3種處理方式對(duì)玉灘水庫(kù)水體中氮磷去除效果比較

劉曉祥　聶敏芳

摘 要：鎖磷劑和沉水植物常用于水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)工程。試驗(yàn)通過采用鎖磷劑、沉水植物以及鎖磷劑+沉水植物的方式研究玉灘水庫(kù)水體氮磷去除效果。結(jié)果表明，鎖磷劑試驗(yàn)中，濃度為2.00 mg/L的鎖磷劑對(duì)總磷的去除效果最好，達(dá)到了76.9%。各種濃度的鎖磷劑對(duì)總氮的去除效果不明顯。4種沉水植物試驗(yàn)中，馬來眼子菜對(duì)總磷的去除率最高，輪葉黑藻對(duì)總氮的去除率最高。鎖磷劑+沉水植物試驗(yàn)中，4種濃度的鎖磷劑結(jié)合沉水植物的方式對(duì)總磷的去除效果均比較好，其中濃度為2.00 mg/L鎖磷劑+輪葉黑藻的方式對(duì)總磷的去除效果最好，去除率達(dá)到84.6%，而4種結(jié)合方式對(duì)總氮的去除主要是依靠沉水植物輪葉黑藻，鎖磷劑對(duì)總氮去除幾乎沒有效果。

關(guān)鍵詞：鎖磷劑;沉水植物;氮磷;去除效果;玉灘水庫(kù)

中圖法分類號(hào)：X832? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1? 研究背景

良好的生態(tài)環(huán)境是人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染物排放量逐年增加，水環(huán)境問題日益受到重視。

玉灘水庫(kù)位于重慶市大足區(qū)珠溪鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座以灌溉為主，兼顧城鎮(zhèn)居民及工業(yè)供水等綜合利用的大（2）型水庫(kù)。玉灘水庫(kù)流域共涉及大足區(qū)和榮昌區(qū)的珠溪、龍水、沙壩、郵亭、昌元、雙河、廣順、安富、雙路等26個(gè)鎮(zhèn)（街道），流域面積2 114 km2，水域面積23.97 km2。由于受上游工業(yè)企業(yè)污染以及周邊農(nóng)業(yè)面源污染的影響，從2016到2019年，玉灘水庫(kù)庫(kù)區(qū)水體總磷和總氮含量超過地表水湖庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類，主要集中在每年的1—3月份。為了促進(jìn)玉灘水庫(kù)水質(zhì)改善，緩解大足區(qū)、榮昌區(qū)和雙橋經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水嚴(yán)重缺乏的現(xiàn)狀，提高該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉保證率和改善城鄉(xiāng)居民供水條件，玉灘水庫(kù)水質(zhì)治理已迫在眉睫。目前，雖然大量的研究者采用除磷劑、沉水植物、人工浮島等方式去除水體中的營(yíng)養(yǎng)元素，但針對(duì)玉灘水庫(kù)的水質(zhì)提升少有研究。本文通過比較采用鎖磷劑、沉水植物以及鎖磷劑+沉水植物的方式去除水體中的營(yíng)養(yǎng)元素效果，選擇合適的方式治理玉灘水庫(kù)中的氮、磷元素，改善玉灘水庫(kù)水源水質(zhì)，保障飲水安全。

2? 材料和測(cè)定方法

2.1? 試驗(yàn)材料

供試植物選擇4種沉水植物分別為輪葉黑藻、苦草、馬來眼子菜、金魚藻。

除磷劑選擇PHOSLOCK鎖磷劑。

2.2? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）于5個(gè)2.5 L玻璃容器（分別編號(hào)為空白、1#、2#、3#、4#）中各加入1 L玉灘庫(kù)心原水，然后在1#、2#、3#、4#容器中分別添加濃度為1.00、2.00、5.00、10.0 mg/L的鎖磷劑并搖勻。待鎖磷劑自然沉降1、3、5、10 d后，在試驗(yàn)容器上層取樣，測(cè)定總磷、總氮濃度。

（2）于4個(gè)2.5 L玻璃容器中（分別編號(hào)為5#、6#、7#、8#）各加入1 L玉灘庫(kù)心原水，然后將生長(zhǎng)狀態(tài)良好的輪葉黑藻、苦草、金魚藻和馬來眼子菜成熟植株清洗干凈后于每個(gè)容器內(nèi)種植2株，待4種植物生長(zhǎng)1、3、5、10 d后，在試驗(yàn)容器上層取樣，測(cè)定總磷濃度、總氮濃度。

