水生植物对外源氮负荷污水的净化效果研究

邓永强，郑永红,，张治国，陈永春，胡友彪，张 磊，陈芳玲，马程楠

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.淮南矿业(集团)有限责任公司煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232001)

随着中国工业化进程和城市化进程的不断加快推进，工业污水与生活污水的排放量不断上升，国内湖泊等水体的富营养化问题越来越严重。富营养化水体中含有大量的氮磷等营养物质，会诱发藻类过度繁殖，降低水体的透明度及溶解氧含量，破坏水生植物及动物的生存环境，降低水体生态系统的物种多样性和稳定性，进而威胁人体健康，造成经济损失。针对富营养化水体污染物的治理方法有物理法、化学法、生物法三大类，其中物理、化学措施修复水体不仅投入成本大、能源消耗高、严重破坏生态系统，并且容易出现水体二次污染以及对于地下水构成污染。相较而言，水生植物修复法具有效果好、成本低、操作简单、易于维护的优点，同时具有生态环保的特性。实践证明，水生植物对水体中氮磷的富集与转移具有显著的效果，并且可以抑制水体中藻类的生长繁殖，多种水生植物的合理搭配能产生比单一植物更好的净化效果。因此，加强水生植物及其组合的筛选和组合进行研究，对充分发挥水生植物在富营养化水体中的净化作用具有重要的作用。文献[12]通过小型浮床水质净化试验，研究了接种内生细菌后的美人蕉对水体中营养物质的去除效果； 文献[13]探究了氮负荷对沉水植物苦草和穗花狐尾藻生长的影响；文献[14]研究显示，菖蒲、艾蒿等根系发达的水生植物对氮磷的去除效果更好；文献[15]以大薸、凤眼莲和再力花为材料，对其进行不同的分布组合，研究显示植物组合及分布对氮磷去除效果起着重要的作用；文献[16]以研究了不同种植密度和曝气条件下，金鱼藻对静水湿地水体净化作用和微生物群落变化的影响。因此，本文选取沉水植物、挺水植物和浮水植物各两种，作为研究对象。分别为菖蒲、美人蕉、大薸、凤眼莲、金鱼藻、穗花狐尾藻。构建单种植物单元和组合植物单元。分析其对水体中TN的去除效果，以期为水生植物在处理富营养化水体的科学合理应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试植物与模拟污水

供试水生植物包括菖蒲、美人蕉、大薸、凤眼莲、金鱼藻和穗花狐尾藻，试验进行前用蒸馏水对植物进行清洗，沉水植物需对整体进行清洗，挺水植物和浮水植物需对根部进行清洗，清洗过程中要避免对植物造成损伤，清洗后在自然光照无雨条件下预培养一周。模拟污水使用硝酸钾和氯化铵进行配制。

表1 供试植物名录

1.2 试验设计

试验容器选择材质为PVC的水桶，水桶高为30cm，直径为34cm，共45个。试验设置水样体积为15L，原水来源于蒸馏水。基本水质指标的质量浓度为TN高浓度15mg/L、TN中浓度5mg/L、TN低浓度1.5mg/L。

试验于2019年6月1日开始至2019年7月10日在试验室内进行。植物共设15组处理，其中空白对照组1组，单一水生植物试验组6组，组合水生植物试验组8组，每组处理在3个浓度梯度的污水中重复一次，所有处理均在水桶中进行，水桶体积约为20L，注入15L试验水体并做好水位标记，每天用蒸馏水补充消耗水分，取样时间为当天上午9：00～10：00，试验持续时间40d。

