不同濃度余氯對4種沉水植物生長影響的比較研究

黃偉平，李 豪，田方鑫，趙重陽，劉世婷，陳洪斌

(1.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092；2.杭州余杭水務(wù)控股集團水牛環(huán)境公司,杭州 311100;3.四川省環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團有限公司，成都 610046)

前 言

尾水人工濕地作為一種污水深度處理的生態(tài)工程技術(shù)，具有建設(shè)及運營成本低、維護(hù)方便、提升生態(tài)景觀效果等優(yōu)點，主要應(yīng)用于污水處理廠出水的水質(zhì)凈化[1]。水生植物是尾水人工濕地的核心，其中沉水植物作為水體生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生產(chǎn)者，對尾水氮、磷的凈化起到重要作用[2]。

目前，關(guān)于沉水植物的研究多集中于氮、磷污染物對沉水植物生長的影響，如周金波等[3]研究了不同濃度氨氮對輪葉黑藻、苦草、金魚藻和小茨藻的生長影響，任文君等[4]研究了篦齒眼子菜、馬來眼子菜、金魚藻和黑藻對水體總磷的去除能力。然而關(guān)于不同濃度余氯對沉水植物生長影響的對比研究相對較少。對于以含氯尾水作為補水的人工濕地而言，科學(xué)選擇具有一定耐氯能力的沉水植物是濕地公園實現(xiàn)凈化效果及生態(tài)效益的前提。因此，本研究以金魚藻、苦草、水蘊草和輪葉黑藻四種生長競爭優(yōu)勢存在差異的沉水植物為實驗對象，在小試條件下模擬沉水植物對不同濃度余氯的生理脅迫響應(yīng)及耐受閾值，篩選抗氯性較強的植物品種，以期為含氯尾水濕地公園對沉水植物的選擇應(yīng)用提供參考依據(jù)，提升尾水的生態(tài)價值和效益。

1 材料與方法

1.1 某凈水廠的主體工藝和尾水水質(zhì)

次氯酸鈉具有較強的殺菌作用和運輸?shù)谋憷訹5]，我國多數(shù)污水處理廠在消毒殺菌環(huán)節(jié)投加次氯酸鈉。若尾水的余氯以及氯消毒副產(chǎn)物濃度較高，回用于景觀濕地公園可能會威脅水生植物尤其是沉水植物的生存[6]。如當(dāng)尾水中余氯濃度大于0.45 mg/L時，某些浮游水生植物僅僅接觸數(shù)秒鐘也會長期受到生長抑制[7]。

某凈水廠為全地埋式地下污水廠，處理規(guī)模為20萬m3/d，主體工藝采用“水解酸化+AAOA+膜過濾+次氯酸鈉消毒”的處理工藝，尾水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入濕地公園的水量約為5 000m3/d，其水質(zhì)如表1所示。

表1 主要水質(zhì)指標(biāo)

該凈水廠出水的各項指標(biāo)均符合《城市污水再生利用景觀用水水質(zhì)》(GB/T 18921-2019)中景觀濕地環(huán)境用水的標(biāo)準(zhǔn)。凈水廠的MBR出水除了常規(guī)的氯消毒外，每天有若干膜組件在線清洗或離線化學(xué)清洗，某些時段也會排出有較高濃度的次氯酸鈉溶液，兩者疊加往往對尾水的余氯濃度產(chǎn)生一定的波動性，進(jìn)而影響后續(xù)濕地公園中沉水植物生長以及周邊綠化用水的水質(zhì)。

1.2 試驗材料

研究對象為以下4種常見的沉水植物：金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、苦草(Vallisnerianatans)、水蘊草(Elodeadensa)、輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)。四種水草先在實驗室無氯水中培養(yǎng)48 h后選取生長良好、長度適中的植株作為試驗材料。

