氮磷比對銅錢草浮床處理富營養(yǎng)化水體的影響

劉 鑫, 胡淑恒, 張擇瑞, 謝霄云

(1.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

生態(tài)浮床技術對富營養(yǎng)化水體的處理效果與富營養(yǎng)水體中氮磷比密切相關[8],已有相關研究多集中于植物種類的篩選,添加曝氣、強化菌等輔助手段,比較不同季節(jié)處理效果,以及研究植物根系作用等方面[9-10],而對具有觀賞兼藥用功能的植物銅錢草凈化污水、在不同氮磷比水體中的生長情況和各污染指標凈化效果的研究很少。本文采用銅錢草浮床處理氮磷比不同的營養(yǎng)水體,研究在相同外部條件下不同氮磷比對植物生長情況和各污染指標凈化效果的影響,從而為改善富營養(yǎng)化水體、恢復湖泊及其他類似水體健康生態(tài)系統(tǒng)提供技術支持和科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗裝置由水箱、生態(tài)浮床和浮床植物銅錢草組成。試驗使用自行設計組裝的生態(tài)浮床,材料為聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)管(管徑為3 cm)等;浮床長、寬分別為60、40 cm;截斷的PVC管用彎頭和PVC膠連接,形成框架,用棉線將鐵絲網固定在框架的上下兩面,將2層框架垂直固定在一起形成浮床,用于培育浮床植物。該浮床優(yōu)點為結構簡單、材料環(huán)保,不蔽陽光,不影響植物生長和水體的大氣復氧等。試驗水箱采用無臭無毒、穩(wěn)定性好的白色聚乙烯材料,容積為200 L。試驗所用浮床植物為銅錢草,其適應環(huán)境能力強,繁殖迅速,為優(yōu)良的裝飾植物,具有觀賞價值,能吸附有毒物質,如甲醛等,亦可入藥利人[11]。

試驗用水按照文獻[12]劣Ⅴ類水中各富營養(yǎng)化質量濃度指標進行配制。取合肥工業(yè)大學校園內斛兵塘湖水與自來水按一定比例混合,并加入一定量的氯化銨、磷酸二氫鉀、葡萄糖等配制成富營養(yǎng)化水[13];湖水中ρ(NH4+-N)=0.24 mg/L,ρTP=0.11 mg/L,且含有一定量的微量元素和微生物。該水體中,ρTP=(1.50±0.13) mg/L,ρ葉綠素a=(1.18±0.11) μg/L,ρTOC=(51.87±1.54) mg/L。本文選取 7～10號水箱作為研究對象,7號水箱為對照組。

7～10號水箱ρ(NH4+-N)分別為12.48、12.59、21.22、30.65 mg/L,電導率分別為321、327、420、516 μS/cm。試驗前、后3個水箱內植物生長狀況及對照組狀況如圖1所示。試驗后期銅錢草生長茂盛,植被覆蓋率明顯增加,污染指標凈化效果顯著。

1.2 試驗方法

試驗自2019年10月1日至11月25日,歷時55 d。試驗地點位于合肥工業(yè)大學緯地樓一樓環(huán)形天井,通風透氣且光照充足,試驗裝置上用透明PVC雨棚遮擋,水箱中不易落入灰塵和雨水,因此試驗結果受外部條件影響較小。在試驗地點依次平行放置4個同一規(guī)格水箱并編號(其中7號水箱不種植植物,為對照組,氮磷比為9.33),將160 L添加各營養(yǎng)元素的污水混合均勻,按照比例分別加入4個水箱,將洗凈、晾干且質量均為500 g的銅錢草均勻種植在8～10號水箱內相同尺寸的生態(tài)浮床上,且8～10號水箱初始水質氮磷比分別為7.58、15.96、24.17。將浮床植物銅錢草在同一水質中預培養(yǎng)7 d,使其適應水中生存,然后開始試驗。根據污染物質降解情況定期(前3 d每天取樣1次,3～13 d每2 d取樣1次,13～40 d每3 d取樣1次)、定時(中午12:00)、定量(200 mL)取樣,對水中各指標進行監(jiān)測。

