植物組合對(duì)模擬養(yǎng)殖場高濃度廢水的凈化效果

梁玉婷，康凱麗，于靜亞，王樸*，王書峰

（1.武漢市園林科學(xué)研究院，湖北 武漢 430000；2.武漢市青山區(qū)園林綠化服務(wù)隊(duì)，湖北 武漢 430000）

近年來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展取得了顯著成績，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占水產(chǎn)品總產(chǎn)量的比重達(dá)75%以上，但由于未有效處理好生產(chǎn)與生態(tài)和生活之間的關(guān)系，致使超容量、超規(guī)劃養(yǎng)殖現(xiàn)象存在，造成質(zhì)量安全和環(huán)境破壞等問題[1]。隨著集約化養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖污染物產(chǎn)生量增多，成為繼工業(yè)污染和生活污染后的第三大污染源。養(yǎng)殖水體日益富營養(yǎng)化，對(duì)周邊水域環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)也構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2，3]。

養(yǎng)殖廢水富營養(yǎng)化涉及的2種營養(yǎng)元素是氮（N）和磷（P）[4]。目前養(yǎng)殖場廢水的處理方法較多，但存在受季節(jié)影響大、占地面積廣、運(yùn)行復(fù)雜、成本高等問題。大量研究表明，利用水生植物對(duì)富營養(yǎng)化的養(yǎng)殖廢水進(jìn)行養(yǎng)分削減具有顯著效果和良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5～7]。馬旻等[8]在亞熱帶氣候條件下研究了鳳眼蓮、輪葉黑藻、香根草和水蕹菜4種水生植物對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的凈化效果，結(jié)果顯示，鳳眼蓮組處理的水體總磷（TP）去除率在第7天就達(dá)到92.67%，明顯高于其他植物組，但總氮（TN）的去除效果稍遜于其他植物組。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，不同生活型水生植物物種合理鑲嵌組合形成的水生植物群落，氮磷除去率較單一生活型水生植物更高，且凈化效果更為穩(wěn)定[9，10]。Lauchlan等[11]在構(gòu)建的濕地中利用4種濕生植物對(duì)2種氮和磷水平的土壤滲出液進(jìn)行養(yǎng)分去除，結(jié)果表明，種植植物較未種植處理在降低土壤滲濾液TN和TP濃度時(shí)更有效；不同物種在降低氮和磷濃度潛力方面的效應(yīng)不同，但不能確定植物混合組合較單一品種處理更有效。該觀點(diǎn)在高濃度氮磷條件下是否依然適用尚不明了。在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究不同景觀效果水生植物組合對(duì)模擬養(yǎng)殖場廢水中氮磷的去除效果以及其他水體指標(biāo)的影響，明確植物組合在高濃度氮磷中的適應(yīng)性以及對(duì)氮磷的移除能力，旨為當(dāng)?shù)厮参飸?yīng)用與景觀營造以及養(yǎng)殖場廢水凈化和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 水生植物 試驗(yàn)水生植物種類有千屈菜（Lythrum salicaria）、三白草（Saururus chinensis）、鳳眼藍(lán)（Eichhornia crassipes）、綠葉美人蕉鐵十字（C.Xgeneralis Bailey“Tieshizi”）、矮生美人蕉（Canna glauca‘Taney’）、卡開蘆（Phragmites karka）、穗花狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和金魚藻（Ceratophyllum demersum），除穗花狐尾藻和金魚藻購于武漢秀水生態(tài)工程有限公司外，其他植物均為2019年6月18日采自武漢市園林科學(xué)研究院水生品種池。同一物種的株高等情況基本一致。