（3）于4個(gè)2.5 L玻璃容器中（分別編號(hào)為9#、10#、11#、12#）各加入1 L玉灘庫(kù)心原水，然后將生長(zhǎng)狀態(tài)良好的沉水植物（結(jié)合前面試驗(yàn)確定輪葉黑藻、苦草、金魚藻和馬來眼子菜中去除總磷總氮效果最好的）成熟植株清洗干凈后于每個(gè)容器內(nèi)種植2株并分別同時(shí)添加濃度分別為1.00、2.00、5.00、10.0 mg/L的鎖磷劑。隔1、3、5、10 d后，在試驗(yàn)容器上層取樣，測(cè)定總磷濃度、總氮濃度。

（4）于1個(gè)2.5 L玻璃容器中加入1 L玉灘庫(kù)心原水，隔1、3、5、10 d后，在試驗(yàn)容器上層取樣，測(cè)定總磷濃度、總氮濃度。和（1）、（2）、（3）中試驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比。

2.3? 測(cè)定方法

水質(zhì)總磷：鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）;水質(zhì)總氮：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）;水質(zhì)氨氮：納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）;水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)：高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定（GB 11892—1989）;水質(zhì)化學(xué)需氧量：重鉻酸鹽法（HJ 828—2017）。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 2020年玉灘水庫(kù)庫(kù)心水質(zhì)變化

玉灘水庫(kù)庫(kù)心斷面為重慶市42個(gè)國(guó)控站點(diǎn)之一，其水質(zhì)目標(biāo)是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（湖、庫(kù)）。2016—2019年大足區(qū)大規(guī)模投入資金進(jìn)行水污染治理，玉灘水庫(kù)水質(zhì)逐年改善，到2019年年平均值達(dá)到了Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，但是仍然不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，控制指標(biāo)是總磷。

為了確認(rèn)玉灘水庫(kù)的特征污染因子，全項(xiàng)目分析了2020年玉灘水庫(kù)庫(kù)心斷面的水質(zhì)，水質(zhì)類別月變化如表1所示。玉灘水庫(kù)庫(kù)心斷面全年符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。其中9個(gè)月水質(zhì)為優(yōu)良，符合Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)，比例為75.0%;1月、2月和3月水質(zhì)為中度污染，水質(zhì)類別為Ⅴ類，比例為25.0%。

結(jié)合2016—2019年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（見表2），選擇總磷、總氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮作為主要指標(biāo)，2020年玉灘水庫(kù)庫(kù)心斷面水質(zhì)分析結(jié)果如圖1所示。2020年1月—12月，玉灘庫(kù)心斷面總磷1月、2月、3月超過（湖、庫(kù)）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn);總氮1月、2月、3月和12月超標(biāo);高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量和氨氮全年都不超標(biāo)?？偭住⒖偟瑯?biāo)時(shí)段主要集中在1—3月份，和2016—2019年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致。

3.2? 玉灘水庫(kù)原水水質(zhì)分析結(jié)果

基于2020年的水質(zhì)分析結(jié)果，為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具代表性，采集2021年3月份的水樣作為試驗(yàn)用水。原水水質(zhì)分析結(jié)果如表3所示。常規(guī)項(xiàng)目水溫、pH值、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮都滿足（湖、庫(kù)）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，而總磷和總氮分別超過（湖、庫(kù)）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)1.6倍和0.69倍。

3.3? 鎖磷劑吸附試驗(yàn)

研究表明，多數(shù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制因素是磷，除磷對(duì)防治水體富營(yíng)養(yǎng)化至為重要[1]。通過文獻(xiàn)調(diào)研可知，化學(xué)藥劑（鋁鹽、鐵鹽、鈣化物、復(fù)合鹽等）除磷反應(yīng)速度快，藥劑成本低，但會(huì)產(chǎn)生二次污染，過量的金屬離子會(huì)對(duì)水體動(dòng)植物產(chǎn)生不良反應(yīng)且不能從根本上去除磷營(yíng)養(yǎng)。傳統(tǒng)吸附法（金屬氧化物吸附類材料等）除磷相較于化學(xué)除磷有著安全性優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)材料的選擇比較嚴(yán)格且吸附效率低。王秀朵等[2]的研究表明PHOSLOCK鎖磷劑對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化河道、湖、庫(kù)水體的除磷效果顯著。PHOSLOCK鎖磷劑的通用名稱為鑭改性膨潤(rùn)土（LMB），主要由鑭稀土與鈉基膨潤(rùn)土為原料通過特殊的生產(chǎn)工藝制備而成。PHOSLOCK鎖磷劑中的鑭含量約為（5±0.25）%。利用膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)中的鑭與磷酸根一對(duì)一螯合，形成穩(wěn)定的磷酸鑭稀土礦（La3++PO43-→LaPO4↓），無(wú)二次污染。因此，本研究中采用了PHOSLOCK鎖磷劑。PHOSLOCK鎖磷劑的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