表2 试验设计类型

1.3 分析测定内容与方法

本次试验主要针对水质TN进行测定，采用的方法为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。

式中：

R

为TN去除率；

S

为TN初始浓度；

S

为TN终期浓度。

式中：

r

为植物去除TN贡献率；

R

为试验组的去除率；

R

为对照组的去除率。

测定数据均用Origin 2019、Excel进行分析。

2 结果与分析

2.1 水生植物生长情况

在本试验条件下，金鱼藻和穗花狐尾藻在全过程试验期间长势良好，无明显衰败迹象，菖蒲、美人蕉、大薸、凤眼莲在初期生长旺盛，30d后出现衰败迹象。

2.2 水生植物及不同组合对水体pH值的影响

试验模拟污水初始pH为中性或弱酸性，试验结束时水体pH呈弱碱性。试验初期，所有处理水体pH均呈上升趋势。高浓度含氮污水中，单一植物试验组菖蒲pH上升幅度最大，在0～30d水体pH从6.6上升至7.4，上升幅度为0.8；组合植物试验组金鱼藻+美人蕉+凤眼莲pH上升幅度最大，在0～40d水体pH从6.7上升至7.5，上升幅度为0.8。其他试验处理组水体pH变化幅度较小。中浓度含氮污水中，单一植物试验组金鱼藻pH上升幅度最大，在0～40d水体pH从7.1上升至8.0，上升幅度为0.9；组合植物试验组金鱼藻+美人蕉+凤眼莲pH上升幅度最大，在0～40d水体pH从6.7上升至7.4，上升幅度为0.7。其他试验处理组水体pH变化幅度较小。低浓度含氮污水中，单一植物试验组金鱼藻pH上升幅度最大，在0～40d水体pH从7.2上升至8.4，上升幅度为1.2；组合植物试验组金鱼藻+菖蒲+大薸pH上升幅度最大，在0～20d水体pH从6.6上升至7.3，上升幅度为0.7。其他试验处理组水体pH变化幅度较小。

图1 水体pH变化

2.3 水生植物及不同组合对水体DO的影响

试验中，部分空白对照组水体溶氧(dissolved oxygen,DO)较水生植物处理组高，这可能是因为试验过程中，桶体表面基本被水生植物全部覆盖，对水体自身复氧功能造成影响，导致水体DO偏低。试验初期，由于水生植物生长迅速，水体DO基本呈上升趋势，试验后期，试验组植物生长缓慢，部分试验组水生植物出现衰败迹象，导致水体DO上升缓慢，甚至有所降低。

图2 水体DO变化

2.4 单一水生植物对水体TN去除效果研究

1)单一水生植物对水体TN的去除率 6种单一水生植物在为期40d的试验过程中，其污水中TN质量浓度都低于无水生植物的空白对照组，表示试验选择的6种单一水生植物对TN都起到了良好的去除作用。

在高浓度TN水体中，试验第40d时，金鱼藻、穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸和凤眼莲单一植物试验组对TN的去除率均达到了最高值，金鱼藻、穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸和凤眼莲单一植物试验组所在的污水中TN浓度降至最低；此时空白对照组的TN去除率为17.63 %，金鱼藻、 菖蒲和凤眼莲单一植物试验组与其差异具有显著意义(

P

<0.05)。6种单一水生植物中菖蒲的TN去除率最高，为99.80%，其去除率上升速度最快。大薸的TN去除率最低，为36.03%。

图3 单一水生植物高浓度氮处理下对TN去除率

在中浓度TN水体中，试验第40d时，金鱼藻、穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸和凤眼莲单一植物试验组对TN的去除率均达到了最高值，金鱼藻、穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸和凤眼莲单一植物试验组所在的污水中TN浓度降至最低；此时空白对照组的TN去除率为2.39 %，金鱼藻、穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸和凤眼莲单一植物试验组与其差异均具有显著意义(

P

<0.05)。6种单一水生植物中菖蒲的TN去除率最高，为97.82%，其去除率上升速度最快。凤眼莲的TN去除率最低，为42.38%。

图4 单一水生植物中浓度氮处理下对TN去除率

在低浓度TN水体中，试验第40d时，金鱼藻、穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸和凤眼莲单一植物试验组对TN的去除率均达到了最高值，金鱼藻、穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸和凤眼莲单一植物试验组所在的污水中TN浓度降至最低；此时空白对照组的TN去除率为4.61 %，穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸和凤眼莲单一植物试验组与其差异具有显著意义(

