幾種植物浮床+仿生植物系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果

扶詠梅　劉盼　郭一飛　顧效綱　劉彪　郭佳　賀攀

摘要：為了研究由不同水生植物與仿生植物構(gòu)建的組合型生態(tài)浮床對(duì)水中污染物的去除效果，將風(fēng)車草、再力花、美人蕉、梭魚(yú)草、菖蒲與仿生植物組合構(gòu)建成生態(tài)浮床，分析幾種組合型生態(tài)浮床對(duì)水中污染物的去除效果。結(jié)果表明，各處理系統(tǒng)（5種水生植物+仿生植物）對(duì)水中氨態(tài)氮（NH+4-N）、硝態(tài)氮（NO-3-N）、亞硝態(tài)氮（NO-2-N）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）具有很好的去除效果，平均去除率分別達(dá)到93.12%、88.10%、100.00%、95.00%、30.00%，明顯高于空白對(duì)照組，略優(yōu)于仿生植物對(duì)照組，可見(jiàn)合理的植物+仿生植物組合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污染水體的強(qiáng)化凈化，同時(shí)可以有效抵抗植物衰亡對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊，確保復(fù)合系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮床;仿生植物;強(qiáng)化凈化;去除效果

中圖分類號(hào)：X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）07-0285-05隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境問(wèn)題日益突出，尤其是以水體黑臭和水體富營(yíng)養(yǎng)化為代表的水環(huán)境問(wèn)題。截至2017年，全國(guó)有黑臭水體2 100個(gè)，水體面積達(dá)1 484.727 km2，24.6%的重點(diǎn)湖泊呈富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。黑臭水體及水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象導(dǎo)致水體的自凈功能嚴(yán)重退化，不僅對(duì)河流水質(zhì)產(chǎn)生了較大影響，還會(huì)影響周邊的水環(huán)境和人文景觀，甚至?xí)ㄟ^(guò)給水系統(tǒng)危害人類健康[1]。

為了解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多技術(shù)，主要有物理化學(xué)法、生物法和生態(tài)法等[2]。改善水體富營(yíng)養(yǎng)化采用的具體方式主要有控源截污、內(nèi)源治理、疏?；钏?、人工充氧、穩(wěn)定塘[3-4]等。這些方法在應(yīng)用過(guò)程中存在工程量大、成本高、水體污染防治受地域限制、污染易反彈等缺點(diǎn)，生態(tài)浮床由于具有安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、系統(tǒng)化、可實(shí)現(xiàn)原位修復(fù)、凈化效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，浮床植物主要通過(guò)植物的吸收作用及根系微生物的降解來(lái)去除污染物，從而改善水質(zhì)，但是對(duì)于污染嚴(yán)重的河道，植物地上部分往往生長(zhǎng)旺盛，地下部分短小，影響了根系微生物附著，從而影響了水質(zhì)凈化效果，這是限制該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的主要障礙。仿生植物的出現(xiàn)很好地解決了這一瓶頸問(wèn)題，其原理是通過(guò)各種纖維填料模仿植物根系，為微生物的附著提供充足的空間，可以促進(jìn)微生物聚集、繁殖、生長(zhǎng)、代謝，從而提高了污染物的去除效果，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的目的[1-2]。汪松美等采用空心菜浮床+仿生植物系統(tǒng)研究重污染河道的污染物去除情況，結(jié)果表明，空心菜浮床+仿生植物復(fù)合系統(tǒng)相比于單獨(dú)的空心菜浮床，總氮（TN）、氨態(tài)氮（NH+4-N）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）的去除率分別提高了28.50%、20.03%、33.43%、18.02%;通過(guò)野外掛膜和室內(nèi)控制試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值為7～8、初始氨氮濃度為20 mg/L時(shí)，仿生植物系統(tǒng)具有較高的氨氮去除效能[6]。戴謹(jǐn)微等研究了復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)對(duì)污水廠尾水的凈化效能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在合適的水力停留時(shí)間（HRT）下，復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)對(duì)NH+4-N、TN、TP的去除率分別達(dá)到98.69%、20.56%、91.80%[7]，可見(jiàn)復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)在水體凈化方面具有可行性和高效性。

