6種水生植物及其組合對模擬污水中磷的凈化效果

陳小運， 胡友彪， 鄭永紅， 張治國， 余 婷， 孫 翔， 鄧永強

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院， 安徽 淮南 232001)

水環(huán)境質量是水環(huán)境保護和治理的重點問題及研究對象，隨著人類活動的增加，生活污水和生產用水的排放量日益增加，其特點是含有大量的氮、磷等元素，隨之而來的是水體富營養(yǎng)化問題[1]。在富營養(yǎng)化水體治理技術方法中,植物修復技術因其環(huán)境友好、太陽能驅動、成本低、可恢復水體自凈化能力等優(yōu)點,逐漸成為一種重要的生態(tài)治理方法[2]，因此水生植物對于凈化污染水質和維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要意義[3-5]。用于生態(tài)修復的水生植物需滿足生物量大、生長快速、富集營養(yǎng)物質能力強等特點[6],且根系長度對凈化水體的深度有重要影響[7]。此外,依靠單一水生植物較難取得理想的生態(tài)環(huán)境治理效果[8]。因而,不同水生植物的組合與配置方式已成為更具應用價值的水體質量修復模式[9]。水生植物是水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠從水體中吸收氮磷等營養(yǎng)物質，調節(jié)水生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)速度，控制藻類的營養(yǎng)成分，改善水體環(huán)境，是調節(jié)、治理和抑制水體富營養(yǎng)化的有效途徑[10-13]。在水生生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境凈化過程中，水生植物的凈化貢獻巨大[14-16]。不同水生植物對氮、磷的去除效果有很大的差異，去除率的變化范圍為20%～98%，植物修復水體是一種經濟、簡單、可持續(xù)的水體修復方法，在富營養(yǎng)化水體環(huán)境治理中得到廣泛應用[17]。利用植物對富營養(yǎng)化水體進行生態(tài)修復成為研究的熱點問題，漂浮植物、浮葉植物、沉水和挺水植物等水生植被的恢復和重建能夠有效分配富營養(yǎng)化水體中的營養(yǎng)鹽，在生長期間可有效凈化水體富營養(yǎng)化[18]。

本研究選擇6種水生植物：菖蒲、美人蕉、大薸、鳳眼蓮、金魚藻、穗花狐尾藻，進行室內靜態(tài)模擬試驗，對各水生植物凈化受污染水體的效能及改善水環(huán)境的能力進行研究，分析水體磷元素的消減過程及動態(tài)變化規(guī)律，以期為污染水體的水生植物治理提供一定的選擇依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與模擬污水

本試驗選擇6種水生植物，分別是挺水植物菖蒲、美人蕉，浮水植物大薸、鳳眼蓮，沉水植物金魚藻、穗花狐尾藻(表1)。用蒸餾水仔細清洗植物根部，對沉水植物用蒸餾水進行整體清洗，清洗過程中避免植物根須和莖稈受損[19-20]。洗凈后在自然光照無雨條件下進行預培養(yǎng)一周。人工模擬污水是使用磷酸二氫鉀進行配制。

表1 6種供試水生植物名錄

1.2 試驗設計

試驗容器的選擇高為30 cm，直徑為34 cm的PVC水桶，實驗處理的水樣體積為15 L,試驗培養(yǎng)桶中所取水樣來自實驗室蒸餾水?；舅|指標的質量濃度為總磷高濃度2 mg/L，總磷中濃度0.5 mg/L，總磷低濃度0.1 mg/L?？偭赘邼舛? mg/L參照城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準設置，總磷中濃度0.5 mg/L和總磷低濃度0.1 mg/L參照湖泊富營養(yǎng)化分級評價標準的嚴重富營養(yǎng)化和中度富營養(yǎng)化標準設置。

