不同植物对奎河污染水体的净化与生态浮床优化构建

张翠英，江秀朋，赵学涛，刘焕然

(1.徐州工程学院 环境工程学院,江苏 徐州 221018;2.中国矿业大学 环境与测绘学院,江苏 徐州 221116)

近年来，由于大量工业废水和生活污水及农业不合理的施肥污水排入，奎河水污染日益严重，水体中氮、磷含量过高，引发藻类和浮游生物大量快速繁衍，致使水体富营养化程度加剧[1].人工浮床技术是目前治理水体富营养化的有效措施之一，它主要通过浮床植物与水中微生物组合而成的系统作用，并由植物、微生物吸收、代谢与降解等方式完成对水体中TN、TP等污染物的去除[2]；此外根际微生物和植物共生还具有独特的代谢途径,可以代谢自养菌不能降解的有机物[3]，根系沉积、根际过滤、根系分泌物的固定作用等也在净化过程中发挥了协同作用[4-5].因不同污染水体中污染物质的成分及质量分数不相同，不同植物对各污染物净化效率也不一样，故浮床植物的选择和群落的优化配置仍在不断研究中[6].植物生长具有一定的季节周期性，地上和地下部分相互促进，相互制约，在不同时期具有不同生长中心[7-9].所以，要想对污染水体达到最佳的去除效果，需要进一步对不同植物对各种污染物质的环境效应[10]，季节变化对浮床植物净化水体的影响等进行研究.本文对奎河水体中不同浮床植物生长特性以及植物对水体中氮、磷、氨氮、COD等污染物质吸收能力进行研究，量化浮床植物与污染水体中氮、磷、氨氮、COD去除率，从而达到对浮床植物的优化配置，为工程应用提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

结合徐州的地理位置、气候条件、植物自身生长状况等因素，选取西伯利亚鸢尾、萱草、麦冬以及吊兰作为试验植物.选取徐州市奎河某排污口周边水域的水作为试验用水.

选用6个长方体塑料容纳箱，箱口长65 cm，宽45 cm，箱高35 cm.容纳箱使用前用清水反复清洗，并晒干.每个容纳箱，各装入约50 L的污水，分别做好标记.选用50 cm×35 cm×5 cm的平整泡沫板，在泡沫板上钻取4个小孔，孔间距为10 cm，孔的大小根据所用植物大小而定.一般萱草茎较粗，孔需要大一点，吊兰茎较细，孔要小一点，如图1所示.

试验前期先将不同浮床植物(吊兰、麦冬、西伯利亚鸢尾、萱草)放在装有新鲜污染水体的箱子中驯化10 d，驯化过程中时刻关注植物是否有其他异常生长情况.植物正常生长后，制作浮床，将驯化好的植物嵌入钻好的泡沫板中,避免将其组织破坏，如图2所示.将制作好的浮床放入装有新鲜污水的容纳箱中.3月中旬正式开始试验，记录初始数据，然后每3 d测量1次水质(总磷、总氮、化学需氧量、氨氮)，每5 d测量1次植物的株高、根长、生物量，对测量得到的数据处理分析，研究不同浮床植物对污染水体的处理效果以及环境效应.

图1 浮床系统

图2 不同植物的浮床制作

1.2 试验方法

试验水体的水质指标监测参考国家环境保护局《水和废水监测分析方法(第四版)》[11]进行，监测项目主要有总磷、总氮、化学需氧量、氨氮等.总磷监测方法采用钼酸铵分光光度法；总氮监测方法采用硫酸钾氧化-紫外分光光度法；化学需氧量监测方法采用酸性高锰酸钾法；氨氮监测方法采用纳氏试剂分光光度法.

2 结果与分析

2.1 不同浮床植物生长情况分析

试验期间不同浮床植物均能正常生长，每株植物均有新叶长出，叶片变大，颜色鲜艳，植株普遍长高，其中西伯利亚鸢尾已经开花.到试验后期麦冬叶子稍微变黄，变黄的原因主要是季节因素；吊兰根部部分腐烂，可能是因为在污水中浸泡时间过长；西伯利亚鸢尾和萱草长势较好，根部无腐烂现象，叶片变黄较少.

2.1.1 不同浮床植物株高变化情况

由图3可知西伯利亚鸢尾和萱草的生长量最高，生长规律是前期生长比较迅速，后期生长比较缓慢.而吊兰、麦冬、混合浮床植物生长率较低，生长比较缓慢.根据原始数据，可以算出不同浮床植物株高增长率依次为：西伯利亚鸢尾(158.3%)>萱草(157.1%)>混合(70.1%)>吊兰(28.3%)>麦冬(6.5%).

图3 不同浮床植物株高变化

2.1.2 不同浮床植物根长变化情况

由图4可知萱草根长的生长量最高，生长规律是前期生长比较平缓，后期生长比较迅猛.而西伯利亚鸢尾、吊兰、麦冬、混合浮床植物根长生长率较低，生长比较缓慢，吊兰大致随时间呈线性生长，鸢尾和麦冬前期生长缓慢，后期略微生长速率加快.根据原始数据，可以算出不同浮床植物根长增长率依次为萱草(194.2%)>西伯利亚鸢尾(59.3%)>混合(44.9%)>吊兰(43.1%)>麦冬(31.8%).

图4 不同浮床植物根长变化

2.1.3 不同浮床植物生物量变化情况

图5 不同浮床植物生物量变化

由图5可知鸢尾、萱草、混合的植物质量增长比较大，吊兰及麦冬的质量增长较小.根据原始数据，可以算出不同浮床植物质量的增长率依次为西伯利亚鸢尾(247.4%)>混合(208.4%)>萱草(138.1%)>麦冬(132.5%)>吊兰(87.0%).

