3组水生植物对滏阳河营养盐去除效果研究

2019-05-13蔚武杰张炜徐

人民长江 2019年4期

陈晓蔚武俊杰张炜徐宇峰

(1.徐州工业职业技术学院，江苏徐州 221140； 2.河北工程大学河北省水污染控制与水生态修复工程技术研究中心，河北邯郸 056038； 3.河北工程大学能源与环境工程学院，河北邯郸 056038)

当前我国城市河道水污染日益严重，严重影响了城市及流域生态环境，甚至危害人类健康，黑臭水体已然成为最严重的全球性环境问题之一[1]。同时城市河道的社会功能及生态功能不断被削弱，城市及流域生态环境保护问题日益凸显，治理城市河道污染，恢复受污染河流生态系统已成为当前水环境生态领域的研究热点。

城市河道受污染的主要原因是含有大量C、N、P等营养物质的生活污水进入水体[2-3]，极大地促进了水体由正常向富营养过渡[4]。而治理黑臭水体最关键的因素在于削减水体中总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数等污染物。

植物修复技术是一种低耗高效的原位生态治理技术，其植物及根系微生物可共同通过代谢作用将水体中的污染物吸收、降解及转化[5]，以实现对污染水体的净化。植物修复技术已被广泛应用于各种类型的水体修复[6-7]，主要技术包括人工湿地技术[8]、生态浮床技术[9]及水生植物氧化塘等[10-13]。

植物修复技术对受污染水体修复效果主要受植物种类及其配置方式的影响，因此修复植物的筛选，不仅要满足水生植物的生物学特性、污染物去除能力及耐污性等，还需要结合受污染水体特征，筛选出适应河流水质的植物。本研究在前期现场勘探基础上，选取了3种常见沉水植物，研究备选植物在静态模拟条件下TN，TP等污染物的去除效果，分析沉水植物向水体供氧能力的大小，进而为富营养化水体治理优选高效、适宜的水生植物提供一定科学支撑。

1 实验条件

1.1 植物筛选

在广泛调查的基础上，结合滏阳河原有水生植物种类，筛选狐尾藻、篦齿眼子菜、金鱼藻、黑藻及菖蒲等5种修复植物。根据前期研究，发现沉水植物对受污染水体适应能力大小次序为狐尾藻>篦齿眼子菜>金鱼藻>黑藻>菖蒲。因此，本研究选择篦齿眼子菜、狐尾藻以及金鱼藻作为备选植物，进行批式实验。

1.2 实验方案

实验在半封闭大棚中进行，以消除气候因素等对实验系统产生的影响。实验在高为1.00 m，直径为0.80 m的圆柱形塑料桶中进行，上覆水取自滏阳河邯郸段刘二庄断面，水柱高度为0.8 m，底部以滏阳河刘二庄断面沉积底泥填充，填充高度0.25 m，修复植物为前期培养种，将其反复冲洗称重后置入试验容器。试验设4个反应组：① 无植物(对照)组；② 篦齿眼子菜组；③ 金鱼藻组；④ 狐尾藻组。试验开始后，分别在第0，2，4，6，8，10，12，16，20，30，40 d上午09：00取样。监测的水质指标包括：溶解氧(DO)、总氮、总磷、氨氮、透明度、高锰酸盐指数等。水质指标测定参考《水和废水监测分析方法》规定执行。同时，为了补充因蒸发等损失的水分，实验期间定时增加纯水以保持原水位。试验选用的沉水植物基本情况见表1。

表1 沉水植物基本情况Tab.1 Basic condition of submerged plants

2 不同沉水植物对滏阳河水质的适应及影响

2.1 沉水植物对氨氮的去除研究

不同沉水植物组中氨氮随时间变化的浓度曲线如图1所示。

图1 不同沉水植物组氨氮浓度随时间变化的曲线Fig.1 Ammonia nitrogen concentration curves of different submerged plant groups