近年來(lái)的研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，復(fù)合生態(tài)浮床系統(tǒng)植物種類過(guò)于單一，而關(guān)于不同植物與其仿生植物組合而成的復(fù)合生態(tài)浮床系統(tǒng)的研究鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究采用5種不同浮床植物與其對(duì)應(yīng)的仿生植物，通過(guò)室內(nèi)控制試驗(yàn)，探討不同仿生植物復(fù)合系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中NH+4-N、硝態(tài)氮（NO-3-N）、亞銷態(tài)氮（NO-2-N）、TP、CODMn等多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的凈化性能，以期為新型生態(tài)浮床系統(tǒng)的構(gòu)建提供有益參考，通過(guò)分析各種污染物的去除機(jī)制，還可以為富營(yíng)養(yǎng)化水體的原位修復(fù)及強(qiáng)化凈化提供技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 浮床植物

本研究采用的5種浮床植物分別為風(fēng)車草、再力花、美人蕉、梭魚(yú)草、菖蒲，本試驗(yàn)所用植株是由上述5種植物的根置于水中發(fā)芽生根得到的，待根部生根發(fā)芽后，再將植株移植入事先備好的盛土花盆中，置于污染河道的污水中進(jìn)行馴化培養(yǎng)。

1.2 試驗(yàn)材料

制作仿生植物的原材料采用組合填料，用尼龍?jiān)鷰Ч潭?，仿生植物及輔助單元的制作方法與汪松美等的試驗(yàn)方法[6]類似，野外掛膜場(chǎng)所為河南城建學(xué)院校內(nèi)的人工湖，掛膜周期約為180 d，待掛膜成功后，用無(wú)菌剪刀分別從對(duì)應(yīng)培養(yǎng)有仿生植物的浮床植物上剪下仿生植物樣品，用無(wú)菌袋封存，置于實(shí)驗(yàn)室-20 ℃冰箱中備用。試驗(yàn)用水箱規(guī)格為90 cm×60 cm×60 cm，水樣體積為110 L，用聚苯乙烯泡沫板模擬生態(tài)浮床，試驗(yàn)水箱放置于實(shí)驗(yàn)室靠窗位置，設(shè)置6個(gè)試驗(yàn)組（5種植物與1種單獨(dú)的仿生植物）和1個(gè)空白對(duì)照組，每個(gè)處理組設(shè)3組平行，選取生長(zhǎng)狀況良好、長(zhǎng)勢(shì)均勻的風(fēng)車草、再力花、美人蕉、梭魚(yú)草、菖蒲野生種植株，移入試驗(yàn)用塑料箱中并固定在聚苯乙烯泡沫板上。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為7組，分別為1號(hào)（風(fēng)車草+仿生植物）、2號(hào)（再力花+仿生植物）、3號(hào)（美人蕉+仿生植物）、4號(hào)（梭魚(yú)草+仿生植物）、5號(hào)（菖蒲+仿生植物）、6號(hào)（單獨(dú)的仿生植物）、7號(hào)（空白）。試驗(yàn)用水均取自河南城建學(xué)院人工湖，將馴化培養(yǎng)于人工湖中的浮床植物及對(duì)應(yīng)的仿生植物分別移植于水箱中，在移植植物前對(duì)各水箱進(jìn)行5 min的曝氣，確保良好的溶解氧環(huán)境。分別對(duì)7組生態(tài)浮床進(jìn)行為期2個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。分別在試驗(yàn)后0、2、6、12、18、24、30、36、42、48、54、60 d取樣測(cè)定水質(zhì)情況，測(cè)試指標(biāo)有CODMn、TN、TP、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、pH值、溶解氧含量。根據(jù)各種指標(biāo)的去除率，探討植物/仿生植物體系對(duì)水體中各種污染物的去除機(jī)制。在連續(xù)監(jiān)測(cè)期間，隨著取樣的進(jìn)行，水箱中的水隨之減少，為了確保水箱中的水量均勻，實(shí)時(shí)從人工湖取水補(bǔ)充，蒸發(fā)水用重蒸餾水補(bǔ)充。