水樣放置時(shí)間過久，水體中的總磷會(huì)有部分自然降解，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)可靠，試驗(yàn)中做了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)原水總磷、總氮濃度和放置10 d后總磷、總氮濃度變化不大。

圖3（a）呈現(xiàn)了加入4種不同濃度的鎖磷劑后總磷濃度的變化情況?？梢钥闯龈鞣N濃度的鎖磷劑對(duì)原水中的總磷均有去除效果，且隨著時(shí)間的增加總磷去除效果越明顯。試驗(yàn)進(jìn)行1 d后，1#、2#、3#、4#鎖磷劑對(duì)總磷的去除率分別是15.4%、30.8%、30.8%、38.5%。試驗(yàn)進(jìn)行到10 d后，1#、2#、3#、4#鎖磷劑對(duì)總磷去除率分別是38.5%、76.9%、61.5%、61.5%，說明2#鎖磷劑對(duì)總磷的去除效果最好。通過分析試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)4種濃度的鎖磷劑對(duì)總氮幾乎沒有去除效果，見圖3（b）。

3.4? 沉水植物試驗(yàn)

沉水植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者之一，不僅能夠?qū)λw和底泥中的氮、磷和難降解有機(jī)污染物進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化，合成自身物質(zhì)，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的水體起到凈化作用，還能調(diào)節(jié)水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)速度，增加水體生物多樣性，控制藻類生長(zhǎng)，從而有效提高水質(zhì)，改善生態(tài)環(huán)境?？偟涂偭诐舛仁撬|(zhì)監(jiān)測(cè)分析中的常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)，田琦等[3]的研究表明金魚藻和馬來眼子菜對(duì)總氮的去除能力較強(qiáng)。任文君等[4]的研究表明馬來眼子菜、金魚藻和黑藻對(duì)總磷、總氮的去除效果都比較好。金樹權(quán)等[5]采用輪葉黑藻、苦草、金魚藻、穗狀狐尾藻、微齒眼子菜淵等5種鄉(xiāng)土沉水植物為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行水質(zhì)總磷和總氮的吸收研究，成果表明輪葉黑藻對(duì)總氮和總磷的去除率最高。本研究中采用輪葉黑藻、苦草、金魚藻和馬來眼子菜作為供試材料。

4種沉水植物對(duì)總磷的去除率變化趨勢(shì)如圖4（a）所示。試驗(yàn)開始1 d后，4種植物對(duì)總磷的去除率分別是23.1%、7.7%、15.4%、23.1%。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行10 d后，4種植物對(duì)總磷的去除率分別是69.2%、53.8%、46.2%、76.9% 。馬來眼子菜相對(duì)于其他3種沉水植物對(duì)總磷的去除率最高。4種沉水植物對(duì)總磷的去除率順序?yàn)轳R來眼子菜>輪葉黑藻>苦草>金魚藻。

4種沉水植物對(duì)總氮的去除率變化趨勢(shì)如圖4（b）所示，試驗(yàn)開始1 d后，輪葉黑藻、苦草、金魚藻、馬來眼子菜對(duì)總氮的去除率分別是8.9%、4.1%、3.6%、3.0%。試驗(yàn)進(jìn)行5 d后，4種植物對(duì)總氮的去除率分別是53.8%、23.7%、49.7%、10.1%。試驗(yàn)進(jìn)行10 d后，4種植物對(duì)總氮的去除率分別是55.6%、51.5%、53.3%、42.0%。可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，4種沉水植物對(duì)總氮的吸收效率均較好，其中輪葉黑藻相對(duì)于其他3種沉水植物對(duì)總氮的去除率最高。4種沉水植物對(duì)總氮的去除率順序?yàn)檩喨~黑藻>金魚藻>苦草>馬來眼子菜。

3.5? 鎖磷劑+沉水植物試驗(yàn)

