模擬復(fù)合系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理效果

李文夢(mèng)，張清東*，茍俊莉，張思林

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000； 2.綿陽(yáng)市農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是水環(huán)境的主要問題之一[1-2]。據(jù)《2018年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》報(bào)道，2018年全國(guó)監(jiān)測(cè)的111個(gè)湖泊(水庫(kù))中，富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊(水庫(kù))占29%，較2017年的監(jiān)測(cè)結(jié)果降低1.28%。如何解決湖泊中過量的營(yíng)養(yǎng)鹽問題一直是廣大科技工作者研究的熱點(diǎn)，主要采用工程、化學(xué)和生物等方式進(jìn)行修復(fù)。然而，底泥疏浚和水體置換等進(jìn)行工程修復(fù)及采用化學(xué)藥劑進(jìn)行化學(xué)修復(fù)等[5-7]方法雖是高效治理措施，但耗時(shí)耗力，工程量巨大，且治標(biāo)不治本，易重新引發(fā)新的生態(tài)問題。而生態(tài)浮床和人工濕地等生物修復(fù)技術(shù)[8-10]由于成本低和二次污染少等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但濕地較為適合處理水量不大的污水，對(duì)污水量較大的地區(qū)其處理效果并不理想，甚至因?yàn)樗参锷L(zhǎng)周期長(zhǎng)，得不到及時(shí)收割處理，致使氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽再次釋放到水體中。因此，結(jié)合物理與生物修復(fù)技術(shù)建立新的生態(tài)系統(tǒng)，是治理富營(yíng)養(yǎng)水體新的思考方向。ABOU-ELELA等[11]報(bào)道，生態(tài)浮床與人工濕地對(duì)氮磷的去除率達(dá)50%以上。聶志丹等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在垂直流、潛流和表面流3種類型人工濕地中，垂直流和潛流對(duì)氮磷的去除效果相近，二者均優(yōu)于表面流，但潛流式人工濕地對(duì)高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a的去除效果優(yōu)于垂直流。章文賢等[13]報(bào)道，暴雨沖刷可導(dǎo)致景觀富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN/TP濃度突然升高，植物性生態(tài)浮床對(duì)水體具有一定的修復(fù)效果。譚洪濤等[14]研究表明，利用浮橋技術(shù)與潛流式人工濕地結(jié)合，并搭配浮游植物與沉水植物，系統(tǒng)對(duì)TP(74.6%)的去除率高于TN(54.4%)。目前為止，鮮見利用生態(tài)浮床與濕地組合方法治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究報(bào)道。為此，根據(jù)四川盆地地理特征，在人工濕地和生態(tài)浮床基礎(chǔ)上，選擇適合本地生長(zhǎng)的水稻(Oryzasativa)與日本葦(Phragmitesjaponicus)建立土培-水培內(nèi)循環(huán)復(fù)合系統(tǒng)，研究復(fù)合系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體中TN、TP的凈化效果，旨在解決單一濕地系統(tǒng)不能處理大量污水問題，實(shí)現(xiàn)同時(shí)治理底泥與水體污染的目的，以期為富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試水體 供試水體來源于某大學(xué)一小型湖泊(104°70' 75.54"E，31°54' 15.16"N)中部水層，由于半封閉型環(huán)境，湖泊水體流動(dòng)緩慢，導(dǎo)致水體長(zhǎng)期處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，為重度富營(yíng)養(yǎng)水體，水體pH7.74，總磷0.319 mg/L，總氮8.10 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)12.94，水體富營(yíng)狀態(tài)指數(shù)73.11。

1.1.2 供試底泥 采自供試水體湖底，底泥pH7.23，總磷7.74 g/kg，總氮16.8 g/kg，全鉀5.46 g/kg，有機(jī)質(zhì)320 g/kg。

