不同流速条件下菖蒲浮床拦截细颗粒物效果的研究*

谢科夫 杨 飞 张毅敏，# 荆 立 晁建颖 高月香 钱文翰 刘 钰

(1.常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164；2.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

为了增加太湖流域沿湖周边城市地区用水，并改善太湖水质，减轻其富营养化程度[1-2]，自2002年起，有关部门决定实施“引江济太”工程，其中新孟河延伸拓浚工程是实施项目之一，要求平水年引江入湖水量25.2亿m3。新孟河“引江济太”引水过程中，大量悬浮颗粒物及其所携较高浓度的碳、氮、磷将对引水通道上的滆湖及周边水网的水环境和水生态产生较大影响。颗粒物在输水过程中，大部分沿程沉降而少量入湖，而其中难沉降、难去除的细颗粒物成为影响滆湖生态环境质量的重要因素。

胶体态物质指的是粒径介于1～1 000 nm的细颗粒物，真溶解态物质指的是粒径小于1 nm的细颗粒物[3]。细颗粒物的粒径分布差异较大，不同粒径细颗粒物所含的物质组成不尽相同[4]。不稳定的细颗粒物容易发生微观形貌的改变、聚合以及沉降[5]。由于数量多、种类丰富和比表面积巨大，细颗粒物表面附着了大量的活性基团[6]。这些活性基团能与水体中的营养物等发生强烈的吸附和络合作用[7]。

切向流超滤技术被认为是分离细颗粒物与大颗粒物的有效方法[8],过去由于过滤技术精度的限制，不同流速条件下菖蒲(Acoruscalamus)对不同粒径细颗粒物的拦截效果的研究相对较少。本研究以长江引水中的细颗粒物(<1 000 nm)作为研究对象，采用菖蒲浮床作为去除水体细颗粒物的常用生态措施，利用切向流超滤技术对采集的水样进行粒径分级，通过室内环形水槽模拟入湖流速，监测了不同流速条件下菖蒲根系生长情况及根系附着物情况，以及菖蒲浮床对水体胶体态、真溶解态碳、氮、磷去除效果的变化情况。

1 材料与方法

1.1 实验设计

水样采自长江入水口(32°3′27.8″N， 119°53′42.8″E)，在避光条件下，3 h内运回实验室进行实验，温度为(23±3) ℃、pH为7.91±0.29、DO为(7.62±0.05) mg/L。以珍珠棉板作为浮床，在各板上均匀钻12个直径5.0 cm的孔，挑选12株根系长势一致的菖蒲洗净并测其初始附着物质量和根长，插于珍珠棉板孔中，将两块珍珠棉板固定于环形水槽内。环形水槽通过调节电机频率设定水流速度，电机频率为6.5、12.3、16.2 Hz时所对应的流速分别为0.1、0.2、0.3 m/s，以静止(0 m/s)作为对照组。实验结束后在固定位置处取水样，经提取，得到4份含不同粒径细颗粒物的水样各100 mL，测出氮、磷和碳量等数据，不同粒径细颗粒物数据经过差减法处理后得到。0.1、0.2、0.3 m/s流速条件下的实验过程与对照组一致，实验周期为18 d。不同粒径细颗粒物水样的水质指标见表1，实验装置示意图见图1。

表1 不同粒径细颗粒物水样的水质指标

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2 实验方法

1.2.1 水样的过滤与超滤

水样通过1.0 μm的定量滤纸(英国Whatman)配合300-4050型抽滤机(美国NALGENE公司)抽滤，然后将过滤完的剩余水样(<1 000 nm)利用小型切向流超滤系统进行分离。借助不同截留孔径的超滤膜包(Pellicon 2 PLAC,Millipore)进行过滤，每次过滤完保存100 mL水样再进行下一次超滤，最后得到4份各100 mL含不同粒径细颗粒物的水样，测出氮、磷和碳等数据，含粒径<1、1～10、10～300、300～1 000 nm细颗粒物水样的数据经过差减法处理得到。

