凤眼莲对黑臭水体污染物处理效果的研究

张华俊, 王 妙, 王广义, 苏 蕾,2, 周 刚, 张晓健

(1.广州资源环保科技股份有限公司,广东 广州 510601；2.广东中大环保科技投资有限公司,广东 广州 510601)

凤眼莲对黑臭水体污染物处理效果的研究

张华俊1, 王 妙1, 王广义1, 苏 蕾1,2, 周 刚1, 张晓健1

(1.广州资源环保科技股份有限公司,广东 广州 510601；2.广东中大环保科技投资有限公司,广东 广州 510601)

为研究凤眼莲在黑臭水体生态修复过程中的处理能力，于2016年3—9月，分别进行静态和动态黑臭水体模拟实验。研究表明：在静态水实验中，凤眼莲对TP和NH3-N表现出了良好的去除效果(86.6%，99.7%)，且随着实验时间的延长去除率逐渐增大，但对COD却表现出相反的规律；在动态水体实验中，凤眼莲表现出的污染物削减效率较静态水体低，平均1m2凤眼莲对NH3-N去除率为2.76%～19.44%，对COD去除率为2.35%～19.76%，对TP去除率为5.22%～30.57%，这与水体滞留时间有较大关系。实验证实凤眼莲用于黑臭水体修复是可行的，但要定期不间断地收割过剩的凤眼莲，带走其吸收的营养物质，从而提高总污染负荷去除量。

黑臭水体；生态修复；凤眼莲；污染物；削减能力

0 引言

我国城市水体正遭受严重污染威胁，其生态容纳量小、污染来源广、汛期水深流急、缺少自净功能等特点增加了修复难度。引进水生生物增加水环境生物多样性，恢复水体原有生态环境，是城市黑臭水体修复的重要一步。水生植物修复是目前净化污染水体关键技术之一，与传统物理、化学方法相比，具有环境友好、投资低、净化效果稳定、便于应用等优势，发展潜力巨大。

凤眼莲(Eichhoniacrassipes)是水生植物中研究最早同时也是实际修复工程中应用范围较广的水生植物，大量研究显示其是去除富营养化水体N、P效果最好的水生植物。近年来已广泛应用于生活污水、工业废水、富营养化湖泊、黑臭河道等水体处理中[1-5]。如在我国太湖、滇池及外港河等生态治理中得到了实际应用[3,6-8]。大量研究证明，凤眼莲对污染水体的净化效果明显优于任何一种水生植物[9-10]。在适宜条件下1hm2凤眼莲能吸收800人每天排出的氮、磷元素[11]。同时，凤眼莲的分泌物能克制藻类生长[11]。但凤眼莲大量繁殖会引起一系列生态、经济及社会问题[10]。由于凤眼莲速生快长且过度繁殖，其对水体环境质量的综合影响在水体生态修复工程实践中存在较大争议。当其覆盖整个水体时，会降低溶氧和透光度使其他水生动植物缺氧、缺光死亡，形成单优种群，占据土著生物生存空间，使土著种灭绝而导致生物多样性下降[3,13]。其死亡后根系吸附的悬浮物会重新释放入水体，其残体也会造成水体二次污染[6]。但有研究表明，凤眼莲衰亡期对富营养化水体的透明度、CODMn、TN、TP、NH4+-N 等指标仍然具有改善作用。其残体无论是在衰亡期(漂在水面) 还是在后续影响期(完全沉入水底)，均未对水质恶化造成明显的影响[14]。

