常见水生植物对城市河道水质净化影响试验研究

李纯洁

(郑州市水利建筑勘测设计院，河南 郑州 450006)

我国现代化建设快速发展，带来了严重的水环境污染问题。经过国家大力治理，地表水环境已经大为改善。生态环境部发布的《2018中国生态环境状况公报》指出，2018年全国地表水劣Ⅴ类比例已经下降到6.7%，长江、黄河、淮河等流域干流水质已经达到优秀标准。但支流水质仍停留在轻度污染程度，其中部分城市河段污染严重。与自然河道相比，城市河道流量、流速均较低，自净能力差，而又承载了城市排污功能，亟须进行水环境修复和改善。除了水源注入等工程措施外，水生植物修复技术也是改善水环境行之有效的手段。

水体修复技术包括生物修复技术和工程修复技术，其中利用水生植物构建生物净化系统，具有成本低廉、处理效果明显、环境适应强、发展潜力大等优势，是最佳的生态修复措施[1]。因此，人们对各种水生植物对不同类型的污水净化进行了大量研究，以期为流域生态治理提供合适的水生植物资源[2-6]。

本文选择3种本土水生植物，研究其净化能力和净化机理，确定各项因素在污水净化中的贡献。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选择的3种华中、华北地区常见的水生植物为水芹、石龙芮和沼生蔊菜，均为本地土著物种，大量生长在潮湿环境和近水水域，其生物特征见表1。

表1 试验植物的生物特征

这3种植物环境适应能力较强，生物量大，在多数生长地区已经归化，在使用中不存在生态风险，同时植物习性接近，能够大量共生，具有较好的景观效果。在环境、景观价值基础上，这3种植物还具有一定的食用和药用价值[6-8]，可带来一定经济效益。

试验植物采自郑州市贾鲁河河道浅水区，为长势良好、大小均匀的植株，试验前均经过清水驯养，并洗净晾干。水样取自贾鲁河，基本水质数据见表2。

表2 水样水质参数

1.2 试验方法

试验在郑州市贾鲁河综合治理建设管理局试验地进行，为室外模拟水培试验，在自然环境中持续进行38天。整个试验期间气温介于10～24℃之间，平均气温18℃，天气以晴天为主，光照充分。

植物种植在12L泡沫箱内，水量10L。每种植物均设置3个平行组次，同时将3种植物两两组合，每种组合也设置3个平行组次。每个试验组次使用1个泡沫箱，选取的植株大小一致，总生物量均为200g，植物根部浸泡在水样中，覆盖基本相同的水面面积。总体设置1个空白对照组次，泡沫箱中仅放入水样，并对水面进行遮盖，使得水样受光面积与其他试验箱相当。

试验开始的第3天进行初次取样测定，以后每7天进行1次取样，取样均于早晨6∶30进行，每个试验箱均取水样100mL，取样前用蒸馏水补水使水位稳定在10L。

水样处理效果以水样处理前后的TP、TN指标表征，其中TP采用《钼酸铵分光光度法》(GB 11893—1989)测定，TN采用《碱性过硫酸钾消减-紫外分光光度法》(HJ 636—2012)测定，所有测试在24h之内完成。

TN、TP去除率计算如下：

(1)

(2)

式中：c0为水样初始TN、TP浓度(见表2)；ci为第i次取样测定的TN、TP浓度；ci′为第i次对照水样测定的TN、TP浓度；η为植物的总去除率；η′为对照水样的去除率。

水样自净化作用带来的两者之差反映了植物的实际去除效果。

2 试验结果与分析

2.1 植物生长态势

试验周期内，3种植物与植物组合生长态势良好，试验结束时生物量见表3。

表3 试验结束时植物的生物量

与初始200g生物量相比，植物生长较快，生物量显著增加，按大小排列为石龙芮>水芹>沼生蔊菜。石龙芮和水芹的分蘖不断增多，长出新的叶片，生物量增加很快，而沼生蔊菜茎秆生长较快，新生叶片较小，导致其生物量增加最少。植物组合的生物量介于两种植物之间，更偏向于生长较快的植物。

根据试验期间的观察，植物生长主要发生在试验开始至20天左右，随后生长趋势明显放缓，试验后期甚至观察到一定程度的腐败现象，部分植株还出现了虫害，说明这3种植物为归化植物，不会发生过度疯长的现象。