本試驗需要測定TOC、TP、電導率、葉綠素a等參數,試驗儀器包括分光光度計、TOC分析儀、水質測量儀等檢測儀器,以及各種稱量和干燥等所用常規(guī)玻璃儀器。各參數采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》[14]中的方法測定。TOC、總氮(total nitrogen,TN)使用德國耶拿multi N/C總有機碳分析儀測定,葉綠素a、電導率采用YSI ProDSS 多參數水質測量儀測定,植株質量使用電子秤稱量。數據應用Origin 9.1和MATLAB等軟件進行處理和分析。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗過程描述

試驗天氣以多云為主,試驗期間氣溫變化情況如圖2所示,最高氣溫為26 ℃,最低氣溫為-3 ℃,氣溫溫差大。

圖2 試驗期間氣溫變化情況

試驗期內植物組水箱中銅錢草存活率均為100%,對水面的覆蓋率均有所增加,試驗前、后銅錢草質量變化見表1所列。試驗第2 天,對照組7號水箱、植物組8號、9號水箱水質呈略微乳白色;在第6 天,對照組7號水箱內壁有少量綠色藻類附著,而8～10號水箱在第13天左右有藻類產生。試驗結束后,測得8～10號水箱中銅錢草質量分別增加185、225、200 g,質量增加比例分別為37%、45%、40%,由此可見氮磷比為15.96的9號水箱中水質更適宜銅錢草生長,植物更茂盛,增殖更突出。

表1 試驗前、后8～10號水箱銅錢草質量變化對比

2.2 葉綠素a的變化與分析

藻類是水生生物的重要組成部分,影響水生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能,具有維系系統(tǒng)的重要作用[15],但水體中藻類過多易引起水體富營養(yǎng)化,使水中溶解氧減少,水生態(tài)失衡。葉綠素a是表征藻類的重要指標,4個水箱中ρ葉綠素a變化曲線如圖3所示。

圖3 4個水箱中葉綠素a的質量濃度變化曲線

試驗開始時,4個水箱內ρ葉綠素a在1.2 μg/L左右,對照組7號水箱自試驗開始至第27 天持續(xù)升高至555.8 μg/L,隨后下降;試驗前期植物組ρ葉綠素a一直處于較低水平,上升緩慢,第16 天后植物組ρ葉綠素a差異較明顯,第27 天均達到較大值,隨后緩慢降低;氮磷比較大的植物組ρ葉綠素a反而較小,試驗結束時8～10號水箱ρ葉綠素a分別為75.3、21.9、39.7 μg/L。

試驗初期,對照組水箱營養(yǎng)充足,經過調整期后藻類大量繁殖,但水箱內營養(yǎng)物質和空間有限,試驗第27 天藻類數量達到最大且ρ葉綠素a也達到最大值;隨后藻類繁殖量少于死亡量,藻密度下降,葉綠素a減少,死亡的藻類經分解將營養(yǎng)物質釋放回水體,導致藻類生長和葉綠素a的細微波動。植物組水箱內銅錢草與藻類物種競爭,銅錢草根系發(fā)達、生長較快,能獲得較多的營養(yǎng)物質,銅錢草植株對陽光的遮蔽作用也能限制藻類的生長[16],此外植物可能會分泌一些克藻物質限制藻類生長或殺死藻類[17],因此植物組藻密度一直處于較低水平。植物組藻類數量與銅錢草質量成反比,銅錢草質量增加越多,對營養(yǎng)元素利用越多,植株越大,對陽光的遮蔽作用越強,ρ葉綠素a越低。8號水箱中氮元素有限,不能充分滿足銅錢草生長需要;10號水箱中氮元素過多,也限制銅錢草生長;9號水箱較適宜銅錢草生長,其氮磷比15.96為該試驗條件下最佳氮磷比。

