串联式菖蒲浮床去除污染河水氮磷的试验研究

葛铜岗,罗固源,许晓毅,张彦海,曹 佳,舒为群

(1.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045;2.第三军医大学军事预防医学院,重庆400038)

人工浮床是一种兼顾治理富营养化水体和生态修复的方法,由于投资省、运行简便、处理水体中氮磷的负荷较大,且可原位净化水体[1],近年来受到研究者的普遍关注[2-4]。菖蒲是一种常见的水生植物,以往人们重点关注其药用价值[5],其在水污染治理中的应用研究较少。本文选用菖蒲作浮床植物,在三峡库区次级河流临江河回水区域构建串联式人工浮床系统处理污染河水,研究其对污染河水氮磷的去除能力,为三峡库区次级河流富营养化控制提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试水体

试验地点位于临江河回水区域,污染物主要来自永川、江津等地排放的工业废水、生活污水及沿途农业面源污染源,水体富营养化较严重[6]。试验期内(2008年6月～2008年8月)的水质分析结果为: COD:25～37 mg/L,TN:6.2～12.7 mg/L,TP: 1.06～4.79 mg/L,DO:2.9～4.0 mg/L。

1.2 试验系统构建与运行

本试验构建了四级串联人工浮床系统(9.2 m ×2.7 m×1.2 m),各单元运行参数相同,试验装置见图1。浮床植物均选用菖蒲(Acorus calamus),菖蒲属于天南星科、菖蒲属多年生挺水草本植物,喜温暖湿润环境,不耐寒,常见于浅水池塘、水沟及溪涧湿地处[7]。试验用植株取自临江河岸边,将植株去枯叶,清水洗净后移栽到浮床上。各级浮床覆盖面积均4 m2,覆盖率60.0%。浮体采用聚苯乙烯泡沫板(1 m×2 m×0.05 m),按20 cm×15 cm的间距打孔。用海绵将选好的植株固定于泡板孔内,每级浮床各栽植90株菖蒲。系统靠临江河回水区水位落差产生的重力流连续进水,保持进水流量约5.28 m3/d,水深约1 m,水力停留时间为3 d。

图1 试验系统装置图

1.3 研究方法

菖蒲于2008年6月11日移栽,定期考察其生长情况,统计成活率。针对菖蒲生长及形态特性[7],按分层抽样方法[8],每隔10d分别在各级浮床中抽取不同高度范围的5株菖蒲,测叶、根长度。8月底,菖蒲生长基本停滞,故而对其收割并测定叶、茎、根的生物量(以“干重”计,下同)、氮磷含量与积累量。叶、根的长度先求单株均值,再对所选5株植物统计分析,生物量与氮磷含量(包括茎)直接对所选5株植物统计分析。将所取样品(菖蒲叶、茎、根)置于阴凉处晾干,然后在60℃下烘至恒重,即为生物量。将烘干后的样品用碾磨机粉碎,过0.25 mm筛后保存[9],用浓硫酸-过氧化氢消解[10-11],总氮含量用过硫酸钾氧化吸光光度法[10]测定,总磷含量用钒钼黄比色法[11]测定,仪器哈希DR4000UV分光光度计。

自植物移栽始,每隔5 d于16:00～18:00取进水及各级浮床出水,测试水质指标。DO和水温用便携仪器sensION6型溶氧仪测定,TN、TP、COD用哈希便携仪器DRB200消解器消解,DR/2800型分光光度计测定,测试用药品为哈希公司生产。

2 结果与分析

2.1 植物生长状况

移栽菖蒲10 d后,各级浮床植株成活率均大于98%,但植株生长相对缓慢,叶、根长度几乎没有变化,这是因为一方面移栽过程势必损伤植株根系,使其难以吸收足够的水分和营养,另一方面菖蒲对泡板浮床也需要适应;7月初开始至8月中旬40 d左右的时间内,菖蒲叶、根长度及数目增加最快,此间,浮板下面形成了厚约20 cm的根系过滤层,说明菖蒲已适应了浮床栽培方式及水体环境,表现出良好的生长态势;8月底,菖蒲由于生长旺盛,在有限的浮床空间中产生严重拥挤,导致其对阳光、营养等的种内竞争,生长变缓,枯萎叶片大量增加,故对其进行收割。整个试验期内新叶生长与老叶枯萎始终并存,需及时清理老叶并计重(用单池平均量参与数据分析)。各级浮床菖蒲叶、根长度随时间变化如图2所示。

