城市内河水生植物脱氮除磷效果比较研究

戴肖云 钟睿 张晓燕 张建勋 栾兰

摘要：本文以江苏省苏州市某乡镇河道作为研究对象，基于苏州地区的气候条件和该河道水体污染的现状，通过实验室模拟实验、筛选优势植物及氮磷去除效果较好的修复技术，并且对筛选出的优势植物进行春秋两季的氮磷去除效果比较。结果表明：浮水植物（圆币草和聚草）更适宜于本地区的气候和水文地质特征，适于生态修复选用。此外，无论春季还是秋季，浮水植物（圆币草和聚草）均优于挺水植物（黄花鸢尾、花叶芦竹、芦苇、水培冬青、千屈菜）的脱氮除磷效果；聚草和圆币草在春季脱氮除磷效果明显优于秋季；净化浮岛（圆币草、聚草）、人工湿地（芦苇、黄花鸢尾、千屈菜）和浮岛式湿地（花叶芦竹和水培冬青）三种修复技术中，净化浮岛技术的脱氮除磷效果相对较好。基于以上结论，建议在河道驳岸采用间歇方式布置净化浮岛，植物主要以圆币草和聚草为主，同时可辅以其他水生植物来强化净化效果和景观效应，如：黄花鸢尾、芦苇、千屈菜等。

关键词：水生植物；氮磷；净化浮岛；浮岛湿地；人工湿地

中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）05-0110-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.066

Abstract： This study selected a township in Suzhou City， Jiangsu Province as the research object. Based on the understanding of the climatic conditions in Suzhou area and the current state of the water pollution in the river，Through laboratory simulation experiments， dominant plants and restoration technologies with better removal of nitrogen and phosphorus were screened， and the removal effects of nitrogen and phosphorus in different spring and autumn seasons for the dominant plants were compared.Research indicates： Floating plants （Yuan currency grass and poly grass） was more suitable for the Suzhou regions climate and hydrogeological characteristics， and which was suitable for the selection ofecological restoration project. Compared withemergent plants（yellow iris， themosaicof Arundo donaxreed， hydroponicholly and Lythrumvegetables），in springorfall， the floating plants（Yuan currencygrass and polygrass） had a better removal rate. The removal rate of poly grass androundcoingrass in spring were higher than infall. The result about the removal rate of nitrogen and phosphorus of purification floating island（Yuan currencygrasspolygrass）， artificialwetlands （reed， yellow iris， Lythrum salicaria）and floating islandwetlands（mosaicof Arundo donaxandhydroponicholly） indicated that the removal efficiencyof purification thefloating islandwasbest，respectively.Based on the above research findings， it is suggested that the floating islands should be arranged in an intermittent manner on the river bank revetment. The plants mainly consist of Cochinchinensis and agro-grass， and can be supplemented with other aquatic plants to enhance the purification effect and landscape effect， such as： yellow flower iris， Reeds， Lythrum， etc.

Key words：Aquatic plants；Nitrogen and phosphorus；Clean floating island；Floating Island Wetland；Artificial wetland

水体富营养化是我国江河、湖泊、水库等地表水体的重要水环境问题之一，而水体中过高的氮、磷浓度是引起水体富营养化的主要原因。关于氮、磷引起的水體富营养化的生态修复研究有很多，主要有植物净化技术、人工湿地技术、净化浮岛技术等。韩照祥[1]种植美人蕉辅以空心菜、旱伞草在太湖典型富营养化水域进行试验，研究表明，通过收割植物去除的氮、磷总量远远超过其基础总量，磷的最高去除量高出近40倍，水质均由原来的劣V类上升到Ⅱ类，透明度从原来的45cm增加到180cm以上。鲁敏等[2]对武汉地区7种常见湿地植物（香蒲、美人蕉、灯芯草、芦苇、菖蒲、茭白和黄花鸯尾）对生活污水的处理效果进行了研究，结果表明，停留时间为1d时，各种植物的人工湿地对CDDcr、TN、TP和浊度有明显的去除。李希等[3]利用浮岛无土栽培的方法，把人工水桶作为模拟场所，通过在桶内加入的生活污水，向桶内移植混合水生植物，研究植物对水体中TN、TP、COD等的吸收和吸附作用，结果表明混合型植物人工浮岛对TN、TP、COD等污染物的去除效果比单一植物要好，COD的去除率也达到80%，对处理生活污水具有广阔的应用前景。

