沉水植物組合對(duì)受污染河水的凈化與維護(hù)效果

王佳 顧永鋼 王昊 李兆欣 許多

摘 要：針對(duì)受污染河道水體水質(zhì)凈化和長(zhǎng)效維護(hù)需求，開(kāi)展黑藻+金魚(yú)藻、穗狀狐尾藻+伊樂(lè)藻、馬來(lái)眼子菜+篦齒眼子菜、水盾草+苦草4種沉水植物組合方式的河道水體凈化與維護(hù)效果研究，結(jié)果表明：馬來(lái)眼子菜+篦齒眼子菜組合對(duì)受污染河道的修復(fù)效果最佳；對(duì)受污染河水的復(fù)氧及葉綠素a的削減，沉水植物均表現(xiàn)為促進(jìn)作用；沉水植物組合的水體凈化效果馬來(lái)眼子菜+篦齒眼子菜組合>黑藻+金魚(yú)藻組合>水盾草組合+苦草>穗狀狐尾藻+伊樂(lè)藻組合，各植物組合差異不顯著；沉水植物組合對(duì)受污染河水的凈化效果主要受水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量影響，不同沉水植物組合方式均有利于河道再生水水質(zhì)的提升；經(jīng)沉水植物處理后，COD、氨氮等主要指標(biāo)可達(dá)地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：受污染河水；沉水植物組合；水質(zhì)凈化；

中圖分類號(hào)：TV62；X824 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.021

引用格式：王佳，顧永鋼，王昊，等.沉水植物組合對(duì)受污染河水的凈化與維護(hù)效果[J].人民黃河，2022，44（1）：100-105.

PurificationandMaintenanceEffectofSubmergedPlantCombinationonPollutedRiver

WANGJia1，2，GUYonggang1，WANGHao2，LIZhaoxin1，XUDuo1，2

（1.BeijingInstituteofWaterScienceandTechnology，Beijing100048，China；2.SchoolofArchitectureEngineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063210，China）

Abstract：Inthisexperiment，XiaozhongRiver，atypicalreclaimedwatersupplementchannelinTongzhouareawaschosenastheexperimen talwatersource.Foursubmergedplantcombinationsofhydrillaverticillata+ceratophyllumdemersum，myriophyllumspicatum+elodea canadensismichx，potamogetonwrightiimorong+potamogetonpectinatusandcabombacarolinianaA.gray+vallisnerianatans（lour.）hara wereselectedtoinvestigatethepurificationandmaintenanceeffectsofdifferentcombinationsonreclaimedwaterundersimulatedriverwater. Theresultsshowthatprolongingtheresidencetimeandreducingtheamountoftreatedwaterarebeneficialtotheremovalofpollutants.Atthe sametime，thecombinationofmyriophyllumspicatum+elodeacanadensismichxisthebestforthepollutedwater.Theeffectsofsubmerged plantsonreoxygenationandchlorophyll aremovalonreclaimedwaterarepromoted.Comprehensiveanalysisshowsthatmyriophyllumspica tum+elodeacanadensismichx>hydrillaverticillata+ceratophyllumdemersum>potamogetonwrightiimorong+potamogetonpectinatus>cabombacarolinianaA.gray+vallisnerianatans（lour.）hara.However，thereisnosignificantdifferenceamongtheplantcombinations.At thesametime，thepurificationeffectofsubmergedplantcombinationonpollutedriverwaterisregulatedbythenutrientcontentofwater.In general，eachcombinationmodeisconducivetotheimprovementofriverregenerationwaterquality.Aftertreatment，chemicaloxygende mand（COD），ammonianitrogen（NH3-N）andotherindicatorscanreachtoclassIVwaterqualitystandardofsurfacewaterenviron ment.