1.1.2 養(yǎng)殖場廢水 用硝酸鉀和磷酸二氫鉀配制TN為104.93～127.25 mg/L、TP為49.34～59.2 mg/L的溶液，模擬養(yǎng)殖場產(chǎn)生的高濃度廢水。該污水pH值8.12，DO（溶解氧含量）為9.52 mg/L，EC（電導(dǎo)率）為2 315μS/cm。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)植物組合設(shè)卡開蘆組合（D）、矮生美人蕉組合（E）、綠葉美人蕉鐵十字組合（F）3個(gè)處理，每個(gè)組合處理均由6種植物組成，其中共有植物為穗花狐尾藻、金魚藻、鳳眼藍(lán)、千屈菜和三白草（表1）。用大桶作為容器，內(nèi)設(shè)不同植物群落的人工浮島。每個(gè)容器的人工浮島有千屈菜（株高51～56 cm）10株，鮮重2400g；三白草（株高60～65cm）5株，鮮重510 g；鳳眼藍(lán)（株高33 cm）3～4株，鮮重210 g；矮生美人蕉（株高79 cm）2～3株，鮮重120 g；綠葉美人蕉鐵十字（株高79 cm）2～3株，鮮重120 g；卡開蘆（株高79 cm）2～3株，鮮重120 g；金魚藻（株高50 cm）和穗花狐尾藻（株高50 cm）各6株，鮮重均為30 g。千屈菜、三白草、鳳眼藍(lán)、試驗(yàn)組合的不同植物（卡開蘆、矮生美人蕉、綠葉美人蕉鐵十字）、穗花狐尾藻、金魚藻的鮮重比為80∶17∶7∶4∶1∶1。將配置好的植物組合先種植在裝有自來水的大桶內(nèi)緩苗7 d，然后（2019年6月24日）種植在盛有50 L污水的塑料白桶內(nèi)；以不種植植物的污水樣品為對(duì)照（CK）。每處理均3次重復(fù)。試驗(yàn)于2019年6月24日開始，7月29日結(jié)束，共持續(xù)35 d。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的植物組合類型Table 1 Types of plant combinations for experimental design

1.2.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.2.1 水體理化指標(biāo)。分別在試驗(yàn)第0（開始）、7、14、21、28和35天采集水樣，每次均采集500 mL，采用常規(guī)檢測方法測定水體的TN、TP、pH值、DO和EC。其中，TN測定采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度計(jì)法；TP測定采用鉬酸銨分光光度法[12]；pH值利用Metler PHS-25CpH計(jì)直接測定；EC采用Metler測定；DO采用Hach HQ30D現(xiàn)場直接測定。試驗(yàn)期間，用純水補(bǔ)充蒸發(fā)和采樣所消耗的水分，保持容器中的水位不變。

根據(jù)公式，計(jì)算水體的TN或TP去除率（WR）：

式中，WC1為試驗(yàn)開始時(shí)水體的TN（或TP）；WC2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水體的TN（或TP）。

1.2.2.2 植物鮮重指標(biāo)。分別在試驗(yàn)開始（第0天）和結(jié)束（第35天）時(shí)，將水生植物取出，用吸水紙吸干表面水分后，測定各種植物的鮮重。根據(jù)公式，計(jì)算相對(duì)增重率：

式中，Wt、W0分別為試驗(yàn)結(jié)束和試驗(yàn)開始時(shí)的植物鮮重。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：采用單因素方差分析方法，分析各組合處理的植物生長指標(biāo)和氮磷去除率；采用鄧肯氏復(fù)極差測驗(yàn)法（Duncan’s multiple range test），檢驗(yàn)處理組間的差異；采用雙因素方差分析方法，分析植物的相對(duì)生長速率和生物量積累以及水體的TN和TP變化率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物組合對(duì)污水TP的去除效果

試驗(yàn)結(jié)束后與試驗(yàn)開始時(shí)相比，除組合E外，其他2個(gè)組合處理和CK均對(duì)污水TP有一定的去除效果（圖1）。組合D、組合F和CK雖然在去除過程中TP有一定的高低起伏變化，但總體呈下降趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)三者TP差異不顯著但均顯著＜組合E處理，去除率分別為47.99%、48.22%和48.80%。組合E處理在試驗(yàn)開始后TP始終處于較高水平，最終TP去除率為-38.60%，對(duì)TP無去除效果。可以看出，組合D和F處理的污水TP去除效果與CK相當(dāng)，其中組合F的去除效果最好；組合E處理對(duì)污水TP無去除效果，不宜采用。

