tài)或者流動性較差的水體，具有水域面積較小，易受污染，自凈能力差等特點，再者因受到不同程度的污染以及水質(zhì)管理等方面的問題，使其逐漸失去了景觀水體的功能，并嚴重影響了城市自然環(huán)境和人們的居住環(huán)境［1-3］。因此，園林水體的凈化研究對城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要的意義。

眾多研究表明［4-8］，單一使用水生植物或水生動物對受污染園林水體進行處理，難以達到預(yù)期效果。鑒于此，本研究將水生植物、水生動物、生物質(zhì)焦進行組合，形成水生生物凈水系統(tǒng)進行園林水體的處理，可以優(yōu)勢互補，既能凈化污染水體，又有一定的景觀功能，以期為園林水體的凈化以及受污染水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供技術(shù)支持和理論參考。

2 生態(tài)凈水系統(tǒng)工作原理

水生動植物組合所構(gòu)成的凈化系統(tǒng)主要包括水生植物凈化系統(tǒng)、水生動物凈化系統(tǒng)、吸附劑（生物質(zhì)焦）系統(tǒng)。其中在植物凈化系統(tǒng)中水生木本植物起著水體凈化和景觀營造的作用，并用于苗木的生產(chǎn)與銷售；水生草本植物主要作用是吸收污水中富營養(yǎng)化物質(zhì)及滯納水中浮塵，同時也具有營造景觀及為水生動物提供食物的功能。水生動物系統(tǒng)用于消耗污染源中的腐殖質(zhì)、藻類以及蠶食蚊蟲幼卵，并為植物凈化系統(tǒng)提供肥料。吸附劑（生物質(zhì)焦）系統(tǒng)主要應(yīng)用其強大的吸附性能，去除水中色素，并可作水中微生物棲息場所，當(dāng)其吸附性達到飽和狀態(tài)時亦可作植物種植支持介質(zhì)。生態(tài)集成凈水系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 生態(tài)集成凈水系統(tǒng)工作原理Fig．1 Working principle of the integrated ecological water purification system

3 材料與方法

3.1 試驗材料

試驗裝置為半透明塑料箱，尺寸為長51 cm×寬38 cm×高31 cm，容量為55 L，試驗用水量40 L；試驗所選用的材料均是從課題組前期試驗研究中選出具有較好的凈水效果的水生動植物和生物質(zhì)焦，其中木本植物秋楓12株，水生草本植物水蓑衣18株，苦草36株；水生動物叉尾斗魚18尾、中華圓田螺30個；生物質(zhì)焦2.4 kg。

3.2 試驗用水

試驗用水采用人工模擬富營養(yǎng)化園林水體（取園林綠化廢棄物半腐熟料3 kg，園林綠化廢棄物半腐熟料購自佛山順德大良某綠化公司，將其放到干燥箱在75℃下烘1 h，然后將園林綠化廢棄物半腐熟料投放入裝滿35 L自來水的半透明塑料箱內(nèi)，充分攪拌后讓其浸泡3 d后取出滲濾液，然后將滲濾液稀釋3倍后作為試驗用水）。試驗期間的用水水質(zhì)見表1。

3.3 試驗方案

試驗設(shè)有2組處理，做3個平行處理，處理方式1為CK空白對照，處理方式2為水生動植物組合，試驗時間為2016年10月9日—11月8日，共計30 d，試驗期間平均溫度為23.4～27.6℃，平均水溫為22.7～26.2℃；每隔3 d測一次水質(zhì)，每次取樣于上午8：30—9：00進行。為模擬室外景觀水體的特點，試驗過程中不對水體進行曝氣增氧，采用不流動的靜態(tài)水體。

表1 試驗用水水質(zhì)Table 1 Quality of the test water

3.4 測定的指標(biāo)與方法

試驗測定方法按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）［9］進行不同指標(biāo)的測定方法分別如下：TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—89），TP采用鉬銻抗分光光度法（GB 11893—89），COD采用納氏試劑比色法（HJ 535—2009），NH+4-N采用重鉻酸鉀法（GB 11914—1989），NO-2-N采用分光光度法（GB 7493—87），DO采用便攜式溶解氧儀，pH值采用便攜式pH計測定，色度采用鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)比色法。

3.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)處理每組試驗采用3個重復(fù)試樣，試驗數(shù)據(jù)均為平均值，試驗所獲得的數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2007進行編輯處理、繪制相關(guān)圖表，每組處理的差異性通過SPSS 19.0軟件進行分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 動植物的生長狀況

試驗期間，叉尾斗魚生長狀況良好，在試驗過程中不投喂魚飼料，斗魚主要以水中綠化廢棄物和蚊子孑孓為食物，存活率約93.4%，魚身色澤比試驗前更加靚麗；田螺生長情況良好，存活率約95%，試驗期間，田螺繁殖了一批小螺。