Keywords：pollutedriverwater；submergedplantcombination；waterqualitymaintenance

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)植物

試驗(yàn)植物的選擇需要兼顧適應(yīng)能力、凈化效果以及經(jīng)濟(jì)效益等。試驗(yàn)選擇生長(zhǎng)良好，具有良好凈化能力的沉水植物組合，包括穗狀狐尾藻與伊樂(lè)藻組合（HY）、馬來(lái)眼子菜與篦齒眼子菜組合（MB）、水盾草與苦草組合（SK）、黑藻與金魚(yú)藻組合（HJ）。在試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)沉水植物進(jìn)行馴養(yǎng)，通過(guò)自來(lái)水馴養(yǎng)7d，確保沉水植物生理狀態(tài)穩(wěn)定。

1.2 試驗(yàn)用水

選擇再生水補(bǔ)水河道小中河作為試驗(yàn)用水，將化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷、葉綠素a、DO、水溫等7個(gè)指標(biāo)作為檢測(cè)指標(biāo)，探究不同沉水植物組合的水質(zhì)維護(hù)效果。河水水質(zhì)變化情況見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置在通州小中河試驗(yàn)基地，試驗(yàn)水源直接抽取小中河原水。試驗(yàn)水槽上部架設(shè)不銹鋼管，沉水植物種植在花盆內(nèi)，花盆通過(guò)線繩固定在不銹鋼管上并自然下垂，保持沉水植物懸浮在水中。每根鋼管固定10盆植物，每盆種植2～3株植物，種植密度為30株/m2。裝置尺寸為2.0m×1.0m×1.0m。根據(jù)小中河水流情況，水深設(shè)置為0.4、0.6、0.8m，根據(jù)不同的補(bǔ)水周期，停留時(shí)間設(shè)置為1、3、5d，研究不同水深及停留時(shí)間條件下河道水質(zhì)情況，探究不同狀態(tài)下的水質(zhì)提升效果。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及檢測(cè)方法

試驗(yàn)自2019年7月開(kāi)始至9月結(jié)束，共設(shè)置4個(gè)組合，測(cè)定的指標(biāo)包括總氮、氨氮、總磷、化學(xué)需氧量和溶解氧等，其中TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，NH3-N采用納氏分光光度法測(cè)定，總磷采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，COD采用酸性高錳酸鉀法測(cè)定。同時(shí)利用YSI多功能水質(zhì)分析儀檢測(cè)水體葉綠素a、水溫、DO的變化。

對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行權(quán)值歸一化計(jì)算，對(duì)影響水質(zhì)凈化效果的環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析，DO、葉綠素a及常規(guī)指標(biāo)的變化曲線采用Origin2018繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理單元溶解氧含量變化情況

水體中溶解氧含量與水質(zhì)密切相關(guān)。試驗(yàn)過(guò)程中沉水植物組合溶解氧含量每7d進(jìn)行一組檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行兩次平行測(cè)定，求均值并繪制溶解氧含量變化過(guò)程線，見(jiàn)圖1。不同處理單元對(duì)水體溶解氧含量影響有明顯差異，但溶解氧含量總體呈上升趨勢(shì)。水體溶解氧含量高于此水溫下的飽和溶解氧含量時(shí)，水體中沉水植物光合作用產(chǎn)生氧氣，導(dǎo)致水體氧含量上升。其中復(fù)氧能力SK>HJ>MB>HY。沉水植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)光合作用將氧氣從植物上部送至根莖，經(jīng)釋放和擴(kuò)散，根系周?chē)憩F(xiàn)為好氧環(huán)境，使水中DO含量升高[9-10]。復(fù)氧能力的變化在一定程度上體現(xiàn)了植物的生長(zhǎng)狀況。試驗(yàn)后期水體中出現(xiàn)魚(yú)苗，說(shuō)明不同沉水植物組合對(duì)受污染河道的生態(tài)修復(fù)有一定促進(jìn)作用。