選擇長勢良好、長度接近的金魚藻、美人蕉、菖蒲、大薸、穗花狐尾藻、鳳眼蓮6種水生植物的幼苗作為供試植物，洗凈后放入供試水體中。在45個PVC水桶中倒入各自所需的水體材料，將水生植物根據試驗要求放入42個水桶內，每組分別放入3個濃度梯度的污水。單一水生植物試驗組每桶放6株水生植物，組合水生植物試驗組每種植物放3株,共9株。另設3個水桶作為空白對照組，桶中不放任何水生植物，其余條件同試驗組(表2)。每隔20 d進行一次采樣。試驗期間定期用蒸餾水補充蒸發(fā)和蒸騰所消耗的水分，以保持容器中的水位。試驗持續(xù)時間80 d，從2019年6月1日至8月20日，每次是當天上午9:00—10:00取樣。

1.3 分析測定內容與方法

本次試驗主要是針對水質總磷進行測定，其采用的方法是鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)。采用北京普析TU-1901雙光束紫外可見分光光度計測定。并對水質的溶解氧和pH值進行測定，分別采用溶解氧儀和pH計進行測定。

表2 試驗設計類型

2 結果與分析

2.1 水生植物生長情況

在本試驗條件下，金魚藻在全過程試驗期間長勢良好，衰敗跡象不明顯，穗花狐尾藻長勢良好，40 d后有些許衰敗跡象，而菖蒲、美人蕉、大薸、鳳眼蓮在初期生長旺盛，而40 d后衰敗跡象明顯。

2.2 水生植物及不同組合對水體pH值的影響

隨著試驗時間的延長，所有處理水體pH值呈上升趨勢(見圖1—3)。試驗模擬污水初始pH值呈現中性或弱酸性，隨著試驗的進行，試驗后期水體pH值呈現弱堿性。高濃度磷水體中，美人蕉在60～80 d水體pH值上升幅度最大，從7.3上升至8.1，其他試驗處理組水體pH值均無顯著差異，表明水體環(huán)境趨于穩(wěn)定。中濃度磷水體中，金魚藻、美人蕉、金魚藻+美人蕉+大薸在60～80 d水體pH值相對于其他試驗處理組上升幅度較大，分別從7.5，7.3，7.0上升至8.4，7.9，7.8。其他水體pH值趨于穩(wěn)定。低濃度磷水體中，金魚藻、金魚藻+美人蕉+大薸在60～80 d水體pH值相對于其他試驗處理組上升幅度較大，分別從7.9，7.1上升至8.5，7.7。其他水體pH值上升幅度不大，趨于穩(wěn)定。

注：圖中K為空白對照，A為單一植物，B為植物組合，詳見表2。下同。

圖2 水生植物及其組合中濃度磷處理下水體pH值變化

圖3 水生植物及其組合低濃度磷處理下水體pH值變化

2.3 水生植物及其不同組合對水體DO的影響

試驗初期0～20 d，所有處理水體溶解氧(DO)急劇上升，20～40 d,所有處理水體DO上升緩慢，上升幅度不大，40～80 d，所有處理水體DO趨于穩(wěn)定，部分呈現下降趨勢(見圖4—6)。分析此現象的原因，是因為在試驗初期，DO上升是由于水生植物生長旺盛，向水體釋放大量氧氣，在試驗中期DO上升緩慢是由于水生植物生長緩慢，向水體釋放氧氣較少，試驗后期DO趨于穩(wěn)定或者下降，是由于水生植物生長停滯，趨于衰敗造成的。

圖4 水生植物及其組合高濃度磷處理下水體溶解氧DO變化

圖5 水生植物及其組合中濃度磷處理下水體溶解氧DO變化

2.4 單一水生植物對水質總磷去除效果研究

2.4.1 單一水生植物對高濃度總磷去除效果 從圖7可知，6種單一水生植物在高濃度磷處理下水樣中總磷含量隨處理時間的延長呈波動變化，試驗第1 d，所有水樣總磷濃度配置為2.0 mg/L，處理80 d，6種單一水生植物水樣總磷均下降，均比空白水樣低。試驗前20 d，金魚藻、大薸、鳳眼蓮水樣中去除總磷速度較快，總磷去除率分別為82.4%，78.6%，94.4%。20～40 d，除金魚藻外，其他水生植物水樣中總磷含量仍然下降，40 d后，穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸、鳳眼蓮總磷去除率分別為27.5%，60%，49.3%，94%，95.9%。