P

<0.05)，金鱼藻与其差异具有极显著意义(

P

<0.01)。6种单一水生植物中美人蕉的TN去除率最高，为96.60%，其去除率上升速度在10～40d较快。凤眼莲的TN去除率最低，为26.58%。

图5 单一水生植物低浓度氮处理下对TN去除率

2) 单一水生植物对水体TN的去除贡献率 植物的去除贡献率是指植物通过吸收作用去除的氮、磷含量占水中污染物去除总量的比例，受植物种类和水体污染程度影响。6种单一水生植物在高、中、低三种浓度污水中对TN均能起到良好的去除效果。在高浓度污水中单一植物对TN的去除贡献率为51.07%～82.34%，菖蒲最大，大薸最小；在中浓度污水中单一植物对TN的去除率为94.36%～97.56%，菖蒲最大，凤眼莲最小；在低浓度污水中单一植物对TN的去除率为82.68%～95.23%，美人蕉最大，凤眼莲最小。金鱼藻、穗花狐尾藻、菖蒲、大薸和凤眼莲的去除贡献率表现为中浓度>低浓度>高浓度，美人蕉的去除贡献率表现为低浓度>中浓度>高浓度，说明单一植物金鱼藻、穗花狐尾藻、菖蒲、大薸和凤眼莲，较于处理低浓度和高浓度污水，更适合处理中浓度污水，美人蕉较于处理中浓度和高浓度污水，更适合处理低浓度污水。

表3 单一植物对TN的去除贡献率 %

2.5 组合水生植物对水体TN去除效果研究

1)组合水生植物对水体TN的去除率。在高浓度TN污水中，试验第40d时，8种组合水生植物试验组对TN的去除率均达到了最高值，其所在的污水中TN浓度均降至最低；此时空白对照组的TN去除率为17.63 %，B：金鱼藻+美人蕉+大薸、B：金鱼藻+美人蕉+凤眼莲、B：金鱼藻+菖蒲+大薸、B：金鱼藻+菖蒲+凤眼莲、B：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸、B：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸和B：穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲组合水生植物试验组与其差异具有显著意义(

P

<0.05)，B：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲组合水生植物试验组与其差异具有极显著意义(

P

<0.01)。8种组合水生植物试验组中B：金鱼藻+菖蒲+大薸的TN去除率最高，为97.20%，其去除率上升速度最快。B：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲组合水生植物试验组的TN去除率最低，为50.46%。

图6 组合水生植物高浓度氮处理下对TN去除率

在中浓度TN污水中，试验第30d时，B： 金鱼藻+菖蒲+凤眼莲组合水生植物试验组对TN的去除率达到了最高值，其所在的污水中TN浓度降至最低；此时空白对照组的TN去除率为1.99 %，B：金鱼藻+菖蒲+凤眼莲组合水生植物试验组与其差异具有极显著意义(

P

<0.01)。试验第40d时，B：金鱼藻+美人蕉+大薸、B：金鱼藻+美人蕉+凤眼莲、B：金鱼藻+菖蒲+大薸、B：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸、B：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲、B：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸和B：穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲组合水生植物试验组对TN的去除率均达到了最高值，其所在的污水中TN浓度均降至最低；此时空白对照组的TN去除率为2.39 %，B：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸、B：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲和B：穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲组合水生植物试验组与其差异具有显著意义(

P

<0.05)，B：金鱼藻+美人蕉+大薸、B：金鱼藻+美人蕉+凤眼莲、B：金鱼藻+菖蒲+大薸和B：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸组合水生植物试验组与其差异具有极显著意义(

P

<0.01)。8种组合水生植物试验组中B：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸的TN去除率最高，为99.19%，其去除率上升速度在10～20d最快。B：金鱼藻+美人蕉+凤眼莲组合水生植物试验组的TN去除率最低，为42.19%。

图7 组合水生植物中浓度氮处理下对TN去除率

在低浓度TN污水中，试验第30d时，B：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸组合水生植物试验组对TN的去除率达到了最高值，其所在的污水中TN浓度降至最低；此时空白对照组的TN去除率为4.61 %，B：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸组合水生植物试验组与其差异不具有显著意义。试验第40d时，B：金鱼藻+美人蕉+大薸、B：金鱼藻+美人蕉+凤眼莲、B：金鱼藻+菖蒲+大薸、B：金鱼藻+菖蒲+凤眼莲、B：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲、B：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸和B：穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲组合水生植物试验组对TN的去除率均达到了最高值，其所在的污水中TN浓度均降至最低；此时空白对照组的TN去除率为4.61 %，B：金鱼藻+美人蕉+大薸、B：金鱼藻+美人蕉+凤眼莲、B：金鱼藻+菖蒲+凤眼莲、B：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲和B：穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲组合水生植物试验组与其差异具有显著意义(

