水禾和粉綠狐尾藻對生活污水凈化效果研究

秦啟文， 趙 昕， 周守標(biāo),

(1安徽師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2安徽省水土污染治理與修復(fù)工程實驗室，安徽 蕪湖 241000)

引言

生活污水是居民日常生活中所排出的廢水，主要來源于公共建筑和居住建筑。隨著人口增長和社會發(fā)展，由于建設(shè)和規(guī)劃的缺陷，排入湖泊、各大小河流的生活污水日益增多[1]。如何有效降低水體中各形態(tài)的氮、磷含量，控制水質(zhì)惡化，已經(jīng)成為一項重要的研究課題。

沉水植物通氣組織發(fā)達且植物體各部分都能吸收水分和養(yǎng)料，并在維持湖泊的清水穩(wěn)態(tài)中起到了重要的作用[2]。賈一非等在探究狐尾藻對園林水景污染水體的凈化規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，狐尾藻對水體總氮和總磷的去除率分別達到49.54%和75.13%，凈化效果較好[3]。水生漂浮植物極具觀賞性、繁殖數(shù)度較快且易于打撈，在水體凈化中同樣被廣泛應(yīng)用，最具代表性的漂浮植物為鳳眼蓮[4]。利用水生植物對污染水體的治理通常采取多種水生植物，利用多種植物配置方法既可以提高水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性，又可以增強水體的觀賞性[5]。本文選取粉綠狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)作為水生沉水植物，選取水禾(Hygroryzaaristata)作為水生漂浮植物，采用兩種植物單獨培養(yǎng)、混合培養(yǎng)方式，探究其對生活污水的凈化效果和配置可行性，以期為污水凈化處理和水體生態(tài)修復(fù)提供適合的植物材料。

1 實驗材料與實驗設(shè)計

1.1 實驗材料

供試植物粉綠狐尾藻和水禾均采自安徽省蕪湖市安徽師范大學(xué)花津河，選取無枯黃葉、生長健壯的健康植株，將兩種植物用自來水洗凈放置于裝有自來水的PVC桶中7d，進行適應(yīng)性培養(yǎng)。

供試生活污水取自安徽省蕪湖市城南污水處理廠，選用污水處理廠未經(jīng)處理的生活污水初級水，pH為7.88，其它理化性質(zhì)如表1所示。參照“地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)”(GB3838—2002)，生活污水的各項檢測指標(biāo)均超出地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。

表1 受試水體理化性質(zhì)

1.2 實驗設(shè)計

在PVC桶中(桶口直徑27cm，高36cm)分別裝15L生活污水，取自來水馴化后的水禾與粉綠狐尾藻健康、生長旺盛植株，對植物進行修剪稱重后，放入生活污水中進行水培，實驗共設(shè)置4種處理：對照組(不放入植物)、單獨培養(yǎng)水禾(水禾100g)、單獨培養(yǎng)粉綠狐尾藻(粉綠狐尾藻100g)、混合培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻(水禾50g+粉綠狐尾藻50g)。每個處理設(shè)置三個重復(fù)，并將其置于溫度為22℃(通過空調(diào)控制)，通風(fēng)條件良好，光暗周期14∶10(光照14h，黑暗10h)、光合光子強度為400 μmol·m-2·s-1，培養(yǎng)過程中每天用蒸餾水補充水量以彌補蒸騰、蒸發(fā)的水分。

1.3 指標(biāo)測定

在試驗期間，每隔5d測定植物體的生物量(鮮重)和平均根長(cm)。

水體指標(biāo)測定：

水體總氮(TN)含量采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定。

水體總磷(TP)含量采用鉬酸銨分光光度法測定。

水體氨氮含量采用納氏試劑比色法測定。

水體正磷酸鹽含量采用磷鉬藍-抗壞血酸分光光度法測定。

水體化學(xué)需氧量(CODCr)采用重鉻酸鉀消解-分光光度法測定。

采用pH計測定水體pH。

采用溶解氧測定儀測定水體溶解氧(DO)濃度。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進行分類歸總。采用軟件SPSS(statistical product and service solutions)20.0對實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進行最小顯著差測試(least significant difference,LSD)，顯著水平P<0.05，采用Sigmaplot 14.0對處理后的數(shù)據(jù)進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水禾和粉綠狐尾藻生物量變化

