兩種沉水植物在人工湖泊中凈化水質效能的研究

王樂陽

(1.江蘇龍騰工程設計股份有限公司,江蘇 南京 210014;2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術研究中心,江蘇 南京 210014)

水是人類賴以生存的主要物質之一,隨著工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展和防治污染措施的不當使用導致淡水資源加速消耗、水質不斷惡化,人類已經(jīng)面臨嚴重的淡水資源匱乏問題,因此水質的凈化研究變得尤為重要。而沉水植物以其特有的生態(tài)和景觀功能以及易于操作等優(yōu)點,在凈化水質和修復水生態(tài)系統(tǒng)方面受到普遍關注[1]。

沉水植物可以有效地增加空間生態(tài)位,減少生物性和非生物性懸浮物,明顯改善水下光照條件和溶解氧情況。沉水植物特有的結構和功能對水體中的污染物,尤其是氮、磷等具有較好的吸收作用,因此其在改善水體質量、保證良好的水體環(huán)境中發(fā)揮了重要作用[2]。本文通過室內模擬,在前期研究秋季沉水植物對人工湖泊水質凈化效果[3]的基礎上,進一步研究了狐尾藻、金魚藻2種沉水植物的凈化效果,同時研究了狐尾藻和金魚藻不同的投放配比對水質的影響,為更好地發(fā)揮沉水植物的特有功能和縮短水生態(tài)修復周期提供了重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗開展于2022年夏季的5月和6月,狐尾藻、金魚藻均取自人工湖泊,試驗開始前分別稱取500g的狐尾藻和金魚藻置于聚乙烯塑料桶中用自來水培養(yǎng)10天,同時用2個雙管式增氧泵24h不斷增氧,每隔兩天換一次水,確保吸附在植物表面的懸浮物被水-氣流沖洗干凈。試驗用水取自人工湖泊水,水質指標見表1。

表1 試驗用水水質的相關指標

1.2 試驗內容

2022年5月13—29日,開展水質凈化能力比較試驗。稱取相同質量的狐尾藻、金魚藻,分別置于兩個裝滿人工湖泊水且規(guī)格相同的聚乙烯塑料桶中,置于試驗室窗口進行通風光照培養(yǎng),每隔一天采集一次水樣測定化學需氧量(COD)、總氮(TN)、懸浮物(SS)和pH值。

2022年6月2—20日,稱取不同配比的狐尾藻和金魚藻(共10g,其中狐尾藻依次從0g、2g、4g、6g、8g添加),共5組,分別置于5個裝滿人工湖泊水且規(guī)格相同的聚乙烯塑料桶中,記為M0、M2、M4、M6、M8。置于試驗室窗口進行通風光照培養(yǎng),每隔一天采集一次水樣測定SS、COD、TN,試驗共采集9次。

1.3 測定方法

水質的SS、COD、TN、pH值的測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[4]。SS粒徑采用光電感應法測定(激光粒度粒形分析儀,Mastersizer 3000,Malvern);CODCr采用重鉻酸鹽法測定;TN采用氣相分子吸收光譜法測定(氣相分子吸收光譜儀,GMA3510,森普)。

2 結果與討論

2.1 兩種藻類水質凈化能力

圖1 狐尾藻和金魚藻水質凈化能力比較

由方差分析可知,兩種藻類在SS、COD、TN、pH值4種水質指標中的顯著性檢驗P值分別為0.833、0.798、0.987、0.798,未呈現(xiàn)出顯著性差異,故在氣溫適合的情況下兩種藻類對水質凈化的效果無較大的差異。由表2的相關性分析可知,經(jīng)狐尾藻、金魚藻凈化的水體中SS、COD、TN、pH值之間基本呈極顯著相關關系,說明狐尾藻、金魚藻能夠較好地調節(jié)水體水質。狐尾藻凈化的水體中SS濃度與TN濃度的相關性較差,而金魚藻凈化的水體中SS濃度與TN濃度的相關性較好,這是因為金魚藻具有很強的吸氮能力[7],其特有的絨毛結構對懸浮物也有較強的吸附和固定能力,說明在高氮和高懸浮物濃度的情況下適合栽種金魚藻[8],而金魚藻在吸氮的同時其他水質指標也會隨之向良性方向發(fā)展。因此,在選取藻類處理受污染的水體時,應考慮當?shù)氐淖匀画h(huán)境以及水體的各項水質指標,進行有針對性的治理。