因此在黑臭水体生态治理前期，在做好控制的前提下，可适当利用凤眼莲处理污染较严重水体，待水质提升后再改变水生物植物群落结构，逐步恢复河道生态系统。在用凤眼莲治理黑臭水体时，不仅要定期加以收集，还要找到对凤眼莲进行科学合理的后处理方法。在生态型河道治理过程中，一旦出现腐烂现象要及时打捞。同时在生长旺盛时，也要见机打捞过剩凤眼莲，以防过度拥挤而出现腐烂现象[15]。其可作畜禽的青绿饲料，也可通过技术处理将其制成干草粉等干饲料，还可用来制作沼气或有机肥料等，但要注意重金属污染问题[11]。通过在太湖、滇池流域进行凤眼莲高效控制性种植，利用其吸收水中氮磷，并通过机械化大规模采收，制成沼气、有机肥和饲料，不仅改善水体水质，还实现了凤眼莲的资源化利用[7,13]。

目前对凤眼莲处理污染能力的研究主要集中在低污染程度水体中[1]。在高污染程度黑臭水体处理中的研究应用少见报道。本研究系统研究了凤眼莲在静态和动态黑臭水体中的污染处理能力。

1 材料与方法

1.1 静态水体实验

取3个用自来水冲洗并晾干的白色塑料水桶(直径50cm，高60cm)为平行组，试验中保持水深40cm，标号分别为A、B、C，每桶加入40cm深的黑臭河道污水，用自来水将水葫芦清洗干净并晾干，分别称重。A、B、C放入相同数量的水葫芦且均匀铺满于试验桶水面，保证水葫芦在试验期间有足够的生长空间。阴雨天用篷布遮挡，以防降雨对实验的影响。对于蒸发和植物蒸腾作用引起的水体减少，适当补充自来水，试验周期为20d，每隔3d测量水样的TP、COD和NH3-N浓度。

1.2 动态水体实验

实验装置由2个相同大小聚乙烯塑料水箱构成。水箱长110cm，宽80cm，高100cm。河涌污水由潜水泵1抽入调节池，然后通过潜水泵2将调节池中的河涌污水抽入反应池，再通过反应池出水口排出。从反应池上部取水，整个过程控制水体流量为0.199m3/h，水力停留时间为4.42h。实验前，选取长势良好等大的水葫芦植株，进行适应性培养7d，然后从中选择植株长势良好、大小较一致的凤眼莲，去除黄叶、腐叶后放入反应池中，铺满。保持实验原设计水流，期间每天定时取调节池和反应池中水样1次，检测NH3-N、COD 及TP，实验持续时间约7d。

1.3 凤眼莲处理

李宝星也提出相关建议，他说：“申请注册的商标，凡不符合商标法有关规定或者同他人在同一种商品或者类似商品上已经注册的或者初步审定的商标相同或者近似的，由商标局驳回申请，不予公告。所以，及时关注商标局的公告信息至关重要，对于侵害商标专用权的初步公告商标，及时向商标局提出异议。以免’生米做成熟饭’另外，他还建议，企业为保护自己的商标权益可以注册防御性商标，即对与主商标相同或相似的商标进行注册，这在法律范围是允许的，也是企业的聪明之举。

凤眼莲采自河道周边池塘，选择生长健壮、无病害的植株。将其打捞上来后, 去除黄叶、腐根，选取大小、重量相近植株置于白色塑料桶中用自来水养殖备用。

1.4 分析方法

实验过程中定期采用移液枪采集水样于试管中直接测量。本研究所有水质化学指标由哈希分光光度计测得。

1.5 计算公式

去除率=(处理前浓度-处理后浓度)/处理前浓度×100%

2 结果与讨论

2.1 静态水体中处理能力

整个实验期间，水体pH呈现微弱增加趋势，由初始7.76逐渐升高至7.99。研究表明适宜凤眼莲生长的水体pH值为6.0～9.0[2]，该范围适合凤眼莲的生长，故整个实验期间并未出现凤眼莲死亡或枯萎现象。