圖1 不同植物組合處理對(duì)污水總磷含量的影響Fig.1 Effects of different plant combinations on total P content in sewage

2.2 不同植物組合對(duì)污水TN的去除效果

試驗(yàn)結(jié)束后與試驗(yàn)開始時(shí)相比，所有處理均對(duì)污水TN有一定的去除效果（圖2）。但去除過程中，植物組合處理的TN變化趨勢(shì)與CK略有不同。3個(gè)組合處理的TN在試驗(yàn)開始后28 d內(nèi)基本呈先降低后升高的變化，之后極速下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)TN去除率達(dá)到68.01%～96.81%，TN均顯著＜CK，組合間差異較大，其中組合F的TN最低，已降至7.13 mg/L，與組合D差異不顯著，但二者均顯著＜組合E處理。組合E在試驗(yàn)開始后TN一直處于最高水平，但試驗(yàn)28 d后降速快于CK，最終，TN去除率顯著＞CK，而＜其他2個(gè)組合處理。CK的污水TN在試驗(yàn)期內(nèi)總體呈下降趨勢(shì)，但降幅＜3個(gè)組合處理。可以看出，植物組合可顯著去除污水中的TN，其中組合F的去除效果最好。

圖2 不同植物組合處理對(duì)污水總氮含量的影響Fig.2 Effects of different plant combinations on total N content in sewage

2.3 不同植物組合對(duì)污水DO、pH值和EC的影響

試驗(yàn)結(jié)束后與試驗(yàn)開始時(shí)相比，所有處理均對(duì)污水DO有一定的去除效果（圖3）。去除過程中DO雖然均呈降低—升高—降低的變化，但植物組合處理的DO變化幅度較CK相對(duì)平緩，其中，試驗(yàn)后第14天時(shí)所有處理的DO降至最低；第21天時(shí)所有處理的DO均出現(xiàn)回升，此時(shí)CK的DO變化劇烈且指標(biāo)值＞試驗(yàn)開始前；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，組合C的DO最低，與組合E處理差異不顯著，但三者DO均顯著＜CK。試驗(yàn)開始后，3個(gè)組合處理的DO始終＜CK，大多數(shù)植物組合的DO為4～5，其中組合F的DO基本維持在5 mg/L左右。可以看出，植物組合可顯著去除污水中的DO，其中組合D和E的去除效果更好。

圖3 不同植物組合處理對(duì)污水溶解氧含量的影響Fig.3 Effects of different plant combinations on dissolved oxygen content in sewage

試驗(yàn)結(jié)束后與試驗(yàn)開始時(shí)相比，除組合E的污水pH值略微下降外，其他處理的污水pH值均有所升高，其中組合D和F處理的污水pH值略微升高，CK的污水pH值升高較多（圖4）。試驗(yàn)開始后所有處理的污水pH值總體呈升高趨勢(shì)，但至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)組合E處理的污水pH值急劇降低，最終組合E處理的污水pH值顯著＜CK，其他2個(gè)組合處理的污水pH值略＞CK。可以看出，植物組合可以使水體pH值升高，但試驗(yàn)結(jié)束時(shí)不同植物組合對(duì)水體pH值的改變差異較大。

圖4 不同植物組合處理對(duì)污水pH值的影響Fig.4 Effects of different plant combinations on pH value of sewage

試驗(yàn)結(jié)束后與試驗(yàn)開始時(shí)相比，所有處理的污水EC均有所降低（圖5）。但去除過程中不同處理的變化趨勢(shì)略有不同，其中，試驗(yàn)開始后14d內(nèi)，不同處理的EC變化不同，有升有降；但之后均穩(wěn)定在2000左右。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，組合E的EC最低，顯著＜組合D處理，而與組合F處理和CK差異均不顯著?？梢钥闯?，不同植物組合對(duì)污水EC的改變是不同的。

