5種水生植物對(duì)煤礦廢水的適應(yīng)性及凈化效果

程麗芬，張 欣

（山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原030012）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，產(chǎn)煤量增加，煤礦廢水排放成為礦區(qū)的主要污染之一［1］。煤礦廢水中的主要污染物為懸浮物、石油類和重金屬［2］，具體成分因所處地區(qū)不同而存在差異［3］。人工濕地以其自然、低耗能、低投資、處理效果穩(wěn)定等特點(diǎn)［4-5］，被廣泛應(yīng)用于城市生活污水處理［6］。國(guó)內(nèi)利用人工濕地處理城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水、化糞池尾水、養(yǎng)豬場(chǎng)廢水的研究較多，而針對(duì)煤礦廢水的研究較少［7］。人工濕地由水生植物、基質(zhì)和微生物組成［8］，植物可以通過吸收利用氮、磷等營(yíng)養(yǎng)成分、富集吸附重金屬和有害物質(zhì)來凈化污水，植物的根系為微生物提供氧氣，微生物的大量繁殖可以進(jìn)一步提高人工濕地對(duì)污染物的去除率［9］。在實(shí)際建設(shè)中，最常用的濕地植物是挺水植物，國(guó)內(nèi)外研究中效果較好的挺水植物有蘆葦Phragrnites communis，香蒲Typha orientalis，三棱水蔥Scirpus triqueter，菖蒲Acorus calamus和燈心草Juncus effusus等［10-11］。本研究以蘆葦、香蒲、三棱水蔥、石菖蒲Acorus tatarinowii和水麥冬Triglochin palustre為研究對(duì)象，利用塑料水培箱模擬人工濕地單元，比較分析了煤礦廢水和清水對(duì)照2個(gè)處理下植物的光合特性和生長(zhǎng)情況，并測(cè)定其對(duì)煤礦廢水中化學(xué)需氧量（CODCr）、總磷（TP）和總氮（TN）的去除效果，以期為構(gòu)建煤礦廢水人工濕地植物的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地（111°29′N，37°26′E）位于山西省太原市，該區(qū)屬北溫帶大陸性氣候，年平均降水量為468.4 mm，季節(jié)分布不均勻。年平均氣溫為9.5℃，1月平均氣溫為-6.4℃，7月平均氣溫為23℃，年無霜期平均為149～175 d，全年日照時(shí)數(shù)為2 501.7 h。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 供試植物 根據(jù)山西省的氣候條件及濕地處理煤礦廢水的需要，選擇抗污力強(qiáng)、較耐寒、易繁殖、病蟲害少、地下部分及地上部分生物量大的多年生水生或濕生植物進(jìn)行試驗(yàn)。通過查閱文獻(xiàn)和實(shí)地考察，2017年6月從江蘇省宿遷市購置了5種水生植物（表1）的根苗進(jìn)行試驗(yàn)，購回植物后栽植于河沙中，用清水（清水為自來水）澆灌，使植物保持正常生長(zhǎng)，定期對(duì)枯死植株進(jìn)行補(bǔ)栽。

2.1.2 模擬人工濕地 用長(zhǎng)×寬×高=60 cm×40 cm×35 cm的塑料水培箱模擬人工濕地，在箱子底部鋪設(shè)15 cm厚的河沙作為基質(zhì)，種植水生植物。每種植物6箱，共30箱，植物的株行距為8 cm×6 cm，每箱50株。

2.1.3 煤礦廢水 設(shè)煤礦廢水和清水2個(gè)處理，各處理3次重復(fù)。煤礦廢水取自山西省大同市左云縣小京莊鄉(xiāng)鵲山高家窯煤礦，煤礦廢水和清水的基本理化性質(zhì)見表2。