1.2.2 附着物质量

附着物质量测试方法参考文献[9]。

1.2.3 水质指标

采用碱性过硫酸钾氧化/紫外分光光度法测定胶体态氮(CN)、真溶解态氮(UDN)；采用钼锑抗分光光度法测定胶体态磷(CP)、真溶解态磷(UDP)。胶体态碳(COC)、真溶解态碳(UOC)的测定方法参照文献[10]。

2 结果与分析

2.1 菖蒲根系附着物质量变化及根系生长情况分析

菖蒲对富营养化水体的修复除植物本身对氮、磷等的吸收作用外，其根际附着物的作用不容忽视[11]。从表2可见，18 d后，对照组菖蒲的附着物质量由0.029 2 g上升到0.039 0 g；0.1 m/s流速条件下，菖蒲的附着物质量由0.030 6 g上升到0.070 2 g；0.2 m/s流速条件下，菖蒲的附着物质量由0.031 5 g上升到0.051 9 g；0.3 m/s流速条件下，菖蒲的附着物质量由0.030 2 g上升到0.059 0 g。0.1 m/s流速下的菖蒲根系附着物质量最多，附着物增长率较高。同时，相较于实验前，各组菖蒲根系长度分别增长了4.3、5.8、4.8、4.1 cm，0.1 m/s流速下的菖蒲根系生长情况最好。结果表明，适当的流速能促进菖蒲根系对细颗粒物的吸着，并能促进菖蒲根系的生长。

表2 菖蒲根系附着物质量及根系生长变化

2.2 水体碳去除效果分析

在菖蒲浮床的作用下，不同粒径细颗粒物水样碳含量均下降。如图2所示，各流速下菖蒲浮床对碳的去除率随流速的增加呈先上升后下降的变化趋势。流速为0、0.1、0.2、0.3 m/s时，菖蒲浮床对碳的去除率分别为24.8%～32.0%、56.4%～71.2%、32.8%～39.3%、11.3%～17.4%，菖蒲浮床对粒径为300～1 000 nm的COC去除效果较好。菖蒲浮床在各流速下对碳的去除率表现为0.1 m/s流速>0.2 m/s流速>0 m/s流速>0.3 m/s流速，除0.3 m/s外，其余流速对菖蒲浮床去除碳起到了积极的作用。

图2 流速对菖蒲浮床去除碳的影响Fig.2 Effect of flow rate on carbon removal by Acorus calamus floating bed

2.3 水体磷、氮的去除效果分析

在菖蒲浮床的作用下，氮浓度均有下降。如图3所示，菖蒲浮床对氮的去除率随流速的增加呈先上升后下降的变化趋势。总体而言，菖蒲浮床对300～1 000 nm粒径的CN去除效果较好，对水体中1～10 nm粒径的CN去除效果较差。流速为0、0.1、0.2、0.3 m/s时，菖蒲浮床对氮的去除率分别为14.8%～20.9%、36.1%～49.1%、19.5%～32.8%、2.8%～8.6%。菖蒲浮床在各流速下对氮的去除率表现为0.1 m/s流速>0.2 m/s流速>0 m/s流速>0.3 m/s流速，除0.3 m/s外，其余流速对菖蒲浮床去除氮起到了积极的作用。

图3 流速对菖蒲浮床去除氮的影响Fig.3 Effect of flow rate on nitrogen removal by Acorus calamus floating bed

在菖蒲浮床的作用下，磷的浓度均有下降。如图4所示，随着粒径的减小，菖蒲浮床对磷的去除率大体呈下降趋势。菖蒲浮床在各流速下对磷的去除率总体表现为0.1 m/s流速>0.2 m/s流速>0 m/s流速>0.3 m/s流速，除0.3 m/s外，其余流速对菖蒲浮床去除磷起到了积极的作用。

图4 流速对菖蒲浮床去除磷的影响Fig.4 Effect of flow rate on phosphorus removal by Acorus calamus floating bed

