凈化生活污水的浮床植物篩選

彭 蕾，湯春芳，陳永華，陳明利，杜 露，柳 俊

（中南林業(yè)科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

未經(jīng)處理的生活污水肆意排放，嚴(yán)重污染了農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境，對(duì)周圍湖泊、河流等自然水體的水質(zhì)造成嚴(yán)重威脅[1-3]，直接影響到廣大農(nóng)民群眾的身體健康以及農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[4]。如果采取引水沖淤、疏控底泥等物理方法不僅治理費(fèi)用較高，而且治標(biāo)不治本；采取投加藥劑等化學(xué)方法容易造成二次污染[5]。因此，具有無環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)且成本低廉的植物修復(fù)水體技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，而生態(tài)浮床作為常見的植物修復(fù)技術(shù)，應(yīng)用范圍廣且造價(jià)低，易于維護(hù)，在生活污水處理方面受到廣泛應(yīng)用[6-7]。

目前關(guān)于浮床的研究主要集中在植物篩選應(yīng)用與浮床的構(gòu)建研究方面，其中植物的篩選研究主要為少數(shù)草本植物[8-10]，關(guān)于木本植物在浮床中的篩選研究較少，僅有個(gè)別研究提出楊樹Populus、旱柳Salix matsudana等木本植物可以應(yīng)用到浮床上[11]，且不同研究處于不同的氣候、水質(zhì)等環(huán)境條件下進(jìn)行，使得這些植物的凈化效果參差不齊，導(dǎo)致工程應(yīng)用比較混亂。因此，本試驗(yàn)人工模擬生活污水達(dá)到一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)排放后的水環(huán)境，系統(tǒng)比較14 種植物浮床凈化系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果，并進(jìn)行聚類分析，旨在篩選出可以應(yīng)用于處理生活污水的浮床植物，為浮床在生活污水的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用直徑為65 cm、高為55 cm 的硬質(zhì)陶瓷大缸，試驗(yàn)時(shí)加水至45 cm 高處，并用馬克筆標(biāo)記，便于補(bǔ)充蒸發(fā)水量，采用33 cm （長(zhǎng)）×33 cm（寬）的塑料浮床種植，用海綿固定，水缸置于中南林業(yè)科技大學(xué)苗圃內(nèi)進(jìn)行露天避雨試驗(yàn)。

在課題組早期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)并分析國內(nèi)外有關(guān)植物的凈水效果[12-14]，選取了湖南常見的14 種植物進(jìn)行試驗(yàn)（表1）。

表1 供篩選的植物品種Table 1 Plant varieties for selection

試驗(yàn)用水取自中南林業(yè)科技大學(xué)化糞池出水，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，CODcr、TN、TP、NH3-N 含量分別為34.88、32.28、1.32、15.12 mg/L，該水質(zhì)為GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018年7月13日至9月1日間進(jìn)行。試驗(yàn)前選取生長(zhǎng)情況良好且相近的植株備用，并將其洗凈后置于清水中培育15 d，待植物長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定后加入配置好的污水，共設(shè)置14 個(gè)植物處理組和1 個(gè)空白對(duì)照組，每組處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。每 5 d 于7:00 采集各組的水樣，每次在水缸的上部（距水面5 cm 處）、中部（距水面20 cm 處）、下部（距缸底5 cm 處）取樣混合均勻作為水樣，并每天補(bǔ)充蒸餾水使得水位線保持在標(biāo)記處。

1.3 樣品處理與數(shù)據(jù)分析方法

植物處理：測(cè)量試驗(yàn)前后整株植物的根長(zhǎng)與株高及生物量，并計(jì)算出各個(gè)試驗(yàn)組的株高、根長(zhǎng)和生物量的增長(zhǎng)情況。

水質(zhì)測(cè)定：TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894—89）測(cè)定；TP 采用鉬銻抗分光光度法（GB11893—89）測(cè)定；CODcr采用重鉻酸鉀法（GB11892—89）測(cè)定；NH3-N 采用納氏試劑比色法（GB7479—87）測(cè)定。

1）增長(zhǎng)率

式中：HGR 為株高增長(zhǎng)率；H0為種植前株高；H1為種植后株高；LGR 為最大根長(zhǎng)增長(zhǎng)率；L0為種植前最大根長(zhǎng)；L1為種植后最大根長(zhǎng)；MGR 為生物量增長(zhǎng)率；M0為種植前生物量；M1為種植后生物量。

2）植物的凈去除效率

式中：C0為污染物起始濃度；C為污染物最終濃度；C*為對(duì)照組污染物去除濃度。

3）隸屬函數(shù)值計(jì)算方法[15]

