石菖蒲凈化微污染水體中氮和磷的試驗研究

馬明海 劉嵐英 趙莎莎 王金金 盧歡 戴珺琪

摘要?[目的]探究挺水植物石菖蒲在不同生長周期中對微污染水體中氮和磷的去除效率及其在植物體內(nèi)的富集程度，以期為微污染水體的植物修復(fù)提供參考依據(jù)。[方法]以黃山學(xué)院水西河為研究對象，考察不同密度石菖蒲對微污染水體中氮、磷的去除行為。[結(jié)果]30 d內(nèi)總氮和總磷的去除率分別為44.3%和50.7%，不同密度植物的凈化能力為：高密度組>低密度組>對照組。石菖蒲不同部位氮、磷富集量為：根>莖>葉。[結(jié)論]設(shè)置適宜的種植密度，定期收割莖葉可有效去除微污染水體中的氮、磷含量。

關(guān)鍵詞?微污染水體;石菖蒲;總氮;總磷;凈化

中圖分類號?X52?文獻標(biāo)識碼?A?文章編號?0517-6611（2020）14-0039-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.012

Abstract?[Objective]To explore the efficiency of nitrogen and phosphorus removal and the enrichment degree of?Acorus calamus?Schott in the micro-contaminated water in different growth cycles， and provide reference for the phytoremediation of micro-polluted water. [Method]The removal of nitrogen and phosphorus from micro-polluted water by different densities of?Acorus tatarinowii?Schott was investigated in the Shuixi River of Huangshan University. [Result]The results showed that the removal rates of total nitrogen and total phosphorus within 30 days were 44.3% and 50.7%， respectively. The purification capacity of plants with different densities was： high-density group > low-density group > control group. Nitrogen and phosphorus enrichment in different parts of?Acorus tatarinowii?Schott was as follows： root > stem > leaves. [Conclusion]Setting proper planting density and regularly harvesting stems and leaves would be an effective way to remove nitrogen and phosphorus from micro-polluted water.

Key words?Micro-polluted water;?Acorus tatarinowii?Schott;Total nitrogen;Total phosphorus;Purification

微污染水體是指受到有機物污染、部分水質(zhì)指標(biāo)超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)的水體[1]。水西河位于黃山學(xué)院率水校區(qū)的西北角，流經(jīng)東臨溪鎮(zhèn)部分農(nóng)田、村莊和黃山學(xué)院后進入新安江2個主要支流之一的率水河，因上游地表徑流和面源污染使其出現(xiàn)水質(zhì)惡化現(xiàn)象[2]。近年來，新安江作為全國首個跨省流域生態(tài)補償機制試點[3]，對上游各支流的水環(huán)境質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求。因此，水西河污染治理勢在必行。微污染水體的治理方法中，生物法[4]運行成本較高，光催化法[5]所需條件苛刻，植物修復(fù)法備受專家學(xué)者關(guān)注，不僅可凈化水質(zhì)，還可以提供景觀，改善生態(tài)環(huán)境[6]。

水生植物根系可以吸收水體中的N、P等物質(zhì)，貯存于植物細胞中，并通過木質(zhì)化作用，使其成為植物的組成部分[7]。有關(guān)研究[8]發(fā)現(xiàn)，不同植物對水體中N、P的吸收存在明顯差異，同種植物的不同生長部位對N、P的富集程度也有所不同。另外，水生植物，特別是浮葉、漂浮植物在水中的固著能力差[9]，對天氣的適應(yīng)性不強，導(dǎo)致水處理效果欠佳。沉水植物在進入衰亡期后，植物體會逐漸死亡并腐爛分解，這一過程會對水環(huán)境產(chǎn)生較大影響[10]。而挺水植物較浮水、浮葉、沉水植物生長周期更長，吸收的氮磷可通過植物收割直接去除[11]，實際應(yīng)用性較強。筆者以水西河為對象，探究挺水植物石菖蒲在不同生長周期中對微污染水體內(nèi)氮和磷的去除效率及其在植物體內(nèi)的富集程度，以期為微污染水體的植物修復(fù)提供參考依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗裝置