1.4 樣品的采集與分析

在試驗(yàn)期間，每次按3點(diǎn)法虹吸取水方式從水面下20 cm處各取100 mL水，混合均勻后成1個(gè)待測(cè)樣品，隨后立即進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)的分析。待測(cè)水樣的NH+4-N濃度采用納氏試劑法測(cè)定;TN濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定;TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定;NO-3-N濃度采用酚二磺酸光度法測(cè)定;NO-2-N濃度采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測(cè)定;COD采用高錳酸鹽指數(shù)法測(cè)定;pH值采用PHS-3C pH計(jì)測(cè)定;溶解氧含量、溫度采用YSI-55型溶解氧儀測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin 8.0進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)水體氮素去除效果的分析

由圖1可知，1～6號(hào)組合系統(tǒng)對(duì)NH+4-N具有良好的去除效果，在試驗(yàn)初期（0～6 d），NH+4-N質(zhì)量濃度急劇下降，分別由最初的1.174、0.631、1.285、0.714、0.616、0.870 mg/L降至0.053、0.043、0.103、0.007、0.020、0.154 mg/L，分別降低了1.121、0.588、1.182、0.707、0.596、0.716 mg/L，去除率分別達(dá)到95.49%、93.19%、91.98%、99.02%、96.75%、82.30%，與對(duì)照組（去除率為58.5%）之間差異明顯。在隨后的10～60 d，NH+4-N 質(zhì)量濃度均在較低的范圍內(nèi)波動(dòng)，在36 d時(shí)，各復(fù)合系統(tǒng)的NH+4-N質(zhì)量濃度有略微升高，為0.09 mg/L，這可能由于氮元素的轉(zhuǎn)化是一種可逆的過(guò)程，在試驗(yàn)前期，植物大量吸收NH+4-N，而在試驗(yàn)后期，水中的氨氮質(zhì)量濃度過(guò)低，植物又將已吸收但未來(lái)得及供其生長(zhǎng)的氮元素重新以NH+4-N 的形式釋放到水中。綜上可見(jiàn)，幾組復(fù)合系統(tǒng)對(duì)NH+4-N的去除率均呈現(xiàn)出先迅速上升后略微下降的趨勢(shì)，42 d以后，NH+4-N的質(zhì)量濃度持續(xù)降低，并維持在較低的范圍。以上結(jié)果表明，各組合系統(tǒng)在試驗(yàn)前期對(duì)水體中的氨氮均有良好的去除效果，隨后在短時(shí)間內(nèi)有略微下降;后期各組合系統(tǒng)中的氨氮質(zhì)量濃度維持在較低的范圍。可見(jiàn)，由于仿生植物的存在，各組合系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。