本研究所取廢水為礦井廢水，由于在煤礦內(nèi)部已經(jīng)過曝氣中和池（曝氣、加堿）、初沉調(diào)節(jié)池和高效絮凝沉淀池（加入聚合氯化鋁PAC和聚丙烯酰胺PAM）的預(yù)處理，所以部分指標(biāo)（包括鐵、錳等其他重金屬元素含量）已滿足GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。硫化物超標(biāo)量不大，與土壤基質(zhì)中的鈣離子、鎂離子結(jié)合沉淀后即可滿足地表水環(huán)境Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，因此本次試驗(yàn)不予考慮。本研究?jī)H測(cè)定沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的CODCr，TP，TN這3個(gè)指標(biāo)。

表1 供試植物Table 1 Tested plants

表2 煤礦廢水和清水的理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of coal mine wastewater and clean water

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年7月，待供試植物生長(zhǎng)情況穩(wěn)定后，開始進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中各個(gè)箱子的基質(zhì)表面保持2～3 cm恒定水頭，盡量保障所有水培箱都處于相同的溫度、濕度和光照條件下，設(shè)置遮雨棚（避免雨水的影響），通過加自來水補(bǔ)充水面蒸發(fā)和植物蒸騰消耗的水分。試驗(yàn)為期4個(gè)月，每月中旬測(cè)定1次植物的光合參數(shù)和葉綠素相對(duì)含量，并在試驗(yàn)前后分別測(cè)定各種植物的株高和生物量，每月1日，11日和21日采集煤礦廢水處理組、廢水靜置（ck1）和河沙+廢水靜置（ck2）的水樣測(cè)定水質(zhì)，共測(cè)12次。

2.3 數(shù)據(jù)測(cè)定及計(jì)算

2.3.1 光合參數(shù)測(cè)定 測(cè)定時(shí)間為9：00-11：00。采用LI-6200便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定植物的光合參數(shù)，包括凈光合速率（Pn）， 蒸騰速率（Tr）， 氣孔導(dǎo)度（Cs）， 胞間二氧化碳濃度（Ci）4 個(gè)指標(biāo)， 并根據(jù)式（1）計(jì)算植物的水分利用效率（WUE）。

式（1）中：Pn為光合速率（μmol·m-2·s-1）；Tr為蒸騰速率（mmol·m-2·s-1）；WUE為水分利用效率（mmol·mol-1）。2.3.2 葉綠素相對(duì)含量測(cè)定 采用SPAD-502便攜式葉綠素儀測(cè)量植物的葉綠素相對(duì)含量。測(cè)定時(shí)間為17：00-18：00。

2.3.3 株高測(cè)定 試驗(yàn)前后分別在各個(gè)箱子中隨機(jī)選取3株植物，用鋼卷尺測(cè)定其株高求平均值。

2.3.4 生物量增加量測(cè)定 試驗(yàn)前后分別在各個(gè)箱子中隨機(jī)選取3株植物，采集植物全株。用清水洗凈，分為地上部分和地下部分，分別在85℃烘箱中烘至恒量，稱其干質(zhì)量，計(jì)算地上部分、地下部分和總生物量的增加量。地上（地下）部分生物量（g·m-2）=［地上（地下）部分干質(zhì)量/取樣株數(shù)×每個(gè)水培箱中的植株數(shù)］/水培箱的基質(zhì)面積；總（地上或地下）生物量增加量（g·m-2）=試驗(yàn)后總（地上或地下）生物量-試驗(yàn)前總（地上或地下）生物量。本試驗(yàn)中，取樣株數(shù)為3株，各個(gè)水培箱中的植株數(shù)為50株，水培箱基質(zhì)面積為 0.4 m×0.6 m=0.24 m2。

2.3.5 水樣水質(zhì)測(cè)定 BOD5的測(cè)定采用稀釋與接種法；CODCr的測(cè)定采用重鉻酸鹽法；硫化物的測(cè)定采用亞甲基藍(lán)分光光度法；TP的測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法；TN的測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；砷的測(cè)定采用原子熒光光度法；揮發(fā)酚的測(cè)定采用連續(xù)流動(dòng)4-氨基安替比林分光光度法。污染物的去除率根據(jù)式（2）計(jì)算。