2.2 不同處理單元葉綠素a含量變化情況

葉綠素a含量一定程度上可以反映水體初級(jí)生產(chǎn)力情況，是衡量水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)。試驗(yàn)過(guò)程中葉綠素a含量變化情況見(jiàn)圖2。不同沉水植物組合方式限制了水體葉綠素a含量的提升。試驗(yàn)初期，隨著水溫的升高藻類生長(zhǎng)速率加快，此時(shí)水體內(nèi)藻類含量迅速增加，藻類密度達(dá)到峰值之后，受沉水植物的抑藻作用，葉綠素a含量顯著下降。姜小玉等[11]研究發(fā)現(xiàn)，穗狀狐尾藻、苦草、金魚(yú)藻等水生植物均有抑藻效果。試驗(yàn)中不同沉水植物組合對(duì)受污染河水藻類的生長(zhǎng)均產(chǎn)生抑制作用，其抑藻能力為HJ>HY>MB>SK。其原因可能是，金魚(yú)藻與黑藻繁殖速度快，水面覆蓋度高，對(duì)于光照以及水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收較藻類更具優(yōu)勢(shì)，從而抑制藻類生長(zhǎng)；金魚(yú)藻及穗狀狐尾藻可以分泌化感物質(zhì)，化感物質(zhì)可以起到抑制受污染河水藻類生長(zhǎng)的作用。金魚(yú)藻借助假根與底泥相連接，通過(guò)根上部釋放的化感物質(zhì)加強(qiáng)對(duì)受污染河水藻類的調(diào)控，改善受污染河水水質(zhì)。

2.3 不同處理單元溫度變化情況

北方地區(qū)不同時(shí)段氣溫變化幅度較大，水溫影響沉水植物的生理狀態(tài)及其對(duì)污染物的凈化效果，試驗(yàn)水溫變化情況見(jiàn)圖3。溫度是影響沉水植物凈化能力的重要環(huán)境因子，每種植物生長(zhǎng)都有其最適宜溫度，水溫的變化直接影響不同組合方式的凈化效果。文明等[12]研究發(fā)現(xiàn)，黑藻具有優(yōu)異的耐高溫性能，在42℃仍可正常發(fā)育。在同一溫度下，不同沉水植物水質(zhì)凈化效果不同。過(guò)高的水溫會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)代謝造成不可逆的損害，影響其競(jìng)爭(zhēng)力[13]。試驗(yàn)初期，受水溫影響，植物生長(zhǎng)代謝迅速；試驗(yàn)?zāi)┢?，水溫降低，但仍處于沉水植物生長(zhǎng)的適宜溫度。試驗(yàn)期間，水溫整體處于沉水植物適宜的生長(zhǎng)范圍內(nèi)，水溫變化未對(duì)沉水植物的生長(zhǎng)造成損害。

2.4 不同處理單元營(yíng)養(yǎng)鹽變化情況

（1）不同處理單元COD的變化。COD可以反映水體受污染情況，COD數(shù)值越大，說(shuō)明水體受有機(jī)物污染越嚴(yán)重。沉水植物組合對(duì)于COD的凈化效果見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，受污染河水經(jīng)沉水植物處理后，COD含量變化明顯?？傮w來(lái)看，各組合方式對(duì)受污染河水中的COD凈化均有一定效果。對(duì)試驗(yàn)所得的污染物去除率進(jìn)行均值計(jì)算可得，MB去除率約為28.01%，HJ約為27.85%，SK約為26.36%，HY約為 25.17%，即對(duì)COD的凈化效果MB>HJ>SK>HY。MB在5d的停留時(shí)間及0.4m水深下，COD去除率達(dá)到最大值31.14%。

（2）不同處理單元總磷含量變化。磷是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素之一，而磷元素的影響又大于氮元素的[14-15]。不同處理單元對(duì)總磷的凈化效果見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，河水總磷含量變化很大。沉水植物組合對(duì)于總磷的凈化效果，在5d的停留時(shí)間及0.8m的水深下，MB的凈化效果最好；在1d的停留時(shí)間，0.4、0.6m水深下，HJ、SK的凈化效果一致；在3d的停留時(shí)間、0.8m水深下，最佳去除率組合為HJ。對(duì)比各條件下的去除率可以發(fā)現(xiàn)，MB在5d停留時(shí)間、0.4m水深下，對(duì)總磷的去除率可達(dá)41.94%，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，出水總磷含量為0.73mg/L，水質(zhì)得到明顯提升。