硝態(tài)氮主要是由水中本來(lái)含有的NO-3-N及硝化菌通過(guò)硝化反應(yīng)生成的NO-3-N組成的， 水體中NO-3-N的去除依靠植物吸收和微生物的反硝化作用[8]。由圖2可以看出，在試驗(yàn)初期（0～6 d），除空白對(duì)照組外，其他組的NO-3-N質(zhì)量濃度均有不同程度的上升，而單獨(dú)仿生植物組NO-3-N質(zhì)量濃度的上升速率要明顯小于其他復(fù)合系統(tǒng)，這可能是因?yàn)橄趸饔眯枰拇罅垦鯕?，而單?dú)的仿生植物缺少植物的釋氧作用，使得水中溶解氧不足，硝化作用有限[9]。各組合系統(tǒng)的NO-3-N 質(zhì)量濃度在試驗(yàn)前期均有不同程度的升高，可能是由于微生物的硝化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植物的吸收與微生物的反硝化作用而造成NO-3-N質(zhì)量濃度降低，這與圖1中NH+4-N質(zhì)量濃度在試驗(yàn)前期由于硝化作用迅速下降的規(guī)律一致。試驗(yàn)進(jìn)行到10 d以后，NO-3-N質(zhì)量濃度開(kāi)始下降，試驗(yàn)進(jìn)行到30 d時(shí)，除菖蒲+仿生植物的4種組合系統(tǒng)中的NO-3-N已經(jīng)達(dá)到較低質(zhì)量濃度，維持在0.081～0.151 mg/L，對(duì)NO-3-N質(zhì)量濃度的削減量分別達(dá)到0.882、0.936、0.971、0.989 mg/L，效果明顯好于單獨(dú)的仿生植物及空白組，說(shuō)明組合系統(tǒng)中植物吸收和微生物的反硝化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微生物的硝化速率，菖蒲組合系統(tǒng)及單獨(dú)仿生植物對(duì)NO-3-N質(zhì)量濃度的去除速率相對(duì)緩慢，試驗(yàn)進(jìn)行到50 d時(shí)，NO-3-N質(zhì)量濃度降至檢測(cè)限以下。綜上可見(jiàn)，幾種組合系統(tǒng)對(duì)NO-3-N的去除效果排序?yàn)檩牌?仿生植物>梭魚(yú)草+仿生植物>美人蕉+仿生植物>風(fēng)車草+仿生植物>再力花+仿生植物>單獨(dú)仿生植物>空白對(duì)照。

水體中的NO-2-N主要來(lái)源于天然存在的NO-2-N以及亞硝化菌的亞硝化反應(yīng)。由圖3看出，系統(tǒng)中的NO-2-N質(zhì)量濃度始終保持在較低水平，變化趨勢(shì)不明顯，在試驗(yàn)初期有略微上升，這可能是由水體中亞硝化菌的亞硝化反應(yīng)造成的;6 d以后，水體中的NO-2-N質(zhì)量濃度開(kāi)始下降，水中的硝化細(xì)菌將NO-2-N轉(zhuǎn)化為NO-3-N;試驗(yàn)進(jìn)行到12 d以后，NO-2-N質(zhì)量濃度由最初的0.01～0.03 mg/L降低到0.003 mg/L以下（未檢測(cè)出），各組合系統(tǒng)對(duì)NO-2-N 的去除率接近100.00%。

2.2 對(duì)水體中TP去除效果的分析

一般來(lái)說(shuō)，浮床系統(tǒng)對(duì)磷的去除主要包括植物的吸收、沉降、攔截與基質(zhì)的吸附、微生物的固定等[6]。如圖4所示，各試驗(yàn)組對(duì)TP的去除效果變化明顯。在0～36 d內(nèi)，各組合系統(tǒng)的TP質(zhì)量濃度持續(xù)下降，分別由最初的[KG*3]0.12～0.21[KG*3]mg/L降至0.006 mg/L以下，平均去除率達(dá)到95%以上，相對(duì)于初始質(zhì)量濃度，降低了0.094～0.204 mg/L。分析其原因可能有以下幾點(diǎn)：（1）植物根部可吸收TP，并將其轉(zhuǎn)化為自身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);（2）仿生植物中的聚磷菌吸收并同化了一部分TP;（3）基質(zhì)填料的特殊結(jié)構(gòu)可以吸附顆粒性磷，相比于其他組合系統(tǒng)，單獨(dú)的仿生植物對(duì)TP的去除效果只是去除速度相對(duì)緩慢，最終的去除率基本相當(dāng)，說(shuō)明植物+仿生植物系統(tǒng)對(duì)水體中TP的去除主要是仿生植物起主導(dǎo)作用。在隨后的37～48 d內(nèi)，各系統(tǒng)的TP質(zhì)量濃度略微升高，其原因可能有3個(gè)方面：（1）試驗(yàn)后期植物有不同程度的衰亡，影響了植物根部對(duì)TP的吸收;（2）后期水中溶解氧濃度降低，水體呈厭氧環(huán)境，可能發(fā)生了厭氧釋磷現(xiàn)象;（3）水中pH值降低，聚磷菌在厭氧條件下受pH值的影響很大，因?yàn)閜H值降低后，有利于磷的釋放[10]。總體看出，TP濃度的變化趨勢(shì)與鄭立國(guó)等研究組合型生態(tài)浮床對(duì)水體中氮磷的吸收能力得出的結(jié)論[11]相似。

