沉水植物及組合對城市緩滯水體水質(zhì)的凈化

崔慶飛，崔曉宇，彭文啟，駱輝煌，高云霞，趙進勇

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100038；2.河北建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程系，河北張家口 075000)

永定河平原城市段貫穿北京西部區(qū)域，自1996年完全斷流以來，水文資源與環(huán)境條件嚴重惡化。 2010年，建設(shè)以門城湖、曉月湖、蓮石湖、園博湖為主體的 “五湖一線”景觀水體后，南六環(huán)路為界三家店至南六環(huán)路區(qū)段形成緩滯水體，其中的永定河(北京段)蓮石湖位于北京石景山、門頭溝和豐臺河西交界之地，湖泊沿線全長為5.8 km，湖面面積為106 km2[1]。自蓮石湖人工景觀蓄水河段景體建成以來，其生態(tài)功能穩(wěn)定維護問題十分突出，盡管采取的一系列工程和生物措施對水質(zhì)改善起到了一定作用，但其作用仍然有限，水質(zhì)未能達到預(yù)期目標。分析2013年—2016年永定河石景山段蓮石湖中游湖面斷面水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果：該斷面DO均值僅為1.0 mg/L，CODCr均值為6.43 mg/L，TP均值為5.39 mg/L，TN均值為9.07 mg/L，多數(shù)水質(zhì)指標濃度遠超V類水標準。2018年—2019年水質(zhì)有所改善，但夏季仍然存在藻華暴發(fā)的風險，水質(zhì)還需進一步提升。

為了打造貫穿京津冀晉的綠色生態(tài)廊道，逐步恢復(fù)永定河，成為“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”，選用多種原位修復(fù)技術(shù)來治理永定河(北京段)[2]。蓮石湖區(qū)域采用種植不同沉水植物來構(gòu)建“水下森林”的原位修復(fù)技術(shù)來修復(fù)水體。沉水植物有治理和維護水質(zhì)的作用，既能通過根系吸收底泥、水體中的氮、磷營養(yǎng)物，改善水體和底泥[3-4]，增加水體溶解氧；又能抑制有害微生物和藻類的生長和繁殖[5-6]；還可以作為水生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，恢復(fù)水體生態(tài)環(huán)境，提高生物多樣性[7-9]。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，蓮石湖河道水流流速較低，屬于典型的緩滯水體，湖底沉水植物以菹草為主，菹草是一種反季節(jié)生長的沉水植物，秋季發(fā)芽，冬春生長，夏季腐爛死亡[10]，易導(dǎo)致水體有機氮、磷升高。針對此特點，現(xiàn)選用4種較為耐熱、良好維護水質(zhì)的沉水植物[11-12]，研究它們及其組合在水質(zhì)凈化能力的差異，選擇最優(yōu)的方案實現(xiàn)蓮石湖夏季沉水植物的演替，防止夏季水質(zhì)惡化，構(gòu)建適于四季的沉水植物凈化體系。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗植物

甄選4種耐熱的沉水植物：伊樂藻(ElodeacanadensisMichx)、輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)、輪葉狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)、苦草(Vallisnerianatans)。所選沉水植物除苦草為種子外，其余3種均為幼株。試驗前先將苦草種子萌發(fā)，生長成為合格的幼株后，精選4種植物優(yōu)良的生長體，在裝有永定河引水渠河水的容器中適應(yīng)培養(yǎng)，時間為一周左右[13-14]。

1.2 試驗水體和底泥

1.3 試驗設(shè)計

表1 試驗容器和種植規(guī)格Tab.1 Size of Test Containers and Quantity of Submerged Plant

1.4 檢測指標和方法

試驗涉及的檢測指標和方法如表2所示[17-18]。

表2 檢測指標和方法Tab.2 Detection Indicators and Methods

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

各指標的去除率(η)表征各沉水植物及組合對模擬水體中污染物的去除效果，如式(1)。

η=(C0-Ct)/C0×100%

(1)

其中：η——去除率；

C0——初始水體中污染物的濃度，mg/L；

Ct——t時刻測得水體的污染物的濃度，mg/L[19]。

試驗組中單個植株對污染物平均處理能力(T)表征各組合處理效果的好壞，如式(2)。

T=C0×V0-Ct×Vt/An

(2)

