水生植物浮床对城市污染水体的净化效果研究

赵 丰， 张 勇， 黄民生， 吴小慧， 张一璠， 何 岩

（1.华东师范大学 环境科学系，上海 200062；2.安徽建筑工业学院，合肥 230022）

水生植物浮床对城市污染水体的净化效果研究

赵 丰1， 张 勇2， 黄民生1， 吴小慧1， 张一璠1， 何 岩1

（1.华东师范大学 环境科学系，上海 200062；2.安徽建筑工业学院，合肥 230022）

以香菇草（Hydrocotyle vulgaris）、睡莲（Nymphaea tetragona）和西伯利亚鸢尾（Iris sibirica）3种水生植物为试材，制成植物浮床，研究3种植物以及无植物浮床对城市污染水体中污染物的净化效果，试验共持续35 d.结果表明：3种植物在污染水体中能保持较强生命力，试验结束时，其株高、根长及生物量均有显著增加，增长率表现为睡莲＞香菇草＞西伯利亚鸢尾；3种植物对水体中CODCr、NH4＋-N、TN和TP均有明显去除效果，香菇草、睡莲、西伯利亚鸢尾对水体中的TN去除率分别为90.0%、85.7%和81.2%，对TP的去除率分别为68.6%、57.0%和62.8%；3种植物浮床去除率显著大于对照浮床（P＜0.05）.试验表明，3种植物对污染水体均有很好的净化效果和一定的景观价值，可作为城市景观污染水体治理的优良物种而推广使用.

水生植物； 污染水体； 浮床； 净化效果

0 引 言

生态浮床技术具有效率高、投资少、运行费用低、可实现原位修复和控制污染物等特点，近年来得到广泛关注［1－3］.其净化机理是，通过在人工浮床上种植水生植物，利用植物对氮、磷等营养物的吸收作用、根系附着微生物对污染物的降解作用，达到净化水体的目的［4］.

目前，针对生态浮床的研究主要集中在浮床物种的选择、浮床植物的生长特性和浮床系统对污水的净化效果研究等方面［5－10］.关于浮床物种，应用到实际治理工程的已达几十种，如芦苇、空心菜、黄花水龙、水芹、灯芯草、香蒲和凤眼莲等.针对严重污染的城市河道景观功能特点，本文选择了3种耐污性能强、去污效果好、景观效果显著的水生植物，研究其对污染水体的净化效率，以期为城市严重污染的景观水体生态修复提供良好的物种选择和应用示范.

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验研究所选取的景观水生植物：香菇草（Hydrocotyle vulgaris）、睡莲（Nymphaea tetragona）和西伯利亚鸢尾（Iris sibirica）均购于上海市车墩花卉市场.将植物带回试验基地后用蒸馏水洗根，置于塑料盆中，用试验河水预培养7 d，选取生长大小一致的植株进行试验.

1.2 试验方法

试验地点位于国家“十一五”重大科技专项上海市试验基地.试验水体采自上海市普陀区工业河，该河主要污染源为生活污水.采集到的河水主要水质指标如表1所示，参照GB3838—2002［11］，该河水为劣Ⅴ类.

表1 试验水体水质Tab.1 Quality of experimental water

试验采用有机玻璃水箱（长70 cm×宽50 cm×高60 cm）水培浮床植物方式，共设计4组试验水箱，每组设3个平行.水箱盛放试验河水，水样体积为200 L，每组水箱水面上放置一块65 cm×45 cm、厚5 cm的聚乙烯泡沫板作为浮床，在浮床上按间距10 cm×10 cm开10个直径5 cm的定植孔，每孔定植2株植物，每组浮床植物湿重500 g，并用海绵辅助固定.第1组为只有浮床无植物的水箱作为空白对照，第2组为香菇草浮床系统，第3组为睡莲浮床系统，第4组为西伯利亚鸢尾浮床系统.试验于2009年4月15日～5月20日进行，试验周期为35 d，整个试验处于自然光照和温度下.试验中每7 d取样一次，测定水质指标，定期对植物生长指标进行测定，并且定时补充蒸馏水以消除由于蒸发和植物蒸腾作用水箱所散失的水分.

