不同水深条件下的青萍除氮效果试验

2014-11-15刘璐嘉

江苏农业科学 2014年9期

摘要：以长江三角洲地区的浮萍优化种质——青萍为试验材料，研究不同水深条件下青萍的除氮效果与氮素在不同水层中的浓度变化情况。结果表明，随着水深的增加，下层水体处于厌氧状态，厌氧产酸作用使得水体pH值随试验时间的增加而降低；水越浅，硝态氮浓度的平均下降速率越快，且去除率越高；总氮浓度与硝态氮浓度的下降规律大致相同。综合试验结果可知，从同一水深处理下各水体不同水层硝态氮、总氮浓度的变化情况看，水体中硝态氮、总氮浓度随着深度的增加均呈现出较稳定的变化趋势。

关键词：青萍；水深；水层；除氮效果；富营养化水体；污染治理

中图分类号： X52文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0344-04

收稿日期：2013-11-01

基金项目：江苏省自然科学基金重点项目（编号：BK2010041）；江苏省水利科技项目（编号：2010012）。

作者简介：刘璐嘉（1989—），女，浙江舟山人，硕士研究生，主要从事农业水土环境方面的研究。E-mail：liulujia0516@126.com。

通信作者：周明耀，教授，博士生导师，主要从事农田灌溉排水理论与技术方向的研究。E-mail：myzhouyz@163.com。在富营养化污水净化处理中，利用水生植物进行生态修复是一种经济、简便和有效的技术手段[1-2]。近年来的研究发现，与其他水生植物相比，浮萍具有高氮磷吸收能力、增殖快速、易收获且后续利用价值高等优势，因而受到广泛关注[3-4]。目前，国内外学者已相继开展了浮萍的相关研究工作，主要集中在适合富营养化水体修复的优势萍种筛选[5]，浮萍净化氮磷污水的机理[6-7]及途径研究[8]，影响浮萍生长及去除氮磷能力的各项因素研究[9-14]，以及富营养化水体浮萍修复技术的应用研究[4，15-16]等方面。然而目前开展的大部分浮萍试验研究均是小规模试验，所采用的培养装置大多是容积为250～1 000 mL的小容积烧杯，在此生长条件下浮萍所表现的氮磷吸收能力均较强，但是离实际工程应用还有较大的差距。由于浮萍科植物是一类以漂浮为主的水生被子植物，一般多生长在水流平缓或静止的沼泽、河湖水面上，植物体很小，缺少发达的根系，主要通过叶状体或根部吸收水体中的氮磷等营养物质，且因其表面积较小，附着的微生物也相对较少，从而使其净水效果受到了一定程度的限制[17]。本试验通过研究不同水深条件下浮萍的除氮效果及其作用的水深范围，以期为富营养化水体浮萍修复技术的推广应用提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验材料为长江三角洲地区广泛分布的浮萍优化种质——青萍，挑选经扩大培养的健康青萍植株体，漂洗后使用。采用人工配制的Hoagland完全营养液为试验水体，营养液中无铵态氮（NH+4-N）存在，氮素全部以硝态氮（NO-3-N）形式存在，氮浓度为99.4 mg/L，磷浓度为15.5 mg/L，氮磷比例为6.4 ∶1，氮、磷含量与高浓度有机废水相近。

1.2试验设计

制作直径为20 cm，高度分别为15、25、45、85 cm的圆桶作为培养容器，根据试验要求沿桶壁每隔一定距离设置取水阀，使桶内水深分别达到10、20、40、80 cm，以分层采集水样，每组水深试样设3个重复。根据前期的试验研究结果，每只桶中放养水面覆盖率约为80%的青萍，在温室条件下进行培养，水温为20～25 ℃，水样的pH值范围为6.4～6.7，室内湿度60%。

在试验开始的第1周，每隔3d吸取一定量水样测定pH值、NO-3-N、总氮（TN）浓度，之后每隔7 d测定1次水体的pH值、NO-3-N、TN浓度，并记录浓度的变化情况，取样后补充对应体积的营养液以维持原体积。水样的采集在静止状态下进行。设定收割周期为3 d，收割量为20%表面积的浮萍生物量。于每天12：00记录温室内的气温和光照强度，试验过程中每天用蒸馏水补充培养容器中蒸发的水分，使水样体积维持在原位。

