生态净水系统对富营养化园林水体的净化效应研究

许铭宇，刘 雯，谭广文，黄少斌，吴劲华，卢艺菲，陈 平，3

（1.广州普邦园林股份有限公司，广州 510600；2.仲恺农业工程学院，广州 510225；3.广东省普通高校土地复垦植被景观恢复工程技术研究中心，广州 510225；4.华南理工大学环境与能源学院，广州 510006；5.广州太和水生态科技有限公司，广州 510000）

1 研究背景

由于人类的频繁活动和部分自然原因（枯枝落叶、浮尘）引起景观水体中N，P等营养元素过量，导致藻类大量繁殖，致使水体富营养化的现象已成为全球性的环境问题之一。随着城市绿化美化工作的快速发展，园林水体不断增多，水源不足、消耗量大、循环能力差的现象日益严重，一些城市内湖、河流或园林水体水质不断恶化，水体呈现富营养化，引发藻类过量生长、鱼类大量死亡，严重破坏了水生态环境。

大多数的园林水体为静态或者流动性较差的水体，具有水域面积较小，易受污染，自净能力差等特点，再者因受到不同程度的污染以及水质管理等方面的问题，使其逐渐失去了景观水体的功能，并严重影响了城市自然环境和人们的居住环境［1-3］。因此，园林水体的净化研究对城市生态环境建设具有重要的意义。

众多研究表明［4-8］，单一使用水生植物或水生动物对受污染园林水体进行处理，难以达到预期效果。鉴于此，本研究将水生植物、水生动物、生物质焦进行组合，形成水生生物净水系统进行园林水体的处理，可以优势互补，既能净化污染水体，又有一定的景观功能，以期为园林水体的净化以及受污染水体生态系统的恢复提供技术支持和理论参考。

2 生态净水系统工作原理

水生动植物组合所构成的净化系统主要包括水生植物净化系统、水生动物净化系统、吸附剂（生物质焦）系统。其中在植物净化系统中水生木本植物起着水体净化和景观营造的作用，并用于苗木的生产与销售；水生草本植物主要作用是吸收污水中富营养化物质及滞纳水中浮尘，同时也具有营造景观及为水生动物提供食物的功能。水生动物系统用于消耗污染源中的腐殖质、藻类以及蚕食蚊虫幼卵，并为植物净化系统提供肥料。吸附剂（生物质焦）系统主要应用其强大的吸附性能，去除水中色素，并可作水中微生物栖息场所，当其吸附性达到饱和状态时亦可作植物种植支持介质。生态集成净水系统工作原理如图1所示。

图1 生态集成净水系统工作原理Fig．1 Working principle of the integrated ecological water purification system

3 材料与方法

3.1 试验材料

试验装置为半透明塑料箱，尺寸为长51 cm×宽38 cm×高31 cm，容量为55 L，试验用水量40 L；试验所选用的材料均是从课题组前期试验研究中选出具有较好的净水效果的水生动植物和生物质焦，其中木本植物秋枫12株，水生草本植物水蓑衣18株，苦草36株；水生动物叉尾斗鱼18尾、中华圆田螺30个；生物质焦2.4 kg。

3.2 试验用水

试验用水采用人工模拟富营养化园林水体（取园林绿化废弃物半腐熟料3 kg，园林绿化废弃物半腐熟料购自佛山顺德大良某绿化公司，将其放到干燥箱在75℃下烘1 h，然后将园林绿化废弃物半腐熟料投放入装满35 L自来水的半透明塑料箱内，充分搅拌后让其浸泡3 d后取出渗滤液，然后将渗滤液稀释3倍后作为试验用水）。试验期间的用水水质见表1。

3.3 试验方案

试验设有2组处理，做3个平行处理，处理方式1为CK空白对照，处理方式2为水生动植物组合，试验时间为2016年10月9日—11月8日，共计30 d，试验期间平均温度为23.4～27.6℃，平均水温为22.7～26.2℃；每隔3 d测一次水质，每次取样于上午8：30—9：00进行。为模拟室外景观水体的特点，试验过程中不对水体进行曝气增氧，采用不流动的静态水体。

表1 试验用水水质Table 1 Quality of the test water

3.4 测定的指标与方法

试验测定方法按照《水和废水监测分析方法》（第四版）［9］进行不同指标的测定方法分别如下：TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894—89），TP采用钼锑抗分光光度法（GB 11893—89），COD采用纳氏试剂比色法（HJ 535—2009），NH+4-N采用重铬酸钾法（GB 11914—1989），NO-2-N采用分光光度法（GB 7493—87），DO采用便携式溶解氧仪，pH值采用便携式pH计测定，色度采用铂钴标准比色法。