結(jié)合沉水植物試驗(yàn)，選擇輪葉黑藻作為供試植物。

圖5（a）展示了鎖磷劑+沉水植物方式對(duì)總磷的去除效果，試驗(yàn)進(jìn)行1 d后，4種濃度的鎖磷劑結(jié)合沉水植物方式對(duì)總磷的去除率分別是15.4%、30.8%、30.8%、38.5%。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行3 d后，4種結(jié)合方式對(duì)總磷的去除率分別是30.8%、38.5%、53.8%、46.2%;當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行10 d后，4種結(jié)合方式對(duì)總磷的去除率分別是76.9%、84.6%、69.2%、69.2%。濃度為2.00 mg/L的鎖磷劑+輪葉黑藻的模式對(duì)總磷的去除效果最好。對(duì)總氮的去除效果如圖5（b）所示，可知4種結(jié)合方式對(duì)總氮的去除率分別是56.8%、55.0%、52.1%、53.3%，將圖5（b）和圖3（b）進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)4種結(jié)合方式對(duì)總氮的去除主要是依靠沉水植物輪葉黑藻，而鎖磷劑幾乎沒有貢獻(xiàn)。

3.6? 3種處理方式的總磷去除效果比較

試驗(yàn)進(jìn)行10 d后，2#鎖磷劑（濃度為2.00 mg/L）對(duì)總磷去除率達(dá)到76.9%，輪葉黑藻對(duì)總磷的去除率是69.2%，2#鎖磷劑（濃度為2.00 mg/L）+輪葉黑藻對(duì)總磷的去除率達(dá)到了84.6%，表明鎖磷劑+沉水植物方式去除總磷效果優(yōu)于單獨(dú)采用鎖磷劑或沉水植物去除總磷效果。

4? 結(jié)論

（1）4種濃度的鎖磷劑對(duì)原水中的總磷均有去除效果，隨著時(shí)間的增加，總磷去除效果越明顯。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)總磷的去除率分別達(dá)到38.5%、76.9%、61.5%、61.5%。各種濃度的鎖磷劑對(duì)總氮的去除效果不明顯。

（2）4種沉水植物對(duì)試驗(yàn)水體中的氮、磷均有較高的去除率。馬來眼子菜相對(duì)于其他3種沉水植物表現(xiàn)出對(duì)總磷最高的去除率。4種沉水植物對(duì)總磷的去除率順序?yàn)轳R來眼子菜>輪葉黑藻>苦草>金魚藻。輪葉黑藻相對(duì)于其他3種沉水植物表現(xiàn)出對(duì)總氮最高的去除率，4種沉水植物對(duì)總氮的去除率順序?yàn)檩喨~黑藻>金魚藻>苦草>馬來眼子菜。

（3）4種濃度的鎖磷劑結(jié)合沉水植物的方式對(duì)總磷的去除效果均比較好，去除效率分別達(dá)到76.9%、84.6%、69.2%、69.2%，數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)鎖磷劑濃度為2.00 mg/L+輪葉黑藻的方式對(duì)總磷的去除效果最好。4種結(jié)合方式對(duì)總氮的去除率分別為56.8%、55.0%、52.1%、53.3%，效果差別較小，4種結(jié)合方式對(duì)總氮的去除主要是依靠沉水植物輪葉黑藻，而鎖磷劑對(duì)總氮的去除幾乎沒有效果。

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Comparison of Effectiveness of Nitrogen and Phosphorus Removal in Yutan Reservoir among Three Methods

Liu Xiaoxiang1，Nie Minfang2

（1.Eco-environmental Monitoring Station of Dazu District，Chongqing 402360，China;2. Educational Scientific Research Institute of Tongnan District，Chongqing 402660，China）

Abstract：Phoslock and submerged macrophytes are often used in water purification and ecological restoration projects. The effectiveness of nitrogen and phosphorus removal in Yutan Reservoir by using phoslock，submerged macrophytes，and phoslock combined with submerged macrophytes was studied . The results showed that phoslock with 2.00 mg/L concentration had the best removal rate（76.9%） on total phosphorus. The removal effect of phoslock of any concentration on total nitrogen was not obvious. Among the four submerged macrophytes，Potamogeton malainus had the highest removal rate on total phosphorus and Hydrilla verticillata had the highest removal rate on total nitrogen. The removal rate on total phosphorus by combining phoslock with submerged macrophyte was good，and phoslock with 2.00 mg/L concentration combined with Hydrilla verticillata had the highest removal rate（84.6%） on total phosphorus. However，the removal of total nitrogen mainly depended on the submerged macrophyte Hydrilla verticillata，and phoslock had little effect.

Key words：phoslock;submerged macrophyte;nitrogen and phosphorus;removal effectiveness;Yutan ReservoirReservoir

收稿日期：2022-02-23

作者簡(jiǎn)介：劉曉祥，男，工程師，碩士研究生，主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理研究。E-mail：15025698281@163.com