試驗裝置為長方形透明塑料箱（圖1），長寬高為33 cm×23 cm×21 cm，最大儲水體積約15 L。設(shè)2個密度梯度組和1個對照組，即低密度組（80株/m2）、高密度組（320株/m2）和對照組（0 株/m2）。將帶有預(yù)留孔的聚苯乙烯發(fā)泡板置于試驗裝置中，把石菖蒲插入預(yù)留孔中，起加固作用。

1.2?試驗材料

1.2.1?受試植物的選取。

試驗所用石菖蒲取自于黃山學(xué)院率水校區(qū)水西河人工濕地，從中選取生長狀態(tài)良好且處于生長期（株高約25 cm）、長勢相似的石菖蒲植株，在實驗室環(huán)境下，用蒸餾水沖洗干凈，去除黃葉和腐根，在自來水中臨窗培養(yǎng)數(shù)天，使其適應(yīng)實驗室環(huán)境后待用。

1.2.2?試驗用水。

微污染水體取自水西河入水口處，去除可見雜質(zhì)，作為待凈化水體。其余試驗用水均為新鮮去離子水。

1.3?試驗設(shè)計

將受試植物分別放入低密度組裝置和高密度組裝置，空白對照組裝置中不移栽受試植株。向所有裝置中注入12 L水西河水，其水質(zhì)情況為pH 6.79、總氮（TN）2.29 mg/L、總磷（TP） 0.26 mg/L、CODCr23.45 mg/L。將各試驗組置于通風(fēng)、有光且不受雨水影響的環(huán)境下，以5 d為一個周期，連續(xù)培養(yǎng)30 d，監(jiān)測試驗前后受試植株組織各部位氮磷的變化及試驗水體中TN、TP含量的變化情況。試驗過程中，用新鮮去離子水定期補充因蒸發(fā)等消耗的水分以保證裝置中水樣體積一致。

1.4?分析方法

試驗水體的總氮和總磷的監(jiān)測參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版），根據(jù)《植物氮磷鉀的測定方法NY/T2017-2011》將受試植株進行微波消解（WX-8000），然后使用UV752N紫外可見光光度計測定計算消解液中氮磷的含量。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同密度石菖蒲對微污染水體中TN的凈化效果

由圖2可知，用石菖蒲處理水西河濕地微污染水體的方法具有脫氮功效，且脫氮效果與石菖蒲的種植密度以及在水體中的培養(yǎng)時間有關(guān)。同一裝置中，隨著培養(yǎng)時間的增加，植物對水體中TN的去除效率增大;不同裝置中，對TN的去除率為高密度裝置>低密度裝置>空白裝置。因?qū)⑹牌岩圃缘轿廴舅w中，需要對新介入的水環(huán)境有一定的適應(yīng)過程，故在培養(yǎng)初期試驗組對TN的去除率效果均不明顯，低密度裝置去除率僅為5.94%，高密度裝置為11.10%。第2個周期后，試驗組除氮效果開始凸顯，且在10～15 d期間石菖蒲除氮速率增加最快。因此在選用石菖蒲處理微污染水體時，可考慮在室內(nèi)利用需處理的微污染水體培養(yǎng)石菖蒲10 d左右，再大面積移植到微污染水體環(huán)境。

2.2?不同密度石菖蒲對微污染水體中TP的凈化效果

在試驗期間不同密度石菖蒲對微污染水體中總磷的去除效果變化見圖3。由圖3可知，不同裝置中，TP的去除效率由高到低依次為：高密度裝置>低密度裝置>空白裝置，且每個裝置中總磷的去除效率同總氮相似，在10～15 d去除效率增加最快。若采用石菖蒲去除微污染水體中總磷含量，可采用上述辦法處理。在空白裝置中10～15 d和20～25 d時TP去除率增加為負值，可能原因是試驗過程中環(huán)境中磷元素在水體中的溶解導(dǎo)致[12]。