如表2所示，單獨培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻在生活污水中均能夠正常生長，隨著實驗時間的增長生物量不斷提高，在35d達到最大值，在隨后的40d和45d生物量有所下降。三種處理生物量的排序為：粉綠狐尾藻>水禾>混合培養(yǎng)，三種培養(yǎng)的生物量存在顯著性差異(P<0.05)。如表3所示，在混合種植條件下水禾的生物量隨處理時間增長反而有下降趨勢；粉綠狐尾藻生物量隨處理時間增長明顯上升。在培養(yǎng)初期生物量相同的情況下，培養(yǎng)45d后，水禾生物量占混合培養(yǎng)總生物量的21.17%，粉綠狐尾藻占混合培養(yǎng)總生物量78.83%。實驗表明，在混合培養(yǎng)中，粉綠狐尾藻的生長顯著高于水禾。

表2 水禾和粉綠狐尾藻在生活污水中單培與混培生物量變化

表3 混合培養(yǎng)條件下水禾和粉綠狐尾藻各自的生物量變化

單獨與混合培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻根長變化如表4所示。單獨培養(yǎng)水禾的根隨處理時間增長而不斷生長，30d根長達到最大平均值3.1cm后不再繼續(xù)生長；單獨培養(yǎng)粉綠狐尾藻的根隨處理時間增長而不斷生長，35d達到最大平均值8.6cm后不再繼續(xù)生長；同等條件下水禾的根生長速率(0.51cm/5d)顯著小于粉綠狐尾藻(1.23cm/5d)。在混合培養(yǎng)條件下，水禾和粉綠狐尾藻根長都是培養(yǎng)35d達到最大平均值分別為1.8cm和7.4cm，比單獨培養(yǎng)的根長短，具有顯著性差異(P<0.05)，表明兩種植物在混合培養(yǎng)條件下根的生長受到一定的抑制作用。

表4 水禾和粉綠狐尾藻在生活污水中單培和混培根長變化

2.2 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水氮的去除效果

2.2.1 植物在污水中對總氮的去除效果 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水總氮的去除效果如圖1和表5所示。單獨培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻生活污水總氮濃度隨時間增長整體呈下降趨勢。其中，單獨培養(yǎng)水禾在15～25d總氮濃度略有上升，隨后持續(xù)下降；單獨培養(yǎng)粉綠狐尾藻在15～20d總氮濃度同樣有所上升，隨后持續(xù)下降。在培養(yǎng)45d時，單獨培養(yǎng)的水禾和粉綠狐尾藻對總氮的去除率分別為43.04%和78.77%?；旌吓囵B(yǎng)生活污水總氮濃度隨時間增長持續(xù)下降，并于45d去除率達到67.29%。生活污水總氮凈化效果為：粉綠狐尾藻>混合培養(yǎng)>水禾。

表5 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水總氮去除速率

圖1 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水總氮濃度變化

2.2.2 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水氨氮去除效果 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水氨氮的去除效果如圖2和表6所示。0～5d水禾和粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)氨氮濃度有所上升，5～20d所有處理的氨氮濃度都呈現(xiàn)急劇下降趨勢，隨后穩(wěn)定在1.00mg·L-1左右。水禾、粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的氨氮去除率均很高，分別為98.28%、98.18%和98.28%，三者氨氮的去除率差異不顯著。