圖5 不同植物組合處理對(duì)污水EC的影響Fig.5 Effects of different plant combinations on EC of sewage

2.4 不同植物組合對(duì)植物生長狀況及生物量的影響

3個(gè)組合處理中，2種沉水植物金魚藻和穗花狐尾藻的長勢(shì)均很差，有不同程度的死亡，其中，穗花狐尾藻在組合D和F中生物量為負(fù)增長，甚至完全死亡；金魚藻生物量在所有組合中均呈減少趨勢(shì)，存活下來的個(gè)體反而表現(xiàn)出較好的生長態(tài)勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)束后不同組合處理的指標(biāo)值差異不顯著（表2）。表明穗花狐尾藻和金魚藻的生長狀況受到高濃度氮磷的抑制，2種植物不能適應(yīng)環(huán)境。千屈菜、三白草、鳳眼藍(lán)在不同組合中長勢(shì)略有差別，其中，千屈菜在3個(gè)組合中長勢(shì)均較好，其生物量在組合E中增加最多；三白草生物量在組合E中增加最多；鳳眼藍(lán)長勢(shì)一般，在3個(gè)組合中生物量均有所增加。試驗(yàn)組合中不相同的植物種類，組合E的矮生美人蕉生物量增加最少，但與另外2個(gè)組合中的卡開蘆和綠葉美人蕉鐵十字無顯著差異。

表2 不同植物組合處理對(duì)各植物鮮重變化率的影響Table 2 Effects of different plant combinations on the change rate of fresh weight of plants

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

3.1.1 試驗(yàn)前后TN和TP去除率的比較 挺水植物主要吸收以硝酸鹽氮形式存在的氮。本研究中植物群落以挺水植物為主，綜合比較后發(fā)現(xiàn)植物組合形式對(duì)氮的吸收效果較好，但不同水生植物組合在不同階段對(duì)富營養(yǎng)化水體的TN和TP移除速率不同，這與彭婉婷等[13]在高濃度氮磷水體中各類水生植物在不同階段對(duì)富營養(yǎng)化水體TN吸收速度不同的研究結(jié)果一致。整個(gè)試驗(yàn)過程中，植物組合的TN去除率一直維持在較高水平，可能與群落物種的多樣性以及群落間的互作有關(guān)。

祝宇慧等[14]認(rèn)為，植物根部氧氣充足可以為聚磷菌生長提供良好的生存環(huán)境，從而增強(qiáng)磷的去除效率。陳小運(yùn)等[15]研究發(fā)現(xiàn)，3種生活型的植物組合中，1種沉水植物+1種挺水植物組合對(duì)磷的去除效果高達(dá)96%。本研究的植物組合中挺水植物有3種，植物根系較多，但對(duì)TP的去除效果遠(yuǎn)低于預(yù)期，可能與磷濃度太高造成沉水植物腐敗導(dǎo)致DO下降，根部細(xì)菌活力不夠[16，17]有關(guān)。本研究中TP去除效果不太理想，具體原因值得繼續(xù)探索。本研究的植物組合中，組合E（穗花狐尾藻+金魚藻+鳳眼藍(lán)+千屈菜+三白草+矮生美人蕉）對(duì)TP去除效果最差，可能與矮生美人蕉對(duì)水環(huán)境適應(yīng)性不強(qiáng)有關(guān)。相關(guān)研究表明，在適宜的氮、磷含量范圍內(nèi)，挺水植物對(duì)富營養(yǎng)化水體中污染物的凈化效果隨著氮、磷含量的增加而增加[18～20]。同時(shí)，由于不同種類的植物在生長規(guī)律，對(duì)氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的需求量、需求比例和吸收飽和上限，以及植物根系對(duì)微生物生長繁殖的促進(jìn)等方面存在一定差異，因此，對(duì)不同程度富營養(yǎng)化水體的凈化能力不盡相同。本研究條件下，組合F的植物適應(yīng)性強(qiáng)，適宜濕地前端種植，經(jīng)過7 d的適應(yīng)性調(diào)整后顯示出極強(qiáng)的凈化能力。

