銅錢草對不同污染負(fù)荷模擬污水的凈化效果初探

袁 泉，呂巍巍，劉婭琴，周文宗

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海201403）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量的工農(nóng)業(yè)污水排入到河流及湖泊中，造成了嚴(yán)重的水體污染問題。污水影響了大氣、水體、土壤和生物，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境及水質(zhì)安全造成了很大破壞。生態(tài)浮床是一種十分有效的污染水體凈化技術(shù)，具有處理效果好，建造成本低，運營費用少等優(yōu)勢，在工農(nóng)業(yè)廢水治理中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。浮床植物能夠有效吸收水體中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)鹽成分，并能吸附水中的懸浮物質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到降低富營養(yǎng)化、凈化水質(zhì)的目的。目前，在我國大型水庫、河流和湖泊等水域所應(yīng)用的生態(tài)浮床技術(shù)中已經(jīng)種植了130多種陸生植物［3］，進(jìn)行過研究的高等植物就有近80余種［4］。近年來，生態(tài)浮床技術(shù)也漸漸被應(yīng)用到養(yǎng)殖水體中，通過浮床凈化水質(zhì)等多種生態(tài)功能，達(dá)到“魚菜共生”的目的［5］。其中，被廣泛使用的浮床植物有水蕹菜（俗稱空心菜）［6］、水芹菜［7］、海馬齒［8］等。由于不同植物對各污染物的去除效果不同，這就需要對水生植物自身及其與環(huán)境之間的生理生態(tài)特征進(jìn)行研究，以促進(jìn)生態(tài)浮床技術(shù)的更好應(yīng)用。

銅錢草（Hydrocotyle vulgaris L.）為多年生濕生草本植物，其根莖十分發(fā)達(dá)，生命力較強，生長迅速，是一種水培觀賞性植物；適宜生長于河岸、沼澤、濕地中，在我國有大量的培育。研究發(fā)現(xiàn)銅錢草對污水有較好的凈化作用，可有效去除城市污水中的氮磷等營養(yǎng)鹽［9-10］；此外，銅錢草作為水培觀賞性植物常被應(yīng)用于生態(tài)溝渠中吸附氮磷營養(yǎng)鹽［11-14］。但其作為浮床植物對養(yǎng)殖水體的凈化效果鮮少見報道。因此，本試驗選取銅錢草作為浮床植物，研究生態(tài)浮床對不同污染負(fù)荷養(yǎng)殖水體的凈化效果，以及水環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的時間動態(tài)變化規(guī)律，旨在為養(yǎng)殖水體的污染負(fù)荷削減提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行試驗站溫室內(nèi)的人工模擬池（水泥池）中進(jìn)行。每個模擬池規(guī)格150 cm×120 cm×100 cm，總?cè)莘e為1.8 m3，試驗用水體積為1.44 m3。銅錢草購自上海市真博花鳥市場，將植物帶回室內(nèi)預(yù)培養(yǎng)2周，選擇生長發(fā)育程度相近的植株開始試驗。

1.2 試驗設(shè)計與方法

在植物（銅錢草）水面覆蓋率均為30%的前提下，根據(jù)總氮濃度設(shè)置5個處理，即原水（河道水，L1）、TN和TP質(zhì)量濃度分別約為4 mg/L和0.4 mg/L（L2）、8 mg/L和0.8 mg/L（L3）、12 mg/L和1.2 mg/L（L4）、16 mg/L和1.6 mg/L（L5），每處理重復(fù)3次，共15個試驗單元（小池）。處理后各水體初始指標(biāo)值見表1。試驗用水取自上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行試驗站溫室外面的池塘，根據(jù)要求的總氮濃度，在蓄水池內(nèi)加入一定量的尿素、磷酸二氫鉀（化學(xué)純）和豬場廢水上清液配制人工污水，然后將人工污水抽到人工模擬池開始正式試驗。

表1 試驗?zāi)M污水的水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Quality indexes of experimental water

每個試驗單元（小池）用PVC管做成規(guī)格90 cm×60 cm×50 cm的框架控制植物水面覆蓋率，PVC管上沿打洞灌水使框架漂浮于水面，其表層管高出水面5 cm，框架內(nèi)置椰絲7 kg（將椰絲用水沖洗干凈并且放在清水中浸泡15 d后備用），并用大孔網(wǎng)袋將椰絲包捆，形成90 cm×60 cm×30 cm的方塊。椰絲具有面積大、孔徑大，能吸附大量微生物等特點，是新一代浮床技術(shù)中逐漸推廣應(yīng)用的植物支撐基質(zhì)之一，其對總氮的凈去除率可達(dá)56%［15］。每個處理單元表面放撈取后基本濾干表面水的銅錢草2 kg；投放泥鰍5尾，平均體質(zhì)量為（90.00±2.54）g。