圖2 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水氨氮濃度變化

表6 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水氨氮去除速率

2.3 水禾和粉綠狐尾藻對植物在生活污水中對磷的去除效果

2.3.1 水禾和粉綠狐尾藻對植物在生活污水中對總磷的去除效果 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水總磷的去除效果如圖3和表7所示。水禾和粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)處理總磷濃度都總體呈現(xiàn)下降趨勢，其中單獨培養(yǎng)水禾和混合培養(yǎng)處理組在25d較20d總磷的濃度略有上升；水禾、粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的總氮去除率均在25d達到最大值，分別為51.81%、94.57%和82.97%，處理效率為：粉綠狐尾藻>水禾>混合培養(yǎng)，三種處理存在顯著性差異(P<0.05)。水禾、粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)總磷的去除速率均出現(xiàn)兩個峰值，其中水禾總磷去除速率在0～20d波動較大，20～45d后隨時間增長而逐漸下降；粉綠狐尾藻總磷去除速率在0～10d逐漸上升并達到最大，在35d時去除速率突然升高，隨后下降；混合培養(yǎng)總磷去除速率初始值較高，在15～35d去除速率逐漸增高并達到最大值，隨后逐漸下降。

表7 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水總磷去除速率

圖3 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水總磷濃度變化

2.3.2 植物在生活污水中對正磷酸鹽的去除效果 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水正磷酸鹽的去除效果如圖4和表8所示。水禾單獨培養(yǎng)處理生活污水在5～10d正磷酸鹽濃度有所上升，然后隨處理時間的增長而減少，在35d正磷酸鹽去除率達到最大值，為62.23%。粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)處理的正磷酸鹽濃度隨時間增長而逐漸下降，兩者均在45d去除率達到最大值，分別為95.28%和87.98%。由此可見，粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)對生活污水正磷酸鹽的去除率最高，與另外兩種處理有顯著性差異(P<0.05)。

圖4 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水正磷酸鹽濃度變化

表8 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水正磷酸鹽去除速率

2.4 水禾和粉綠狐尾藻對植物在生活污水中對CODCr的影響去除效果

水禾和粉綠狐尾藻對生活污水CODCr去除效果如表9所示。從去除率上看，粉綠狐尾藻>混合種植>水禾，各處理之間存在顯著性差異(P<0.05)。

表9 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水CODCr影響

2.5 水禾和粉綠狐尾藻對植物在生活污水中對溶解氧(DO)和pH的影響

水禾和粉綠狐尾藻對生活污水DO濃度影響如表10所示。各處理組的DO濃度相較于初始值均有所上升。水禾、粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)處理的水DO濃度在0～25d均表現(xiàn)為隨時間增長而上升，且都在25d達到最大值分別為6.06mg·L-1、6.48mg·L-1和6.34mg·L-1，隨后皆有所下降。45d時各處理DO值為：混合培養(yǎng)>水禾>粉綠狐尾藻。粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)DO在0～15d、25～35d較其它處理高，但40～45d時DO值較其它處理低，可能由于粉綠狐尾藻生長較快導(dǎo)致DO值下降。

表10 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水溶解氧濃度影響

圖5所示為水禾和粉綠狐尾藻對生活污水pH的影響。水禾單獨培養(yǎng)對生活污水的pH隨時間增長而趨于中性；粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)生活污水的pH值隨處理時間增長逐漸下降，在35 ～ 45d由弱堿性轉(zhuǎn)為弱酸性?；旌吓囵B(yǎng)的生活污水pH值同樣表現(xiàn)出隨時間增長而下降，并于40 ～ 45d由弱堿性轉(zhuǎn)化為弱酸性。

圖5 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水pH影響

3 討論

實驗表明，水禾和粉綠狐尾藻在供試生活污水中均能正常生長，粉綠狐尾藻生物量和根長在兩種培養(yǎng)模式下均高于水禾，混合培養(yǎng)模式中水禾生物量減少，表明兩者的種間競爭使水禾生物量和根長減少，這可能與兩者不同的植物類型有關(guān)，粉綠狐尾藻作為沉水植物相較于水禾根系更加發(fā)達、生長速度較快[6]。因此，在混合培養(yǎng)中，粉綠狐尾藻根莖葉的快速延伸抑制了漂浮植物水禾光合作用強度和營養(yǎng)物質(zhì)吸收，導(dǎo)致水禾衰亡。