其中：T——單個植株對污染物平均處理能力，mg；

V0——初始水體的體積，L；

Vt——t時刻水體的體積，L；

An——第n個試驗組的沉水植物的數(shù)量，株。

受污水體中各污染物的衰減通式如式(3)。a與試驗的始末濃度有關(guān)，b的大小可以判斷衰減的速率，b越大，說明植物在前期對營養(yǎng)鹽的去除速率越快。

y=a×e-bxt(a>0，b>0)

(3)

其中：y——水體中污染物的濃度，mg /L；

x——待測時間，d;

t——試驗時間，d；

a、b——衰減通式的凈化系數(shù)，表征每個沉水植物的凈化能力。

2 試驗結(jié)果和討論

受河水和底泥的影響，初始污染物的初始濃度略有差異，試驗均以實測值為準[20]。由于試驗容器規(guī)格不同，初始數(shù)據(jù)中TN，NH3-N和TP的濃度均差異較大，但同種規(guī)格的種植容器初始數(shù)值差異較小。一般情況，不同規(guī)格的試驗容器，底面積不同，所需的底泥量不同，導(dǎo)致底面積大的試驗容器初始TN、NH3-N和TP的濃度高于底面積小的試驗容器的濃度[21]。因此，除了比較去除率的大小，還將各試驗組的單株平均處理能力作為衡量凈化效果的參考標準，綜合去除率和單株平均處理能力分析選擇最優(yōu)組合。

2.1 不同沉水植物組合對TN的去除效果

試驗過程中，各試驗組體系TN濃度的變化情況如圖1所示，不同沉水植物組合體系對TN的處理效果如表3所示。由圖1可知，由于沉水植物的作用，各個試驗組體系中的TN濃度均隨時間的增加而大幅度下降，從水體初始TN為9.53～12.43 mg/L下降到試驗完成時的1.56～3.27 mg/L，空白組的TN濃度從初始的12.26 mg/L降到9.51 mg/L。各試驗組對TN的處理效果優(yōu)于空白組。

由表3可知，對TN平均處理能力最好的是伊樂藻+輪葉黑藻+輪葉狐尾藻的沉水植物組合，單株的平均處理能力為141.36 mg。從單一種植來看，平均處理能力從大到小為：輪葉狐尾藻(99.91 mg)>伊樂藻(90.86 mg)>輪葉黑藻(89.08 mg)>苦草(80.09 mg)。而對TN平均處理能力最好的組合，恰好是平均處理能力最好的3種沉水植物的組合，全組合的平均處理能力為100.55 mg，平均處理能力均大于單一種植，且均小于三組合。2種組合與其各個植物的單一生長相比，無明顯差異。氮素是合成蛋白質(zhì)和植物生長的重要元素，因此，從沉水植物的形體和生長量來說，單一的沉水植物對TN的處理能力與其生長量相符[22-23]，試驗沉水植物平均植株高度從大到小為：輪葉狐尾藻(94.3 cm)>伊樂藻(81.4 cm)>輪葉黑藻(78.6 cm)>苦草(54.9 cm)。從生長情況上看，伊樂藻與輪葉黑藻的生長高度相近，且在生長過程中，這2種植株分枝數(shù)多，易遮蔽陽光，因此，光照競爭是抑制這2種植物生長的主要原因。輪葉狐尾藻和苦草在相同時期，生長高度差異很大，生長模式均單一，很少有分枝生長，可以形成垂直方向良好的生長模式，各沉水植物在不同的深度有良好的空間生長。從衰減通式上看，對TN處理效果最快的是伊樂藻+苦草的組合，該組合在前期對TN有較高的去除率。

圖1 不同沉水植物組合水中TN濃度變化Fig.1 Variation of TN Concentration in Different Submerged Plant Combinations

表3 不同沉水植物組合對TN的處理效果Tab.3 TN Removal in Different Submerged Plant Combinations

圖2 不同沉水植物組合水中NH3-N濃度變化Fig.2 Variation of NH3-N Concentration in Different Submerged Plant Combinations