式（2）中：R為去除率（%）；Di為污染物的初始質(zhì)量濃度（mg·L-1）；D0為污染物的取樣質(zhì)量濃度（mg·L-1）。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel整理數(shù)據(jù)并作圖，利用SPSS 18.0對(duì)2個(gè)處理間光合參數(shù)、葉綠素相對(duì)含量和株高之間的差異顯著性進(jìn)行分析（獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)），并對(duì)生物量增加量進(jìn)行多重比較（LSD法）。

3 結(jié)果與分析

3.1 煤礦廢水對(duì)水生植物葉片光合參數(shù)的影響

3.1.1 凈光合速率 由圖1可知：煤礦廢水處理下水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥的葉片凈光合速率（Pn）大于清水對(duì)照。其中，煤礦廢水下水麥冬葉片7，8，9和10月的Pn比清水對(duì)照高13.32%，27.84%，12.76%和85.78%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水下石菖蒲葉片7，8，9和10月的Pn比清水對(duì)照高16.68%，39.87%，46.76%和11.67%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水下三棱水蔥葉片7，8，9和10月的Pn比清水對(duì)照高21.20%，35.85%，76.46%和197.26%，差異極顯著（P＜0.01）。而清水對(duì)照香蒲、蘆葦?shù)娜~片Pn大于煤礦廢水處理。其中，清水對(duì)照香蒲葉片7，8，9和10月的Pn比煤礦廢水處理高45.34%，0.75%，20.96%和16.96%，差異顯著（P＜0.05）；清水對(duì)照下蘆葦葉片7，8，9和10月的Pn比煤礦廢水處理高6.15%，4.21%，14.77%和18.59%，差異顯著（P＜0.05）?？傮w來看，Pn隨月份的增大呈下降趨勢(shì)，從大到小依次為蘆葦、水麥冬、香蒲、石菖蒲、三棱水蔥。

圖1 不同處理下5種水生植物葉片凈光合速率（Pn）的變化Figure 1 Changes of net photosynthetic rate（Pn） of 5 aquatic plants under different treatments

3.1.2 蒸騰速率 由圖2可知：煤礦廢水處理下水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥的葉片蒸騰速率（Tr）大于清水對(duì)照。其中，煤礦廢水處理下水麥冬葉片7，8，9和10月的Tr比清水對(duì)照高13.27%，25.60%，11.99%和77.34%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水處理下石菖蒲葉片7，8，9和10月的Tr比清水對(duì)照高17.60%，0.54%，34.69%和21.63%，差異極顯著（P＜0.01）；煤礦廢水處理下三棱水蔥葉片7，8，9和10月的Tr比清水對(duì)照高14.69%，19.11%，25.72%和62.80%，差異不顯著（P＞0.05）。而清水對(duì)照下香蒲葉片7，8，9和10月的Tr比煤礦廢水處理高64.64%，1.35%，13.25%和30.88%，差異不顯著（P＞0.05）；清水對(duì)照蘆葦葉片的Tr除10月略低于煤礦廢水處理外，7，8和9月的Tr比煤礦廢水處理高11.69%，33.51%和15.13%，差異不顯著（P＞0.05）?？傮w來看，5種植物葉片Tr隨月份的增大呈先升高后降低的趨勢(shì)，Tr從大到小依次為蘆葦、三棱水蔥、香蒲、水麥冬、石菖蒲。

圖2 不同處理下5種水生植物葉片蒸騰速率（Tr）的變化Figure 2 Changes of transpiration rate（Tr） of 5 aquatic plants under different treatments