但生态修复法的应用还存在一些问题，比如不同植物对污染物的吸收和水体净化效果差异较大，而且对于同一种植物来说，在不同的地区去除效果也明显不同，因此要根据当地的水文地质气候等特征选取植物。本研究选取江苏省苏州市某乡镇河道作为研究对象，基于苏州地区的气候条件和该河道水体污染现状的充分认识，通过实验室模拟实验，筛选优势植物及氮磷去除效果较好的修复技术，并且对筛选出的优势植物进行春秋两季不同季节的氮磷去除效果比较，以期为生修复工程的选择提供参考。

1 实验方法

1.1 水生植物的选择

根据植物生长能力、对氮、磷的吸附能力、耐污性，并查阅国内外相关资料，选取人工湿地（芦苇、黄花鸢尾、千屈菜）、浮岛式湿地（花叶芦竹、水培冬青），净化浮岛（圆币草、聚草），共计7种修复植物，进行实验室模拟试验。水生植物的选择主要遵循以下几个原则[4]：

（1）适应性原则，所选择的水生植物对苏州地区的气候条件，水文地质特征具有较强的适应能力。（2）较强净化能力原则，优先考虑对氮磷污染物去除效果较好吸附能力的。（3）耐污能力、抗虫能力强。（4）可操作性原则，所选物种繁殖能力强，栽培容易，管理收获方便，具有美化景观的功能。

1.2 修复实验程序设计

实验前对该河道水质进行监测，监测结果如下（表1）：

实验共分为三组，包括植物筛选、评价降解效果；净化浮岛、浮岛湿地、人工湿地净化效果评价；不同季节去除量的比较。以筛选出不仅能适应苏州地区气候及水文地质条件，而且对氮磷污染物去除效果较好的水生植物，为生态修复工程提供实验参考。具体方法如下：

1.2.1 植物筛选、降解效果评价

本实验从该河道中取回水生植物和水样，在高为29cm，底径为23cm，顶面直径为30.5cm的红色半透明水桶放入同样体积的水样，并将取回的水生植物移入桶中，并用打有孔洞的白色塑料泡沫板固定。实验设在带有塑料棚顶的大棚下，相当于露天条件下的光照和温度，但不会被雨淋。实验进行30d，前两天为适应期，第3d（零点）、第5d（初期）、第15d（中期）、第30（后期）d采集水体。

1.2.2 净化浮岛、浮岛湿地、人工湿地技术净化效果评价

从该河道取水样及三种修复技术的代表性植物：人工湿地（芦苇、黄花鸢尾、千屈菜）、浮岛式湿地（花叶芦竹和水培冬青）、净化浮岛（圆币草、聚草）。分别置于长100cm，宽70cm，高80cm的水箱内进行培养，用打有孔洞的白色塑料泡沫板固定。自然光照温度下模拟静态实验（避免雨水）。实验进行30d，前十天每隔3d采样，以后每隔5d采集水体样品。

根据“不同植物的筛选，净化浮岛、浮岛湿地、人工湿地技术净化效果比较的”的结果，选取优势植物，比较其春季生长旺盛期和秋季稳定期对氮磷的去除效果。具体步骤同1.2.1。

1.3 监测指标及分析方法

监测指标主要包括：总磷、总氮、氨氮、COD、SS。其测定方法如下：

总磷的测定：取一定量的水样，采用过硫酸钾消解，对消解好的样品采用钼酸铵分光光度法测定总磷。（GB 11893-89）。

总氮的测定：采用过硫酸钾消解，用紫外分光光度法进行测定总氮（HJ670-2012）

氨氮的测定：采用钠氏比色法（HJ535-2009）

COD的测定：采用重铬酸钾法测定（GB/T 11914-89）

SS的测定：采用滤膜法测定（GB/T11903-1989）

经测定，实验前水体中总磷为0.54mg/L，总氮为3.72mg/L，氨氮为0.937mg/L，COD为106mg/L，SS为44mg/L。

2 结果与讨论

2.1 植物筛选，降解效果评价

2.2.1 植物的生长状况

试验初期（前3d），千屈菜表现出叶片失水萎蔫，最后茎叶开始腐烂，出现死亡现象。故在后续实验中将千屈菜淘汰。水培冬青和花叶芦竹长势不好，出现叶片发黄，叶片凋落现象。其余植物在试验期间一直生长旺盛，每株植物都有新叶发出，植物根系生长良好，尤其以圆币草和聚草最为突出，芦苇由于植株较高，发生倒伏。植物的生长状况间接反应了植物的耐污能力及适应气候的能力。