若指標(biāo)與植物凈化能力負(fù)相關(guān)，計(jì)算方法為：

式中：Zij為i植物j指標(biāo)的去污隸屬函數(shù)值；Xij為i植物j指標(biāo)的測(cè)定值；Ximin和Ximax分別為各植物同一指標(biāo)值的最小值和最大值。

數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0 和Origin9.0 處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物的生長(zhǎng)情況比較

從植物生長(zhǎng)狀況（圖1）可知，試驗(yàn)期間的14 種植物的株高、根長(zhǎng)均有增加。大部分植物均有較強(qiáng)的生長(zhǎng)能力，其中水蔥、水蕹菜的株高具有顯著性優(yōu)勢(shì)（P＜0.05），月季、冬青及女貞的株高增長(zhǎng)率最低。美人蕉、再力花、菖蒲和梭魚草的根長(zhǎng)均表現(xiàn)出極強(qiáng)的生根能力，根長(zhǎng)增長(zhǎng)率分別為390%、293.33%、286.67%和270%，而冬青、女貞、花菖蒲的生根能力相對(duì)較弱，根長(zhǎng)增長(zhǎng)率僅為6.67%、13.33%和16.67%。植物的生物量增長(zhǎng)率在5.1%～500.7%之間，其中菖蒲、美人蕉、水蕹菜和再力花的生物量具有顯著性優(yōu)勢(shì)（P＜0.05），生物量明顯增加，表示其有較好的耐污能力。

2.2 對(duì)水質(zhì)的凈化效果比較

2.2.1 浮床植物對(duì)CODcr 的去除效果

從浮床植物對(duì)CODcr的去除效果比較（表2）來看，試驗(yàn)期間不同處理組對(duì)CODcr都有凈化效果，且同一處理組中，凈化時(shí)間對(duì)CODcr的凈化效果也具有顯著性差異（P＜0.05）。在5 d 時(shí)，所有試驗(yàn)組CODcr質(zhì)量濃度均有明顯下降，但處理組與對(duì)照組的差異性不明顯。5 ～25 d，所有處理組凈化效果明顯高于對(duì)照組，且CODcr濃度下降有所減慢，25 d 后CODcr質(zhì)量濃度除了水蔥和月季外，整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。

不同的植物處理在不同時(shí)間段的CODcr去除效果有差異，5 ～10 d，水蕹菜在試驗(yàn)中對(duì)CODcr的凈化能力優(yōu)于其他13 種植物，凈化速率最快；在15 d 時(shí)，再力花表現(xiàn)出良好的凈化能力；在 30 d 時(shí)，梭魚草、水蔥和再力花的凈化效果保持領(lǐng)先，美人蕉、菖蒲和旱傘草在植物的凈去除率方面位于前列。試驗(yàn)結(jié)束后，14 個(gè)處理組的凈去除率為6.30%～36.80%，美人蕉對(duì)CODcr的凈化效果具有顯著優(yōu)勢(shì)（P＜0.05），凈化能力較好。

2.2.2 浮床植物對(duì)TN 的去除效果

從不同植物的生態(tài)浮床對(duì)TN 的去除效果（表3）可以看出，試驗(yàn)初期各植物處理組均呈現(xiàn)較高的處理能力，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)開始之前的清水饑餓培養(yǎng)，使得植物在試驗(yàn)開始時(shí)未表現(xiàn)出不適應(yīng)性，但隨著時(shí)間的推移，質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)逐漸減緩。

對(duì)比不同試驗(yàn)組可以看出，14 個(gè)處理組在不同測(cè)定周期對(duì)TN 的凈化效果具有顯著性差異 （P＜0.05），整個(gè)試驗(yàn)周期中，水蕹菜和再力花的凈化效率一直保持領(lǐng)先位置，0 ～10 d 女貞的凈化效率處于前三，而10～20 d TN濃度緩慢降低，凈化速率趨于平緩至試驗(yàn)結(jié)束，其植物的凈去除率分別為20.97%、20.72%和11.92%。

圖1 14 種植物的3 種生長(zhǎng)指標(biāo)增長(zhǎng)率Fig.1 Growth rate of three growth indexes of 14 plants

表2 浮床植物對(duì)CODcr 的去除效果比較?Table 2 Comparison of removal effects of floating bed plants on CODcr