1.3指标测定

每次采样均在水箱的上部、中部和下部固定位置取水样并混合均匀，以消除抽样误差.化学需氧量（CODCr）：重铬酸钾法；氨氮（）：纳氏试剂分光光度法；总氮（TN）：过硫酸钾氧化—紫外分光光度法；总磷（TP）：钼锑抗分光光度法［12］；pH测定采用HI98127笔式pH计测定（HANNA中国公司）；DO测定采用YSI5100型便携式溶解氧测定仪（美国HACH公司）；植物生物量采用JT601N型电子天平称量.

2 结果与分析

2.1 植物生长情况

试验过程中3种植物均生长良好，叶片颜色鲜艳，均未出现死亡现象.但试验初期整株长度增加缓慢，栽种的1周后长出新根，4月中旬以后生长速度加快，分蘖旺盛.经过35 d生长，植株株高、根长等有显著增长.其中，香菇草单株分蘖数量最多；睡莲具有宽大的叶片，生物量大；西伯利亚鸢尾株高增长最快，整株长度达到32 cm，如表2所示.

表2 各浮床植物株高、根长及生物量的变化Tab.2 Changes of height，root and biomass of three floating-bed plants

由试验过程中植物的生长态势来看，香菇草、睡莲和西伯利亚鸢尾在污染水体中均保持较强的生命力，能够正常生长，同时3种植物均有很好的景观效应，因此在治理污染水体，特别是城市河道污染水体时可作为优势种而广泛使用.

2.2 各浮床系统对CODCr的去除效果

由图1可知，3种植物浮床系统对CODCr的去除均有明显的效果，而对照浮床系统中CODCr降解缓慢.试验结束时，香菇草、睡莲和西伯利亚鸢尾浮床系统中CODCr的浓度由初始的55.6 mg／L分别降低为12.1，15.3，20.1 mg／L，去除率达78.2%、72.5%、63.8%，而对照浮床系统CODCr浓度为32.7 mg／L，去除率与3种植物浮床系统存在显著差异（P＜0.05），仅为41.2%.研究表明，植物对CODCr的降解主要是依靠植物根系微生物的活动完成的，降解过程受水体温度、DO、水体微生物种类及数量等因素影响；通常，以水体中DO浓度＜0.20 mg／L、（0.20～1.0）mg／L和＞1.0mg／L为控制条件，发生厌氧降解、缺氧降解和好氧降解反应［13］.因此，本研究对CODCr的降解主要为好氧降解过程，同时植物浮床系统CODCr去除率显著大于对照，其原因可能是植物根系的存在有利于微生物大量附着，导致微生物数量和种群量均大于对照组.

2.3 各浮床系统对氮的去除效果

由图2可知，试验结束时，香菇草、睡莲和西伯利亚鸢尾浮床系统中TN的浓度由初始的15.42 mg／L分别降低为1.54、2.21、2.92 mg／L，去除率分别是90.0%、85.7%、81.2%.3种植物浮床系统对TN去除率均在80%以上，而对照浮床系统去除率显著低于植物系统（P＜0.05），仅为54.9%，说明植物存在显著提高了系统对TN的去除效果.

图1 3种植物浮床系统对CODCr的去除效果Fig.1 Removal effects on CODCrby floating-bed system of three plants

图2 3种植物浮床系统对TN的去除效果Fig.2 Removal effects on TN by floating-bed system of three plants

由图3可知，试验结束时，香菇草、睡莲和西伯利亚鸢尾浮床系统与对照浮床系统对的去除率分别是92.83%、89.97%、91.18%和65.86%.3种植物对去除率与对照组相比分别提高26.97%、24.11%和25.32%，这与王超等［13］对黄花水龙的研究结果类似.方差分析结果表明，3种植物浮床系统对去除效果与对照系统差异显著（P＜0.05）.研究表明，水体中的氨态氮去除的主要途径有以下三种［14］.