3 讨 论

3.1 流速对附着物及根系发育的影响

在水生生境中，水文因子是影响水生植物生长的主要因子[12]。有学者研究发现，挺水植物浮床的根系直接浸入水体，茎及根系的生长蔓延不会受到阻碍，生长环境较为宽松，有利于新陈代谢及植株的生长[13]6。在流动水体中，水生植物还会受水体波动作用以及流速等因素的影响[14-15]。一定的流速使得水体的大气复氧增加，加速DO较高的表层水体向低氧甚至无氧水层的输送，水体的整体DO水平提高，这为根系附着物增长和根系发育提供了良好的环境[13]6，同时，水流使得菖蒲浮床根系附着物质量增多，根系发育加快[16]，本研究也得到类似的结论。但是有学者发现，较高的流速也会使得根系附着物的附着能力变弱，植物容易吸附饱和，生理活性下降[17]，本研究结论也与之相似，0.1 m/s流速条件下的菖蒲根系生长发育情况更好。本研究还发现，与0.1 m/s流速条件相比，0.2、0.3 m/s流速下菖蒲浮床根系附着物增长量没有显著减少，0.3 m/s流速下的增长量甚至比0.2 m/s流速下的有所增加，这种现象可能是由于逆境胁迫引起，有学者研究发现，在逆境胁迫条件下，植物根系分泌物数量一般都明显增多，而植物根际分泌物是刺激根际微生物繁殖的重要能源和养分源[18-19]。

3.2 流速对碳去除效果的影响

在受到液体分子的撞击时，直径很小的颗粒被迫做无规则运动，称为布朗运动。研究表明，只有当颗粒粒径足够小(<1 μm)时，布朗运动才会发生，促使颗粒间发生碰撞形成较大的絮团[20]。本研究中水流促使水中细颗粒物发生频繁碰撞，有利于细颗粒物絮团的形成[21]，加上菖蒲浮床的拦截，更利于细颗粒物絮团因自生重力而沉降[22]，菖蒲浮床对细颗粒物去除效果得到提升。张庆河等[23]发现当水流剪切力小于絮团间的内部黏结力时，水流剪切强度的增大有利于细颗粒物絮凝的发生和发展；反之，当水流紊动强度超过絮团内部黏结力时，已经形成的絮团会被破坏。MILLIGAN等[24]发现细颗粒絮团的沉降与水流紊动强度有关。本研究发现0.1 m/s流速下菖蒲浮床对COC去除效果最好，可能是因为在本实验中，0.1 m/s流速下的水流紊动强度最适宜，絮体处于稳定状态。

3.3 流速对氮、磷去除效果的影响

硝化/反硝化过程是脱氮的主要机理[25]，同时，伴随着水体扰动作用增强，菖蒲浮床与细颗粒物的接触频率增加，阻挡水流的能力增强[26]，植物根系能形成一层较密的过滤层，不溶性细颗粒物会被根系吸附而沉淀下来，本研究也得到类似的结果，在菖蒲浮床的作用下，各粒径CN的浓度均有下降。流速带来的冲刷作用还能让生长至一定厚度的生物膜及时脱落，并促进新生物膜的生长，间接使得CN浓度得到下降，本研究所得结论与之类似。但是0.3 m/s流速下菖蒲浮床对CN的去除效果不如对照组，可能是由于高流速带来的冲刷作用会使未生长至一定厚度的生物膜脱落[27]，不利于除氮效率的提高。

水流条件下水体中DO增加，聚磷菌大量吸收磷酸盐合成自身核酸和腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)，逆浓度梯度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒(即异染颗粒)于体内，供其内源呼吸用，除磷效率得到提高[28]。在菖蒲浮床的作用下，各粒径CP的浓度均有下降。同时，有学者研究发现[29]，较高的流速引发再悬浮，破坏已经生成的絮团或沉淀，影响去除效果，本研究发现0.3 m/s流速下菖蒲浮床对CP去除效果最差，与之一致。

4 结 语

(1) 流速的存在对菖蒲浮床根系附着、根系生长起到促进作用。0.1 m/s流速下的菖蒲根系附着物质量最大。同时，相较于实验前，各组(0、0.1、0.2、0.3 m/s流速)菖蒲根系分别增长了4.3、5.8、4.8、4.1 cm，0.1 m/s流速下的菖蒲根系生长情况最好。结果表明适宜流速可促进菖蒲根系对细颗粒物的吸着、并能加快其自身的生长。

(2) 不同流速下，菖蒲浮床对碳、氮、磷的去除效果规律表现出相似性，即0.1 m/s流速>0.2 m/s流速>0 m/s流速>0.3 m/s流速。