表2 狐尾藻和金魚藻分別加入后的水質指標之間的相關關系

①表示0.05水平顯著。

②表示0.01水平顯著。

2.2 不同配比的狐尾藻和金魚藻對SS濃度的影響

水體中SS的含量是影響水體透明度和光學衰減系數(shù)的重要因素,含量高時會削弱水下光強,對植物光合作用和水體初級生產(chǎn)力產(chǎn)生不良影響。因此,降低水中懸浮物含量是水質凈化與生態(tài)修復工作的重要部分。沉水植物可通過根莖和葉片的攔截吸附作用減緩水流和風浪擾動,同時可通過表面微生物分泌黏液的凝聚作用,有效降低水中懸浮物的濃度。由圖2可知,不同配比的狐尾藻和金魚藻對水質均有較好的凈化效果。隨著試驗的進行,經(jīng)處理的水體SS濃度不斷下降,在第14天時水體中SS濃度開始趨于穩(wěn)定,至試驗結束時經(jīng)M0、M2、M4、M6、M8處理的水體中SS濃度分別為73mg/L、90mg/L、98mg/L、106mg/L、115mg/L,對應的去除率分別為63.50%、55.00%、51.00%、47.00%、42.50%,去除效果為M0>M2>M4>M6>M8,說明隨著狐尾藻數(shù)量的增加,吸附SS的能力減弱,此時經(jīng)M0處理的水體中SS濃度最低,這主要與金魚藻特有的絨毛結構具有較強的吸附和固定能力有關[9]。

圖2 加入不同配比的狐尾藻和金魚藻的SS濃度變化

2.3 不同配比的狐尾藻和金魚藻對COD的影響

水中有機污染物種類多樣且成分復雜,有機物分解會大大降低水中溶解氧含量從而破壞水生環(huán)境。沉水植物可通過吸收、吸附、截留及附著微生物的降解作用來降低水中COD值。由圖3可知,試驗開始前,因植物在干凈的水體中培養(yǎng)了一段時間,試驗開始時的植物缺乏有機質,因此,吸收有機物速率較快[10],故在試驗第8天之前,各方案處理的COD濃度均大幅度下降,有機質被植物吸附和微生物轉化[11],此時不同配比的狐尾藻和金魚藻對COD濃度影響顯著(n=9,P<0.05),水體中的COD濃度差異較大;在試驗第8天之后,各方案處理的COD濃度均基本處于穩(wěn)定狀態(tài),且COD濃度差異不大,基本處于8.00～9.00mg/L之間。M8處理的水體中COD濃度在第8天達到本次試驗的最低值,為8.17mg/L,明顯低于試驗開始時的30.38mg/L,僅為試驗開始時的26.89%,這與狐尾藻對有機質處理效果較好有關。

圖3 不同配比的狐尾藻和金魚藻加入后水體COD濃度變化

2.4 不同配比的狐尾藻和金魚藻對TN的影響

如圖4所示,在狐尾藻和金魚藻的作用下,試驗開始至第8天,經(jīng)M0、M2、M4、M6、M8處理的水體中TN濃度基本在2.6～2.7mg/L范圍內波動,第8天開始快速上升,在第10天達到最高值,分別為2.99mg/L、2.91mg/L、2.75mg/L、2.97mg/L、2.96mg/L,均超過試驗開始時的2.74mg/L,在第14天快速下降至此次試驗最低值,分別為2.29mg/L、2.38mg/L、2.20mg/L、2.37mg/L、2.35mg/L,對應的去除率分別為16.52%、3.19%、19.63%、13.42%、14.41%,在第16天又回升至試驗初始濃度附近,試驗期間,M4處理的水體TN濃度均低于其他四組。各方案處理的水體TN濃度在第0～8天上下穩(wěn)定波動,藻類對TN基本沒有凈化效果,這可能是由于人工湖泊水體中大量的懸浮物顆粒覆蓋在藻類表面,阻礙了藻類的光合作用和呼吸作用,藻類處于逆境生長階段,其體內會產(chǎn)生大量的活性氧自由基,而活性氧自由基會破壞植物的蛋白質、核酸等,導致系統(tǒng)功能紊亂,嚴重時會導致植物細胞死亡[12],從而對水體凈化效果較差,此時藻類的一些殘體和不良代謝物排入到水體中,引起水體TN濃度大幅提高[13]。

圖4 不同配比的狐尾藻和金魚藻加入后水體TN濃度變化

3 結 論

狐尾藻、金魚藻在提高水體中pH值的同時,均有較好的水質凈化效果,其中金魚藻較狐尾藻去除SS和TN的能力強,狐尾藻較金魚藻去除COD的能力強。隨著狐尾藻數(shù)量的增加,藻類組合吸附SS的能力相對減弱,而人工湖泊由于其特殊性,單純的金魚藻無法更好地去除TN,因此4g狐尾藻+6g金魚藻的組合能較好地抵抗懸浮物覆蓋帶來的危害,使得水體中TN的去除效果最好,因此選擇正確的配比方式能夠保證植物的健康生長,減少逆境對植物造成的傷害。

由于試驗室是相對封閉的環(huán)境,體系較為穩(wěn)定,若推廣到室外需要考慮到季節(jié)、溫度、水量水位,以及微生物、動物、人類活動等外在擾動的影響,因此下一步將在室外開展中試試驗,研究以上因素對沉水植物凈化效能的影響,為更好地發(fā)揮沉水植物的特有功能和縮短水生態(tài)修復周期提供重要依據(jù)和參考。