由图2可知，在静态水体实验期间，水桶中COD前期表现出了较大的降幅，由38.67mg/L降至10mg/L，去除率高达74.1%。后期浓度虽有所增加但仍维持较低水平，去除率也相对降低。后期COD浓度有所增加，与凤眼莲根系生物死亡脱落有关，增加了有机质污染。与COD的变化不同，TP和NH3-N浓度变化均一直表现出较大的降低趋势。对TP而言，实验开始时，TP浓度为1.42mg /L。随着实验的进行，凤眼莲生长吸收大量磷元素，利用其合成了自身需要的有机物，7d后TP浓度下降至0.19mg /L，去除率高达86.6%。在实验期最后TP降至0.07mg/ L，表现出对P较好的去除效果，这也可能与部分磷盐沉入容器底部有关。NH3-N浓度的变化与TP一致，从初始的10.97mg /L，在第7d就降至3.17mg/ L，去除率高达 71.1%。到实验结束时，水体氨氮浓度降至0.03～0.04mg/ L，去除率高达99.7%。

通常情况下，凤眼莲优先选择吸收水体NH3-N，其促进了水体硝化、反硝化脱氮反应过程，是污染水体脱氮机理之一[7-8]。凤眼莲庞大的根系可为硝化、反硝化微生物提供繁殖生长根际环境，可通过根系向水体中分泌氧气和有机碳，其茎叶覆盖水面限制大气复氧及根系丰富的微生物活动强烈消耗氧气，这些都为生物的硝化、反硝化过程提供了好氧-厌氧交替的良好根际微环境，从而促进水体生物脱氮作用[2,4]。凤眼莲根系共生的硝化、反硝化细菌数量远远高于水体中，进一步说明了凤眼莲根系微生物可能是凤眼莲促进污染水体反硝化反应过程的主要贡献者[8]。

在实验后期，凤眼莲生长缓慢，这可能与营养盐的大幅降低有关。研究表明在缺乏氮磷的条件下，凤眼莲生长会受到明显抑制，且水体氮含量是限制凤眼莲生长的最主要因素，磷的影响相对较弱[2]。

2.2 动态水体中处理能力

凤眼莲对氮、磷元素有很高的耐受性。研究表明，只有水体氮浓度达到1514.26mg /L或水体中磷浓度达到 200.4mg /L时，凤眼莲才会死亡，说明凤眼莲具有超强的耐污能力[6]，可在可控前提下应用在黑臭河道治理中。从图3可知：凤眼莲植株数量明显增多；总体来说，实验期间黑臭河道水体中化学需氧量、总磷、氨氮均有不同程度的降低，尤其是在9月20和23日这2天，NH3-N、COD和TP浓度降幅最大，其余时间段凤眼莲对各营养盐去除效果不是很明显，这可能与动态水流速度不稳定及天气情况有关。根据研究结果初步估算，在7d内，凤眼莲对水体中各营养盐去除效果，对NH3-N去除率约为2.76%～19.44%，对COD去除率约为2.35%～19.76%，对TP去除率约为5.22%～30.57%。该范围同王锦旗等研究结果一致，其研究发现：在流动水体中，凤眼莲在重污染水体流动约500m 后，平均TN、TP、BOD5含量分别降低 11.93%、4.93%、18.98%[10]。

以上研究结果表明，凤眼莲具有良好的净化水体、去除黑臭水体中营养物质的能力，黑臭水体在一定污染浓度范围内也为凤眼莲的生长与繁殖提供了营养物质。由此可见，如能将凤眼莲的发生范围控制在一定区域内，它将大大减轻水体污染状况，从而以危害性最低的生物修复方法来实现对黑臭水体的净化。

2.3 动静水体去除率对比分析

由图4可知，在静态水体中，凤眼莲对TP和NH3-N表现出了良好的去除效果，且随着实验时间的延长去除率逐渐增大。但对COD的去除效果却表现出相反的规律。这可能与后期水葫芦植物体或根系附作物衰老死亡剥落有关。研究表明：凤眼莲对污水中 N、P 等营养物的净化效率与污水中N、P 营养的浓度负荷有很大相关性。随着 N、P 浓度负荷的增加，风眼莲对N、P的去除亦增加，但若N、P浓度负荷太高，超过凤眼莲的吸收速度，则净化效率反而下降[1,4]。前期实验污水各营养盐浓度较高，吸收率较低，随着污染物的逐渐吸收削减降低，后期植物对营养盐的吸收越来越高，故营养盐的吸收率逐渐表现为升高。此外也与大苗龄凤眼莲对水体氮去除率更高有关[16]。