2.3 對(duì)水體中CODMn去除效果的分析

污水中的污染物是通過(guò)微生物的降解和植物根系的截留來(lái)去除的，其中微生物降解起主導(dǎo)作用。由圖5可知，各試驗(yàn)組對(duì)CODMn的去除率變化趨勢(shì)一致，起初都不穩(wěn)定，60 d時(shí)，各組合系統(tǒng)對(duì)CODMn的去除率維持在30%左右，各組間的差異不明顯，單獨(dú)仿生植物與其他復(fù)合系統(tǒng)相比無(wú)明顯差異，進(jìn)一步驗(yàn)證了微生物在COD去除上的主導(dǎo)作用，這與王鄭等的研究結(jié)果[12]相吻合。

2.4 其他水質(zhì)指標(biāo)的變化情況

用YSI-55型溶解氧儀對(duì)溶解氧量的測(cè)定結(jié)果顯示，試驗(yàn)水中的溶解氧質(zhì)量濃度變化不大，呈逐漸降低的趨勢(shì)。試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)每個(gè)水箱分別進(jìn)行曝氣，溶解氧質(zhì)量濃度維持在4.26～6.49 mg/L，經(jīng)過(guò)60 d的試驗(yàn)，溶解氧質(zhì)量濃度降低至2.54～2.98 mg/L，此溶解氧環(huán)境不太利于反硝化脫氮的進(jìn)行，這與試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)TN質(zhì)量濃度幾乎無(wú)變化的試驗(yàn)結(jié)果保持一致。采用PHS-3C pH計(jì)測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中的pH值變化，結(jié)果表明，各試驗(yàn)組的pH值變化不明顯，總體呈略微下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中的NH+4-N質(zhì)量濃度逐漸降低，化學(xué)平衡NH+4+H2O→NH3·H2O+H+向右移動(dòng)，H+質(zhì)量濃度增加，導(dǎo)致pH值降低。

3 結(jié)論

各復(fù)合系統(tǒng)對(duì)水體中污染物有較好的處理效果，并且處理效率明顯高于仿生植物對(duì)照組和空白對(duì)照組，經(jīng)過(guò)60 d的運(yùn)行，5種水生植物+仿生植物處理組對(duì)NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、TP、CODMn的平均去除率分別達(dá)到了93.12%、88.10%、100.00%、95.00%、30.00%，可見(jiàn)仿生植物在污染物的去除中起主導(dǎo)作用。各種浮床植物在污染物去除中的總體趨勢(shì)一致，但是不同植物在去除不同污染物的過(guò)程中有略微差異，在NH+4-N和CODMn的去除過(guò)程中，各種植物對(duì)應(yīng)的浮床系統(tǒng)去除效應(yīng)差異不明顯，但在NO-3-N、NO-2-N和TP的去除過(guò)程中，菖蒲+仿生植物的效果最好，降解速度最快，因此菖蒲+仿生植物復(fù)合系統(tǒng)可以作為復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)的首選。

植物和仿生植物的結(jié)合，不但充分發(fā)揮了水生植物和微生物各自的優(yōu)勢(shì)，可明顯提高污染物的降解效率，實(shí)現(xiàn)水中各類污染物的快速降解，且投資低、運(yùn)行成本低、環(huán)境效益好，還兼具一定的景觀效果，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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