（1）氨挥发 氨挥发与水体pH关系密切，当pH为8.0～9.5时，氨挥发显著，当pH为7.5～8.0时，氨挥发可以忽略不计［15，16］.试验过程各试验系统的pH变化情况见表3，可知：对照浮床系统pH均值变化为8.1～8.8，氨挥发显著；香菇草浮床系统pH均值变化为7.2～8.0，氨挥发不显著，氨挥发不是该系统NH＋4－N去除的主要途径；睡莲浮床系统pH均值变化为7.1～7.4，不利于氨挥发，故该系统通过氨挥发去除很少，可以忽略不计；亚鸢尾浮床系统pH均值变化为7.6～8.4，可能氨挥发对该系统去除贡献较大.

图3 3种植物浮床系统对的去除效果Fig.3 Removal effects onby floating-bed system of three plants

表3 3种植物浮床系统的DO，pH和温度变化情况Tab.3 Changes of DO，pH and temperature in the experimental floating-bed systems

（2）硝化反应 硝化是将铵离子氧化为硝酸根的过程，有自养型好养微生物来完成，硝化反应受DO浓度、pH、温度、碳氮比以及微生物数量等因素影响.其中，硝化菌的最佳pH为7.0～8.5，同时硝化反应的DO浓度一般需高于2 m／L，温度对硝化反应也有重要影响，当温度低于15℃是硝化反应将受到明显抑制.由表3可知，香菇草浮床系统和睡莲浮床系统整个试验期间，水体温度分别为15.8～21.6℃和16.2～22.1℃，pH 分别为7.2～8.0和7.1～7.4，DO浓度分别为2.21～2.33 m／L和2.16～2.28 m／L，适宜硝化菌的生长，因此硝化反应是这两个浮床系统的去除的主要原因；西伯利亚鸢尾浮床系统，试验期间水体温度分别为16.4～20.4℃，在试验0～21 d，DO浓度为2.09～2.14 m／L，而22～35 d，DO浓度降低为1.35～1.65 m／L，因此该试验组在前21 d内降低硝化反应有重要关系，而22～35 d时，硝化反应将受到抑制；而对照浮床系统，由于试验期间pH变化范围为8.3～8.8，大于硝化细菌存在的最佳pH条件，因此对照浮床系统通过硝化反应去除有限.

（3）植物吸收 植物吸收的氮素主要是氨态氮和硝态氮，也包含一些小分子含氮有机物如尿素和氨基酸等.一般来说，植物同化吸收水体的氮素，植物体内氮积累量与植物生物量有很好的相关性，因此植物生物量的变化直接反应了从外界水体吸收养分的多少，所以可以通过生物量来评价植物对氮的吸收.试验过程中，3种浮床植物株高、根长和分蘖数均有显著增加，说明3种植物浮床系统通过自身同化吸收氮素作用显著.

图4 3种植物浮床系统对的去除效果Fig.4 Removal effects on by floating-bed system of three plants

后，通过厌氧微生物将硝酸根还原为分子氮，从系统中去除，因此反硝化反应需在厌氧或缺氧条件下发生.研究表明，当DO浓度≤0.50 mg／L时，仅发生反硝化反应；当DO浓度≥2.0mg／L时，仅发生硝化反应.本试验中，植物浮床系统由于植物光合作用以及呼吸作用将氧气从上部送至根系，经释放和扩散，根系周围呈现好氧环境，致使水体中DO浓度较高.同时，由于试验容器较浅，植物浮床系统，对照系统水体复氧能力均较强，香菇草和睡莲浮床系统的DO浓度始终高于硝化反应的最低要求，同时由于水体DO浓度较为均一，厌氧—好氧交替的环境较难形成，从而使得系统中硝化反应充分，而不利于厌氧型反硝化细菌的生长和繁殖，抑制了反硝化酶，使反硝化反应缓慢，因此导致这2组浮床系统浓度在试验前21 d左右大量积累.试验21 d以后由于水体中的绝大部分氨态氮已转化为硝态氮，因此试验后期浓度出现显著降低趋势，原因可能是在于香菇草和睡莲浮床系统对硝化作用的产物——硝态氮吸收同化所致.对照浮床系统浓度变化不大的主要原因是该系统硝化反应不明显，故的积累很少，其氮素主要是通过氨挥发而去除的.