2.2 不同沉水植物組合對NH3-N的去除效果

試驗過程中，各試驗組體系中NH3-N濃度的變化情況如圖2所示，不同沉水植物組合體系對NH3-N的處理效果如表4所示。由圖2可知，由于沉水植物的作用，各個試驗組體系中的NH3-N濃度均隨時間的增加而大幅度下降，從水體初始NH3-N為4.64～6.82 mg/L下降到試驗完成時的0.43～0.91 mg/L，空白組的TN濃度從初始的6.40 mg/L降到5.11 mg/L。各試驗組對TN的處理效果均優(yōu)于空白組。

由表4可知，對NH3-N平均處理能力最好的是苦草+輪葉黑藻+輪葉狐尾藻的沉水植物組合，單株的平均處理能力為96.12 mg。從單一種植來看，平均處理能力從大到小為：苦草(78.41 mg)>輪葉黑藻(70.21 mg)>輪葉狐尾藻(70.1 mg)>伊樂藻(64.45 mg)。而對TN平均處理能力最好的組合，是平均處理能力最好的3種沉水植物的組合，全組合的平均處理能力為64.41 mg，平均處理能力均小于單一種植，且均小于三組合。兩兩組合中，苦草+輪葉黑藻的組合較好。含有伊樂藻的組合，處理NH3-N時能力受抑制，其組合數(shù)值偏低[24-25]。從空白對照組上看，NH3-N在自然條件下也可以分解，與溫度有很大的關(guān)系，苦草對NH3-N的處理效果與其生長形態(tài)也有很大的關(guān)系。除了苦草自身的作用，在試驗過程中，苦草很少分枝，無莖葉細長，無遮蔽陽光的效果，水體溫度略高，有利于NH3-N的轉(zhuǎn)化。而與苦草的組合相比，其他植物易形成遮蔽效果，水體溫度低，NH3-N轉(zhuǎn)化效率降低。從衰減通式上看，對NH3-N處理效果最快的是單獨的輪葉黑藻。

表4 不同沉水植物組合對NH3-N的處理效果Tab.4 NH3-N Removal in Different Submerged Plant Combinations

2.3 不同沉水植物組合對TP的去除效果

試驗過程中，各試驗組體系中TP濃度的變化情況如圖3所示，不同沉水植物組合體系對TP的處理效果如表5所示。由圖3可知，由于沉水植物的作用，各個試驗組體系中的TP濃度均隨時間的增加而下降，從水體初始TP為1.18～1.89 mg/L下降到試驗完成時的0.51～0.97 mg/L，空白組的TP濃度從初始的1.30 mg/L降到1.15 mg/L。各試驗組對TP的處理效果明顯優(yōu)于空白組。

由表5可知，對TP平均處理能力最好的是苦草+輪葉黑藻+輪葉狐尾藻的沉水植物組合，單株的平均處理能力為11.11 mg。從單一種植來看，平均處理能力從大到小為：輪葉黑藻(9.74 mg)>苦草(8.63 mg)>輪葉狐尾藻(8.17 mg)>伊樂藻(8.03 mg)。最好的組合是由平均處理能力最好的3種沉水植物構(gòu)成，而全組合的平均處理能力為9.14 mg，可能是伊樂藻與輪葉黑藻形成了生長抑制的關(guān)系，導(dǎo)致有伊樂藻和輪葉黑藻的組合對TP的平均處理能力有所下降[26-28]。從衰減通式上看，對TP處理效果最快的是伊樂藻+苦草的組合。

2.4 不同沉水植物組合體系中濃度變化

2.5 其他指標說明

河水水體中含有一定量的藻類，因此，采取測定水體中葉綠素a的含量來反映水體中藻類數(shù)量的變化。由于沉水植物抑制藻類生長，與空白對照組相比，各個試驗組葉綠素a的濃度很低，淺水階段試驗組的葉綠素a濃度在4.32～10.69 μg/L，而空白組的葉綠素a濃度高達67.27 μg/L。深水階段，由于氮、磷的降低和沉水植物的抑制作用，試驗組葉綠素a濃度在0.41～0.91 μg/L，空白組的葉綠素a濃度為43.67 μg/L[30-31]。

圖3 不同沉水植物組合水中TP濃度變化Fig.3 Variation of TP Concentration in Different Submerged Plant Combinations

表5 不同沉水植物組合對TP的處理效果Tab.5 TP Removal in Different Submerged Plant Combinations

圖4 不同沉水植物組合水中濃度變化Fig.4 Variation of Concentration in Different Submerged Plant Combinations