2.3 微生物群落情況分析

2.3.1 OTU樣本分布韋恩圖和聚類樹

試驗結束對2組水樣進行宏基因組分類測序,共檢測到15 101個操作分類單元(operational taxonomic unit,OTU),其中對照組7號水箱4 960個,植物組8～10號水箱OTU分別為3 676、3 626、2 839個,4個水箱特有OTU分別為4 200、2 699、2 697、2 281個。OTU 樣本分布韋恩圖如圖4所示。由圖4可知,對照組7號水箱和植物組8號水箱共有OTU最多為543個,植物組9號與10號水箱共有OTU最少為361個。

4個水箱基于OTU的樣本聚類樹如圖5所示。圖5中,同一顏色的樹枝表示來源于同一組,樹枝的長度代表樣本間的距離,越相似的樣本會越靠近,可見9號、10號水箱樣本相似性強,對照組7號水箱與其他水箱樣本的相似性最弱。

圖4 4個水箱中微生物OTU樣本分布韋恩圖

圖5 4個水箱基于OTU的樣本聚類樹

2.3.2 微生物群落多樣性分析

通過單樣品的多樣性分析 (Alpha多樣性) 可以反映微生物群落的豐度和多樣性,用稀疏性曲線和一系列統(tǒng)計學分析指數可預估環(huán)境群落中物種的豐富度和多樣性。

4個水箱中微生物的多樣性指數見表2所列。

表2 4個水箱中微生物多樣性指數統(tǒng)計結果

4個水箱的覆蓋率均在95%以上,滿足樣品微生物多樣性分析的需要,可代表樣本的真實情況。表征群落分布豐度的Chao指數和基于豐度的覆蓋率估計(abundance-based coverage estimator,ACE)指數的數值越大,表明菌群的豐度越高,因此對照組7號水箱豐度相對較大。從表征群落分布多樣性的Shannon指數和Simpson指數看,Shannon指數值越大,說明群落多樣性越高,而Simpson指數值越大,說明群落多樣性越低,因此8號水箱群落多樣性最大,對照組7號水箱多樣性最小。這是水箱內各污染物質量濃度水平和藻類生長共同作用的結果,一般情況下群落的多樣性會與水體中營養(yǎng)水平成正比,但藻類的生長會造成水體細菌多樣性的改變[18]。

采用Shannon指數來比較測序數據量不同的樣本中物種的豐度,植物組水箱在反應初期和穩(wěn)定時期,測序得出的物種總數量均高于對照組水箱,且反應穩(wěn)定時期測序得出的物種總數量均高于反應初期。

2.3.3 屬水平上樣本相對豐度和群落結構

利用blastn軟件將OTU序列與對應數據庫進行比對,篩選出OTU序列的最佳比對結果,對結果進行過濾,默認滿足相似度大于90%且覆蓋率大于90%的序列被用來后續(xù)分類,不滿足條件的序列被歸為未歸類(unclassified)。屬水平上4個水箱樣本14個主要序列數目和相對豐度見表3所列。由表3可知:對照組7號水箱屬水平上相對豐度較高的屬為Janthinobacterium、Pseudomonas,分別占53.15%、26.95%;植物組有多個共同屬,包括Novosphingobium、Mucilaginibacter、Simplicispira、Sideroxydans、Limnobacter等,相對豐度較高且相似性較強。因此,相對于對照組,植物組水箱的微生物群落屬水平上樣本相對豐度更高,群落結構更復雜,8～10號水箱中優(yōu)勢屬與水質有密切聯(lián)系[19],微生物種類多樣性更多,有利于富營養(yǎng)化的處理。