試驗周期為49 d，試驗期間水溫24—27℃。每7 d對每個模擬池固定位置采集水樣，采樣時間集中在14：00—16：00。水樣采集前用HANNA（意大利）水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定水溫、pH、溶解氧（DO）。用1 L容積的塑料瓶灌區(qū)水面以下10 cm左右處的水樣，帶回實驗室分別測定總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（）、硝態(tài)氮（）、化學(xué)需氧量（CODMn）。其中，TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法（A）測定，TP采用鉬銻抗比色法測定，采用納氏比色法測定，采用流動分析儀（AA3）測定，CODMn采用高錳酸鉀酸化法測定，具體操作方法參照《湖泊生態(tài)調(diào)查觀測與分析》［16］。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

水體營養(yǎng)鹽去除率=［（T2-T1）/T1］×100%，其中，T1為初始水體某營養(yǎng)鹽的總量，T2為末期水體某營養(yǎng)鹽的總量。

利用Excel 2013和SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，百分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)用反正弦轉(zhuǎn)換后進(jìn)行方差分析；用新復(fù)極差檢驗（SSR檢驗，即Duncan氏法）對不同處理的平均數(shù)進(jìn)行多重比較；使用Origin 9.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)浮床對不同污染負(fù)荷水體各營養(yǎng)鹽終期去除效率

試驗終期的去除率（表2）顯示，處理L2—L5的TN去除率均在91%以上，TP去除率均在96%以上，極顯著高于水源水L1的TN和TP去除率。隨著水體污染負(fù)荷的增加，TN、TP終期去除率均上升，但無顯著性差異，說明銅錢草對受污染的養(yǎng)殖水體氮、磷營養(yǎng)鹽具有良好的去除效果。水源水L1的NH+4-N終期去除率明顯高于其他處理組。和CODMn的終期去除率無明顯差異。

表2 試驗終期生態(tài)浮床對不同污染負(fù)荷水體各營養(yǎng)鹽的去除率Table 2 Pollutants removal effects of different test level at the end of experiment %

2.2 不同污染負(fù)荷水體各理化指標(biāo)的動態(tài)變化

如圖1所示，各污染水體TN、TP含量隨著時間的延長均明顯下降，21 d后下降速度減慢。椰絲基質(zhì)在放入水體初期由于細(xì)小碎末向水體中的釋放，使得水體磷濃度升高［15］。本試驗過程中由于椰絲沖洗比較干凈，椰絲初期淋溶物較少，試驗過程中沒有出現(xiàn)TP先升后降的現(xiàn)象。

整個試驗過程中，水源水水體氨氮含量隨時間的延長而緩慢下降，其他各處理組氨氮含量均表現(xiàn)出隨時間的延長先快速上升后下降的趨勢，均在試驗后第7天達(dá)到峰值，第21天后趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。方差分析結(jié)果表明，試驗結(jié)束后，各組污染水體氨氮含量明顯高于L1組（P＜0.05）；L3、L4和L5之間氨氮含量差異不顯著。

各處理組硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，且在第一周有緩慢上升，從第二周開始，處理組L1和L2硝態(tài)氮含量開始緩慢下降，處理組L3、L4和L5硝態(tài)氮含量則快速上升，達(dá)到峰值之后開始下降，第四周之后漸漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)果說明隨著水體污染負(fù)荷的增大，水體硝化作用有延遲的趨勢。試驗結(jié)束后，各處理組硝態(tài)氮含量基本檢測不出來。

各處理組CODMn含量均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，第14天達(dá)到峰值，試驗結(jié)束后，各組CODMn含量均顯著高于初始濃度，這可能與植物根系分泌物及泥鰍糞便排泄物等過程有關(guān)。L1組的CODMn含量要低于其他處理組。

試驗開始后，各處理組pH均緩慢下降，一周之后逐漸趨于穩(wěn)定，在7.0附近振動。L1組pH要顯著的高于其他污水組，處理組L3、L4和L5的pH呈弱酸性。溶解氧含量在試驗過程中總體呈下降趨勢，L1組溶解氧含量要顯著低于各處理組，這可能與各處理組營養(yǎng)程度較高，浮游植物較多有關(guān)系。第六周之后，各水體溶解氧含量逐漸上升至8 mg/L，說明水質(zhì)得到了明顯改善。電導(dǎo)率均處于上升趨勢，但各組之間差異不顯著，L1組的電導(dǎo)率要低于其他處理組。