2.2.2 植物对各污染物的去除效果

从图1中可以看出，各种水生植物对污染物的去除均有明显的效果，去除率分别为：总氮25.5%～37.9%，总磷36.8%～80.1%，COD47.2%～81.1%，氨氮5.4%～85.9%，SS22.7%～77.3%。其中水培冬青去除效果相对较差，去除率分别为：总氮25.5%、总磷26.8%、COD47.2%、氨氮5.4%、SS22.7%。圆币草和聚草对污染物的去除效果比较好，去除率分别为：总氮37.9%和34.1%，总磷80.1%和73.5%，COD81.1%和74.8%，氨氮80.6%和85.9%，SS59.1%和77.3%。是因为圆币草和聚草是浮水植物，浮水植物通过根部吸收底质中的氮磷，具有比挺水植物更强的富集氮磷的能力；且其有着巨大的生物量，与环境进行着大量的物质和能量的交换，形成了十分庞大的环境容量和强有力的自净能力。而挺水植物（黄花鸢尾、芦苇、花叶芦竹）去除效果不如圆币草和聚草，是因为挺水植物必須在湿地、浅滩，湖岸等处生长，即合适深度的繁衍场所，具有很大的局限性。从对单种污染物的去除来看，水生植物对总氮的去除效果要比对其他污染物的去除效果差，去除率均在40.0%以下。

2.2.3 净化浮岛、浮岛湿地、人工湿地修复技术净化效果评价

从图2可以看出，3种修复技术对5种污染污染物均有明显的去除效果，其平均去除率分别为：总氮75.0%，总磷71.1%，氨氮82.0%，COD61.4%，SS 71.2%；净化浮岛的去除效果相对较好，去除率分别为：总氮87.6%，总磷71.3%，氨氮87.6%，COD 97.5%，SS 81.8%。从对单种污染物质的去除来看，浮岛式湿地对COD的去除率最差，仅为1.9%，可能是由于水培冬青和花叶芦竹水体的环境适应力较差，最终导致长势不好，出现叶片发黄，叶片凋落现象，叶片掉入到水体中，腐烂，增加了COD的含量。

2.2.4 不同季节去除量的比较

从表2、表3中的数据可以看出，相较于秋季，春季聚草和圆币草的去除效果好于秋季（除聚草对SS及圆币草对COD的去除率外），春季聚草和圆币草对总磷去除率比秋季分别高出3.2%和5.0%、总氮10.5%和1.3%，氨氮10.5%和15.6%。由于秋季植物生长力较差，有的植物会逐渐枯萎死亡，植物的残体在水中会逐渐腐烂，释放出大量的有机物和营养盐，有时还伴随大量藻类生长，造成水体的二次污染。而春季，植物的生长状况和代谢活动旺盛，具有较强的吸附水体中污染物的能力；且春季微生物具有较强的活性、生长繁殖能力，以及植物根区微生物的群落、种类和数量在春季也显著增加，因此，春节去除效果要好于秋季。

从表2、3中还可以看出，圆币草和聚草无论在春季还是秋季对各污染物的去除效果均非常接近。

3 结论

通过植物的筛选、净化效果评价，净化浮岛、浮岛湿地、人工湿地技术净化评价，不同季节的去除效果比较，得出以下结论：

圆币草和聚草相较于黄花鸢尾、芦苇、花叶芦竹和水培冬青这四种植物来说，更适应研究区的气候条件，水文地质状况，生长旺盛；同时对污染的去除效果也比其他水生植物要好。去除率分别为：总氮37.9%和34.1%，总磷80.1%和73.5%，COD81.1%和74.8%，氨氮80.6%和85.9%，SS59.1%和77.3%。 净化浮岛技术相较于浮岛湿地、人工湿地技术来说，对氮磷去除效果较好。去除率分别为：总氮87.6%，总磷71.3%，氨氮87.6%，COD 97.5%，SS 81.8%。

修复植物在春季对氮磷去除效果好于秋季。春季聚草和圆币草对总磷去除率比秋季分别高出3.2%和5.0%，总氮10.5%和1.3%，氨氮10.5%和15.6%。

基于以上的研究结论，建议在河道驳岸采用间歇方式布置净化浮岛，植物主要以圆币草和聚草为主，同时可辅以其他水生植物来强化净化效果和景观效应，如：黄花鸢尾、芦苇、千屈菜等。

参考文献

[1]韩照祥.植物修复污染水体和土壤的研究进展[J].水资源保护.2007，23（1）：9-12

[2]鲁敏，曾庆福.七种植物的人工湿地处理生活污水的研究[J].武汉科技学院学报.2004，17（2）：32-35

[3]李希，铁柏清，彭陵文.等混合型植物人工浮島处理生活污水的试验研[J].2009，16（2）：48-51

[4]贺锋，吴振斌.水生植物在污水处理和水质改善中的应用[J].植物学通报，2003，20（6）：641-647

收稿日期：2018-04-25

作者简介：戴肖云（1986-），男，工程师，硕士研究生，研究方向为环境监测与管理。