不同浓度余氯对4种沉水植物生长影响的比较研究

黄伟平，李 豪，田方鑫，赵重阳，刘世婷，陈洪斌

(1.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092；2.杭州余杭水务控股集团水牛环境公司,杭州 311100;3.四川省环保产业集团有限公司，成都 610046)

前 言

尾水人工湿地作为一种污水深度处理的生态工程技术，具有建设及运营成本低、维护方便、提升生态景观效果等优点，主要应用于污水处理厂出水的水质净化[1]。水生植物是尾水人工湿地的核心，其中沉水植物作为水体生态系统中最重要的生产者，对尾水氮、磷的净化起到重要作用[2]。

目前，关于沉水植物的研究多集中于氮、磷污染物对沉水植物生长的影响，如周金波等[3]研究了不同浓度氨氮对轮叶黑藻、苦草、金鱼藻和小茨藻的生长影响，任文君等[4]研究了篦齿眼子菜、马来眼子菜、金鱼藻和黑藻对水体总磷的去除能力。然而关于不同浓度余氯对沉水植物生长影响的对比研究相对较少。对于以含氯尾水作为补水的人工湿地而言，科学选择具有一定耐氯能力的沉水植物是湿地公园实现净化效果及生态效益的前提。因此，本研究以金鱼藻、苦草、水蕴草和轮叶黑藻四种生长竞争优势存在差异的沉水植物为实验对象，在小试条件下模拟沉水植物对不同浓度余氯的生理胁迫响应及耐受阈值，筛选抗氯性较强的植物品种，以期为含氯尾水湿地公园对沉水植物的选择应用提供参考依据，提升尾水的生态价值和效益。

1 材料与方法

1.1 某净水厂的主体工艺和尾水水质

次氯酸钠具有较强的杀菌作用和运输的便利性[5]，我国多数污水处理厂在消毒杀菌环节投加次氯酸钠。若尾水的余氯以及氯消毒副产物浓度较高，回用于景观湿地公园可能会威胁水生植物尤其是沉水植物的生存[6]。如当尾水中余氯浓度大于0.45 mg/L时，某些浮游水生植物仅仅接触数秒钟也会长期受到生长抑制[7]。

某净水厂为全地埋式地下污水厂，处理规模为20万m3/d，主体工艺采用“水解酸化+AAOA+膜过滤+次氯酸钠消毒”的处理工艺，尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准，进入湿地公园的水量约为5 000m3/d，其水质如表1所示。

表1 主要水质指标

该净水厂出水的各项指标均符合《城市污水再生利用景观用水水质》(GB/T 18921-2019)中景观湿地环境用水的标准。净水厂的MBR出水除了常规的氯消毒外，每天有若干膜组件在线清洗或离线化学清洗，某些时段也会排出有较高浓度的次氯酸钠溶液，两者叠加往往对尾水的余氯浓度产生一定的波动性，进而影响后续湿地公园中沉水植物生长以及周边绿化用水的水质。

1.2 试验材料

研究对象为以下4种常见的沉水植物：金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、苦草(Vallisnerianatans)、水蕴草(Elodeadensa)、轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)。四种水草先在实验室无氯水中培养48 h后选取生长良好、长度适中的植株作为试验材料。

1.3 试验设计

为模拟不同的总余氯梯度浓度，以四个体积为150 L的透明收纳箱作为培养箱，将含有余氯的污水处理厂尾水抽取至培养箱中，再分别加入次氯酸钠溶液和硫代硫酸钠(Na2S2O3)固体以配制0、0.4、0.8和1.2 mg/L的总余氯浓度。由于余氯会随时间消减，因此每天配制和补加次氯酸钠溶液维持设定的浓度条件，并利用DR2800型便携式分光光度法(美国哈希)现场快速测定余氯浓度[8]。

挑取出大小相似、生长良好的四种沉水植物若干，并将其种植于花盆中，每盆种植1株。随后将花盆分别放入收纳箱底，每箱放有四种植物，每种植物有三株平行样，即每箱放置12株沉水植物。定期观察植物生长状况，并剪取叶片以测定叶绿素含量。

1.4 测定方法

采用植物表观生长目测估计方法[9]，即每天定时观察拍照、记录沉水植物的生长情况，将植物的表观按照外伤症状分为4级：Ⅰ级，观察不到伤害症状；Ⅱ级，轻度伤害；Ⅲ级，中度伤害；Ⅳ级，重度伤害。

分别在第0 h、24 h、48 h、96 h、192 h剪取沉水植物的叶片，放置于吸水纸，自然风干1～2 h后称重记录，然后分别放入已预先加入80%丙酮溶液的研钵中，将其磨碎叶片残渣褪去绿色后过滤，冲洗残渣、研钵内壁和滤纸，用丙酮溶液定容至10 mL，混匀后在波长为663 nm和645 nm测定吸光度，通过公式计算出叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素a+b含量(两种叶绿素含量相加而得)。研究四种沉水植物叶绿素a+b含量的变化情况，分析变化趋势以筛选出耐氯性最强的品种。