1.3 試驗設(shè)計

為模擬不同的總余氯梯度濃度，以四個體積為150 L的透明收納箱作為培養(yǎng)箱，將含有余氯的污水處理廠尾水抽取至培養(yǎng)箱中，再分別加入次氯酸鈉溶液和硫代硫酸鈉(Na2S2O3)固體以配制0、0.4、0.8和1.2 mg/L的總余氯濃度。由于余氯會隨時間消減，因此每天配制和補加次氯酸鈉溶液維持設(shè)定的濃度條件，并利用DR2800型便攜式分光光度法(美國哈希)現(xiàn)場快速測定余氯濃度[8]。

挑取出大小相似、生長良好的四種沉水植物若干，并將其種植于花盆中，每盆種植1株。隨后將花盆分別放入收納箱底，每箱放有四種植物，每種植物有三株平行樣，即每箱放置12株沉水植物。定期觀察植物生長狀況，并剪取葉片以測定葉綠素含量。

1.4 測定方法

采用植物表觀生長目測估計方法[9]，即每天定時觀察拍照、記錄沉水植物的生長情況，將植物的表觀按照外傷癥狀分為4級：Ⅰ級，觀察不到傷害癥狀；Ⅱ級，輕度傷害；Ⅲ級，中度傷害；Ⅳ級，重度傷害。

分別在第0 h、24 h、48 h、96 h、192 h剪取沉水植物的葉片，放置于吸水紙，自然風(fēng)干1～2 h后稱重記錄，然后分別放入已預(yù)先加入80%丙酮溶液的研缽中，將其磨碎葉片殘渣褪去綠色后過濾，沖洗殘渣、研缽內(nèi)壁和濾紙，用丙酮溶液定容至10 mL，混勻后在波長為663 nm和645 nm測定吸光度，通過公式計算出葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素a+b含量(兩種葉綠素含量相加而得)。研究四種沉水植物葉綠素a+b含量的變化情況，分析變化趨勢以篩選出耐氯性最強的品種。

2 結(jié)果與分析

2.1 凈水廠尾水余氯衰減規(guī)律

連續(xù)24h測定了凈水廠尾水的游離氯、總余氯的濃度，每次測定間隔2 h。游離氯和總余氯的時變化趨勢如圖1所示。

圖1 地下凈水廠尾水的余氯的時變化趨勢

由圖1可見，24 h內(nèi)總余氯濃度最高為0.51 mg/L，最低為0.24 mg/L；游離氯濃度最高為0.41 mg/L，最低為0.10 mg/L。游離氯與總余氯的變化趨勢大致相同，在24 h內(nèi)經(jīng)歷了兩次先上升后下降的過程。之所以出現(xiàn)余氯波動，主要與凈水廠膜組件的自動在線清洗相關(guān)，包括清洗、排放時間不固定，且尾水的余氯投加濃度并未控制等因素。

以該地下凈水廠的尾水作為研究對象，靜置于自然條件下，模擬水體流動下余氯的衰減規(guī)律，每間隔1h測定總余氯、游離氯濃度，分析兩者濃度降低情況，為后續(xù)投加次氯酸鈉溶液、硫代硫酸鈉固體以維持試驗梯度濃度提供參考。測定結(jié)果如表2所示。

表2 自然條件下總余氯、游離氯濃度變化

由表2可知，凈水廠尾水總余氯、游離氯的初始濃度分別為0.61 mg/L、0.57 mg/L，夏季高溫條件下，7小時后分別衰減至0.18 mg/L、0.15 mg/L，為初始濃度的30%、26%。通過線性擬合分析可知(圖2)，凈水廠尾水的總余氯、游離氯濃度在夏季條件下快速降低，兩者降低的速率相同，為0.058 mg/(L·h)。兩者的決定系數(shù)R平方值分別為0.9737、0.9192，都接近于1，表明基于7小時的衰減時間內(nèi)，趨勢線的估計值與對應(yīng)實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度較高，趨勢線的可靠性也較高。凈水廠的尾水進(jìn)入濕地公園水體，總停留時間約為24h， 前7小時基本上還處于前1/3段，總余氯在該階段的快速衰竭過程伴隨氧化還原反應(yīng)，必然對沉水植物的葉片造成傷害。