1.1.3 供試植物 供試植物為水稻(川優(yōu)8377)和日本葦。水稻(Oryzasativa)來源于某稻田中心(104°69′66.83″E，31°53′ 44.58″N)，選擇株高35 cm，鮮重28.6 g，分蘗數(shù)為3的植株進(jìn)行試驗(yàn)；日本葦(Phragmitesjaponicus)，采于四川省綿陽(yáng)市某河漫灘(104°71′37.67″E，31°56′ 25.35″N)，沿匍匐莖節(jié)間剪斷，每節(jié)為1個(gè)單株，選擇株高31 cm，鮮重13.6 g的未分株植株進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1.4 儀器 LB-800型有機(jī)玻璃采水器，青島首行環(huán)保設(shè)備科技有限公司；JC-801型抓斗式采泥器，青島聚創(chuàng)環(huán)保設(shè)備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 水體與底泥采集 采用有機(jī)玻璃采水器與抓斗式采泥器分別采集湖泊中部水樣與底部泥樣。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)(圖1)采用2個(gè)處理池，處理池為聚丙烯(PP)箱，復(fù)合系統(tǒng)由土培系統(tǒng)StageⅠ(SⅠ)與水培系統(tǒng)StageⅡ(SⅡ)復(fù)合構(gòu)成，形成土培系統(tǒng)(濕地-日本葦)-水培系統(tǒng)(浮床-水稻)-余水-循環(huán)土培系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)模式。SⅠ中均勻加入20 cm深的供試底泥(濕重34 kg)種植日本葦。SⅡ中放入固定支架后種植水稻，試驗(yàn)水樣體積為33 L，水深為20 cm。2種植物種植密度均為4組/箱，每組2株，行株距為24 cm×17 cm。PP箱長(zhǎng)×寬×高規(guī)格為48 cm×34 cm×25 cm，有效水深24.5 cm，有效容積40 L。復(fù)合系統(tǒng)水箱中用聚氯乙烯(PVC)管作為進(jìn)出水的布水管，布水管沿間距2.0 cm且呈120°均勻打孔。左側(cè)面布水管上方插一漏斗作為進(jìn)水口，右側(cè)面長(zhǎng)17 cm，距離頂部5 cm處開圓孔(R=2 cm)作為出水口。另設(shè)1個(gè)未打孔PP水箱，裝入22 cm富營(yíng)養(yǎng)水體，作為對(duì)照組(CK)。

2) 系統(tǒng)運(yùn)行。試驗(yàn)于2019年6月3日至7月15日在西南科技大學(xué)污水處理廠(104°70′ 41.03″E，31°54′51.33″N)大棚內(nèi)進(jìn)行，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間共計(jì)49 d，試驗(yàn)場(chǎng)地避雨且有充足光照。試驗(yàn)期間大棚內(nèi)平均氣溫34℃，平均水溫25℃。系統(tǒng)進(jìn)出水方式采用下進(jìn)上出模式，供試水從SⅠ進(jìn)水口經(jīng)布水管進(jìn)入SⅠ中，再?gòu)腟Ⅰ出水口進(jìn)入SⅡ進(jìn)水口，最后從SⅡ出水口循環(huán)到SⅠ中。系統(tǒng)蒸發(fā)所耗的水分采用自來水補(bǔ)充，系統(tǒng)采樣及植物蒸騰消耗的水分采用供試水補(bǔ)充。試驗(yàn)期間不施用任何化肥和農(nóng)藥，植物營(yíng)養(yǎng)完全來源于水體。

1.2.3 采樣與測(cè)試 在復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)49 d的運(yùn)行周期中，進(jìn)水流量為0.1 L/min，SⅠ水的停留時(shí)間為2 h，SⅡ水的停留時(shí)間為5.5 h，系統(tǒng)運(yùn)行期每隔7 d為1個(gè)采樣周期，采集時(shí)間分別為0 d(當(dāng)日)、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d、42 d和49 d，于每個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)的8:00與13:30分別采集SⅠ與SⅡ中出水口水樣各50 mL。試驗(yàn)結(jié)束后，土培系統(tǒng)按系統(tǒng)布點(diǎn)法設(shè)4個(gè)底泥取樣點(diǎn)，植物采集整株樣，土培系統(tǒng)、水培系統(tǒng)、對(duì)照組和復(fù)合系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮(TN)與總磷(TP)的含量等指標(biāo)采用文獻(xiàn)[15-17]的方法進(jìn)行分析與測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)，Origin 9.0制圖，SPSS 20進(jìn)行回歸及差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土培系統(tǒng)總氮(TN)與總磷(TP)的含量變化