3.1.3 氣孔導(dǎo)度 由圖3可知：煤礦廢水處理下水麥冬葉片7，8，9和10月的氣孔導(dǎo)度（Cs）比清水對(duì)照高24.99%，21.23%，2.79%和80.17%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水處理下石菖蒲葉片的Cs除8月略低于清水對(duì)照外，7，9和10月的Cs比清水對(duì)照高74.34%，39.40%和22.98%，差異顯著（P＜0.05）。而清水對(duì)照下香蒲、蘆葦、三棱水蔥的葉片Cs大于煤礦廢水處理。其中，清水對(duì)照下香蒲葉片7，8，9和10月的Cs比煤礦廢水處理高83.31%，3.26%，14.97%和67.12%，差異不顯著（P＞0.05）；清水對(duì)照蘆葦葉片7，8，9和10月的Cs比煤礦廢水處理高33.94%，8.70%，69.37%和26.32%，差異不顯著（P＞0.05）；清水對(duì)照三棱水蔥葉片7，8，9和10月的Cs比煤礦廢水處理高82.48%，40.01%，3.64%和49.66%，差異不顯著（P＞0.05）?？傮w來看，5種植物Cs隨月份的增加呈下降趨勢(shì)，從大到小依次為三棱水蔥、蘆葦、香蒲、水麥冬、石菖蒲。

煤礦廢水處理下水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥的葉片Pn和Tr均大于清水對(duì)照，僅說明水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥對(duì)煤礦廢水的適應(yīng)性較強(qiáng)。從整體變化趨勢(shì)上來看，蘆葦和香蒲的葉片Pn，Tr和Cs均較大，說明蘆葦和香蒲光合作用較其他3種植物更顯著。

圖3 不同處理下5種水生植物葉片氣孔導(dǎo)度（Cs）的變化Figure 3 Changes of stomatal conductance（Cs） of 5 aquatic plants under different treatments

3.1.4 胞間二氧化碳濃度 由圖4可以看出：5種水生植物煤礦廢水處理和清水對(duì)照的葉片胞間二氧化碳濃度（Ci）的差別不定，變化趨勢(shì)不明顯。但從總體來看，5種植物的葉片Ci隨月份增大呈上升趨勢(shì)。植物的Pn和Cs隨月份的增加呈下降趨勢(shì)，而Ci隨月份的增加而增加，所以Cs的下降并不是引起植物Pn下降的主要原因，植物光合速率下降的主要原因可能是季節(jié)變化，這與李龍山等［12］的研究結(jié)果一致。5種植物Ci從大到小依次為三棱水蔥、蘆葦、石菖蒲、香蒲、水麥冬。

圖4 不同處理下5種水生植物葉片胞間二氧化碳濃度（Ci）的變化Figure 4 Changes of intercellular carbon dioxide concentration（Ci） of 5 aquatic plants under different treatments

3.1.5 水分利用效率 由圖5可以看出：煤礦廢水處理下5種植物葉片的水分利用效率（WUE）總體上比清水對(duì)照高（香蒲9月，石菖蒲7和10月，蘆葦10月除外）。其中，水麥冬、香蒲、石菖蒲、蘆葦?shù)腤UE隨月份的增加先降低后升高，而三棱水蔥的水分利用效率隨月份的增加而降低。5種植物WUE的從大到小依次為水麥冬、石菖蒲、蘆葦、香蒲、三棱水蔥。