40～80 d，除金魚藻、穗花狐尾藻兩種水生植物水樣總磷含量些許下降，其他水生植物水樣總磷含量均上升。80 d后，金魚藻和穗花狐尾藻的總磷去除率分別是85%，38.5%。說明6種水生植物在前20 d處理含磷水樣效果最好，而后水樣總磷含量上升是由于水生植物衰敗腐爛分解，釋放磷元素。6種單一水生植物在高濃度磷處理下，總磷吸收能力由強至弱排列順序為：鳳眼蓮>大薸>金魚藻>美人蕉>菖蒲>穗花狐尾藻。其中鳳眼蓮、大薸、金魚藻適應能力較強，去除總磷速度較快。

圖6 水生植物及其組合低濃度磷處理下水體溶解氧DO變化

圖7 單一水生植物高濃度磷處理下對TP的去除效果

2.4.2 單一水生植物對中濃度總磷去除效果 從圖8可知，6種單一水生植物在中濃度磷處理下水樣中總磷含量隨處理時間的延長呈波動變化，試驗第1 d，所有水樣總磷濃度配置為0.5 mg/L，處理80 d，6種單一水生植物水樣總磷均下降，均比空白水樣低。試驗前20 d，金魚藻、大薸水樣中去除總磷速度較快，總磷去除率分別為80.4%，90.4%。20～40 d，除金魚藻外，其他水生植物水樣中總磷含量仍然下降，40 d后，穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸、鳳眼蓮總磷去除率分別為34.2%，57.4%，71.4%，91.2%，93.4%。40～80 d，除金魚藻水樣總磷含量些許下降，其他水生植物水樣總磷含量均上升，80 d后，金魚藻總磷去除率為93%。其中大薸去除總磷速度最快，第20 d由總磷含量0.5 mg/L減少到0.048 mg/L，對總磷的去除率為90.4%。其次去除總磷速度較快的水生植物是金魚藻。在20～40 d,鳳眼蓮去除總磷效果較明顯，對總磷的去除率為93.4%。6種單一水生植物在中濃度磷處理下，總磷吸收能力由強至弱排列順序為：鳳眼蓮>金魚藻>大薸>菖蒲>美人蕉>穗花狐尾藻。水生植物水樣中磷先升高后降低的現象可能與水中藻類的滋生和水生植物衰敗分解有關。

圖8 單一水生植物中濃度磷處理下對TP的去除效果

2.4.3 單一水生植物對低濃度總磷去除效果 從圖9可知，6種單一水生植物在低濃度磷處理下水樣中總磷含量隨處理時間的延長呈波動變化，試驗第1 d，所有水樣總磷濃度配置為0.1 mg/L，處理80 d，6種單一水生植物水樣總磷部分下降，部分升高且高于空白水樣。試驗前20 d，6種水生植物水樣總磷含量均下降，其中大薸水樣中去除總磷速度最快，總磷去除率為81.3%。20～40 d，除金魚藻、穗花狐尾藻、鳳眼蓮外，其他水生植物水樣中總磷含量都呈現上升趨勢。40～80 d，除金魚藻、鳳眼蓮外，其他水生植物水樣中總磷含量都呈現上升趨勢。第80 d，金魚藻水樣總磷去除率達到最高為91.1%。6種單一水生植物在低濃度磷處理下，總磷吸收能力由強至弱排列順序為：金魚藻>鳳眼蓮>大薸>美人蕉>穗花狐尾藻>菖蒲。