3種水生植物生長狀況良好，存活率均為100%。其中，秋楓和水蓑衣的側(cè)根和須根數(shù)量均有所增長，根長明顯增長；苦草也長出了許多新的根系，苦草的根系可穿透生物質(zhì)焦，并定植在上面，當(dāng)生物質(zhì)焦的吸附能力達到飽和時，可用作其基質(zhì)供植物生長用。秋楓和水蓑衣的部分葉片會出現(xiàn)枯萎掉落的現(xiàn)象，苦草的葉片有部分發(fā)黃的現(xiàn)象出現(xiàn)。這可能是因為植物主要靠根系吸收營養(yǎng)物質(zhì)進行生長，秋楓屬于淺根系植物但側(cè)根發(fā)達，通氣組織發(fā)達，可以有效地吸收大量的營養(yǎng)元素，而且樹葉不接觸水面，因此植株的存活率較高；水蓑衣根系發(fā)達且耐污能力強，后期因氣溫下降，導(dǎo)致部分葉片出現(xiàn)枯萎掉落的現(xiàn)象，但沒有影響植株的存活率；苦草具匍匐莖，繁殖速度快，再生能力強，由于水中光照不足導(dǎo)致部分葉片發(fā)黃，但未出現(xiàn)植株死亡現(xiàn)象。

4.2 試驗期間蚊子孑孓情況

試驗進行到第4天時，在沒有放生物材料的對照組中均有蚊子孑孓產(chǎn)生，平均有60多條，而在放置了叉尾斗魚的組合中無孑孓出現(xiàn)，在對照組水箱中放入2尾長約4 cm的叉尾斗魚10 min后，對照中的孑孓被吞食約40條，另外再投放1尾斗魚進去15 min后，全部的孑孓均被吞食。將水中孑孓吞食完之后將叉尾斗魚移出水體，到試驗結(jié)束時，對照組中依舊出現(xiàn)孑孓，一部分已經(jīng)變成蚊子；而在集成系統(tǒng)中，從試驗開始到結(jié)束始終未發(fā)現(xiàn)孑孓，可見叉尾斗魚對于消除富營養(yǎng)化水體中滋生的蚊子具有較好的作用。

4.3 不同處理方式對水體中N元素的凈化效應(yīng)

4.3.1 對水體中TN的凈化效應(yīng)

由圖2可知，生態(tài)凈水系統(tǒng)對水中TN有明顯的去除效果，且呈現(xiàn)出較為明顯的變化趨勢。

圖2 TN濃度隨時間變化的情況Fig．2 Variation of TN concentration with time

在2組處理方式中，對照組中TN濃度均要高于水生動植物組合中的TN濃度，并且隨時間的延長，TN濃度基本呈下降的趨勢，最低可降至1.215 mg／L，達到地表水Ⅳ類水（1.5 mg／L）的標(biāo)準(zhǔn)［10］。試驗初期，系統(tǒng)中由于動植物需要適應(yīng)所在環(huán)境，同時系統(tǒng)也未形成穩(wěn)定的微生物群落，其去除率較低。但當(dāng)試驗進行至第9天時，系統(tǒng)對TN的凈化效果明顯提高，去除率上升，試驗結(jié)束時，整個組合對TN的平均去除率可達64.4%。而對照系統(tǒng)中的TN濃度不降反升，這可能是因為試驗滲濾液中還存在釋放N的物質(zhì)，而且蚊子在水中產(chǎn)卵，孵化的幼蟲和剩下的卵皮促進了N濃度的上升。除了在第3天時2組處理方式的 TN濃度無顯著差異外（P＞0.05），其余時間均差異顯著（P＜0.05）。

圖3 濃度隨時間變化的情況Fig．3 Variation of concentration with time

圖4 NO-2-N濃度隨時間變化的情況Fig．4 Variation of NO-2-N concentration with time

水體中的N元素是造成富營養(yǎng)化的主要因素，在為期30 d的試驗里，生態(tài)凈水系統(tǒng)中的動植物對富營養(yǎng)化園林水體的N元素均有明顯的去除效果，均呈下降趨勢。水體中的TN是指水中所含氮化合物的總量，包括有NH+4-N，NO3-N，NO-2-N和有機氮，有機氮所占的份量最多，含量其次的是NH+4-N，而NO-2-N作為NO3-N和NH+4-N氧化和還原過程中的產(chǎn)物，其含量相對比較少［11-12］。其中水中NH+4-N的去除主要通過凈水系統(tǒng)中水生植物的同化吸收、水生動物的選擇性捕食、生物碳的吸收作用以及微生物硝化作用途徑實現(xiàn)。而水中NO-2-N的含量與氨的硝化作用有關(guān)，亞硝酸鹽能夠通過硝酸細菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，除了微生物對亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)化外，凈水系統(tǒng)中的植物材料也是NO-2-N去除的重要因素，因進水NO-2-N的含量較低，系統(tǒng)的凈化速率快，故在特定的試驗時間里，NO-2-N的去除率是最高的（82.6%）。在試驗期間，生態(tài)凈水系統(tǒng)中N元素的去除速率呈一致性下降現(xiàn)象。

4.4 不同處理方式對水體中TP的凈化效應(yīng)