3.2 煤礦廢水對(duì)水生植物葉綠素相對(duì)含量的影響

由圖6可知：煤礦廢水處理下水麥冬、三棱水蔥的葉綠素相對(duì)含量大于清水對(duì)照。其中，煤礦廢水處理下水麥冬葉片7，8，9和10月的葉綠素相對(duì)含量比清水對(duì)照高5.70%，9.94%，7.69%和14.19%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水處理下三棱水蔥葉片7，8，9和10月的葉綠素相對(duì)含量比清水對(duì)照高9.09%，2.41%，6.49%和6.76%，差異不顯著（P＞0.05）。而除香蒲9月外，清水對(duì)照香蒲、石菖蒲、蘆葦?shù)娜~綠素相對(duì)含量大于煤礦廢水處理。其中，清水對(duì)照香蒲葉片7，8和10月的葉綠素相對(duì)含量比煤礦廢水處理高5.02%，1.98%和9.65%，差異顯著（P＜0.05）；清水對(duì)照石菖蒲葉片7，8，9和10月的葉綠素相對(duì)含量比煤礦廢水處理高12.54%，7.69%，5.53%和11.59%，差異極顯著（P＜0.01）；清水對(duì)照蘆葦葉片7，8，9和10月的葉綠素相對(duì)含量比煤礦廢水處理高16.73%，10.04%，12.68%和18.99%，差異顯著（P＜0.05）?？傮w來看，5種植物葉片的葉綠素相對(duì)含量隨月份的增大呈先升高后降低的趨勢(shì)，也從另一方面表明導(dǎo)致植物光合速率下降的主要原因是季節(jié)變化。5種植物葉綠素相對(duì)含量的變化從高到低依次為石菖蒲、蘆葦、香蒲、水麥冬、三棱水蔥。

圖5 不同處理下5種水生植物葉片水分利用效率（WUE）的變化Figure 5 Changes of water use efficiency（WUE） of 5 aquatic plants under different treatments

圖6 不同處理下5種水生植物葉片葉綠素相對(duì)含量的變化Figure 6 Changes of chlorophyll relative content of 5 aquatic plants under different treatments

3.3 煤礦廢水對(duì)水生植物株高的影響

圖7 5種水生植物試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的株高對(duì)比Figure 7 Plant height of 5 aquatic plants before and after experiment

清水對(duì)照和煤礦廢水條件下，5種植物均能健康正常地生長(zhǎng)，因此均能適應(yīng)煤礦廢水環(huán)境。從圖7可以看出：5種植物的株高大小為蘆葦＞香蒲＞石菖蒲＞三棱水蔥＞水麥冬。經(jīng)過4個(gè)月的生長(zhǎng)，5種植物試驗(yàn)后的株高均大于試驗(yàn)前。其中，香蒲、石菖蒲、蘆葦?shù)闹旮咴鲩L(zhǎng)量較大，平均增加量分別為28.88，44.15和34.60 cm；水麥冬、三棱水蔥的株高增長(zhǎng)量較小，平均增加量分別為1.08和4.71 cm。除香蒲試驗(yàn)前外，清水對(duì)照香蒲、石菖蒲、蘆葦?shù)闹旮呔笥诿旱V廢水處理，其中蘆葦試驗(yàn)前2個(gè)處理間差異顯著（P＜0.05），其他無顯著差異；但煤礦廢水處理下水麥冬、三棱水蔥的株高大于清水對(duì)照，其中三棱水蔥煤礦廢水和清水對(duì)照間差異極顯著（P＜0.01），水麥冬無顯著差異。

3.4 煤礦廢水對(duì)水生植物生物量的影響

由表3可以看出：5種植物地上部分、地下部分和總生物量的增長(zhǎng)量大小均為石菖蒲＞蘆葦＞香蒲＞三棱水蔥＞水麥冬，差異顯著。其中，香蒲、石菖蒲、蘆葦?shù)闹旮咴鲩L(zhǎng)量較大，水麥冬、三棱水蔥的株高增長(zhǎng)量較小，與株高表現(xiàn)一致。生物量增長(zhǎng)量總體表現(xiàn)為地下部分生物量增長(zhǎng)量大于地上部分生物量的增長(zhǎng)量。但清水對(duì)照香蒲、石菖蒲、蘆葦?shù)纳锪吭鲩L(zhǎng)量均大于煤礦廢水處理（P＜0.05），煤礦廢水處理下水麥冬、三棱水蔥的生物量增長(zhǎng)量大于清水對(duì)照（P＜0.05）。