2.3?石菖蒲不同部位氮的含量及其變化情況

試驗前后不同密度實驗裝置中植物不同部位磷的凈增量及其變化趨勢見表1和圖4。由表1分析知，植物不同部位氮的凈增量不同，其大小關(guān)系依次是：根>莖>葉，根部氮的凈增量中，低密度裝置和高密度裝置分別為3.71 mg/g和4.82 mg/g，分別是葉部氮富集量的1.73和1.81倍。表明石菖蒲主要依靠根吸收氮營養(yǎng)元素，后輸送至莖、葉部位供其生長代謝所需。由圖4可知，不同密度裝置中植物不同部位氮含量為低密度小于高密度，表明高密度氮的去除效果更好;另外石菖蒲葉中氮含量最高，說明其依靠葉片的揮發(fā)作用消耗的氮較少。若采用石菖蒲去除微污染水體中氮的含量，在一定的種植密度范圍內(nèi)，種植高密度的石菖蒲有利于氮的去除，利用其去除水體中氮時，應(yīng)定期打撈落葉或定期收割葉片以避免枯枝落葉對水體的二次污染[13]。

2.4?石菖蒲不同部位磷的含量及其變化情況

在試驗周期內(nèi)不同密度試驗裝置中植物不同部位的磷凈增量及其變化趨勢見表2和圖5。由表2可知，與氮的富集類似，植物不同部位磷的凈增量大小關(guān)系依次是：根>莖>葉。根部磷的凈增量最大，低密度組為0.136 mg/g，高密度組為0.138 mg/g。不同密度裝置中植物不同部位磷含量總體為低密度組小于高密度組，可能是因為在一定時間后植物吸收磷的能力達到了飽和狀態(tài)，磷含量超過某一值將影響植物自身生長，植物不再吸收水體中的磷元素[14]。由圖5可知，磷在石菖蒲莖中含量最高，若利用石菖蒲去除水體中的磷，應(yīng)定期收割。

3?結(jié)論與討論

以高校微污染水體——黃山學(xué)院水西河為研究對象，考察2種不同密度石菖蒲對微污染水體中氮、磷的去除行為，為微污染水體的凈化提供了科學(xué)依據(jù)。

石菖蒲對微污染水體中氮、磷表現(xiàn)出了較好的吸收凈化能力，總磷的去除率（50.7%）略高于總氮去除率（44.3%），與程麗芬等[15]的研究結(jié)果中石菖蒲的凈化能力較吻合，略低于黃菖蒲對于北京河道中總氮和總磷的去除效率[16]，均高于風(fēng)車草及其與水蔥、千屈菜組合的去除效率[17]，挺水植物組合后的凈化效率并沒有比單一種植的效果顯著提高[18]。單一種植石菖蒲，30 d內(nèi)可以使實現(xiàn)水體中TN和TP質(zhì)量濃度由地表水（GB 3838-2002）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)提高到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

增加石菖蒲種植密度，可一定程度上提高其凈化水中氮、磷的效率。試驗表明，石菖蒲密度由80株/m2增加至320株/m2時，水體總氮和總磷的去除率分別增加了8.1%和11.1%。石菖蒲對微污染水體總氮、總磷的去除效率在10～15 d增加最快，這與江秀朋等[7]的試驗結(jié)果中石菖蒲的凈化規(guī)律較一致。

石菖蒲不同部位氮、磷富集量順序為：根>莖>葉，且莖葉富集氮和磷的總量分別為根富集量的1.45和1.25倍。因此，定期收割石菖蒲的莖和葉可有效去除微污染水體中氮、磷含量，同時避免因植物莖葉的腐敗對水體造成二次污染[19]。

試驗中石菖蒲對微污染河水中氮和磷的凈化取得了一定的效果。但要充分了解石菖蒲的凈化規(guī)律，還需延長試驗周期;此外，及時判斷石菖蒲的收割時間點還需要進一步探究和完善。

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