使用河水，除了影響葉綠素a指標外，還影響溶解氧DO的數(shù)值。試驗過程發(fā)現(xiàn)，除了第1 d各試驗組DO有略微差異，其余時間所測到DO恒定在5.69～10.71 mg/L，每天同一時間各個試驗組溶解氧差異不大[32-33]。

3 結(jié)論

(1)對TP的處理能力：輪葉黑藻(9.74 mg)>苦草(8.63 mg)>輪葉狐尾藻(8.17 mg)>伊樂藻(8.03 mg)。處理效果最好的是苦草+輪葉黑藻+輪葉狐尾藻的組合，平均每株的處理能力為11.11 mg。對TN的處理能力：輪葉狐尾藻(99.91 mg)>伊樂藻(90.86 mg)>輪葉黑藻(89.08 mg)>苦草(80.09 mg)。最好的是伊樂藻+輪葉黑藻+輪葉狐尾藻的組合，平均每株的處理能力為141.36 mg。對NH3-N的處理能力：輪葉苦草(78.41 mg)>輪葉黑藻(70.21 mg)>輪葉狐尾藻(70.1 mg)>伊樂藻(64.45 mg)，最好的是苦草+輪葉黑藻+輪葉狐尾藻的組合，平均每株的處理能力為96.12 mg。

(2)輪葉黑藻對TP的吸收效果最好，輪葉狐尾藻對TN的削減效果最好，苦草對NH3-N的轉(zhuǎn)化效果最好。且三者的組合對TP的處理能力平均每株為11.11 mg、對TN的處理能力平均每株為122.64 mg、對TN的處理能力平均每株為96.12 mg，均大于單一種植。結(jié)合每種植物的生長情況和特性[34-35]，優(yōu)選苦草+輪葉黑藻+輪葉狐尾藻的組合作為蓮石湖夏季菹草演替的方案。

(3)在淺水和深水兩階段試驗過程中，不同的沉水植物生長狀態(tài)也有所差異，苦草、輪葉黑藻更適宜淺水區(qū)域種植，伊樂藻、輪葉狐尾藻更適宜深水區(qū)域種植。同時，考慮競爭和抑制作用，伊樂藻和輪葉黑藻不適宜種植過近，且密度不宜太大；苦草和輪葉狐尾藻可以形成良好的垂直生長關(guān)系，互相影響較小。在湖底水深有差異的情況下，從平面角度合理優(yōu)化苦草、輪葉黑藻、輪葉狐尾藻的種植布局，能更好地發(fā)揮沉水植物的凈化效果。

(4)為了避免微生物的過度干擾，影響對沉水植物吸收營養(yǎng)鹽效果的分析，本試驗設(shè)置了能滿足沉水植物正常生長的較短的試驗周期。試驗組的葉綠素水平不高，反映了藻類對試驗的影響程度較?。辉囼炛芷谳^短，削弱了底泥微生物對試驗組的影響。通過試驗組與空白組的對照分析，對氮的去除，最優(yōu)組合中植物去除占84.8%，微生物去除占15.2%；對磷的去除，最優(yōu)組合中植物去除占85.4%，微生物去除占14.6%。

4 展望

研究沉水植物在水質(zhì)凈化中的作用意義重大，合理規(guī)劃沉水植物的分布種類、數(shù)量情況，了解沉水植物在各個季節(jié)的群落演替變化，能保證沉水植物長期維護水質(zhì)的良好狀態(tài)。雖然水下森林技術(shù)研究已運用于實際工程，但大多數(shù)情況的效果持續(xù)時間不長，缺乏合理的科學(xué)研究和規(guī)劃方案。多數(shù)沉水植物水質(zhì)凈化研究局限于實驗室和中試范圍內(nèi)，不能充分體現(xiàn)研究內(nèi)容在實際工程中的應(yīng)用效果。對于得到的結(jié)果，未能開展沉水植物輪葉黑藻、伊樂藻、苦草和菹草組合試驗，但可以考慮在合適的季節(jié)對這種推薦的組合進行試驗或調(diào)查研究，下階段需基于實際工程出發(fā)，為工程實踐提供科學(xué)的依據(jù)和運行參數(shù)。