3.5 数据处理

试验数据处理每组试验采用3个重复试样，试验数据均为平均值，试验所获得的数据使用Microsoft Excel 2007进行编辑处理、绘制相关图表，每组处理的差异性通过SPSS 19.0软件进行分析。

4 结果与分析

4.1 动植物的生长状况

试验期间，叉尾斗鱼生长状况良好，在试验过程中不投喂鱼饲料，斗鱼主要以水中绿化废弃物和蚊子孑孓为食物，存活率约93.4%，鱼身色泽比试验前更加靓丽；田螺生长情况良好，存活率约95%，试验期间，田螺繁殖了一批小螺。

3种水生植物生长状况良好，存活率均为100%。其中，秋枫和水蓑衣的侧根和须根数量均有所增长，根长明显增长；苦草也长出了许多新的根系，苦草的根系可穿透生物质焦，并定植在上面，当生物质焦的吸附能力达到饱和时，可用作其基质供植物生长用。秋枫和水蓑衣的部分叶片会出现枯萎掉落的现象，苦草的叶片有部分发黄的现象出现。这可能是因为植物主要靠根系吸收营养物质进行生长，秋枫属于浅根系植物但侧根发达，通气组织发达，可以有效地吸收大量的营养元素，而且树叶不接触水面，因此植株的存活率较高；水蓑衣根系发达且耐污能力强，后期因气温下降，导致部分叶片出现枯萎掉落的现象，但没有影响植株的存活率；苦草具匍匐茎，繁殖速度快，再生能力强，由于水中光照不足导致部分叶片发黄，但未出现植株死亡现象。

4.2 试验期间蚊子孑孓情况

试验进行到第4天时，在没有放生物材料的对照组中均有蚊子孑孓产生，平均有60多条，而在放置了叉尾斗鱼的组合中无孑孓出现，在对照组水箱中放入2尾长约4 cm的叉尾斗鱼10 min后，对照中的孑孓被吞食约40条，另外再投放1尾斗鱼进去15 min后，全部的孑孓均被吞食。将水中孑孓吞食完之后将叉尾斗鱼移出水体，到试验结束时，对照组中依旧出现孑孓，一部分已经变成蚊子；而在集成系统中，从试验开始到结束始终未发现孑孓，可见叉尾斗鱼对于消除富营养化水体中滋生的蚊子具有较好的作用。

4.3 不同处理方式对水体中N元素的净化效应

4.3.1 对水体中TN的净化效应

由图2可知，生态净水系统对水中TN有明显的去除效果，且呈现出较为明显的变化趋势。

图2 TN浓度随时间变化的情况Fig．2 Variation of TN concentration with time

在2组处理方式中，对照组中TN浓度均要高于水生动植物组合中的TN浓度，并且随时间的延长，TN浓度基本呈下降的趋势，最低可降至1.215 mg／L，达到地表水Ⅳ类水（1.5 mg／L）的标准［10］。试验初期，系统中由于动植物需要适应所在环境，同时系统也未形成稳定的微生物群落，其去除率较低。但当试验进行至第9天时，系统对TN的净化效果明显提高，去除率上升，试验结束时，整个组合对TN的平均去除率可达64.4%。而对照系统中的TN浓度不降反升，这可能是因为试验渗滤液中还存在释放N的物质，而且蚊子在水中产卵，孵化的幼虫和剩下的卵皮促进了N浓度的上升。除了在第3天时2组处理方式的 TN浓度无显著差异外（P＞0.05），其余时间均差异显著（P＜0.05）。

图3 浓度随时间变化的情况Fig．3 Variation of concentration with time

图4 NO-2-N浓度随时间变化的情况Fig．4 Variation of NO-2-N concentration with time

水体中的N元素是造成富营养化的主要因素，在为期30 d的试验里，生态净水系统中的动植物对富营养化园林水体的N元素均有明显的去除效果，均呈下降趋势。水体中的TN是指水中所含氮化合物的总量，包括有NH+4-N，NO3-N，NO-2-N和有机氮，有机氮所占的份量最多，含量其次的是NH+4-N，而NO-2-N作为NO3-N和NH+4-N氧化和还原过程中的产物，其含量相对比较少［11-12］。其中水中NH+4-N的去除主要通过净水系统中水生植物的同化吸收、水生动物的选择性捕食、生物碳的吸收作用以及微生物硝化作用途径实现。而水中NO-2-N的含量与氨的硝化作用有关，亚硝酸盐能够通过硝酸细菌转化为硝酸盐，除了微生物对亚硝酸盐的转化外，净水系统中的植物材料也是NO-2-N去除的重要因素，因进水NO-2-N的含量较低，系统的净化速率快，故在特定的试验时间里，NO-2-N的去除率是最高的（82.6%）。在试验期间，生态净水系统中N元素的去除速率呈一致性下降现象。