圖2 自然條件下總余氯、游離氯濃度變化圖

2.2 沉水植物的表觀生長情況

連續(xù)10天觀察記錄了金魚藻、苦草、水蘊草、輪葉黑藻等四種沉水植物的表觀生長狀況，根據(jù)植物表觀生長目測估計方法的分級依據(jù)所記錄的結(jié)果如表3所示。10天前后的植物實際狀況如圖3所示。

表3 植物外傷癥狀變化

總余氯對沉水植物的表觀傷害不僅與其濃度有關(guān)，還與植物的暴露時間有關(guān)。尾水的余氯濃度越高、暴露時間越長，沉水植物受到的傷害越大。以下四種沉水植物表觀生長狀況的影響分析。

2.2.1 余氯濃度對金魚藻表觀生長的影響

當(dāng)試驗進(jìn)行至第3天時，初始總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境中金魚藻開始出現(xiàn)輕度傷害，其中兩株下部葉片呈現(xiàn)由綠色轉(zhuǎn)為黃色的跡象；第4天則呈現(xiàn)出中度傷害，植株尖端發(fā)黃失綠，且葉片相對稀疏；第10天呈重度傷害，葉片發(fā)黃、發(fā)白且稀疏，整體明顯萎蔫?？傆嗦葷舛葹?.8 mg/L的暴露環(huán)境中，金魚藻在第10天呈現(xiàn)重度傷害，底部有發(fā)黑跡象，且葉片發(fā)黃發(fā)白，小部分植株斷裂漂浮于水面?？傆嗦葷舛葹?.4 mg/L的暴露環(huán)境下，金魚藻最終表現(xiàn)為受到中度傷害。

2.2.2 余氯濃度對苦草表觀生長的影響

苦草生長狀況的變化趨勢與金魚藻相同，在高濃度條件下外傷癥狀表現(xiàn)為受到重度傷害，葉片邊緣失綠、發(fā)黃發(fā)白。在低濃度下表現(xiàn)為受到中度傷害，中上部分葉片發(fā)黃，底部根莖仍呈現(xiàn)綠色。

2.2.3 余氯濃度對水蘊草表觀生長的影響

水蘊草在初始總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境中從第4天開始表現(xiàn)為輕度傷害，其中一株有發(fā)黃跡象，直至第10天，部分葉片發(fā)黃癥狀加重，轉(zhuǎn)為受到中度傷害。其它3種總余氯濃度下，水蘊草的最終表現(xiàn)為受到輕度傷害，即總體生長情況良好，僅有少部分葉片有發(fā)黃跡象。

2.2.4 余氯濃度對輪葉黑藻表觀生長的影響

總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境中，輪葉黑藻分別在第5天、第9天轉(zhuǎn)為輕度傷害、中度傷害，葉片色素變淡，有發(fā)白發(fā)黃現(xiàn)象?？傆嗦葷舛葹?.8 mg/L的暴露環(huán)境下，輪葉黑藻最終也表現(xiàn)為受到中度傷害。低濃度下，輪葉黑藻生長狀態(tài)良好，表現(xiàn)為受到輕度傷害。

上述觀察結(jié)果可知，初始總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境中金魚藻、苦草均受到重度傷害，而水蘊草、輪葉黑藻則受到中度傷害；初始總余氯濃度為0.8 mg/L的暴露環(huán)境中，僅有水蘊草表征為受到輕度傷害，在一定程度上反映其耐受性最強。根據(jù)檢測，該地下凈水廠尾水的總余氯濃度介于0.4～0.6 mg/L，在線清洗膜組件后尾水的瞬時余氯濃度最高接近0.8 mg/L。因此，對比總余氯濃度為0.4 mg/L、0.8 mg/L的暴露環(huán)境中沉水植物的表觀外傷癥狀可知，四種沉水植物中耐氯性最優(yōu)品種是水蘊草，其次為輪葉黑藻、金魚藻、苦草。