（3）不同處理單元氨氮含量變化。不同植物組合對(duì)受污染河水氨氮的去除效果不同。沉水植物對(duì)水體中氮元素的去除，首先是吸附水體中的氨氮，氨氮的吸收借助植物表面的膜通道完成。氨氮可以直接被植物利用，與有機(jī)酸在光照條件下經(jīng)同化作用形成氨基酸[16-18]。不同水力條件下氨氮去除率見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，在1、3d的水力停留時(shí)間下，氨氮去除率MB>HJ>SK>HY；在5d的水力停留時(shí)間下，氨氮的去除率HJ>MB>SK>HY，水深為0.4m時(shí)，HJ對(duì)氨氮的去除率為33.42%。

（4）不同處理單元總氮含量變化。總氮是引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素之一，過(guò)高的總氮含量會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化[19-20]。另外藻類會(huì)消耗水體中的溶解氧，過(guò)低的溶解氧含量會(huì)導(dǎo)致水生生物大量死亡。由圖7可以看出，沉水植物組合對(duì)水體中TN的去除效果較明顯。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，TN去除率HJ>MB>SK>HY，其中0.4m水位下，HJ組合對(duì)TN的去除率可達(dá)30.9%。

計(jì)算得出總磷、總氮、氨氮、COD的指標(biāo)權(quán)重分別為0.308、0.499、0.075、0.118。不同去除率下各指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

小中河50d水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果表明，水質(zhì)指標(biāo)并不穩(wěn)定，河道經(jīng)過(guò)再生水補(bǔ)水后水質(zhì)指標(biāo)基本處于劣Ⅴ類附近。綜合4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的變化可以看出，水力因素的變化明顯影響沉水植物組合的凈化效果。郭長(zhǎng)強(qiáng)等[21]研究指出，河道水位較高時(shí)會(huì)致使污染物分布不均，影響植物凈化效果。胡碧瑩等[22]研究發(fā)現(xiàn)，不同表面流速下，植物對(duì)污染物的吸附效果不同。本試驗(yàn)中，各污染物指標(biāo)被植物根、莖吸附，得到有效去除。總體呈現(xiàn)出，適度減小水深，延長(zhǎng)處理時(shí)間，有利于污染物的去除。另外，通過(guò)每種指標(biāo)的最大去除率，利用權(quán)重方法對(duì)比4種組合方式的綜合評(píng)分，可以發(fā)現(xiàn)MB>HJ>SK>HY。即對(duì)于受污染河道水體的處理，馬來(lái)眼子菜+篦齒眼子菜的效果最好。

2.5 沉水植物受環(huán)境因子的影響分析

沉水植物組合的生長(zhǎng)代謝受DO、水溫、葉綠素a、營(yíng)養(yǎng)鹽等環(huán)境因子影響，因此對(duì)各環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖8（PC1、PC2為主成分1、主成分2）。由圖8可以看出，水盾草+苦草組合明顯受COD、總磷、溶解氧含量變化的影響，而馬來(lái)眼子菜+篦齒眼子菜、黑藻+金魚(yú)藻組合則明顯受水體溫度與總氮含量的影響。穗狀狐尾藻+伊樂(lè)藻組合抵御環(huán)境變化的穩(wěn)定性較差，其容易受到環(huán)境因子的影響出現(xiàn)水質(zhì)維護(hù)能力的變化。同時(shí)，葉綠素a常用于表征水體中浮游藻類生物量[23]，葉綠素a含量的變化限制了馬來(lái)眼子菜+篦齒眼子菜組合的水質(zhì)維護(hù)效果。原因是，沉水植物與藻類在水環(huán)境系統(tǒng)中同屬于初級(jí)生產(chǎn)者，兩者對(duì)于水體中的光能及營(yíng)養(yǎng)鹽等資源存在競(jìng)爭(zhēng)，藻類數(shù)量的提升消耗了大量營(yíng)養(yǎng)鹽等資源，從而對(duì)沉水植物的水質(zhì)維護(hù)效果造成不利影響。整體來(lái)看，沉水植物組合對(duì)于環(huán)境因子變化的響應(yīng)程度不同，影響沉水植物水質(zhì)維護(hù)效果的決定因素是營(yíng)養(yǎng)鹽含量。