P

<0.05)，B：金鱼藻+菖蒲+大薸组合水生植物试验组与其差异具有极显著意义(

P

<0.01)。8种组合水生植物试验组中B：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲的TN去除率最高，为98.67%，其去除率上升速度最快。B：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸组合水生植物试验组的TN去除率最低，为33.99%。

图8 组合水生植物低浓度氮处理下对TN去除率

2)组合水生植物对水体TN的去除贡献率。植物的去除贡献率是指植物通过吸收作用去除的氮、磷含量占水中污染物去除总量的比例，受植物种类和水体污染程度影响。8种组合水生植物在高浓度污水中对TN均能起到良好的去除效果。在高浓度污水中对TN的去除贡献率为65.07%～81.86%，B：金鱼藻+菖蒲+大薸组合最大，B：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲组合最小；在中浓度污水中对TN的去除贡献率为94.33%～97.75%，B：金鱼藻+菖蒲+凤眼莲组合最大，B：金鱼藻+美人蕉+凤眼莲组合最小；在低浓度污水中对TN的去除贡献率为86.45%～95.33%，B：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲组合最大，B：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸组合最小。8种组合水生植物的去除贡献率均表现为中浓度>低浓度>高浓度，说明水生植物组合在污水的净化处理中，对中浓度污水具有更好的处理效果。

表4 组合植物对TN的去除贡献率 %

3 讨论

6种水生植物及其组合对污水中TN的去除效果明显，氮的去除途径包括氮的挥发作用、反硝化作用、植物吸收和短程厌氧氨氧化，其中硝化-反硝化是氮去除的主要去除机制。水生植物需要吸收水体中的营养盐以满足自身生长需要，通过对水生植物的收割处理，即可达到去除水体中营养盐，净化富营养化水体的目的。此外水生植物根系具有较大的比表面积，可以附着大量微生物，为微生物代谢提供适宜的环境，从而提升微生物活性与多样性，通过微生物的新陈代谢作用可以有效的去除水体中的氮磷、有机物。本研究中植物处理组通过微生物的硝化-反硝化作用以及植物的吸收作用，对TN的去除达到了良好的效果。菖蒲和美人蕉根系发达，大量微生物附着在其根系表面，有利于硝化菌和反硝化菌的生长，使水体中的氮素较快的转化为可供植物吸收利用的氮，最后通过植物吸附沉降和吸收作用降低水体中TN的浓度。

6种水生植物对含氮水体的去除效果表明，不同种类水生植物对含氮污水中TN的净化效果差异较大，水生植物的选择直接影响对TN的去除效果。本试验中，菖蒲和美人蕉单一植物试验组对TN的去除效果较好，二者均为多年生挺水植物。因此在水生植物的选择上，应以大型多年生挺水植物为主，这类植物根系发达且常年具有活性，不需要每年栽种，地上部分可连年生长，通过收割处理可达到去除TN的目的。水生植物的筛选应遵循本土植物优先、多年生、抗逆性强、植物根系发达、生物量大、去污能力强等基本原则。

研究表明，水生植物及其组合对富营养化水体的水质具有一定的净化效果，六种水生植物及其组合对富营养化水体水质都具有良好的适应性，且对水体中的TN的去除具有一定优势。较单一水生植物而言，组合水生植物对水中的TN去除效果更为明显。这与文献[29]的研究结果相同，主要由于组合水生植物之间存在一定的生态位互补，比单一水生植物具有更合理的物种多样性，更容易保持生态系统的长期稳定性，组合水生植物根际微生物种类繁多、对污染物的利用层次更为充分，可以保持较为稳定的净化效果，并且其对环境的适应性更强，可以减少病虫害的发生。