2.3 4種沉水植物的葉綠素含量變化規(guī)律

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，其中葉綠素含量與植物光合作用、營養(yǎng)狀況等新陳代謝活動密切相關(guān)[10]。通過測定葉綠素含量變化以表征植物生長狀況，可判斷4種沉水植物受余氯脅迫的程度。不同培養(yǎng)時間和不同總余氯梯度濃度下四種沉水植物的每克樣品鮮重(g·FW,Fresh Weight)的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量變化情況如表4、圖4所示。其中，葉綠素a+b含量為葉綠素a含量與葉綠素b含量之和。

圖4 總余氯梯度濃度下4種沉水植物的葉綠素含量變化

表4 總余氯梯度濃度下4種沉水植物的葉綠素含量變化

可見，4種沉水植物的葉綠素a、葉綠素b含量變化與葉綠素a+b含量變化趨勢基本一致。沉水植物的葉綠素主要由葉綠素a、葉綠素b組成，因此可用葉綠素a+b含量表示為葉綠素含量，并通過葉綠素含量的變化來反映不同余氯環(huán)境中沉水植物的生長狀況。

從圖4(a)、(b)所示，尾水余氯濃度為0和0.4mg/L的環(huán)境中，水蘊草、輪葉黑藻的葉綠素含量先上升后下降，最終值約為初始值的1.5倍。而金魚藻、苦草的葉綠素含量基本呈下降趨勢，最終值約為初始值的0.8倍?？傮w上，四種沉水植物中水蘊草的葉綠素含量最高，其次為輪葉黑藻。依據(jù)圖4(c)、(d)所示，在總余氯濃度為0.8 mg/L、1.2 mg/L的暴露環(huán)境中，金魚藻和苦草的葉綠素含量均呈下降趨勢：其中金魚藻的葉綠素含量從初始5.39 mg/(g·FW)，分別下降到1.66、2.11 mg/(g·FW)，下降幅度分別達(dá)到69%、61%。苦草的變化趨勢與金魚藻相似，下降幅度分別為67%、59%。在總余氯濃度為0.8 mg/L的暴露環(huán)境中，水蘊草與輪葉黑藻變化趨勢相同，為先上升后下降，最終水蘊草的葉綠素含量上升了13%，輪葉黑藻則 上升了98%，兩者最終的葉綠素含量相差0.72 mg/(g·FW)?？傆嗦葹?.2 mg/L的暴露環(huán)境中，在第192 h水蘊草的葉綠素含量最高，為4.50 mg/(g·FW)，與初始值僅相差0.15 mg/(g·FW)，而輪葉黑藻的葉綠素含量為水蘊草的64%，但與初始值相比并無明顯降低；當(dāng)試驗進(jìn)行至第4天時，水蘊草、輪葉黑藻葉綠素含量達(dá)到峰值，隨后開始下降。該現(xiàn)象可解釋為葉綠素a與b的合成系統(tǒng)對次氯酸鈉脅迫的一種應(yīng)激反應(yīng)，是植物色素體受到破壞、數(shù)量減少后的一種代償性作用[11]。

有研究認(rèn)為，葉綠素a/b的比值越大則光合活性越強，因而植株葉綠素a/b的變化可能是水生植物適應(yīng)環(huán)境及衰老的主要機制[12]。因此，余氯對沉水植物葉片的損傷除葉綠素含量降低外，葉綠素a/b值的下降趨勢也能反映出同一光照條件下沉水植物光合作用能力的變化。如表5所示，在總余氯濃度為0.8 mg/L的暴露環(huán)境下生長192 h后，4種沉水植物中水蘊草的葉綠素a/b值并無明顯下降，而另外三種植物均下降了0.5。在總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境下生長192 h后，水蘊草、輪葉黑藻的葉綠素a/b均下降了0.3，下降幅度約為金魚藻、苦草的一半。