2.3 水體理化指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

使用Pearson相關(guān)系數(shù)分析方法考察各水體理化指標(biāo)之間的相關(guān)性。由表3可知，各水體理化指標(biāo)之間存在著直接或間接的顯著性相關(guān)關(guān)系。其中，總氮與總磷、氨氮、硝態(tài)氮、pH和溶氧呈顯著性正相關(guān)；總磷與氨氮、pH和溶氧呈顯著正相關(guān)；氨氮與硝態(tài)氮和CODMn之間呈顯著正相關(guān)；CODMn與pH之間呈顯著負(fù)相關(guān)；pH、溶氧和電導(dǎo)率之間具有兩兩顯著性相關(guān)關(guān)系；電導(dǎo)率與其他各理化指標(biāo)之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖1 不同污染負(fù)荷水體各理化指標(biāo)的時間動態(tài)變化Fig.1 W eekly dynam ics of physical and chem ical index of water quality at different test level

表3 水體理化指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Table 3 Correlational analysis between physical-chem ical indexes

3 討論

3.1 銅錢草對養(yǎng)殖水體營養(yǎng)鹽的去除效率

試驗過程中，銅錢草對CODMn的去除率為負(fù)數(shù)，即試驗結(jié)束時CODMn含量較初始濃度高，這在其他浮床植物研究中比較少見。一般浮床植物對CODMn的去除率可達(dá)一定的數(shù)值，但其試驗污水中初始CODMn含量較高，如許國晶等［21］等研究發(fā)現(xiàn)組合生態(tài)浮床對CODMn初始含量為70 mg/L的養(yǎng)殖水體去除率可達(dá)43.98%；楊靜美等［22］研究植物生態(tài)浮床對水禽養(yǎng)殖污水凈化效果中發(fā)現(xiàn)CODMn的去除率可達(dá)66.12%以上，其初始濃度為500 mg/L。該研究中的養(yǎng)殖用水CODMn初始含量（5.53—6.37 mg/L）不高，處于養(yǎng)殖水體中的正常濃度范圍；試驗過程中，CODMn含量先上升后下降，終期含量（6.60—7.94 mg/L）亦處于養(yǎng)殖水體的正常濃度范圍，一般養(yǎng)殖水體的CODMn含量會隨著養(yǎng)殖進(jìn)程的增加而逐漸上升，該研究表明浮床植物銅錢草對CODMn有一定的凈化作用。

綜上所述，銅錢草對養(yǎng)殖水體營養(yǎng)鹽具有較好的去除效果，其又是花卉植物，具有較高的觀賞價值，在現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，尤其是休閑漁業(yè)中可作為養(yǎng)殖水體浮床植物的參選物種之一，對于其在養(yǎng)殖水體中的生長特性、操作技術(shù)規(guī)范等仍需進(jìn)一步研究。

3.2 銅錢草對水體理化指標(biāo)動態(tài)變化的影響

水質(zhì)基本上是由與光合作用相關(guān)的生物化學(xué)過程和同池生物修復(fù)過程決定的［23］，水體理化指標(biāo)的常規(guī)監(jiān)測是認(rèn)識水環(huán)境變化的直接方法。該研究表明各水體理化指標(biāo)之間存在著直接或間接的顯著性相關(guān)關(guān)系，這種相關(guān)關(guān)系也表現(xiàn)在各理化指標(biāo)的時間動態(tài)變化當(dāng)中，而銅錢草在這個過程中通過對營養(yǎng)鹽的吸收及其呼吸代謝等作用，對水體理化指標(biāo)變化產(chǎn)生明顯影響。例如，銅錢草通過對N、P營養(yǎng)鹽的吸收作用，TN、TP呈不斷下降態(tài)勢；、CODMn含量在試驗早期先上升的同時，pH和DO含量不斷下降，CODMn與pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與呈顯著正相關(guān)。水體pH主要受CO2的影響，CO2又受有機物質(zhì)氧化分解等的影響［24］，當(dāng)CODMn值升高，預(yù)示著水體中有機物含量上升，有機物氧化分解產(chǎn)生CO2，pH降低，即H+的濃度或活度增大會促進(jìn)水體的氧化還原反應(yīng)向正方向進(jìn)行，則H+與O2反應(yīng)生成水，使DO降低［24］，這一點從該研究中pH和DO呈極顯著正相關(guān)關(guān)系可以得到證實，而DO降低，水體硝化作用減弱含量則會升高，水質(zhì)呈現(xiàn)惡化趨勢。然而試驗后期含量開始下降，說明水質(zhì)惡化的態(tài)勢得到抑制和改善，這與TN含量的降低有關(guān)，說明銅錢草對水質(zhì)具有凈化作用。pH和DO與其他水體理化指標(biāo)之間均存在著直接或間接的顯著相關(guān)性，因此水體pH和DO含量的常規(guī)監(jiān)測，對于水體的修復(fù)管理具有重要意義。