2.2 单一水生植物净化TN、TP效果

3种水生植物对污水TN的净化效果见图1。在试验前期，无论是水体自身净化作用还是植物净化处理都有明显效果，TN去除率迅速升高，并于第24天达到峰值，随后发生一定程度的下降。空白对照水样TN去除率最高达到55.2%，在试验后期稳定在32.1%。

图1 植物对TN的净化效果

植物对TN去除率均显著高于空白对照组，在峰值处水芹、石龙芮、沼生蔊菜去除率分别达到92.4%、98.2%和71.3%，与对照组相比提升幅度为16.1%～43.0%。试验结束时，3种植物对TN的去除率为43.3%～54.1%，与对照组相比提升幅度稳定在11.8%～22.6%之间，这3种植物对水体TN均有明显的净化效果。总体而言，处理效果水芹>石龙芮>沼生蔊菜。试验前期石龙芮的峰值去除率更大，但持续效果不如水芹，沼生蔊菜处理效果最低。

3种水生植物对TP的去除效果见图2。在试验周期内，空白对照组TP去除率迅速上升到12.0%左右，然后两周内大致稳定，随后又开始上升，试验结束时达到32.7%，与水体对TN的自净效果大致相当。

图2 植物对TP的净化效果

3种植物同样对TP去除率有显著提升，第17天达到第一个峰值，去除率最高为石龙芮的74.8%，与对照组相比提升幅度达到60.9%。从第24天开始，石龙芮、水芹、沼生蔊菜对TP的去除率与对照组相比提升幅度始终维持在47.6%～55.5%、45.3%～48.5%、19.7%～21.4%之间，处理效果是石龙芮>水芹>沼生蔊菜。试验后期石龙芮和水芹对TP去除率达到88.2%和81.2%，沼生蔊菜稍低，为54.3%。相比之下，3种水生植物对TP去除率的提升效果优于对TN去除率的提升效果，并且没有随着时间的推移而降低。

2.3 水生植物组合净化TN、TP效果

不同植物通过合理的组合，可以取长补短，保持较高且稳定的去除效果[2-5]。为了探究植物组合去污效果，试验分别将水芹+石龙芮、水芹+沼生蔊菜、石龙芮+沼生蔊菜3种组合和单一植物TN、TP的去除率进行对比分析，见图3、图4。

图3 植物组合对TN的净化效果

图4 植物组合对TP的净化效果

a.植物组合与单一植物类似，TN去除率在试验中期达到最大，峰值总去除率在89.3%～98.3%之间，在后期TN去除率开始下降。

b.水芹+石龙芮组合对TN处理效果在任何时段均优于单一植物，而水芹+沼生蔊菜或石龙芮+沼生蔊菜在试验早期和中期高于单一沼生蔊菜，但略低于单一水芹或石龙芮，这是沼生蔊菜的处理效果偏低带来的，说明此时植物之间相互促进作用尚未展现。

c.随时间的增长，各种组合处理效果均优于单一植物。这说明植物之间存在相互促进作用，尽管沼生蔊菜单独对污水处理效果不甚理想，但它能显著加强其他植物的后期处理效果。

d. 3种组合在试验后期对TN的去除率都能达到61.3%～65.0%，去除效率比单一植物提升10.0%以上，组合效果明显。

e.由图4可以看出，植物组合对TP的去除率在整个试验周期内，不低于单一植物的处理效率。同样，沼生蔊菜对TP去除效率不高，但它能加强其他植物的去除效果。在试验后期，3种植物组合对TP的总去除效率稳定在79.2%～88.6%之间。

2.4 水生植物对TN、TP的去除机理

试验数据表明，无论是单一植物还是组合植物，对TP去除效率都高于TN。TP去除率最高可达88.6%，而对TN的去除率虽然在试验中期可高达98.3%，但随时间的推移降低到65.0%。相关机理研究认为，TN去除的主要途径是植物吸收、微生物硝化与反硝化过程、物理化学作用，而TP去除的主要途径则是植物吸收、化学沉淀，但不同文献报道的贡献率有一定差异[9-11]。结合试验数据，可以推测TN去除率应主要与微生物作用相关，而TP去除率主要由植物决定。