2.2.3 浮床植物對(duì)NH3-N 的去除效果

由表4 可以看出，14 個(gè)處理組對(duì)NH3-N 均有一定的去除效果，且處理時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)NH3-N 的凈化效果具有顯著差異性（P＜0.05）。0 ～10 d， 美人蕉和水蕹菜的凈化能力處于前兩位，而月季試驗(yàn)組的NH3-N 質(zhì)量濃度下降速率最為緩慢；直到25 d 時(shí)，所有試驗(yàn)組均保持較高的凈化速率，25 d 之后凈化速率降低，除美人蕉和花葉蘆竹外的絕大多數(shù)試驗(yàn)組開始出現(xiàn)質(zhì)量濃度波動(dòng)的情況，這是由于試驗(yàn)期間，在25 d 左右處于40 ℃以上的高溫天氣，存在部分根系燙壞及葉片曬傷的情況，致使NH3-N 質(zhì)量濃度發(fā)生波動(dòng)。

表3 浮床植物對(duì)TN 的去除效果比較Table 3 Comparison of removal effects of floating bed plants on TN

表4 浮床植物對(duì)NH3-N 的去除效果比較Table 4 Comparison of removal effects of floating bed plants on NH3-N

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，14 個(gè)處理組對(duì)NH3-N 的凈去除率在22.92% ～29.28% 之間。對(duì)NH3-N 凈化能力較強(qiáng)的植物有美人蕉、鳶尾、水蕹菜和再力花，它們對(duì)NH3-N 的凈去除率的差異不顯著，而水蔥對(duì)NH3-N 的凈化能力具有顯著性優(yōu)勢(shì) （P＜0.05）。

2.2.4 浮床植物對(duì)TP 的去除效果

從不同試驗(yàn)組對(duì)TP 的去除效果（表5）來看，不同試驗(yàn)組間去除效果的差異性顯著（P＜0.05）。25 ～40 d，梭魚草、花菖蒲、菖蒲、美人蕉、黃菖蒲和水蕹菜的處理時(shí)間對(duì)TP 的去除效果影響不顯著。0 ～10 d，水蕹菜和美人蕉的凈化能力優(yōu)于其他12 種植物，凈化速率較快，且3 種木本植物的凈化效率處于后三名；10 ～25 d，月季的凈化能力大幅提升；25 d 后，半數(shù)試驗(yàn)組的TP 質(zhì)量濃度出現(xiàn)波動(dòng)，且美人蕉和水蕹菜相繼在30 d 和35 d 時(shí)到達(dá)最低檢出限度。

表5 浮床植物對(duì)TP 的去除效果比較Table 5 Comparison of removal effects of floating bed plants on TP

不同植物對(duì)TP 的凈去除率具有顯著差異性 （P＜0.05），試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，14 個(gè)處理組的凈去除率在5.51%～41.24%之間。從植物的凈去除率可以看出，木本植物中冬青對(duì)TP 的凈去除率最高，與草本植物中的梭魚草、花菖蒲和水蔥相比，較適宜應(yīng)用于含磷廢水的處理。

2.3 浮床植物的生長(zhǎng)指標(biāo)與水質(zhì)凈化率相關(guān)性分析

從4 種污染物的去除率與株高、總根長(zhǎng)、生物量增量、總根面積和總根體積等植物指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析（表6），發(fā)現(xiàn)CODcr去除率與株高、總根長(zhǎng)、生物量增量和總根面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與總根體積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；TN 去除率與株高、生物量增量積和總根體積呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與總根長(zhǎng)和總根體積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；TP 去除率與株高、生物量增量和總根體積呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；NH3-N 去除率與總根面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與株高和總根長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。結(jié)果表明，總根長(zhǎng)對(duì)4 種污染物的去除率影響最為顯著。

表6 浮床植物生長(zhǎng)指標(biāo)與各污染物凈化率的相關(guān)性分析?Table 6 Correlation analysis between plant growth index of floating bed and purification rate of various pollutants

2.4 浮床植物凈化率隸屬函數(shù)分析

篩選出凈化能力強(qiáng)的浮床植物品種，不僅要求其對(duì)污染物具有較高的凈化率，同時(shí)要求其凈化效率也要高。因此將水生植物的生物量、水生植物對(duì)TN、NH3-N、TP、CODcr的植物凈去除率以及植物凈化效果達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB/T18918—2002）》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間作為篩選指標(biāo)。得到14 種浮床植物篩選指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值（表7），可比較出各浮床植物間的凈化能力強(qiáng)弱。在草本植物中，水蕹菜、美人蕉、菖蒲凈化能力較強(qiáng)；在木本植物中，冬青的凈化能力遠(yuǎn)高于女貞和月季。對(duì)浮床植物凈化能力強(qiáng)弱采用組間連接方法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析（圖2）， 可將14 種植物分為：高凈化能力植物，梭魚草、菖蒲、美人蕉、鳶尾、水蕹菜和再力花；中等凈化能力植物，花菖蒲、旱傘草、黃菖蒲、花葉蘆竹和水蔥；低凈化能力植物，冬青、女貞和月季。