從表1可知，在復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)周期中，土培系統(tǒng)水體中TN和TP濃度下降幅度較大。試驗(yàn)初期(第0～14天)的第14天時(shí)，TN和TP濃度從初始值分別降至4.575 mg/L和0.150 mg/L，下降率分別為43.51%和52.98%。試驗(yàn)中期(第21～35天)，至第28天時(shí)水體TP濃度為0.095 mg/L，已達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-002)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)(TN≤1.5 mg/L；湖、庫(kù)TP≤0.1 mg/L)；第35天時(shí)，TN和TP濃度分別降至1.554 mg/L和0.075 mg/L，下降率分別為80.81%和76.49%。試驗(yàn)?zāi)┢?第42～49天)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)即第49天時(shí)，TN和TP濃度分別降至1.248 mg/L和0.051 mg/L，下降率分別為84.59%和84.01%，且水體中TN和TP質(zhì)量濃度基本保持恒定。

表1 土培系統(tǒng)運(yùn)行不同時(shí)間水樣的總氮(TN)與總磷(TP)含量Table 1 TN and TP content in eutrophic water treated with the soil culture system after different days

2.2 水培系統(tǒng)總氮(TN)與總磷(TP)的含量變化

從表2看出，在復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)周期中，水培系統(tǒng)水體中TN和TP濃度變化趨勢(shì)與土培系統(tǒng)相似，其濃度大幅度下降。試驗(yàn)初期(第0～14天)的第14天時(shí)，TN和TP濃度從初始值分別降至3.844 mg/L和0.128 mg/L，下降率分別為49.17%和54.93%。試驗(yàn)中期(第21～35天)的第35天時(shí)，TN和TP濃度從初始值分別降至1.420 mg/L和0.069 mg/L，下降率分別為81.22%和75.70%。水體TP濃度(0.099 mg/L)至第21天和TN濃度(1.420 mg/L)至第35天時(shí)先后達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)?zāi)┢?第42～49天)的第49天時(shí)，TN和TP濃度從初始值分別降至1.058 mg/L和0.046 mg/L，下降率分別為86.01%和83.80%，TP濃度(0.046 mg/L)已達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(湖、庫(kù)TP≤0.05 mg/L)，試驗(yàn)?zāi)┢赥N去除率略大于TP。

表2 水培系統(tǒng)運(yùn)行不同時(shí)間水樣的總氮(TN)與總磷(TP)含量Table 2 TN and TP content in eutrophic water treated with the hydroponic system after different days

2.3 對(duì)照組總氮(TN)與總磷(TP)的含量變化

從表3可知，在復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)周期中，對(duì)照組中TN和TP濃度下降幅度較小。隨試驗(yàn)時(shí)間的推移，TN濃度雖然變化幅度較小，但一直呈逐漸下降趨勢(shì)，TP濃度雖然總體呈下降趨勢(shì)，但不管是其含量還是下降率的變化均無規(guī)律性。第14天時(shí)，TN和TP濃度從初始值分別降至7.135 mg/L和0.294 mg/L，下降率分別為11.89%和7.84%。第35天時(shí)，TN和TP濃度分別降至6.203 mg/L和0.303 mg/L，下降率分別為23.40%和5.02%。第49天時(shí)，TN和TP濃度分別降至6.079 mg/L和0.286 mg/L，下降率分別為24.93%和10.35%。

表3對(duì)照組運(yùn)行不同時(shí)間水樣的總氮(TN)與總磷(TP)含量
Table 3 TN and TP content in eutrophic water of CK group after different days

時(shí)間/dDayTN含量/(mg/L)變化率/%TP含量/(mg/L)變化率/%08.09800.319077.5646.590.3054.39147.13511.890.2947.84216.73216.870.3044.70286.31921.970.2957.52356.20323.400.3035.02426.19123.550.2976.90496.07924.930.28610.35

2.4 復(fù)合系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮(TN)與總磷(TP)的治理效果