图2 菖蒲叶、根长变化图

2.2 浮床系统对水体TN、TP的去除

水体TN、TP的去除率变化曲线如图3、4所示。

图3 浮床系统对TN的去除

图4 浮床系统对TP的去除

由图3、4可知,试验期间,当河水TN为6.2～12.7 mg/L、TP为1.06～4.79 mg/L时,串联浮床在水力负荷为0.30～0.42 m3/(m2·d)(平均0.34 m3/(m2·d))的情况下,对该水体 TN、TP的去除效果比较稳定,平均去除率约为45%、55%,折算成平均去除负荷分别为1.625 g/(m2·d)、0.394 g/ (m2·d),说明菖蒲浮床对污染河水中氮磷具有良好的去除效果。

各级浮床的氮磷去除量见表1。可知,各浮床单元对水体中氮磷都有一定程度的去除,但去除量在各级串联单元分配不同。其中,TN去除量的分配较为均匀,说明 TN在各浮床单元中去除的主要途径不同,前端主要以沉淀吸附方式去除颗粒态或部分离子态氮,而后端水体DO水平较低(0.80～0.91 mg/L),对根系微生物反硝化脱氮过程有利;而TP去除量几乎集中第一级浮床中,大部分磷可能主要通过沉淀、吸附的方式被去除,而这种作用在串联式浮床系统前端最明显。

表1 浮床菖蒲氮磷去除量及吸收作用的贡献

2.3 植物吸收对浮床系统TN、TP去除的贡献

根据菖蒲各器官的氮磷积累量及各浮床单元对水体氮磷的去除量,可计算出植物吸收对浮床菖蒲氮磷去除的贡献,结果见表1。可知,菖蒲叶、茎的同化吸收对氮磷去除的贡献均明显大于根,说明用浮板栽培方式(可使茎与水体分离)及收割菖蒲叶片,均为移除水体中一部分氮磷的可选方法;植物吸收作用对除氮的贡献沿串联式浮床系统呈逐级下降趋势,而对除磷的贡献呈逐级上升趋势,说明在串联式浮床系统中的位置不同,植物吸收作用的贡献亦不同。

由表1还可知,一级浮床菖蒲叶、茎的氮积累量对浮床氮去除总量的贡献约35%,说明用浮板栽培菖蒲及收割其叶片是该级浮床系统去除水体中氮的主要方式之一;后两级浮床菖蒲叶、茎的磷积累量对浮床磷去除总量的贡献度约45%,说明用浮板栽培菖蒲及收割其叶片也是后两级浮床系统去除水体中磷的主要方式之一。

3 结论

3.1 菖蒲能适应浮板栽培方式及连续流动的污染河水,菖蒲浮床系统对污染河水氮磷去除能力良好,表明应用菖蒲浮床治理污染河水是适宜的,可将其作为治理三峡库区次级河流污染水体的备选技术。3.2 串联浮床对水体 TN、TP具有稳定且良好的去除效果,TN的去除量在各单元分配均匀,而 TP主要在系统的前端去除,表明氮磷在各浮床单元中去除的主要途径不同。

3.3 植物吸收作用对浮床菖蒲除氮的贡献沿串联式浮床系统逐级降低,而对除磷的贡献却逐级增加,说明植物吸收作用的贡献在串联式浮床系统中存在空间分布规律,对此,将在以后的研究中深入探讨,以期寻求进一步提高浮床菖蒲净水能力的途径。

[1] Nakamura K,Shimatani Y.Water purification and environmental enhancement by the floating wetland[C].Proceeding of 6thIAWQ Asia-Pacific regional conference in Korea,1997.

[2] 卢进登,帅方敏.人工生物浮床技术治理富营养化水体的植物遴选[J].湖北大学学报(自然科学版),2005,27(4):402-404.

[3] 黄廷林,宋李桐,等.人工浮床净化城市景观水体的试验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2007,39(1):30-33.

[4] Lu,JD,Zhao,L Y,Kang,Q.The present study conditions of Harnessing eutrophic water by man-made floating culture beds [J].Journal of Hunan Environment biological polytechnic, 2005,11(3):214-218.

[5] 张立国.3种菖蒲类药材的鉴别与应用[J].现代中西医结合杂志,2008,17(11):1705-1706.

[6] 陈谓忠.长江支流临江河[J].四川水利,1997,18(2):60-61.

[7] 赵家荣.秦八一.水生观赏植物[M].北京:化学工业出版社, 2003:147-148.

[8] 方 萍,何 延.试验设计与统计[M].杭州:浙江大学出版社,2003:51-85.

[9] 中国科学院上海植物生理研究所.现代植物生理学实验指南[M].上海:上海科学出版社,1999:89.

[10] 吴建之,葛 滢,王晓月.过硫酸钾氧化吸光光度法测定植物总氮[J].理化检验-化学分册,2000,36(4):166-167.

[11] 国家技术监督局.GB/T 6437-2002,饲料中总磷的测定分光光度法[S].北京:中国标准出版社,2002.