为了验证本试验中TN、TP的去除机理，进行了第二次静水试验，试验周期为14天，试验过程中对微生物进行了灭菌处理，通过物料平衡的方法计算了各因素的贡献。

考虑到试验目标，灭菌方法不能对植物产生伤害，最终选择了氯霉素灭菌法。试验工作方式与第一次静水试验相同，水芹、石龙芮以及它们的组合，各设置了两个加药组次和两个不加药组次(由于沼生蔊菜处理效率偏低，试验中未作其机理研究)，同时设置1个加药空白组次和1个不加药空白组次。所有加药组次按照30mg/L的投加量加入氯霉素，每周投加1次，投加后2天取样，根据《食品微生物学检验 菌落总数测定》(GB 4789.2—2016)，采用平板计数法测定菌落总数，试验在48h内完成。

试验结果显示，未投加氯霉素的水样菌落总数量级104/mL，而投加氯霉素后，菌落总数小于102/mL，灭菌效果良好，符合试验要求。

试验结束时，统一采样测定各组次的TN和TP，数据见表4。氯霉素中含有氮元素，这部分在计算TN时已经扣除。

表4 各组次对TN、TP的去除率 单位：%

TN、TP的总去除率由4个部分组成：物理化学作用、微生物作用、植物-微生物协同作用、植物自身作用。各部分贡献确定方法如下：

a.物理化学作用：即表4中加药空白的TN、TP去除率数据。

b.微生物作用：表4中不加药空白与加药空白的TN、TP去除率之差，这一项表征天然水样微生物的贡献。

c.植物-微生物协同作用：表4中不加药植物与加药植物的TN、TP去除率之差，再减去微生物作用。本数据表征由于植物存在而导致的微生物贡献增加量。

d.植物自身作用：按表4中加药植物与加药空白的TN、TP去除率之差分别计算出每种植物的各类作用的贡献值，见图5。

图5 不同植物对TN、TP的去除贡献

对于TN去除率而言，物理化学作用的贡献值为18.0%，微生物的贡献值为16.9%，植物-微生物协同作用处于6.2%～17.5%之间，植物自身贡献值处于11.7%～15.4%之间。尽管石龙芮的自身处理效果高于水芹，但水芹的植物-微生物协同作用贡献更大，使总的处理效率水芹优于石龙芮。而植物组合发挥了二者的优势，同时具有较大植物-微生物协同作用和植物自身贡献。

对于TP去除率而言，物理化学作用和微生物的贡献值较低，只有5.5%和7.6%，而植物-微生物协同作用和植物自身提供主要贡献值达到了20.7%～32.1%，并且均为水芹<石龙芮<组合。

总体而言，对于TN主要贡献为微生物(含植物-微生物协同)，基本提供了总去除率的一半，而物理化学作用占比也达到近1/3，相比之下，植物自身的贡献占比不到1/4。对于TP主要贡献为植物(含植物-微生物协同)，合计占总去除率的4/5，而单独微生物和物理化学作用占比很低。

试验结果验证了之前的推测。在第一次静水试验中，TN去除率出现先升后降的现象，与微生物生长期匹配。而TP去除率则随着植物生长而持续提高。

3 结 语

石龙芮、水芹和沼生蔊菜及其组合的静水试验数据表明，3种植物具有较好的TN、TP去除效果，石龙芮和水芹的处理效果更好，而沼生蔊菜能显著加强前两者的处理效果，获得组合优势。试验条件下，植物组合在中期对TN达到最高去除效果，后期有所下降，试验结束时稳定在61.3%～65.0%，而对TP去除率稳定提升，达到79.2%～88.6%。从试验结果可以看出，这3种植物对贾鲁河低污染水体的净化效果明显，适合对河道水系进行生物修复。

灭菌对比试验表明，对TN而言，主要贡献来自于微生物和物理化学作用；而对TP而言，主要贡献来自于植物吸收、吸附等。

根据试验结果，在贾鲁河综合治理工程中，尝试以水芹、石龙芮和沼生蔊菜组合为基本配置，在湿地、湖泊及两岸浅水区进行大范围种植。目前河道水生态环境已得到大幅度改善，监测断面水质均已达到地表Ⅲ类标准，尤其是大量种植水生植被的湿地、湖泊等区域，TN和TP明显低于其他河段，基本实现了水生态修复的目标。

由此可见，上述3种水生植物对低污染城市河道水质改善能起到积极作用。所选的3种水生植物在华中、华南地区分布广泛，利用它们结合工程措施进行城市低污染水体的生物修复，能在达到水体生态治理效果的前提下，降低工程成本，同时带来一定经济效益，为城市河湖通过水生植物改善水质提供了可借鉴的试验依据和实际经验。