但在流动水体试验中，凤眼莲表现出的污染物削减效率并不理想，平均每1m2凤眼莲对NH3-N去除率约为2.76%～19.44%，对COD去除率约为2.35%～19.76%，对TP去除率约为5.22%～30.57%。这与水体滞留时间有较大关系，水力负荷是影响污水净化系统N、P去除的一个重要因素。一般水力负荷越小，污水的停留时间就越长，N、P去除效率越高。凤眼莲净化系统对水体N、P的去除率随水力负荷的提高而降低[1]。

实验证实凤眼莲用于黑臭河道修复是可行的，但必须因地制宜，保证营养够投放的生物量所需。在净化阶段，要定期不间断地收割过剩的凤眼莲，带走其吸收的营养物质，从而提高总污染负荷去除量，并及时打捞腐烂有机体，以防其溶解释放导致水体水质二度恶化。在凤眼莲生长初期，其生长速度快、吸收氮磷效率高，应增大凤眼莲种苗的用量，在控制性种植的前提下给予足够的繁殖空间，控制性种植区域内植株个体出现拥挤时，应及时收获部分凤眼莲，通过控制生物量为植物快速生长创造优良条件，将植物吸收作用发挥到极限。 实际种养过程中，建议每隔 14～21d收获 1次凤眼莲，以获取更高的凤眼莲生物量，从而达到提高其净化效果的目的[1]。利用凤眼莲进行生态修复过程中，要区别水体环境，对流动水体，凤眼莲盖度可达100%，对静止水体，可通过定期打捞的方式，控制其盖度(不超过 50%为宜)，既可不影响水体复氧，又可不影响其他水生生物生长繁殖，还可有效地去除水体营养盐，起到净化水质、美化环境的作用[10]。

3 结论

在静态水体中，凤眼莲对TP和NH3-N表现出了良好的去除率，且随着实验的持续去除率逐渐增大，但COD却表现出相反的规律。

在动态水体中，凤眼莲表现出的污染物削减效率较静态水体中低，平均1m2凤眼莲对NH3-N去除率约为2.76%～19.44%，对COD去除率约为2.35%～19.76%，对TP去除率约为5.22%～30.57%。这与装置中水体滞留时间有较大关系。

实验证实凤眼莲用于黑臭河道修复是可行的，尤其在静态水体中效果更好。在工程实践中，采用其净化水体时建议将其布置在流速较低的缓流区域。

[1]张志勇, 郑建初, 刘海琴, 等. 凤眼莲对不同程度富营养化水体氮磷的去除贡献研究[J]. 中国生态农业学报, 2010, 18(1): 152-157.

[2]张迎颖, 张志勇, 王亚雷, 等. 滇池不同水域凤眼莲生长特性及氮磷富集能力[J]. 生态与农村环境学报, 2011, 27 (6) : 73-77.

[3]吴富勤, 申仕康, 王跃华, 等. 凤眼莲种植对滇池水体环境质量的影响[J]. 生态科学, 2013, 32(1): 110-114.

[4]高岩, 马涛, 张振华, 等. 不同生长阶段凤眼莲净化不同程度富营养化水体的效果研究[J]. 农业环境科学学报, 2014, 33(12):2427-2435.

[5]Casabianca M L D, Laugier T, Posada F. Pertoliferous wastewater treatment with water hyacinth: Experimental statement [J]. Waste Management, 1995, l5(8): 651-655.

[6]胡长伟, 孙占东, 李建龙, 等. 凤眼莲在城市重污染河道修复中的应用[J]. 环境工程学报, 2007, 1(12): 51-56.