2 结果与分析

2.1 净水厂尾水余氯衰减规律

连续24h测定了净水厂尾水的游离氯、总余氯的浓度，每次测定间隔2 h。游离氯和总余氯的时变化趋势如图1所示。

图1 地下净水厂尾水的余氯的时变化趋势

由图1可见，24 h内总余氯浓度最高为0.51 mg/L，最低为0.24 mg/L；游离氯浓度最高为0.41 mg/L，最低为0.10 mg/L。游离氯与总余氯的变化趋势大致相同，在24 h内经历了两次先上升后下降的过程。之所以出现余氯波动，主要与净水厂膜组件的自动在线清洗相关，包括清洗、排放时间不固定，且尾水的余氯投加浓度并未控制等因素。

以该地下净水厂的尾水作为研究对象，静置于自然条件下，模拟水体流动下余氯的衰减规律，每间隔1h测定总余氯、游离氯浓度，分析两者浓度降低情况，为后续投加次氯酸钠溶液、硫代硫酸钠固体以维持试验梯度浓度提供参考。测定结果如表2所示。

表2 自然条件下总余氯、游离氯浓度变化

由表2可知，净水厂尾水总余氯、游离氯的初始浓度分别为0.61 mg/L、0.57 mg/L，夏季高温条件下，7小时后分别衰减至0.18 mg/L、0.15 mg/L，为初始浓度的30%、26%。通过线性拟合分析可知(图2)，净水厂尾水的总余氯、游离氯浓度在夏季条件下快速降低，两者降低的速率相同，为0.058 mg/(L·h)。两者的决定系数R平方值分别为0.9737、0.9192，都接近于1，表明基于7小时的衰减时间内，趋势线的估计值与对应实际数据之间的拟合程度较高，趋势线的可靠性也较高。净水厂的尾水进入湿地公园水体，总停留时间约为24h， 前7小时基本上还处于前1/3段，总余氯在该阶段的快速衰竭过程伴随氧化还原反应，必然对沉水植物的叶片造成伤害。

图2 自然条件下总余氯、游离氯浓度变化图

2.2 沉水植物的表观生长情况

连续10天观察记录了金鱼藻、苦草、水蕴草、轮叶黑藻等四种沉水植物的表观生长状况，根据植物表观生长目测估计方法的分级依据所记录的结果如表3所示。10天前后的植物实际状况如图3所示。

表3 植物外伤症状变化

总余氯对沉水植物的表观伤害不仅与其浓度有关，还与植物的暴露时间有关。尾水的余氯浓度越高、暴露时间越长，沉水植物受到的伤害越大。以下四种沉水植物表观生长状况的影响分析。

2.2.1 余氯浓度对金鱼藻表观生长的影响

当试验进行至第3天时，初始总余氯浓度为1.2 mg/L的暴露环境中金鱼藻开始出现轻度伤害，其中两株下部叶片呈现由绿色转为黄色的迹象；第4天则呈现出中度伤害，植株尖端发黄失绿，且叶片相对稀疏；第10天呈重度伤害，叶片发黄、发白且稀疏，整体明显萎蔫。总余氯浓度为0.8 mg/L的暴露环境中，金鱼藻在第10天呈现重度伤害，底部有发黑迹象，且叶片发黄发白，小部分植株断裂漂浮于水面。总余氯浓度为0.4 mg/L的暴露环境下，金鱼藻最终表现为受到中度伤害。

2.2.2 余氯浓度对苦草表观生长的影响

苦草生长状况的变化趋势与金鱼藻相同，在高浓度条件下外伤症状表现为受到重度伤害，叶片边缘失绿、发黄发白。在低浓度下表现为受到中度伤害，中上部分叶片发黄，底部根茎仍呈现绿色。

2.2.3 余氯浓度对水蕴草表观生长的影响

水蕴草在初始总余氯浓度为1.2 mg/L的暴露环境中从第4天开始表现为轻度伤害，其中一株有发黄迹象，直至第10天，部分叶片发黄症状加重，转为受到中度伤害。其它3种总余氯浓度下，水蕴草的最终表现为受到轻度伤害，即总体生长情况良好，仅有少部分叶片有发黄迹象。

2.2.4 余氯浓度对轮叶黑藻表观生长的影响

总余氯浓度为1.2 mg/L的暴露环境中，轮叶黑藻分别在第5天、第9天转为轻度伤害、中度伤害，叶片色素变淡，有发白发黄现象。总余氯浓度为0.8 mg/L的暴露环境下，轮叶黑藻最终也表现为受到中度伤害。低浓度下，轮叶黑藻生长状态良好，表现为受到轻度伤害。