表5 中高總余氯濃度下4種沉水植物葉綠素a/b含量的變化

綜上，通過對比4種沉水植物葉綠素含量以及葉綠素a/b值的變化情況可知，在4個余氯濃度的暴露環(huán)境中，水蘊草的葉綠素含量最高且與初始值相比略有提高，葉綠素a/b值的下降幅度最低，表明水蘊草在四類沉水植物品種里生長狀況較好。有研究認(rèn)為，水蘊草對重金屬Pb具有良好的耐受性[13]，對Cu也有很強的富集能力[14]，還可用于富營養(yǎng)化水體的水質(zhì)凈化與修復(fù)[15]。

2.4 討論與探究

該地下凈水廠的尾水除了常規(guī)的次氯酸鈉消毒外，膜組件化學(xué)清洗的排放水也會造成尾水的余氯短時波動，甚至某些時段的余氯濃度達(dá)到或超過沉水植物的耐受閾值，對濕地公園沉水植物的生長造成沖擊性傷害。夏季高溫、強光的自然條件下，尾水的余氯分解速率加快，更容易對沉水植物的葉片造成氧化損傷。含氯尾水澆灌濕地公園的陸生植物時，也明顯觀察到部分葉片呈現(xiàn)發(fā)白、枯萎的現(xiàn)象。

針對以上問題，除篩選出相對具備耐氯性的沉水植物外，還可通過控制尾水的余氯濃度以避免對濕地水體中的水生植物造成傷害。如通過可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)設(shè)置控制次氯酸鈉的投加濃度或投加時間，采用與MBR每天定期進(jìn)行膜組件的在線或離線化學(xué)清洗加氯過程進(jìn)行聯(lián)動控制，MBR膜組件排放高含氯水時段停止或減少常規(guī)消毒的氯投加量，達(dá)到降低尾水余氯濃度以及控制余氯波動的效果。此外，凈水廠的MBR出水氨氮含量低，氯消毒后的出水以游離氯為主，在進(jìn)入濕地公園前，可設(shè)置一套脫氯裝置，降低余氯的影響及消毒副產(chǎn)物生成量，提高進(jìn)入濕地公園的再生水質(zhì)量。

3 結(jié) 論

3.1 研究了金魚藻、苦草、水蘊草、輪葉黑藻等四種沉水植物在不同余氯環(huán)境的總體生長狀況，結(jié)果表明，水蘊草的耐氯性最高，在總余氯濃度為0.4 mg/L的環(huán)境下生長良好，幾乎不受余氯的影響；當(dāng)總余氯濃度增大到0.8 mg/L時，水蘊草受到輕度傷害；當(dāng)總余氯濃度增大到1.2 mg/L時，水蘊草受到中度至重度傷害。

3.2 在四個梯度的余氯暴露環(huán)境中，四種植物的葉綠素含量都經(jīng)歷了先上升后下降的趨勢，其中水蘊草在第96 h出現(xiàn)拐點。該現(xiàn)象與沉水植物的葉綠素體受到破壞、數(shù)量減少后的代償性作用相關(guān)。相同余氯環(huán)境中暴露10天后水蘊草的葉綠素含量相對最高，更能適應(yīng)含氯尾水的水質(zhì)。

3.3 結(jié)合外觀表征以及葉綠素指標(biāo)可知，水蘊草能夠在總余氯濃度不超過0.8 mg/L的暴露環(huán)境條件下存活，凈水廠消毒后的尾水進(jìn)入濕地公園時，前段水體區(qū)域種植水蘊草更易于成活。此外，在進(jìn)一步的研究中還將擴大篩選沉水植物的種類。

3.4 污水廠含氯尾水作為生態(tài)補水回用于濕地公園時，需要考慮沉水植物對尾水中余氯的耐受程度。根據(jù)本文的研究結(jié)果，可為含氯尾水濕地公園的建設(shè)及沉水植物的選擇提供參考依據(jù)，以提高尾水回用的生態(tài)效益。