3.5 5種水生植物對(duì)煤礦廢水的凈化效果

表3 5種水生植物的生物量增加量Table 3 Biomass increase of 5 aquatic plants

3.5.1 對(duì)化學(xué)需氧量（CODCr）的去除效果 由圖8可以看出：5種水生植物均能有效去除煤礦廢水中CODCr。7月11日第1次取樣時(shí)，水麥冬、香蒲、石菖蒲、蘆葦、三棱水蔥對(duì)煤礦廢水中CODCr的去除率分別為47.66%，65.84%，57.58%，62.26%，69.70%。8月11日之前，煤礦廢水中的CODCr下降速度較快，之后變化趨于平緩。到9月21日時(shí)，各水生植物處理組的CODCr達(dá)最低值，為8～18 mg·L-1，去除率均為95%以上，達(dá)到GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。之后，水麥冬和石菖蒲組的CODCr濃度又有小幅度升高，這種變化趨勢(shì)與李龍山等［12］的研究結(jié)果相似。各水生植物處理組煤礦廢水中的CODCr與對(duì)照（ck1和ck2）差異顯著（P＜0.01）。ck1和ck2處理下，煤礦廢水中CODCr質(zhì)量濃度于9月1日前呈下降趨勢(shì)，9月1日后基本保持不變，最終分別降至132和81 mg·L-1，去除率達(dá)63.64%和77.69%，可能是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的沉淀和基質(zhì)的吸附發(fā)揮了重要作用?？傮w來看，5種植物對(duì)煤礦廢水中CODCr的去除效果從高到低依次為香蒲、三棱水蔥、蘆葦、石菖蒲、水麥冬。

3.5.2 對(duì)總磷（TP）的去除效果 由圖9可以看出：5種水生植物對(duì)煤礦廢水中TP的去除效果較好。7月11日第1次取樣時(shí)，水麥冬、香蒲、石菖蒲、蘆葦、三棱水蔥對(duì)煤礦廢水中TP的去除率分別為46.38%，60.87%，40.10%，65.22%，53.62%。8月1日之前，煤礦廢水中的TP質(zhì)量濃度下降速度較快，之后變化趨于平緩。這可能是由于7-8月為植物的生長(zhǎng)旺期，所以較多地吸收利用煤礦廢水中的磷元素用于自身生長(zhǎng)，而9-10月植物生長(zhǎng)趨緩，所以對(duì)磷的吸收較少。到10月21日試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各煤礦廢水處理組的TP質(zhì)量濃度達(dá)最低值，為0.06～0.17 mg·L-1，去除率均為92%以上，達(dá)到GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。各水生植物處理組煤礦廢水中的TP濃度與與對(duì)照（ck1和ck2）差異顯著（P＜0.01）。ck1處理煤礦廢水中TP質(zhì)量濃度于7月21日之前下降速度較快，之后繼續(xù)下降但速度趨緩；ck2處理煤礦廢水中TP質(zhì)量濃度的于8月1日前迅速下降，之后又稍有回升，8月21日后又緩慢下降。這種前期的快速下降趨勢(shì)說明磷酸鹽的沉降作用是去除煤礦廢水中磷的主要途徑，最終ck1和ck2的TP質(zhì)量濃度分別降至0.86和0.64 mg·L-1，去除率達(dá)58.45%和69.08%，這可能是由于一部分磷以磷酸鹽的形式沉積在水體底部，一部分磷與基質(zhì)相結(jié)合形成難溶物質(zhì)?？傮w來看，5種植物對(duì)煤礦廢水中TP的去除效果從高到低依次為香蒲、蘆葦、三棱水蔥、水麥冬、石菖蒲。香蒲和蘆葦對(duì)TP的去除效果較好，可能是因?yàn)橄闫押吞J葦吸收了更多磷營(yíng)養(yǎng)元素用于自身生長(zhǎng)。

圖8 水生植物對(duì)CODCr的去除效果Figure 8 Effect of aquatic plants on CODCrremoval from wastewater

圖9 水生植物對(duì)總磷（TP）的去除效果Figure 9 Effect of aquatic plants on total phosphorus（TP）removal from wastewater