表3 屬水平上4個水箱樣本14個主要序列數目和相對豐度

2.4 主要水質指標情況分析

2.4.1 TP的凈化效果

TP是衡量水質狀況的關鍵, 4個水箱不同氮磷比下溶解性磷去除效果曲線如圖6所示。

圖6 4個水箱不同氮磷比下溶解性磷去除效果曲線

4個水箱內ρTP的初始值都在1.42 mg/L左右;試驗初始的6 d, 7～10號水箱的ρTP分別迅速降低68.55%、73.07%、74.73%、76.24%,分別下降至0.45、0.40、0.37、0.34 mg/L;隨后對照組7號水箱ρTP出現(xiàn)顯著上升,恢復到接近初始ρTP后,在此水平內波動,且波動范圍較大;植物組水箱ρTP總體以緩慢速率下降且波動較小,試驗結束時植物組8～10號水箱ρTP分別下降至0.10、0.05、0.03 mg/L,分別降低93.24%、96.45%、97.88%,其中9號和10號水箱的ρTP下降速率略快,下降趨勢基本一致。

浮床系統(tǒng)對磷去除的方式主要是通過植物吸收、吸附、截留、沉淀和合成藻類物質[20]。試驗初始的6 d,受水箱內壁、銅錢草根系、微生物作用及植物生長的吸附和吸收,4個水箱內ρTP迅速降低。受氮磷比的影響,營養(yǎng)物質多的水箱,微生物活動強烈、植物生長較快,ρTP下降稍快。對照組沒有植物作用,ρTP下降主要是藻類生長繁殖的吸收,伴隨著藻類生命周期,群落更替,死亡后分解,TP又釋放到水體中,因此對照組ρTP出現(xiàn)較大波動,試驗第5 天后出現(xiàn)較快上升,至試驗結束對照組水箱內TP相比于植物組均處于較高質量濃度。植物組在試驗過程中銅錢草不斷生長,為了滿足自身生長需要對TP持續(xù)吸收,試驗第5天后至試驗結束植物組水箱內ρTP波動較小,總體趨勢為持續(xù)降低。氮磷比高的水箱內氮源充足,植物和微生物生長繁殖較快,ρTP下降速率較大,但植物和微生物的生長對氮元素的需求量有限,更多的營養(yǎng)元素未能更大程度上促進銅錢草的生長,因此9號、10號水箱內氮元素的含量雖然有差異,但第6 天后2個水箱內ρTP降解趨勢和速率基本一致。8號水箱營養(yǎng)物質少,不能充分滿足銅錢草生長需要,ρTP降解速率低于9號和10號水箱。文獻[21]研究發(fā)現(xiàn),在輕度污染水體中,植物對磷的去除作用占51%,本試驗植物組TP主要通過銅錢草的吸收去除,對照組ρTP的波動主要是由于藻類的生命周期變化。

2.4.2 NH4+-N的凈化效果

4個水箱在不同氮磷比下各個時間段NH4+-N去除效果曲線如圖7所示。

圖7 4個水箱不同氮磷比下NH4+-N的去除效果曲線

7～10號水箱ρ(NH4+-N)初始值分別為12.48、12.59、21.22、30.65 mg/L,試驗初始4 dρ(NH4+-N)分別迅速下降7.55、6.98、9.37、8.80 mg/L,下降率分別為60.54%、55.48%、44.15%、28.72%;從第5天至第27 天,ρ(NH4+-N)緩慢上升;從第28 天至試驗結束,4個水箱ρ(NH4+-N)總體呈緩慢下降趨勢。對照組7號水箱和植物組8號水箱內NH4+-N質量濃度與變化趨勢在試驗開始后27 d內基本吻合,27 d后對照組的ρ(NH4+-N)略高于植物組。試驗結束時7～10號水箱ρ(NH4+-N)分別為5.77、1.46、8.11、16.09 mg/L,下降率分別為53.77%、88.40%、61.78%、47.50%。