1.3测定项目及方法

水质分析方法参照《水和废水监测分析方法》[18]。试验中测定结果为3个平行试验结果的平均值。

2结果与分析

2.1不同水深对浮萍除氮效果的影响

2.1.1水深对水体pH值的影响适合浮萍生长的水体pH值范围较广，一般在5.0～9.0之间，而不同品种的浮萍对水体pH值的适应性也有所不同。水体深度的改变势必导致水环境pH值的变化，从而影响浮萍的生长状况，进而影响浮萍的除氮效果。试验期间不同水深处理下各水体的平均pH值变化情况见图1。由图1可以明显看出，水深为10、20 cm水体的pH值呈现出先下降后上升的趋势，且pH值下降的速率随水深的增大而减小；而水深为40、80 cm的水体pH值则呈现出逐渐下降的趋势；在试验结束时，水深为10、20、40、80 cm 水体的pH值分别为7.1、6.5、6.0、6.3。结果表明，10 cm 水深的水体基本上处于好氧状态，在硝化反应、浮萍吸收氮素及气态氨的挥发等综合作用的影响下，水体pH值在一定时间范围内呈下降趋势[5]；随着水深的增大，水体中溶解氧浓度降低，从而限制了硝化反应；对于水深为40、80 cm的水体而言，水深的增大使水体与大气相接触的比表面积相应减小，且会导致较深水体（40、80 cm）的下层水体处于厌氧状态，而厌氧产酸作用在一定程度上影响了水体的pH值，使得水体的pH值随时间的增加不断下降。

2.1.2水深对NO-3-N去除效果的影响不同水深处理下各水体NO-3-N平均浓度变化情况见图2。从图2可以看出，在不同水深水体中，NO-3-N浓度在试验开始后的1周内均出现一个迅速下降的阶段，但在整个下降的过程中，NO-3-N浓度下降的速率呈现出逐渐减缓的趋势。试验结果表明，随着水深的增加，NO-3-N浓度下降速率明显降低，可能由于青萍对水体中NO-3-N的吸收能力有限，因而其吸收速率并不会随着污染负荷的加大而增加；而且，随着青萍生长进程的加快，水体与大气相接触的比表面积减小，使得气态氨的挥发受到一定的抑制。endprint

水体中NO-3-N浓度平均下降速率及去除率见表1。由表1可以看出，NO-3-N浓度的平均下降速率及去除率随水深的减小而升高，原因是相同污水浓度下，浮萍系统单位面积所承载的污染负荷与水深呈线性关系，水深越小的浮萍系统对污染物的去除效果越明显。试验水体NO-3-N在浓度高达 994 mg/L 的情况下，青萍植株的生长依然健康，叶状态饱满、颜色鲜绿、个体较大，且未发现病态植株，表明青萍对高浓度NO-3-N水体环境的适应性很强，因为青萍能够将多余的高浓度NO-3-N暂时储存于液泡中，并不妨碍细胞内的离

2.1.3水深对TN去除的影响图3为不同水深处理下各水体TN平均浓度变化情况。由图3可以看出，试验初期水体的TN浓度均随水深的加大呈下降趋势，且下降速率较快；在试验后98 d，经计算，水深为10、20、40、80 cm水体中的青萍对TN的去除率分别达到36.34%、27.71%、26.23%、2080%。随着试验时间的推进，TN浓度总体上稳步下降，且TN浓度的下降速率随着水深的增大而减缓；在试验后176 d，水深为10 cm水体中的TN浓度出现上升现象，这可能是由于部分青萍死亡，导致体内氮素释放而重新进入水体中引起的；在试验后期，水深为10 cm的水体中的青萍对TN的净化效果最好，经计算，它们对TN的去除率达到58.33%。

试验期间水体中TN浓度的平均下降速率及去除率见表2。由表2可以看出：TN浓度的下降规律与NO-3-N浓度的下降规律大致相同，即水越浅，TN浓度的平均下降速率及去除率越高。