3.5.3 對(duì)總氮（TN）的去除效果 由圖10可以看出：5種水生植物對(duì)煤礦廢水中TN的去除效果也較好，煤礦廢水中的TN隨時(shí)間變化總體呈下降趨勢(shì)。7月11日第1次取樣時(shí)，水麥冬、香蒲、石菖蒲、蘆葦、三棱水蔥對(duì)煤礦廢水中TN的去除率分別為37.80%，51.30%，34.60%，55.75%，45.75%。8月21日之前，煤礦廢水中的TN濃度下降速度較快，之后變化趨于平緩。其原因可能和TP一樣，7-8月為植物的生長(zhǎng)旺期，所以吸收利用了較多的氮元素用于自身生長(zhǎng)，而9-10月植物生長(zhǎng)趨緩，所以對(duì)氮的吸收較少。到10月21日試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各煤礦廢水處理組的TN濃度達(dá)最低值，為0.23～0.87 mg·L-1，去除率均為93%以上，也達(dá)到GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。各水生植物處理組煤礦廢水中的TN質(zhì)量濃度與對(duì)照（ck1和ck2）差異顯著（P＜0.01）。ck1和ck2處理煤礦廢水中TN濃度于8月1日前下降速度較快，8月1日后下降速度趨緩，之后最終分別降至6.84和4.58 mg·L-1，去除率達(dá)65.80%和77.10%，可能是因?yàn)榘睉B(tài)氮的揮發(fā)及基質(zhì)的吸附沉降作用，其中ck2，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)在基質(zhì)表面生長(zhǎng)微生物群，微生物的硝化、反硝化左右使其對(duì)TN的去除率較高。總體來看，5種植物對(duì)煤礦廢水中TN的去除效果從高到低依次為蘆葦、香蒲、三棱水蔥、水麥冬、石菖蒲。香蒲和蘆葦對(duì)TN的去除效果較好，可能是因?yàn)橄闫押吞J葦?shù)纳L(zhǎng)過程中也吸收利用了較多的氮元素。本研究顯示：5種水生植物對(duì)煤礦廢水中TN的去除率高，可能是由于本試驗(yàn)時(shí)間為7-10月，正值供試植物的生長(zhǎng)旺盛期，其生長(zhǎng)過程中需要吸收大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素。此外，在靜水條件下且試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，有利于水生植物根系的發(fā)展，在根系周圍形成穩(wěn)定的好氧、缺氧或厭氧微環(huán)境，有利于硝化細(xì)菌和反硝化菌的生長(zhǎng)，從而增強(qiáng)微生物的硝化和反硝化作用，提高對(duì)煤礦廢水中TN的去除率［13］。

圖10 水生植物對(duì)總氮（TN）的去除效果Figure 10 Effect of aquatic plants on total nitrogen（TN）removal from wastewater

4 結(jié)論

煤礦廢水處理下水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥的葉片凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）均大于清水對(duì)照，香蒲、蘆葦?shù)膭t小于清水對(duì)照；煤礦廢水處理下水麥冬、三棱水蔥的葉綠素相對(duì)含量、株高、生物量增加量均大于清水對(duì)照，香蒲、石菖蒲、蘆葦?shù)膭t小于清水對(duì)照。說明煤礦廢水中的有害物質(zhì)可能影響了香蒲、石菖蒲、蘆葦?shù)恼ＩL(zhǎng)，而煤礦廢水中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)了水麥冬、三棱水蔥株高和生物量的增長(zhǎng)。因此，5種植物中水麥冬和三棱水蔥對(duì)煤礦廢水的適應(yīng)性較強(qiáng)。

5種水生植物處理下，煤礦廢水中的CODCr，TP，TN質(zhì)量濃度均能降至GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的要求。綜合去除效果和去除率，應(yīng)優(yōu)先選擇香蒲、蘆葦和三棱水蔥作為構(gòu)建煤礦廢水人工濕地的植物材料，其次為水麥冬和石菖蒲。