2.4 各浮床系统对磷的去除效果

由图5可知，3种植物浮床系统对水体TP均有明显的去除效果.试验结束时，香菇草、睡莲和西伯利亚鸢尾TP浓度降低为0.27，0.37和0.32 mg／L，去除率达68.6%，57.0%和62.8%，而对照浮床系统去除率远远低于植物系统，仅为19.8%，与植物浮床系统存在显著差异（P＜0.05）.一般来说，浮床系统对磷的去除途径包括植物吸收、接触沉淀、过滤吸附作用和微生物固定等［17］.本试验中，由于浮床载体是泡沫板、水箱底部是塑料材质，故吸附作用去除磷可不予考虑，而对于对照系统而言，由于缺少植物的吸收，水体TP浓度的降低可能是沉淀、微生物降解起到重要作用，植物浮床系统去除率显著高于对照系统的主要原因可能植物对可溶性磷的同化吸收作用.3种植物中，睡莲浮床系统对TP的去除率最高，可能是由于睡莲对磷的吸附以及根系周围微生物对磷的固定作用更强.

图5 3种植物浮床系统对TP的去除效果Fig.5 Removal effect on TP by floating-bed system of three plants

3 结 论

（1）3种景观水生植物香菇草、睡莲、西伯利亚鸢尾在城市污染水体中均保持较强的生命力，其株高、根长和生物量均有显著增加，增长率表现为睡莲＞香菇草＞西伯利亚鸢尾.

（2）3种水生植物浮床系统对污染水体的水质净化效果显著.香菇草、睡莲和西伯利亚鸢尾浮床系统对CODCr的去除率分别为78.2%、72.5%、63.9%；对的去除率分别为92.8%、90.0%、91.2%；对TN去除率分别为90.0%、85.7%、81.2%；对TP去除率分别为68.6%、57.0%和62.8%.3种植物浮床系统对CODCr、、TN和TP去除率与对照浮床系统都有明显差异（P＜0.05）.

（3）3种水生植物可有效去除污染水体中的氮、磷等污染物质，生命力强，同时又具有很高的景观价值，因此在治理城市景观污染水体时可作为优势种广泛使用.

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Study on the purification effects of aquatic plant floating-beds for urban polluted water

ZHAO Feng1， ZHANG Yong2， HUANG Min-sheng1， WU Xiao-hui1，ZHANG Yi-fan1， HE Yan1

（1.Department of Environment Science，East China Normail University，Shanghai 200062，China；2.Anhui Institute of Architecture and Industry，Hefei 230022，China）

Three kinds of ecological floating-beds were made of Hydrocotyle vulgaris，Nymphaea tetragona and Iris sibirica，respectively，to study their purification effects on removing pollutants of urban polluted water.The experiment lasted for 35 days.The results indicated that the three aquatic plants were adaptable to grow in the urban polluted water，and their biomass，height and root increased significantly at the end of the experiment.The growth rates were Nymphaea tetragona＞Hydrocotyle vulgaris＞Iris sibirica.Three plants had strong ability to remove CODCr，NH＋4－N，TN and TP，which were higher than that in the control treatments（P＜0.05）.The removal rates of TN by Hydrocotyle vulgaris，Nymphaea tetragonaand Myr-iophyllum verticillatumwere 90.0%，85.7%and 81.2%，respectively.In addition，the removal rates of TP by Hydrocotyle vulgaris，Nymphaea tetragona and Myriophyllum verticillatum were 68.6%，57.0%and62.8%，respectively.Based on their significant effects on nitrogen and phosphorus removal，the three plants are recommended as species of aquatic plants in ecological restoration engineering of urban polluted water.

aquatic plants； polluted water； floating-bed； purification effect

X172

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2011.06.007

1000-5641（2011）06-0057-08

2010-12

国家科技重大专项（2009ZX07317-006，2009ZX07317-009）

赵丰，男，博士研究生.

黄民生，男，教授，博士生导师.E-mail：mshuang＠des.ecnu.edu.cn.