圖9 單一水生植物低濃度磷處理下對TP的去除效果

2.5 組合水生植物對水質總磷去除效果研究

2.5.1 組合水生植物對高濃度總磷去除效果 從圖10可知，8種組合水生植物在高濃度磷處理下水樣中總磷含量隨處理時間的延長呈波動變化，試驗第1 d，所有水樣總磷濃度配置為2.0 mg/L，處理第80 d，除B5：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸和B6：穗花狐尾藻+美人蕉+鳳眼蓮兩種組合外，其余6種組合水生植物水樣總磷含量均比空白水樣低。試驗前20 d，B1：金魚藻+美人蕉+大薸；B2：金魚藻+美人蕉+鳳眼蓮；B3：金魚藻+菖蒲+大薸；B4：金魚藻+菖蒲+鳳眼蓮；B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸；B8：穗花狐尾藻+菖蒲+鳳眼蓮等6種組合方式水樣總磷含量下降速度較快，其他2種水生植物組合方式水樣總磷含量下降緩慢。20 d后，B1：金魚藻+美人蕉+大薸總磷去除率達到最高為92.8%，B5：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸總磷去除率達到最高為47.8%。20～40 d，除B1：金魚藻+美人蕉+大薸和B5：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸組合外，其他水生植物水樣中總磷含量仍然下降，但下降速度緩慢。40d后，B2，B3，B4，B6和B8總磷去除率分別為93%，91.4%，96%，16.7%，95.9%。40～80 d，除B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸水樣總磷含量些許下降，其他水生植物水樣總磷含量均上升。80 d后，B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸總磷去除率為94.2%。說明8種組合水生植物在前20 d處理含磷水樣效果最好，而后水樣總磷含量上升是由于水生植物衰敗腐爛分解，釋放磷元素。8種組合水生植物在高濃度磷處理下，總磷吸收能力由強至弱排列順序為：B4>B8>B7>B2>B1>B3>B5>B6。

圖10 組合水生植物高濃度磷處理下對TP的去除效果

2.5.2 組合水生植物對中濃度總磷去除效果 從圖11可知，8種組合水生植物在中濃度磷處理下水樣中總磷含量隨處理時間的延長呈波動變化，試驗第1 d，所有水樣總磷濃度配置為0.5 mg/L，處理第80 d，8種組合水生植物水樣總磷濃度部分低于0.5 mg/L，部分高于0.5 mg/L。試驗前20d，除B6：穗花狐尾藻+美人蕉+鳳眼蓮組合水生植物水樣總磷含量下降速度較為緩慢外，其他組合水生植物水樣總磷含量下降速度較快。20 d后，B1，B3和B5總磷去除率達到最高為89.5%、91.1%和84.3%。20～40 d，除B1：金魚藻+美人蕉+大薸；B3：金魚藻+菖蒲+大薸；B5：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸3種組合水生植物水樣總磷含量上升外，其他組合水生植物水樣總磷含量仍持續(xù)下降，但下降速度緩慢。40 d后，B2，B4和B6總磷去除率達到最高為86.2%，95.1%和35.7%。40～80d，除B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸和B8：穗花狐尾藻+菖蒲+鳳眼蓮兩種組合水樣總磷含量上下波動外，其余6種組合水生植物水樣總磷含量都持續(xù)上升，且部分組合水生植物水樣總磷含量超過0.5 mg/L。80 d后，B7和B8總磷去除率分別是96.2%和98.8%。8種組合水生植物在中濃度磷處理下，總磷吸收能力由強至弱排列順序為：B8>B7>B4>B3>B1>B2>B5>B6。

圖11 組合水生植物中濃度磷處理下對TP的去除效果

2.5.3 組合水生植物對低濃度總磷去除效果 從圖12可知，8種組合水生植物在低濃度磷處理下水樣中總磷含量隨處理時間的延長呈波動變化，試驗第1d，所有水樣總磷濃度配置為0.1 mg/L，處理第80 d，8種組合水生植物水樣總磷濃度部分低于0.1 mg/L，部分高于0.1 mg/L。試驗前20 d，8種組合水生植物水樣總磷含量均不同程度下降，下降速度快慢依次為：B8>B7>B4>B3>B5>B6>B2>B1。20 d后，B1，B2和B5總磷去除率達到最高為3.5%，5.8%和51.9%。20～40 d，B3：金魚藻+菖蒲+大薸；B4：金魚藻+菖蒲+鳳眼蓮；B6：穗花狐尾藻+美人蕉+鳳眼蓮；B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸等組合水生植物水樣總磷含量持續(xù)下降，其他組合水生植物水樣總磷含量不同程度上升。40 d后,B3、B4和B6總磷去除率達到最高為60.7%，72.9%和67.9%。40～80 d，除B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸和B8：穗花狐尾藻+菖蒲+鳳眼蓮兩種組合水樣總磷含量上下波動外，其余6種組合水生植物水樣總磷含量都持續(xù)上升，且第80 d總磷含量都超過0.1 mg/L。80 d后，B7和B8總磷去除率為94.3%和81.7%。