通过6种水生植物及其组合的高、中、低三种浓度的含氮污水的去除贡献率比较分析得出6种水生植物及其组合均对中、低浓度含氮污水的去除贡献率较高浓度含氮污水高。这与文献[30]的研究结果相近，在处理低负荷氮的净化系统中，水生植物的吸收起主要作用。本试验显示，在高浓度含氮污水中，单一水生植物试验组的去除贡献率为51.07%～82.34%，组合水生植物试验组的去除贡献率为65.07%～81.86%；在中浓度含氮污水中，单一水生植物试验组的去除贡献率为94.36%～97.56%，组合水生植物试验组的去除贡献率为94.33%～97.75%；在低浓度含氮污水中，单一水生植物试验组的去除贡献率为82.68%～95.23%，组合水生植物试验组的去除贡献率为86.45%～95.33%。

我国利用水生植物净化污水的形式多样，包括生态浮床技术、人工湿地技术、净化塘和根际过滤技术等，这些技术均有实际应用案例，具有不同的处理效果。但水生植物在水体修复的应用过程中侧重净化效果，大多选择生物量增长量较快的植物，在实际应用中需注意水生植物的生长状况，在处理周期结束后需对植物进行及时的收割，防止TN浓度回升，造成二次污染。短期内具有明显的净化效果，但无法满足长期的净化需求。在利用水生植物净化污水的应用中，还需要不断的筛选净化效果稳定，适应能力强的植物，针对不同污染程度的污水，对水生植物进行科学合理的搭配组合，以期达到稳定、显著的净化效果。

4 结论

本试验高、中、低浓度氮的设置参考城镇污水处理厂污染物排放和湖泊富营养化等级中TN浓度，可为处理城市生活污水和富营养化水体修复问题中水生植物的选择提供一定的理论依据。

(1)从单一水生植物对TN去除效果可以看出，6种单一水生植物对高浓度含氮污水的TN去除效果为菖蒲>凤眼莲>美人蕉>金鱼藻>穗花狐尾藻>大薸；对中浓度含氮污水的TN去除效果为菖蒲>金鱼藻>大薸>穗花狐尾藻>美人蕉>凤眼莲；对低浓度含氮污水的TN去除效果为美人蕉>金鱼藻>菖蒲>穗花狐尾藻>大薸>凤眼莲。菖蒲在高浓度和中浓度含氮污水中表现出的除氮能力均最强，说明其适合处理高、中浓度含氮污水，美人蕉对低浓度污水的净化效果最好，适合处理低浓度含氮污水。

(2)从组合水生植物对TN去除效果可以看出，8种组合水生植物对高浓度含氮污水的TN去除效果为B>B>B>B>B>B>B>B；对中浓度含氮污水的TN去除效果为B>B>B>B>B>B>B>B；对低浓度含氮污水的TN去除效果为B>B>B>B>B>B>B>B。B组合在处理高浓度含氮污水时的净化效果最优，B组合在处理中浓度含氮污水时的净化效果最优，B组合在处理低浓度含氮污水时的净化效果最优，B组合在处理高、低两种浓度含氮污水时的净化效果良好，具有较好的应用潜力。

(3)从6种水生植物及其组合TN去除率趋势的比较可以看出，在高浓度含氮污水中，菖蒲和B组合去除TN速率较快；在中浓度含氮污水中，菖蒲和B组合去除TN速率最较快；在低浓度污水中，美人蕉去除TN速率较快，组合水生植物去除速率差异不明显。在高中浓度含氮污水中，组合水生植物的除氮效果优于单一水生植物，但在低浓度污水中，二者处理效果无显著差异。

(4)通过6种水生植物及其组合的高、中、低三种浓度的含氮污水的去除贡献率比较分析得出6种水生植物及其组合均对中、低浓度含氮污水的去除贡献率较高。说明水生植物对中、低浓度含氮污水TN的吸收作用较明显，适合处理低负荷氮的污水。

(5)通过对比挺水植物、浮水植物和沉水植物三种植物类型的净化效果可知，挺水植物对含氮污水的净化效果最优，其次为浮水植物，沉水植物较差，在实际应用中，水生植物组合可以考虑设置更大比例的挺水植物，以提升水体净化效果。