NH4+-N主要通過揮發(fā)作用、硝化反應、植物吸收、生成藻類、吸附等方式去除[22],試驗初期主要受吸附作用影響,ρ(NH4+-N)迅速下降,隨著試驗的進行,NH4+-N逐漸解吸,ρ(NH4+-N)緩慢上升。試驗過程中對照組7號水箱藻類逐漸爆發(fā),微生物逐漸繁殖,藻類吸收利用和微生物硝化作用致使ρ(NH4+-N)逐漸降低,但水箱內空間和營養(yǎng)物質有限,藻類數量有限,因此對NH4+-N的吸收和硝化作用也有限,藻類死亡后又將NH4+-N釋放到水體中,故ρ(NH4+-N)未能降低到很低水平,試驗后期ρ(NH4+-N)相對穩(wěn)定。植物組8號和9號水箱氮元素充足,銅錢草生長吸收利用NH4+-N,其根系周圍和水體中的微生物進行著硝化作用,對NH4+-N的吸收較多且植物質量增加明顯;10號水箱NH4+-N過量,營養(yǎng)過剩,抑制銅錢草的生長,ρ(NH4+-N)降低值小于8號和9號水箱。對照組7號水箱無植物生長,NH4+-N的降解主要是微生物的作用,ρ(NH4+-N)低于生長茂盛的植物組,微生物的降解作用顯著高于植物的吸收作用。

銅錢草通過呼吸作用,經由發(fā)達的根系,形成好氧-厭氧的微環(huán)境[23],從而快速降解NH4+-N。試驗后期,由于水體中多種營養(yǎng)素的缺乏限制了微生物的生長繁殖,而植物對氮元素的吸收能力有限,過多的氮元素會抑制植物的吸收與微生物的生長,降解速率和效果不明顯。

2.4.3 NO2--N和NO3--N質量濃度的變化

4個水箱中ρ(NO2--N)的變化曲線如圖8所示。

圖8 4個水箱中ρ(NO2--N)的變化曲線

從圖8可以看出,在整個試驗階段對照組ρ(NO2--N)一直處在較低水平,植物組則呈先非常緩慢升高后加速上升趨勢,其中植物組9號、10號水箱ρ(NO2--N)上升迅速,在第34天達到最大值,隨后出現(xiàn)較緩降低的趨勢。試驗結束時,7～10號水箱內ρ(NO2--N)分別為1.226、0.153、0.153、5.778 mg/L。

4個水箱中ρ(NO3--N)的變化曲線如圖9所示。

圖9 4個水箱中ρ(NO3--N)的變化曲線

植物組ρ(NO3--N)的變化與ρ(NO2--N)相對應,植物組水箱內ρ(NO3--N)從第30天均出現(xiàn)快速上升,8～10號水箱內ρ(NO3--N)的上升速率依次減小,且氮磷比越小,試驗結束時剩余的ρ(NO3--N)越大,試驗結束時ρ(NO3--N)分別為4.35、3.03、1.52 mg/L。對照組7號水箱,試驗過程中ρ(NO3--N)均處在較低水平,試驗結束為0.48 mg/L。

2.4.4 TOC質量濃度的變化

4個水箱內ρTOC的變化曲線如圖10所示。試驗開始時,7～10號水箱ρTOC分別為51.35、52.42、51.43、50.27 mg/L;試驗開始后16 d內ρTOC快速下降,且趨勢基本一致,然后趨于平穩(wěn),至結束時分別為13.81、5.77、6.93、5.17 mg/L,分別下降73.11%、89.00%、86.53%、89.72%,且第16天后對照組7號水箱ρTOC高于植物組,并有相對較大波動。