2.2 不同浮床植物对水体中污染物的去除效果

试验前后，水质变化较为明显.开始时刚取回的污水，水质发黑、发臭，水体浑浊，且有大量悬浮物质.经过1个多月的试验之后，西伯利亚鸢尾、萱草、混合浮床的水质十分清澈，可以见底；悬浮物质全部沉淀，紧贴容纳箱的四壁及底部；里面不但没有臭味，而且还有种植物的清新气味.麦冬和吊兰浮床，水质还略微发暗，悬浮物沉降不完全，还有少许臭味，但相比之前已经改善许多.

2.2.1 不同浮床植物对水体中氨氮的影响

由图6可知西伯利亚鸢尾在18 d前对氨氮的吸收呈加速的趋势，18 d后对氨氮的吸收趋于缓慢.而萱草则与西伯利亚鸢尾恰恰相反，在21 d前萱草对氨氮的吸收比较平缓，21 d后其对氨氮的去除效果十分迅速，推测与此时间段萱草的根系生长迅速有关.吊兰和麦冬对氨氮的去除规律相近，都是前12 d比较缓慢，12 d至24 d去除加速，24 d后变得缓慢.西伯利亚鸢尾、萱草、混合浮床对氨氮的去除效果要优于吊兰和麦冬浮床，没有植物的对照组去除效果最差，说明植物对氨氮的去除有促进作用，去除率从大到小依次为:西伯利亚鸢尾(96.5%)>混合(95.6%)>萱草(92.5%)>吊兰(67.6%)>麦冬(62.3%)>对照(51.6%).

2.2.2 不同浮床植物对水体中总磷的影响

由图7可知西伯利亚鸢尾、混合和吊兰浮床在18 d前对总磷的吸收比较均匀，18 d至24 d对总磷的吸收加快，24 d后趋于平稳.麦冬浮床在12 d前对总磷的吸收较快，9 d后对总磷的去除效果比较平缓，基本呈线性关系.对照组对自身对总磷的降解能力较低.西伯利亚鸢尾、混合浮床对总磷的去除效果要优于萱草、吊兰和麦冬浮床，没有植物的对照组去除效果最差.说明植物对总磷的去除有促进作用，去除率从大到小依次为鸢尾(74.6%)>混合(71.8%)>萱草(54.3%)>吊兰(46.3%)>麦冬(45.7%)>对照(32.6%).

图6 不同浮床植物对水体中氨氮的影响

图7 不同浮床植物对水体中总磷的影响

2.2.3 不同浮床植物对水体中总氮的影响

由图8可知萱草在18 d前对总氮的去除效果很好，植物对水体中总氮的去除整体上呈下降趋势.西伯利亚鸢尾、萱草、混合浮床对总氮的去除效果优于吊兰和麦冬浮床，没有植物的对照组去除效果最差.说明植物对总氮的去除有促进作用，去除率从大到小依次为萱草(72.1%)>鸢尾(69.5%)>混合(66.2%)>吊兰(55.3%)>麦冬(49.2%)>对照(38.5%).

2.2.4 不同浮床植物水体中COD的变化情况

由图9可知萱草和西伯利亚鸢尾的净化趋势大致相同，均为先较为缓慢，然后去除效率加快，最后再趋于平缓，但是有3 d的时间差，应该是它们的生长周期不同导致.麦冬与吊兰是先去除效率较快，然后变得缓慢，最后又较快.其它植物对水体中COD的去除率，整体上也呈下降趋势的.总的来说西伯利亚鸢尾、萱草对总氮的去除效果比较好，对照组自身的去除效果最差.不同浮床植物对COD总去除率从大到小依次为萱草(74.5%)>鸢尾(72.5%)>混合(69.5%)>吊兰(63.2%)>麦冬(56.4%)>对照(48.9%).

图8 不同浮床植物对水体中总氮的影响

图9 不同浮床植物对水体中COD质量分数的影响

3 结语

对不同浮床植物的生物量及生长特性进行观察，同时对污染水体中的氨氮、总磷、总氮、化学需氧量质量分数变化进行研究，分析不同浮床植物对奎河污染水体的环境效应，从而对生态浮床进行优化配置.

1) 通过对不同植物生长情况和不同植物对水体中污染物的去除效果分析，试验水体中氨氮、总氮、总磷、COD的质量浓度的变化与植物生长周期、生长速度的快慢、根毛长度等有关.由于试验周期短，水体还未达到4类水标准，但是水体中氨氮、总氮、总磷、COD的质量浓度明显下降.在试验中可以看出其他植物的长势始终不如萱草、西伯利亚鸢尾.在生长季节内这两种植物的生长速度明显优于其他植物，故对氨氮、总氮、总磷、COD的综合去除率明显高于其他植物.麦冬的生长情况不是很好，对污染物质的处理效果也不理想，但后期吸收效果明显增强.生长状况越好的植物其对水体中氨氮、总氮、总磷、COD的去除效果就越好.同时发现吊兰不适宜处理高污染浓度的污水，因为高污染浓度的污水容易使吊兰根系腐烂，不宜吊兰的生长.

2) 虽然这几种植物对水体中的营养物质有一定的吸收利用作用，但单一的栽培并不是最佳的选择.研究发现混合浮床，虽不是在这些浮床中处理效果最好的，但在去除效果与较优的鸢尾及萱草没有太大差距的基础上，混合浮床更加经济实惠，更加美观.在生物量积累、生物的多样性及景观持续时间上都较单一植物的种植模式占优势.为提高浮床系统植物的多样性，避免单一植物在浮床栽种后易遭受大面积病虫害.初步试验的结果确定采用萱草、西伯利亚鸢尾为主，吊兰为辅，再加上少量麦冬作衬托制作混合浮床来净化奎河受污染水体.