水禾和粉綠狐尾藻在兩種培養(yǎng)模式下都能有效的去除供試的生活污水中的總氮、總磷、氨氮、正磷酸鹽和CODCr。粉綠狐尾藻單獨培養(yǎng)對生活污水凈化效果顯著強于其他的處理。在沒有植物生長的自然條件下水體氮、磷元素去除主要有吸附、沉積、生物硝化、反硝化和微生物吸收等過程[7]，因此，實驗中對照組雖然沒有植物進行處理，氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)濃度均下降。氮磷有機物經(jīng)過微生物各種反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無機營養(yǎng)物質(zhì)，如含氮有機物經(jīng)過氨化和胺化過程轉(zhuǎn)化為氨氮。0 ～ 15d對照組中氨氮濃度逐漸升高，表明水體氨化作用快且微生物對氨氮吸收和自然揮發(fā)速率慢。以植物處理污染水體，一方面其生長過程中會吸收水體中氮、磷無機鹽和小分子有機物質(zhì)[8]，水生植物生物量大，對這些物質(zhì)吸收比微生物更迅速；另一方面，植物根系由于輸送氧氣，周邊形成良好的好氧環(huán)境，有利于微生物繁衍和滋生，加劇營養(yǎng)物質(zhì)有機態(tài)和無機態(tài)間相互轉(zhuǎn)化速度[9]，植物根系釋放出多種物質(zhì)同樣可以促進營養(yǎng)物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)化[10]，無機、有機態(tài)營養(yǎng)物質(zhì)在相互轉(zhuǎn)化間不斷被植物和微生物吸收利用。因此，有植物培養(yǎng)的處理比照組凈水效果更好。

多種植物搭配可以提高水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性，近年來的水體修復(fù)工程中也同樣運用了多種植物。呂家展等[11]在探究生態(tài)浮島種植水生植物水質(zhì)改善效果時利用鳶尾、美人蕉、風(fēng)車草等五種植物建立生態(tài)浮島，并比較了各植物單獨培養(yǎng)和兩兩混合時對水體凈化效果。發(fā)現(xiàn)混合培養(yǎng)相對于兩種植物單獨培養(yǎng)對于營養(yǎng)因子的去除效果位于單獨種植的兩種植物之間，該實驗結(jié)果與文獻報道一致?；旌吓囵B(yǎng)凈水效果強于單獨培養(yǎng)水禾卻弱于單獨培養(yǎng)粉綠狐尾藻，可能是水禾和狐尾藻之間存在競爭關(guān)系，導(dǎo)致兩者的生長情況及凈水能力都受到限制，其具體機理有待進一步研究，說明在對水體的凈化過程中水禾和粉綠狐尾藻不是最佳組合[12]。

4 結(jié)論

(1)單獨培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻在生活污水中均能正常生長，且粉綠狐尾藻生長最好，生物量最高；混合培養(yǎng)水禾生物量減少，生長受抑制，兩種植物間存在競爭關(guān)系。

(2)實驗中粉綠狐尾藻對生活污水凈化效果最好，混合培養(yǎng)和單獨培養(yǎng)水禾效果次之，凈水效果差異顯著。單獨培養(yǎng)狐尾藻對生活污水凈化效果比混合培養(yǎng)好，說明這二者可能不是最佳的植物組合。因此還需進一步對不同植物搭配進行富養(yǎng)化水體凈化效果研究，從而篩選出更多高效的植物及凈水植物配置，為受損水體修復(fù)生態(tài)工程及生態(tài)河道建設(shè)提供理論依據(jù)。