2.2同一水深条件下不同水层的pH值及氮浓度分布情况

2.2.1不同水层pH值的变化情况图4表明，同一水深处理下，不同水层pH值平均值的变化具有一定的规律性：从整体趋势上看，随着深度的增加，10～80 cm水深的水体pH值大致呈现出逐渐减小的趋势；水深较浅（10、20 cm）水体的pH值随深度减小的速率较缓慢，但波动较大，而水深较深（40、80 cm）水体的pH值随深度减小的速率则相对较快。出现上述现象的原因主要与水体和大气相接触的比表面积相关，因为水深较浅（10、20 cm）的水体基本上处于好氧状态，大气复氧速率相对于水深较深（40、80 cm）的水体快，且随着水体深度的增加，下层水体基本上处于厌氧状态，厌氧产酸作用使得pH值不断减小。

2.2.2不同水层NO-3-N浓度变化情况同一水深处理下水体不同水层NO-3-N浓度变化情况见图5。从整体趋势上看，10～80 cm深度水体的NO-3-N浓度变化随着深度的增加均呈现出较稳定的趋势，伴随着少许的波动；水深较浅（10、20 cm）水体的NO-3-N浓度随深度变化的幅度比水深较深（40、80 cm）水体小（图5）

。出现上述现象的原因主要是生长于较浅水体（10、20 cm）的青萍对NO-3-N的吸收能力相对较强，青萍根系区域的NO-3-N浓度下降速率相对较快，下层水体中的NO-3逐渐扩散至水体表面，且扩散速率随水深的增加而减小，直至为零。当水体内NO-3浓度保持一致时，青萍对NO-3-N的吸收能力决定了整个系统的吸收速率。

2.2.3不同水层TN浓度的变化情况由图6可知：同一水深处理下水体不同水层TN浓度的变化规律与NO-3-N浓度的变化规律大致相同；10～80 cm水深处理下水体的TN浓度变化也均随着深度的增加呈现出较稳定的趋势，伴随着少许的波动。水深较深（40、80 cm）水体的TN浓度随深度的波动比水深较浅（10、20 cm）水体大，原因可能是生长于较浅水体（10、20 cm）的青萍根系区域附近的TN浓度因根系相对较强的吸收速率而下降，较高的垂直浓度梯度促使下层水体的氮素扩散至水体表面，且扩散速率随水深的增加而减小，直至为零。因此可以看出，水体TN浓度的变化将保持一个动态平衡，即当TN的垂直浓度差为零时，青萍对TN的吸收能力决定了系统的净化速率。

3结论

水深的增大会使水体与大气接触的表面积相对减少，从而使得溶解氧浓度降低，导致下层水体处于厌氧状态，在产酸细菌的作用下，水体的pH值降低，当pH值降低到一定程度时会影响浮萍的生长，从而限制浮萍对氮素的吸收，降低了对氮素的去除效果。因此，对于水深较大的水体，可以考虑对其进行搅拌以缓解厌氧反应，使水体pH值基本处于适合浮萍生长的范围。

当污水浓度和水体表面积一定时，如果浮萍生长密度相同，单位面积的浮萍所承载的污染负荷与水深呈线性关系。从NO-3-N、TN的去除效果看，单位面积的浮萍系统所承载的污染负荷随水深的减小而降低，使得NO-3-N、TN浓度的平均下降速率及去除率相应升高。因此，建议可采用浅水浮萍系统（水深在20 cm左右）处理小体积富营养化污水。

从某一水深处理下各水体不同水层NO-3-N、TN浓度的变化情况看，水体中NO-3-N、TN浓度随着深度的增加均呈现出较稳定的趋势，伴随着一定的波动。由于浓度梯度的存在，使下层水体的氮素扩散至水体表面，扩散速率随着水深的增加而减小直至水体中氮素浓度基本保持一致。当氮素的垂直浓度差为零时，青萍对氮素的吸收能力决定了整个系统的净化能力。在实际工程应用中，建议采用深水浮萍系统（水深大于40cm）处理大体积氮磷污水，可考虑增加一些必要措施如搅拌、曝气等来加速氮素的扩散作用，从而提高浮萍对氮素的吸收速率。

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