圖12 組合水生植物低濃度磷處理下對TP的去除效果

以上現象說明低濃度磷處理的水樣后期水生植物對磷的吸收去除效果不明顯，且水生植物衰敗分解對水質影響明顯，造成水質污染。整個過程中，B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸水生植物組合對總磷的去除率最高為94.3%。8種組合水生植物在低濃度磷處理下，總磷吸收能力由強至弱排列順序為：B7>B8>B4>B6>B3>B5>B2>B1。

3 討 論

通過對6種水生植物及其組合試驗期間水體pH值的監(jiān)測試驗發(fā)現，隨著試驗時間的延長，所有處理水體pH值呈上升趨勢。試驗模擬污水初始pH值呈現中性或弱酸性，隨著試驗的進行，試驗后期水體pH上升呈現弱堿性。pH值是水體環(huán)境指示因子之一，多數研究表明，植物的存在對水體酸堿度具有調節(jié)作用，但在本研究中，無植物的對照組水體pH值變化趨勢與有水生植物的較為接近，這說明水生植物的存在對調節(jié)水體pH值調節(jié)作用不大，另外可能是由于水體中存在酸堿緩沖體系發(fā)揮了酸堿調節(jié)功能。另外，通過對6種水生植物及其組合試驗期間水體DO的監(jiān)測試驗發(fā)現，試驗初期水體DO急劇上升，中期水體DO上升緩慢，上升幅度不大，后期水體DO趨于穩(wěn)定，部分呈現下降趨勢。試驗初期DO上升是由于水生植物生長旺盛，向水體釋放大量氧氣，試驗中期DO上升緩慢是由于水生植物生長緩慢，向水體釋放氧氣較少，試驗后期DO趨于穩(wěn)定或者下降，是由水生植物生長停滯，趨于衰敗造成的。結果表明，水中DO的大小與水生植物的生長狀況直接相關。

在利用水生植物凈化污染水體的過程中，可以通過水生植物同化將水體中的污染物轉移到水生植物體內，水生植物吸收的磷元素再通過收獲、處置、進一步利用從而達到將一部分過量的磷從污水中去除的目的。

本試驗研究發(fā)現，通過對6種單一水生植物和8種組合水生植物對總磷去除效果的比較，在高、中濃度磷水體中，組合水生植物對總磷的去除效果優(yōu)于單一水生植物。在低濃度磷水體中單一水生植物對總磷的去除優(yōu)于組合水生植物。大多數水生植物組合凈化方法比單一水生植物凈化污染水體的效果更佳，正如劉足根等[21]研究證實不同生活型的水生植物的合理組合配置比單一生活型的水生植物氮磷去除率更高，且凈化效果更為穩(wěn)定。說明本試驗與劉足根等研究結果相一致。但是，本試驗中的低濃度磷含量的水體中，組合水生植物TP凈化效果相比較于單一水生植物，凈化效果不甚理想且無顯著性差異，這與王春景等[22]的試驗結果相似，他們研究發(fā)現菰+水菖蒲混合種植體系對富營養(yǎng)化水體的凈化效果與單獨種植體系也無顯著性差異。因此，水生植物配置種植是否比單一種植更能有效地凈化污水需要深入探討和研究。

本試驗結果發(fā)現，6種水生植物及其組合處理前期水體總磷含量均快速下降，這可能是由于試驗前期水體養(yǎng)分充足，環(huán)境溫度適宜，水生植物生長較快，對磷營養(yǎng)元素吸收較快，這與高巖等[23]研究的不同生長階段的鳳眼蓮凈化不同程度富營養(yǎng)化水體的結果相一致。同時也與鄭足紅等[24]研究的結果相一致，鄭足紅研究得出水生植物生長初期表現出較高的TP去除效果，生長后期TP去除率增幅逐漸緩慢，這與試驗后期水生植物本身對氮磷需求量減少以及氮磷在植物體內再次分配有關聯(lián)[25]。