3组处理系统对水体NH3-N均有较好的去除效果。在0～15 d内，对照组、狐尾藻、金鱼藻组及篦齿眼子菜组中NH3-N浓度下降趋势与时间线性相关，下降明显，由最初的4.64 mg/L迅速降低至2.82,1.94，1.51 mg/L及2.27 mg/L，去除率达58.18%，67.50%及51.07%，与对照组(去除率39.29%)对比差异显著。15 d后，各组中的NH3-N浓度下降速度逐步变缓至平台期，40 d后，4组反应器的总氮浓度为2.81，1.52，1.17 mg/L及1.65 mg/L，去除率达39.41%，67.31%，74.77%及64.41%。

可以看出，3组植物中，金鱼藻组对NH3-N处理效果最好，高出对照组35%左右，这主要与NH3-N的去除途径有关。常规状态下，NH3-N的去除途径主要包含植物吸收、硝化反应及氨挥发3部分。沉水植物根茎叶均能够直接吸收水体中的氮[14]，但植物直接吸收对水体NH3-N的去除贡献较微小。根据对照组对NH3-N的去除效果可以发现，因各试验组DO含量较高，可维持硝化反应的进行[15]，因此硝化细菌对NH3-N的转化量至少占水体总氮的39.41%，占主导地位；NH3-N挥发受水体pH值影响较大，当水体pH值大于8.0时，氨挥发显著，7.5～8.0时反应不显著，小于7.5时，氨挥发可忽略[16]。结合前期研究可以发现，金鱼藻组水体中pH值通常较高，可能对NH3-N的降低有一定贡献。另外，沉水植物在生长过程中会出现不同程度的腐烂分解，导致蛋白质的逸出，从而影响了实验中后期对氨氮的总去除量。

2.2 沉水植物对总氮的去除效果

不同沉水植物组对总氮的去除曲线如图2所示。

图2 不同沉水植物组总氮浓度随时间的变化曲线Fig.2 The variation curves of total nitrogen concentration in different submerged plant groups

3组处理系统对水体TN均有较好的去除效果。在0～10 d内，对照组、狐尾藻、金鱼藻组及篦齿眼子菜组中TN浓度有较明显的下降，由最初的9.45 mg/L分别降低至7.23，5.07，4.13 mg/L及5.59 mg/L，去除率达23.50%，46.30%，56.32%，40.80%，与对照组对比差异显著。在10～20 d内，对照组、金鱼藻组、狐尾藻组及篦齿眼子菜组中TN浓度的下降速度有所变缓，至20 d基本进入平台期，总氮浓度分别降低至6.07，3.15，2.44 mg/L及3.39 mg/L，去除率达35.70%，66.64%，74.11%，64.06%。40 d后，4组反应器的总氮浓度为5.68，2.84，2.55 mg/L及3.37 mg/L，去除率达 39.94%，68.04%，71.61%，62.49%。与20 d时结果无明显差异。可以看出，3组植物中，金鱼藻对总氮的处理效果最好，但与狐尾藻组及篦齿眼子菜组的去除效果相比，相差不大，均高于对照组30%左右。这主要是因为，水生植物一方面通过根系的作用同化氮污染物，而另一方面通过微生物硝化的反硝化作用去除氮污染物[17]，且后者对脱氮的贡献较高。因此，结合图2分析，认为0～10 d内各组中TN浓度下降明显的主要原因可能是根系及水中悬浮细菌的硝化反硝化作用，而后，易生物降解物质逐渐消耗，在10～20 d，反硝化作用降低，对总氮的削减主要受植物吸收作用控制，至20 d后，各组植物出现叶片发黄，腐烂现象，释放出氮等营养物质，使得试验水体中TN浓度随时间变化而不再下降。