圖10 4個水箱內ρTOC的變化曲線

數據表明試驗開始時,經適應性培養(yǎng),根系發(fā)達的銅錢草迅速吸收葡糖糖,以滿足自身生長需要。銅錢草發(fā)達的根系對TOC進行吸附和截留,水箱內微生物對TOC進行吸收和轉化。小分子有機物被植物直接吸收利用和微生物對有機物的好氧分解,植物根系吸附、截留,以及生成藻類是浮床技術降解TOC的幾種主要途徑[24]。經過截留、吸附、沉降和吸收等多種途徑的作用,試驗初期水體內ρTOC迅速降低,在后續(xù)試驗過程中TOC被逐步利用。文獻[25]研究表明,植株強大、根系發(fā)達的植物泌氧能力較強,有利于好氧微生物的繁殖和有機物的消耗。由于銅錢草生長時對小分子有機物有所吸收,且根系發(fā)達,為水中微生物提供了良好的生長環(huán)境,加速微生物的生長及對有機物的降解,植物組各水箱內ρTOC持續(xù)降低,最終去除效果明顯。

對照組7號水箱ρTOC較低后又升高,可能與藻類的生長代謝有關,藻類生長旺盛時,吸收利用的有機物較多,死亡后又將部分有機物釋放到水體里,因此ρTOC波動較大,而植物組銅錢草持續(xù)生長,吸收有機物,致使ρTOC持續(xù)降低。

2.4.5 電導率的變化

電導率表示溶液傳導電流的能力,是表征水體溶解性固體物質或鹽度的重要參數,也是評價水環(huán)境健康的重要參數[26]。試驗期間4個水箱內電導率的變化曲線如圖11所示。

圖11 4個水箱內電導率的變化曲線

試驗開始時,7～10號水箱內電導率分別為321、327、420、516 μS/cm,試驗開始后4 d內電導率均略有下降,隨后對照組7號水箱電導率略有增加,植物組9號水箱略有降低,8號和10號水箱有微小波動,試驗結束時7～10號水箱內電導率分別為354、322、370、516 μS/cm。水溶液的電導率高低相依于其內含溶質鹽的濃度大小,或其他分解為電解質的化學雜質成分多少。水樣本的電導率是測量水的含鹽成分、含離子成分、含雜質成分等的重要指標。水越純凈,電導率越低(電阻率越高)。

試驗初期4 d,由于微生物的降解和吸附、植物的吸收等,導致ρTOC、ρTP等下降,也就是水箱內離子質量濃度下降,因此電導率略有下降。隨著各營養(yǎng)元素解吸和微生物數量增加,水箱內雜質增多,藻類產生和死亡,電導率又會出現(xiàn)波動。對照組7號水箱電導率的降低主要是由于吸附作用、微生物對營養(yǎng)素的利用和藻類的生長,藻類和微生物死亡后又會將無機鹽釋放到水體中,導致對照組7號水箱試驗后期電導率上升。氮磷比較為合適的9號水箱,銅錢草生長較好、質量增加較多,對離子的吸收較多,電導率略有下降。

3 結 論

1) 受氮磷比的影響,8號、9號水箱對TP、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TOC的降解效果相對較好,2個水箱內電導率的下降程度相仿,相比于對照組和氮磷比最大的10號水箱,其銅錢草生長旺盛,質量增加最明顯,對富營養(yǎng)水的處理較為合適。

2) 本試驗植物組TP主要通過銅錢草的吸收去除,對照組TP質量濃度的下降主要是由于藻類的生長繁殖;銅錢草浮床在氮磷比較高的9號(15.96)和10號(24.17)水箱環(huán)境條件下,試驗前期對TP的降解更為迅速穩(wěn)定,效果較佳。

3) 9號水箱通過銅錢草浮床在氮磷比為15.96的水質條件下,對于NH4+-N、NO2--N和NO3--N狀態(tài)下氮的去除能力相對其他水箱也是較好的,因此最適合采用銅錢草植物浮床種植處理富營養(yǎng)水的氮磷比為15.96。

4) 銅錢草浮床在不同氮磷比的條件下,對有機物的降解都較為理想,因此植物浮床技術用于處理富營養(yǎng)水體是可行和有效的。