表7 浮床植物凈化能力排序Table 7 Floating bed plant purification capacity ranking

圖2 浮床植物凈化能力等級(jí)分類Fig.2 Floating bed plant purification ability level classification

3 討 論

本研究結(jié)果中可以看出，大部分的挺水類植物適宜栽植于浮床上，所有植物處理組對(duì)CODcr的凈化率比無植物對(duì)照組提高了6.30%～36.80%，對(duì)TN、NH3-N、TP 的凈化率分別提高了11.92%～20.97%、22.92%～29.28%、5.51%～41.24%。因此，去除效果好且易于栽種的植物包括梭魚草、菖蒲、美人蕉、鳶尾、水蕹菜和再力花等。這與前人對(duì)水生植物的污水凈化能力的研究大體一致[16-17]，由這些植物組成的浮床系統(tǒng)對(duì)于去除水體中的污染物質(zhì)發(fā)揮著顯著的作用。

研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前期CODcr質(zhì)量濃度出現(xiàn)波動(dòng)，這是因?yàn)橹参镌谖鬯行枰欢ǖ倪m應(yīng)期；而20 d 之后出現(xiàn)持續(xù)性高溫，水溫過高，微生物存活率下降，且試驗(yàn)前期沉積的顆粒物開始釋放出一定的CODcr，使之質(zhì)量濃度開始上升，加上植物持續(xù)的凈化效果，使CODcr質(zhì)量濃度呈現(xiàn)波動(dòng)狀[18]。有研究認(rèn)為，微生物的硝化、反硝化作用以及植物吸收、同化作用是浮床系統(tǒng)對(duì)水體中TN 去除的主要途徑[19]。本試驗(yàn)前期，室外溫度均在36 ℃以下，相對(duì)較適宜植物生長(zhǎng)及微生物繁殖，故具有較高的凈化效率；中后期溫度過高，影響植物生長(zhǎng)及微生物繁殖，TN 質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)漸緩。同樣，NH3-N 質(zhì)量濃度發(fā)生波動(dòng)，也是由于室外溫度過高使得部分植物在死亡分解過程中，會(huì)導(dǎo)致水體中NH3-N 質(zhì)量濃度升高[20]。各處理組及對(duì)照組對(duì)TP均有一定的去除率 ，這可能是浮床除植物的吸附作用外，浮床本身亦具有較大的比表面積，可將水體中的P 吸附在浮床介質(zhì)表面，被微生物利用或自然沉降，從而使TP 的去除率升高[21]。

通過對(duì)4 種污染物的去除率與株高、總根長(zhǎng)、生物量增量、總根面積和總根體積等植物指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，綜合比較后可以發(fā)現(xiàn)總根長(zhǎng)對(duì)4污染物的去除率影響最為顯著，這與鄧志強(qiáng)[22]關(guān)于植物根系發(fā)達(dá)程度與污染物去除效率的研究相吻合。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)木本植物在炎熱夏季的凈化效果遠(yuǎn)不如草本植物。而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，植物根系增加，浮床植物對(duì)污染物的去除率逐漸提高，這可能是依靠植物的根系吸附及根系附著微生物的降解[23]，從而達(dá)到對(duì)污染物的去除作用，但是木本植物本身生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，生根速率慢。因此在下一步研究中應(yīng)更注重關(guān)于木本植物在其他時(shí)間段的凈化效果與機(jī)理研究。

4 結(jié) 論

1）從植物的生長(zhǎng)指標(biāo)來看，有優(yōu)勢(shì)的植物為美人蕉、水蕹菜、菖蒲及再力花，其中美人蕉尤其突出；整個(gè)試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)，4 種植物的生物量分別較初始值增加了23.4、19.3、12.6 和11.8 倍。

2）從水質(zhì)凈化效果來看，水蕹菜適用于生活污水中有機(jī)物的去除。水蕹菜對(duì)CODcr、TN、NH3-N 和TP 的凈化在短期內(nèi)具有明顯優(yōu)勢(shì)；美人蕉在實(shí)驗(yàn)后期對(duì)CODcr的凈化能力較強(qiáng)；月季在處理時(shí)間為20 d 左右時(shí)，對(duì)NH3-N 和TP 的凈化能力較強(qiáng)。

3）從綜合聚類來看，草本植物中，梭魚草、菖蒲、美人蕉、鳶尾、水蕹菜和再力花的綜合凈化能力較強(qiáng)：木本植物中，冬青的綜合凈化能力較強(qiáng)。