4.4 不同处理方式对水体中TP的净化效应

如图5所示，对照组和集成系统水体中TP浓度变化存在明显差异，系统中TP浓度呈现出先升后降的规律，在第9天之前上升趋势明显之后快速下降。出现快速下降的原因可能是因为系统在试验前期叉尾斗鱼和田螺出现个别死亡的现象，其尸体残体分泌出的营养元素导致系统中TP浓度的上升，但清除这些尸体后，系统中TP浓度又开始下降。对照组则呈现升降再升的趋势，但变化不大，这可能与试验水体渗滤液中还存在释放P的物质或蚊子产卵有关。在试验后期系统组的净化效果明显优于对照组，试验结束时组合中TP浓度降低至0.867 mg／L，其平均去除率为49.5%，而对照组对TP的去除效果较差，除第18天外，其余各天的去除率均与系统组中的 TP去除率存在显著差异（P＜0.05）。

图5 TP浓度随时间变化的情况Fig．5 Variation of TP concentration with time

4.5 不同处理方式对水体中COD的净化效应

由图6可知：①随着试验时间的推移，对照组和处理组对水体中COD均有一定的去除作用，2组的COD浓度均呈下降的趋势，但系统中的COD浓度始终低于对照组。②在第30天时系统的去除效果最好，其COD浓度可降至30.93 mg／L，平均去除率为65.7%；而对照系统的去除效果较差，在试验后期其COD浓度甚至有所上升，最后的平均去除率只有11.7%。经方差分析，除第3天外，系统的COD去除率与对照组差异显著（P＜0.05）。

图6 COD浓度随时间变化的情况Fig．6 Variation of COD concentration with time

4.6 不同处理方式对水体中pH值和色度值的影响

图7 为2组处理方式下水体中pH值和色度值随时间的变化。由图7（a）可知，2组处理方式在试验期间pH值波动较大，对照组整体呈现上升的趋势，但第18天时其pH值有所降低，系统组中的pH值不太稳定，在第24天时pH值突然上升，随后又呈下降的趋势。但2组处理方式的pH变化范围在7.43～8.23之间，符合地表水中pH值6～9的标准要求。图7（b）表明，在整个试验阶段，2组处理方式色度值总体呈现出随时间而降低的趋势，其区别在于：对照组下降得比较缓慢，变化不明显，平均去除率仅为10.4%；组合处理组下降得比较迅速，水质色度明显比对照组要清澈澄亮，视觉效果较好，试验结束时，色度值下降了93度，平均去除率为68.9%，在组合处理组中生物质焦对色素的吸附能力贡献较大。

图7 2组处理方式p H值和色度值随时间的变化Fig．7 Changes of pH value and chromaticity value with time under different treatments

5 结 论

（1）生态净水系统对园林水体尘、蚊虫、异味等有较好的去除作用。系统中的沉水植物（苦草）可滞纳水中浮尘，木本植物（秋枫）和草本植物（水蓑衣）能降解水体中氮磷等富营养物质，叉尾斗鱼可遏制蚊子孑孓，中华圆田螺喜吃水中腐基质，生物质焦具有吸附水体中的色素和有害物质等作用，还可作为植物的生长基质。

（2）运用水生动植物组合净化富营养化园林水体，去除污染物的效果良好，在为期30 d的试验过程中，组合组对水体中 TN，TP，COD，NH+4-N，NO-2-N，色素的平均去除率分别为64.4%，49.5%，65.7%，73.8%，82.6%，68.9%，对降低水中 pH值也起着一定的作用，试验最后测定值分别为1.215±0.04，0.867±0.02，30.93±0.43，0.408±0.01，0.004±0.001，7.7±0.06，42±0.58；其中，TN，COD，DO等指标均符合地表水Ⅳ类水标准，而NH+4-N则符合Ⅱ类水要求，与对照组相比，水生动植物组合在试验过程中均未出现蚊子幼虫孑孓。

（3）该技术方法具有维护成本低、景观持久性好、净污能力强的特点，是一项具有综合性的生态修复技术，可实现水体景观持久、高效净化、低养护、恢复水体自净能力与生产功能；实现景观型人工水景可持续性的净化功能，应用前景广阔。