通過試驗研究發(fā)現，6種水生植物及其組合對污水TP的去除效果優(yōu)于對照組，其中一部分是水生植物作為營養(yǎng)物質吸收來維持自身生長發(fā)育；另一部分可能是污水中微生物將其中有機物分解轉化為無機物[26]。在對照組中，盡管不存在水生植物吸收作用，水體中TP濃度也有稍微下降，這可能是微生物作用導致下降，表明水體本身存在一定的自凈能力[27]。

4 結 論

經過80 d的靜態(tài)水培模擬試驗，結果表明，菖蒲、美人蕉、大薸、鳳眼蓮、金魚藻、穗花狐尾藻等水生植物及其組合對污水中的TP具有一定的凈化能力。

(1) 通過6種水生植物及其組合的高、中、低3種濃度的含磷污水的凈化效果比較分析得出總磷濃度越高的水樣水生植物凈化效果越好。說明水生植物對總磷的吸收作用明顯。供試的6種水生植物及其組合對污水中的TP的去除率高于對照組。

(2) 從6種水生植物及其組合總磷去除趨勢的比較可以看出，去除污水中總磷較快的時間段是處理前期，處理后期總磷去除緩慢，最后衰敗期總磷含量逐漸上升。

(3) 從單一水生植物對TP去除效果可以看出，6種單一水生植物在3種濃度梯度磷含量的水樣中去除TP效果大小順序大致相同，局部差異。其中鳳眼蓮在高濃度和中濃度磷水體中TP去除效果最好，去除率分別為95.9%，93.4%。金魚藻在低濃度磷水體中TP去除效果最好，去除率為91.1%。

(4) 從組合水生植物對TP去除效果可以看出，高濃度磷水體中B4：金魚藻+菖蒲+鳳眼蓮的水生植物組合對水體中TP去除效果最好，去除率為96.0%。中濃度磷水體中B8：穗花狐尾藻+菖蒲+鳳眼蓮水生植物組合TP去除效果最好，去除率為98.8%。低濃度磷水體中B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸水生植物組合TP去除效果最好，去除率為94.3%。

單一種植處理時，鳳眼蓮對污水的TP的去除具有較大的應用潛力。而穗花狐尾藻+菖蒲+鳳眼蓮水生植物組合為中濃度污水TP凈化效果最優(yōu)組合模式。另外，生長衰亡期水生植物大量衰敗分解，釋放磷元素，致使水體總磷濃度上升，污染水體。建議在水生植物生長旺季將水生植物遷移出水體，以防造成水體二次污染。通過合理的掌握收割時間，有利于最大化去除污水中的污染物，是一種可供選擇的生態(tài)修復輔助措施。

本試驗高、中、低濃度磷污水的設置參考城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放和湖泊富營養(yǎng)化等級中總磷濃度，這對以后城市生活污水和湖泊富營養(yǎng)化的生物治理提供了一定的參考。本次試驗研究的結果可以為湖泊和河道污染水體、城市黑臭水體的生物治理提供一定的選擇依據，還可以為生態(tài)浮床的設計提供模型參考，對水生態(tài)環(huán)境的治理具有重要實踐意義。但水生植物治理水體污染在實際應用中需要注意以下幾點：①掌握水生植物生長階段吸收營養(yǎng)鹽時間節(jié)點，防止水生植物自身降解造成二次污染；②預防少數水生植物由于生長旺盛，大面積生長繁殖，超過水體負荷，影響其他水體動植物生長。然而通過對這6種水生植物的單一及組合試驗，為后續(xù)設計生態(tài)浮床的設計形式以及水生植物組合方式的最優(yōu)化提供模型參考，使生態(tài)浮床應用于湖泊和河道污染水體、城市黑臭水體治理，實現此項研究的實際價值。