如圖5所示，對照組和集成系統(tǒng)水體中TP濃度變化存在明顯差異，系統(tǒng)中TP濃度呈現(xiàn)出先升后降的規(guī)律，在第9天之前上升趨勢明顯之后快速下降。出現(xiàn)快速下降的原因可能是因為系統(tǒng)在試驗前期叉尾斗魚和田螺出現(xiàn)個別死亡的現(xiàn)象，其尸體殘體分泌出的營養(yǎng)元素導(dǎo)致系統(tǒng)中TP濃度的上升，但清除這些尸體后，系統(tǒng)中TP濃度又開始下降。對照組則呈現(xiàn)升降再升的趨勢，但變化不大，這可能與試驗水體滲濾液中還存在釋放P的物質(zhì)或蚊子產(chǎn)卵有關(guān)。在試驗后期系統(tǒng)組的凈化效果明顯優(yōu)于對照組，試驗結(jié)束時組合中TP濃度降低至0.867 mg／L，其平均去除率為49.5%，而對照組對TP的去除效果較差，除第18天外，其余各天的去除率均與系統(tǒng)組中的 TP去除率存在顯著差異（P＜0.05）。

圖5 TP濃度隨時間變化的情況Fig．5 Variation of TP concentration with time

4.5 不同處理方式對水體中COD的凈化效應(yīng)

由圖6可知：①隨著試驗時間的推移，對照組和處理組對水體中COD均有一定的去除作用，2組的COD濃度均呈下降的趨勢，但系統(tǒng)中的COD濃度始終低于對照組。②在第30天時系統(tǒng)的去除效果最好，其COD濃度可降至30.93 mg／L，平均去除率為65.7%；而對照系統(tǒng)的去除效果較差，在試驗后期其COD濃度甚至有所上升，最后的平均去除率只有11.7%。經(jīng)方差分析，除第3天外，系統(tǒng)的COD去除率與對照組差異顯著（P＜0.05）。

圖6 COD濃度隨時間變化的情況Fig．6 Variation of COD concentration with time

4.6 不同處理方式對水體中pH值和色度值的影響

圖7 為2組處理方式下水體中pH值和色度值隨時間的變化。由圖7（a）可知，2組處理方式在試驗期間pH值波動較大，對照組整體呈現(xiàn)上升的趨勢，但第18天時其pH值有所降低，系統(tǒng)組中的pH值不太穩(wěn)定，在第24天時pH值突然上升，隨后又呈下降的趨勢。但2組處理方式的pH變化范圍在7.43～8.23之間，符合地表水中pH值6～9的標(biāo)準(zhǔn)要求。圖7（b）表明，在整個試驗階段，2組處理方式色度值總體呈現(xiàn)出隨時間而降低的趨勢，其區(qū)別在于：對照組下降得比較緩慢，變化不明顯，平均去除率僅為10.4%；組合處理組下降得比較迅速，水質(zhì)色度明顯比對照組要清澈澄亮，視覺效果較好，試驗結(jié)束時，色度值下降了93度，平均去除率為68.9%，在組合處理組中生物質(zhì)焦對色素的吸附能力貢獻較大。

圖7 2組處理方式p H值和色度值隨時間的變化Fig．7 Changes of pH value and chromaticity value with time under different treatments

5 結(jié) 論

（1）生態(tài)凈水系統(tǒng)對園林水體塵、蚊蟲、異味等有較好的去除作用。系統(tǒng)中的沉水植物（苦草）可滯納水中浮塵，木本植物（秋楓）和草本植物（水蓑衣）能降解水體中氮磷等富營養(yǎng)物質(zhì)，叉尾斗魚可遏制蚊子孑孓，中華圓田螺喜吃水中腐基質(zhì)，生物質(zhì)焦具有吸附水體中的色素和有害物質(zhì)等作用，還可作為植物的生長基質(zhì)。

（2）運用水生動植物組合凈化富營養(yǎng)化園林水體，去除污染物的效果良好，在為期30 d的試驗過程中，組合組對水體中 TN，TP，COD，NH+4-N，NO-2-N，色素的平均去除率分別為64.4%，49.5%，65.7%，73.8%，82.6%，68.9%，對降低水中 pH值也起著一定的作用，試驗最后測定值分別為1.215±0.04，0.867±0.02，30.93±0.43，0.408±0.01，0.004±0.001，7.7±0.06，42±0.58；其中，TN，COD，DO等指標(biāo)均符合地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，而NH+4-N則符合Ⅱ類水要求，與對照組相比，水生動植物組合在試驗過程中均未出現(xiàn)蚊子幼蟲孑孓。

（3）該技術(shù)方法具有維護成本低、景觀持久性好、凈污能力強的特點，是一項具有綜合性的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，可實現(xiàn)水體景觀持久、高效凈化、低養(yǎng)護、恢復(fù)水體自凈能力與生產(chǎn)功能；實現(xiàn)景觀型人工水景可持續(xù)性的凈化功能，應(yīng)用前景廣闊。