3.1.2 試驗(yàn)前后污水DO和pH值變化的原因 徐寸發(fā)等[21]研究發(fā)現(xiàn)，污水在生態(tài)凈化塘處理過程中DO可維持在4.55～7.62 mg/L，pH值維持在7.34～8.14。這與我們的研究結(jié)果類似。水生植被的恢復(fù)，能顯著改善溶解氧濃度、升高pH值，降低電導(dǎo)率，改善水質(zhì)[22]。本試驗(yàn)中DO大幅度降低，可能是高濃度氮磷導(dǎo)致植物腐敗消耗了一定量的氧氣造成的。

3.1.3 影響植物生長狀況以及生物量變化的因素 本研究植物組合條件下沉水植物穗花狐尾藻和金魚藻在水體中長勢(shì)不佳，可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)溶液氮磷濃度太高所導(dǎo)致。李歡等[23]也發(fā)現(xiàn)，低、中營養(yǎng)化水平下金魚藻的相對(duì)生長速率和累積生物量均顯著高于高富營養(yǎng)化水平下的指標(biāo)值，在高富營養(yǎng)化水平下金魚藻的生長受到抑制甚至死亡；光照強(qiáng)度也會(huì)對(duì)金魚藻的生長產(chǎn)生影響，如植株間相互遮陽等可以提高金魚藻對(duì)高濃度氮磷的耐受性。本試驗(yàn)中組合E的沉水植物較組合D和F長勢(shì)略好，可能存在其他因素的影響。前人通過模擬控制試驗(yàn)研究了不同水體氮磷濃度對(duì)穗花狐尾藻生長的影響，發(fā)現(xiàn)水體高濃度（2 mg/L）氮會(huì)抑制穗花狐尾藻柔嫩片段萌發(fā)和枝條生長，中濃度磷對(duì)穗花狐尾藻的作用與氮的作用類似，磷濃度過高（超過0.4 mg/L）或過低（0.2 mg/L）均不利于穗花狐尾藻的生長[24，25]。鄭足紅等[26]將穗花狐尾藻種植在5個(gè)級(jí)別的養(yǎng)殖污水中，研究其在TN10.95～32.054 mg/L、TP5.08～11.864 mg/L溶液中的生長狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5個(gè)級(jí)別污水中穗花狐尾藻均生長良好。吳建強(qiáng)等[27]發(fā)現(xiàn)千屈菜在夏季開始迅速分蘗繁殖，而美人蕉在夏末秋初開始表現(xiàn)出更強(qiáng)的分蘗繁殖能力。這可能是本研究3個(gè)植物組合處理TN去除率較高的原因。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的植物組合僅1種挺水植物不同，分別是矮生美人蕉、綠葉美人蕉鐵十字和卡開蘆，這3種植物在水體中的長勢(shì)均較好，但3個(gè)組合處理對(duì)TN和TP的去除率不同，表明不同植物組合對(duì)水質(zhì)的影響不同。

3.2 結(jié)論

不同植物組合修復(fù)氮磷富營養(yǎng)化水體的效果不同。植物組合對(duì)富營養(yǎng)化水體TN的去除效果均顯著高于對(duì)照，但不同組合處理對(duì)TN的去除效果差異明顯，除組合E的污水pH值略微下降外，其他處理的污水pH值均有所升高，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)DO和EC均有不同程度的下降。試驗(yàn)期間，植物組合對(duì)TN的去除率與對(duì)照具有顯著差異，組合C和組合D與對(duì)照無顯著差異，且對(duì)TN的去除效果遠(yuǎn)好于TP。種植穗花狐尾藻、金魚藻、鳳眼藍(lán)、千屈菜、三白草和綠葉美人蕉鐵十字（組合F）的人工浮島，能達(dá)到有效去除富營養(yǎng)化水體TN和TP的目的。