2.6 討 論

研究表明，不同沉水植物組合對(duì)于受污染水體都有一定凈化效果。沉水植物對(duì)污染物的凈化方式主要包括根系的直接吸收及根部富氧區(qū)域聚磷菌的吸收[24]。水體中氮素的去除包括植物的吸附過(guò)濾以及氨的揮發(fā)、硝化和反硝化反應(yīng)等。不同沉水植物組合方式，可以相互補(bǔ)充對(duì)受污染水體的凈化效果，有利于實(shí)現(xiàn)水體的完全或半完全自我循環(huán)，提升水質(zhì)凈化效果的同時(shí)增強(qiáng)水生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性[25]。對(duì)于受污染河水氮素的去除，金魚(yú)藻+黑藻組合的凈化效果可達(dá)30.9%，黑藻的耐污能力強(qiáng)且具有良好的氮素吸收能力，金魚(yú)藻則分布廣泛，成本低廉，這兩者組合后起到了良好的促進(jìn)作用，受污染河水氮素的去除效果良好[26]。綜合考慮植物的生長(zhǎng)及對(duì)水質(zhì)的凈化效果，受污染河道優(yōu)選沉水植物組合為馬來(lái)眼子菜+篦齒眼子菜。馬來(lái)眼子菜與篦齒眼子菜均屬于眼子菜科，二者具有相似的生理狀態(tài)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，且具備一定水質(zhì)凈化能力，并且篦齒眼子菜具有良好的抑藻效果[27]，馬來(lái)眼子菜的適應(yīng)性良好，在低光照條件下仍可保持良好的水質(zhì)凈化能力[28]，這兩種植物組合可以改善受污染河水的溶解氧含量，增強(qiáng)水體富氧能力，增強(qiáng)附著群落的反硝化作用，提升微生物對(duì)氮素、磷素的降解轉(zhuǎn)化能力[29-30]。另外沉水植物對(duì)于受污染河水的水質(zhì)維護(hù)受環(huán)境因子的影響，主成分分析結(jié)果顯示，葉綠素a的升高會(huì)對(duì)馬來(lái)眼子菜+篦齒眼子菜組合水質(zhì)維護(hù)造成不利影響。

本研究中4種沉水植物組合對(duì)受污染河水的污染物去除率為18.22%～41.94%，沉水植物組合可以有效凈化受污染河水。同時(shí)試驗(yàn)在戶外岸側(cè)進(jìn)行，模擬了受污染河水的水深及水流變化，對(duì)于微污染河水的生態(tài)修復(fù)具有參考意義。

4 結(jié) 論

（1）不同沉水植物組合對(duì)于再生水補(bǔ)水后受污染河道的水質(zhì)凈化均起到促進(jìn)作用，沉水植物組合凈化效果明顯受到水力條件的影響。總體來(lái)看，適度減少處理水量、降低水深、延長(zhǎng)停留時(shí)間可以更好恢復(fù)受污染河道水質(zhì)。綜合各指標(biāo)并通過(guò)權(quán)重計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于受污染河道水的凈化效果馬來(lái)眼子菜+篦齒眼子菜組合>黑藻+金魚(yú)藻組合>苦草+水盾草組合>穗狀狐尾藻+伊樂(lè)藻組合。

（2）沉水植物組合對(duì)于受污染河水TP、TN、NH3-N、COD均具有凈化效果。處理后氨氮、COD的數(shù)值滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到實(shí)際受污染河道河水的流動(dòng)，應(yīng)盡量選擇水流緩慢的區(qū)域種植沉水植物，達(dá)到維護(hù)水質(zhì)、提升凈化效果的目的，并適度拓寬河道，加設(shè)穩(wěn)定塘，種植沉水植物，促進(jìn)其水質(zhì)凈化作用的發(fā)揮。

（3）各沉水植物組合對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)不同，其中營(yíng)養(yǎng)鹽含量是影響其效果的重要因素。對(duì)于受污染河道的生態(tài)修復(fù)，搭配合理的沉水植物組合可以提升受污染河道水凈化效果，抑制藻類生長(zhǎng)，但沉水植物的長(zhǎng)效管理方式有待進(jìn)一步研究。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】