2.3 沉水植物对总磷的去除效果

各植物系统中总磷随时间变化曲线如图3所示，3组植物系统对水体TP均有较好的去除效果。在0～10 d内，对照组、狐尾藻组、金鱼藻组及篦齿眼子菜组水体中TP浓度有较明显的下降，由最初的1.23 mg/L分别降低至1.01，0.79，0.61 mg/L及0.71 mg/L，去除率达15.79%，34.02%，48.98%及41.18%，与对照组对比差异显著。在10 d后，各组中TP浓度的下降速度变缓；20 d后进入平台期；40 d后，4组反应器的TP浓度为0.96，0.63，0.52 mg/L及0.68 mg/L，去除率达19.41%，42.20%，55.25%及45.08%。可以发现，金鱼藻组去除效果高于其他两组植物系统，而3组植物系统对磷的去除率远高于对照组。总磷的去除途径包括植物吸收、磷酸盐沉降、吸附作用和微生物固定等。试验直接采用河底原污泥及塑料容器，故吸附作用去除的磷极为有限。由图3可以看出，无植物存在的对照组中也出现了TP去除现象，这应该归结于TP沉淀及微生物固定的作用；而3组植物系统对水体中TP的去除率远高于对照组的原因可能是植物对可溶性磷的吸收同化作用，这也体现了不同植物对TP去除具有的重要作用[18]。

2.4 沉水植物对CODMn的去除研究

各植物系统中CODMn随时间变化曲线如图4所示。可以看出，各植物系统都具有一定的CODMn去除能力，各组水体中CODMn呈持续性、波动下降趋势，未见明显的平台期，至40 d后，4组反应器的CODMn浓度为32.55，18.69，13.98 mg/L及15.64 mg/L，去除率达29.55%，67.37%，74.93%及71.47%。可以发现，3组植物系统对CODMn的去除率远高于对照组。

图3 不同沉水植物组中总磷(TP)浓度随时间的变化Fig.3 Variation of total phosphorus concentration in different submerged plant groups

研究表明，植物对CODMn的去除主要通过附着于根系表面的微生物完成，微生物对CODMn的去除过程受水体温度、水中溶解氧及微生物种类等因素影响。常温条件下，以水体溶解氧在小于0.20，0.20～1.00 mg/L和大于1.00 mg/L为控制条件时，相继发生厌氧降解、缺氧降解和好氧降解反应[19]。由图4可以发现，各植物系统DO始终大于1.00 mg/L，故各植物系统主要通过好氧降解过程去除水中的CODMn，同时植物组之间对CODMn去除率的差异主要是因为各植物根系表面所依附微生物的差异，而植物组相较于对照组对CODMn去除率的差异主要是因为植物根系可作为微生物栖息地存在，导致其微生物数量、种群数量均大于对照组。

图4 不同沉水植物的CODMn去除能力Fig.4 Removal ability of CODMn from different submerged plants

2.5 沉水植物对DO的影响

试验期间各植物系统中DO随时间变化曲线如图5所示。可以看出，各组系统中DO含量均较高，平均维持在3.70 mg/L以上，增氧效果较明显的是金鱼藻及狐尾藻。植物对水体的富氧作用主要是由于植物光合作用以及呼吸作用将氧气从上部输送至根系，经释放和扩散，根系周围呈现周期性好氧环境。因此植物的复氧能力与根系发达程度及植物光合作用相关，实验中金鱼藻及狐尾藻的叶片与根系均较发达，其复氧作用也随之而较高。同时，由于实验采用水桶模拟，水深较浅，水体天然复氧能力较高，因此对照组也显现出较高的DO浓度。

图5 不同沉水植物的复氧能力Fig.5 Ability of reoxygenation in different submerged plants

3 沉水植物对氮磷的积累能力

完成40 d的生长实验后，将反应器中各组植物取出，按照生长高度，将其分为上端和下端，分别测量其干重及氮磷量。各组植物生物量和植物氮磷含量如表2所示。

表2 沉水植物氮磷累计情况Tab.2 Accumulation of nitrogen and phosphorus in submerged plants

由表2可见，各植物生物量随本体高度变化而逐渐增加，但其值较小，对植物生物量影响不明显；而各组植物积累氮磷的能力随本体高度变化有较明显的差距。总体来说，植物越高的部分，积累氮磷的能力越强，这可能与植物的传输作用有关。同时，不同植物的含氮量与含磷量与其污染物去除能力并不能一一对应，但其大小次序与对氮磷的去除能力基本相似，这可能与植物的吸收作用或植物根系微生物的代谢作用相关。