[7]Reddy K R, Tucker J C. Productivity and nutrient uptake of water hyacinth, Eichhornia crassipes I. Effect of nitrogen source [J]. Economic Botany, 1983, 37(2): 237-247.

[8]高岩, 易能, 张志勇, 等. 凤眼莲对富营养化水体硝化、反硝化脱氮释放N2O的影响[J]. 环境科学学报, 2012, 32(2): 349-359.

[9]张志勇, 常志州, 刘海琴, 等. 不同水力负荷下凤眼莲去除氮 、磷效果比较[J]. 生态与农村环境学报, 2010, 26 (2) : 148 -154.

[10]王锦旗, 郑有飞, 宋玉芝, 等. 不同盖度凤眼莲对 2 种水流模式下水体净化效果比较[J]. 生态环境学报,2012, 21(1): 124-129.

[11]齐玉梅, 高伟生. 凤眼莲净化水质及其后处理工艺探讨[J]. 环境科学进展, 1999, 7(2): 136-140.

[12]孙文浩, 余叔文, 杨善元, 等. 凤眼莲根系分泌物中的克藻化合物[J]. 植物生理学报, 1993 , 19 (1): 92-96.

[13]李博, 廖成章, 高雷, 等. 入侵植物凤眼莲管理中的若干生态学问题[J]. 复旦学报 (自然科学版),2004, 43(2): 267-274.

[14]强蓉蓉, 王国祥, 张利民, 等. 凤眼莲死亡对湖泊水质的持续性影响分析[J]. 中国环境监测, 2005,21(1): 24-27.

[15]朱红钧. 凤眼莲生态型河道水质的净化效[J]. 化学工业与工程, 2008,25(3): 242-247.

[16]马涛, 易能, 张振华, 等. 凤眼莲根系分泌氧和有机碳规律及其对水体氮转化影响的研究[J]. 农业环境科学学报,2014, 33(10): 2003-2013.

Study on Pollutants Treatment Capacity of EichhorniaCrassipes inthe Ecological RestorationofBlack and Odorous Water Body

ZHANG Hua-jun1, WANG Miao1, WANG Guang-yi1, SU Lei1,2, ZHOU Gang1, ZHANG Xiao-jian1

(1. Guangzhou Resource Environmental Protection Technology Co.,Ltd , GuangzhouGuangdong 510601, China)

In order to study the treatment capability of Eichhorniacrassipes in black and odorous water body ecological restoration, static and dynamic black and odorous water simulations were conducted to quantify their ability to remove nutrients in March to September, 2016. The results showed that the removal efficiency of TP and NH3-N was high in the static water, and the removal rates increased with the progress of the experiment, but COD showed the opposite regularity. In dynamic water, Eichhorniacrassipes showed lower treatment capability than that in static water, the average removal rate of NH3-N was about 2.76-19.44%, the COD removal rate was about 2.35-19.76% and TP removal rate was about 5.22-30.57%, which indicated a greater relationship with the water retention time.The experiment proved that Eichhorniacrassipes was feasible for the restoration of the black and odorous water body, but it must be adapted to the local conditions to ensure that the nutrients needed to put in the biomass. The continuous and regular harvest of excess Eichhorniacrassipesshouldbeensured to take away its absorption of nutrients.Thereby increasing the total pollution load removal and timely salvage of rotting organisms were necessary to prevent the dissolution of the release of water leading to deterioration again.

black and odorous water body; ecological restoration; Eichhoniacrassipes; pollutants; treatment capability

2017-02-14

广州市科技计划科技攻关项目(201300000117)；广州市科技计划产学研协同创新重大专项项目民生科技研究(201508020077)。

张华俊(1983-), 男, 博士, 主要从事水环境生态修复工程设计与研究。

张华俊, 博士, 主要从事水环境生态修复工程设计与研究。

X52

A

1673-9655(2017)04-0031-04