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)中水稻和日本葦?shù)纳锪坑?4.95 g和21.43 g增至78.68 g和105.86 g，生物量增長(zhǎng)率分別為75.03%和393.98%，水體中的TN和TP由初始供試水體的8.098 mg/L和0.319 mg/L降至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的1.248 mg/L和0.051 mg/L，扣除對(duì)照組水體中氮磷的去除率，復(fù)合系統(tǒng)對(duì)TN和TP的去除率分別為59.66%和73.66%，復(fù)合系統(tǒng)對(duì)水體中TP的去除率大于TN。系統(tǒng)中植物及其共生體對(duì)TN的吸收量復(fù)合系統(tǒng)總量的43.68%，植物吸收量來源于水體及土壤的釋放；系統(tǒng)中植物及其共生體對(duì)TP的吸收量占復(fù)合系統(tǒng)總量的42.95%，植物吸收量主要來源于土壤的釋放。根據(jù)物料平衡計(jì)算，植物吸收TN和TP量為6.00 g/m2和3.51 g/m2，同時(shí)土壤釋放TN和TP量為5.44 g/m2和4.03 g/m2。表明，水體給予土壤富含營(yíng)養(yǎng)源的水分，土壤吸收后供植物生長(zhǎng)，從而降低富營(yíng)養(yǎng)化程度。

3 結(jié)論與討論

植物對(duì)氮磷的去除途徑包括植物吸收[18]、底質(zhì)和根系吸附[19]等，可通過收獲植株，將營(yíng)養(yǎng)鹽從水體中移出，從而凈化水體。雖然對(duì)照組由于沉降、底泥吸附等作用導(dǎo)致水體中氮磷濃度隨著試驗(yàn)時(shí)間的進(jìn)行而減小，但其下降趨勢(shì)遠(yuǎn)小于復(fù)合系統(tǒng)。試驗(yàn)前期，由于水稻和日本葦在移入培養(yǎng)箱之前進(jìn)行了預(yù)培養(yǎng)，2種植物適應(yīng)環(huán)境后開始大量吸收水體中的可溶性氮和磷[20]，且種植植物可促進(jìn)水體的平穩(wěn)，植物根系還可滯留懸浮態(tài)無機(jī)磷[21]，同時(shí)根系中微生物的生長(zhǎng)可促進(jìn)水體的生物脫氮作用。因此，氮磷濃度快速大幅度下降。植物吸收作用是磷去除的主要途徑，與楊雁等[22]對(duì)不同品種水稻對(duì)磷的累積吸收的研究結(jié)果一致。植物體對(duì)氮同化吸收的去除作用較小，其中根系微生物的硝化與反硝化過程也是水體去氮的主要過程。研究結(jié)果表明，復(fù)合系統(tǒng)可有效減低水體中氮磷含量，復(fù)合系統(tǒng)處理組與對(duì)照組間對(duì)TN和TP的去除率差異很大，2個(gè)分系統(tǒng)處理組對(duì)TN和TP的去除率均>83%。表明，復(fù)合系統(tǒng)對(duì)水體中氮磷有較好的去除效果，若在工程中應(yīng)用得當(dāng)，時(shí)間與空間充分，則去除效果更佳。試驗(yàn)中期復(fù)合系統(tǒng)對(duì)TN和TP的去除效率最高，這可能因?yàn)橹衅谥参锔蛋l(fā)達(dá)，為微生物的生長(zhǎng)提供了優(yōu)良的繁殖環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，底泥中氮磷含量偏低，可能是底泥作為平衡養(yǎng)分作用，在試驗(yàn)后期水體氮磷下降的情況下，向水體進(jìn)行了一定量的釋放，植物吸收底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低了底泥營(yíng)養(yǎng)元素的積累量。

采用土培與水培進(jìn)行組合試驗(yàn)，復(fù)合系統(tǒng)對(duì)水體中TN和TP的去除效果較好，去除率分別為59.65%和73.66%，對(duì)TN的去除效果略高于TP；對(duì)照組對(duì)水體中TN和TP的去除率分別為24.93%和10.35%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)處理組水體中TN和TP濃度(土培系統(tǒng)為1.248 mg/L和0.051 mg/L，水培系統(tǒng)為1.058 mg/L和0.046 mg/L)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—002)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)物料平衡計(jì)算，植物吸收TN和TP為6.00 g/m2和3.51 g/m2，同時(shí)土壤釋放TN和TP達(dá)5.44 g/m2和4.03 g/m2。