上述观察结果可知，初始总余氯浓度为1.2 mg/L的暴露环境中金鱼藻、苦草均受到重度伤害，而水蕴草、轮叶黑藻则受到中度伤害；初始总余氯浓度为0.8 mg/L的暴露环境中，仅有水蕴草表征为受到轻度伤害，在一定程度上反映其耐受性最强。根据检测，该地下净水厂尾水的总余氯浓度介于0.4～0.6 mg/L，在线清洗膜组件后尾水的瞬时余氯浓度最高接近0.8 mg/L。因此，对比总余氯浓度为0.4 mg/L、0.8 mg/L的暴露环境中沉水植物的表观外伤症状可知，四种沉水植物中耐氯性最优品种是水蕴草，其次为轮叶黑藻、金鱼藻、苦草。

2.3 4种沉水植物的叶绿素含量变化规律

叶片是植物进行光合作用的主要器官，其中叶绿素含量与植物光合作用、营养状况等新陈代谢活动密切相关[10]。通过测定叶绿素含量变化以表征植物生长状况，可判断4种沉水植物受余氯胁迫的程度。不同培养时间和不同总余氯梯度浓度下四种沉水植物的每克样品鲜重(g·FW,Fresh Weight)的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量变化情况如表4、图4所示。其中，叶绿素a+b含量为叶绿素a含量与叶绿素b含量之和。

图4 总余氯梯度浓度下4种沉水植物的叶绿素含量变化

表4 总余氯梯度浓度下4种沉水植物的叶绿素含量变化

可见，4种沉水植物的叶绿素a、叶绿素b含量变化与叶绿素a+b含量变化趋势基本一致。沉水植物的叶绿素主要由叶绿素a、叶绿素b组成，因此可用叶绿素a+b含量表示为叶绿素含量，并通过叶绿素含量的变化来反映不同余氯环境中沉水植物的生长状况。

从图4(a)、(b)所示，尾水余氯浓度为0和0.4mg/L的环境中，水蕴草、轮叶黑藻的叶绿素含量先上升后下降，最终值约为初始值的1.5倍。而金鱼藻、苦草的叶绿素含量基本呈下降趋势，最终值约为初始值的0.8倍。总体上，四种沉水植物中水蕴草的叶绿素含量最高，其次为轮叶黑藻。依据图4(c)、(d)所示，在总余氯浓度为0.8 mg/L、1.2 mg/L的暴露环境中，金鱼藻和苦草的叶绿素含量均呈下降趋势：其中金鱼藻的叶绿素含量从初始5.39 mg/(g·FW)，分别下降到1.66、2.11 mg/(g·FW)，下降幅度分别达到69%、61%。苦草的变化趋势与金鱼藻相似，下降幅度分别为67%、59%。在总余氯浓度为0.8 mg/L的暴露环境中，水蕴草与轮叶黑藻变化趋势相同，为先上升后下降，最终水蕴草的叶绿素含量上升了13%，轮叶黑藻则 上升了98%，两者最终的叶绿素含量相差0.72 mg/(g·FW)。总余氯为1.2 mg/L的暴露环境中，在第192 h水蕴草的叶绿素含量最高，为4.50 mg/(g·FW)，与初始值仅相差0.15 mg/(g·FW)，而轮叶黑藻的叶绿素含量为水蕴草的64%，但与初始值相比并无明显降低；当试验进行至第4天时，水蕴草、轮叶黑藻叶绿素含量达到峰值，随后开始下降。该现象可解释为叶绿素a与b的合成系统对次氯酸钠胁迫的一种应激反应，是植物色素体受到破坏、数量减少后的一种代偿性作用[11]。

有研究认为，叶绿素a/b的比值越大则光合活性越强，因而植株叶绿素a/b的变化可能是水生植物适应环境及衰老的主要机制[12]。因此，余氯对沉水植物叶片的损伤除叶绿素含量降低外，叶绿素a/b值的下降趋势也能反映出同一光照条件下沉水植物光合作用能力的变化。如表5所示，在总余氯浓度为0.8 mg/L的暴露环境下生长192 h后，4种沉水植物中水蕴草的叶绿素a/b值并无明显下降，而另外三种植物均下降了0.5。在总余氯浓度为1.2 mg/L的暴露环境下生长192 h后，水蕴草、轮叶黑藻的叶绿素a/b均下降了0.3，下降幅度约为金鱼藻、苦草的一半。

表5 中高总余氯浓度下4种沉水植物叶绿素a/b含量的变化

综上，通过对比4种沉水植物叶绿素含量以及叶绿素a/b值的变化情况可知，在4个余氯浓度的暴露环境中，水蕴草的叶绿素含量最高且与初始值相比略有提高，叶绿素a/b值的下降幅度最低，表明水蕴草在四类沉水植物品种里生长状况较好。有研究认为，水蕴草对重金属Pb具有良好的耐受性[13]，对Cu也有很强的富集能力[14]，还可用于富营养化水体的水质净化与修复[15]。

2.4 讨论与探究

该地下净水厂的尾水除了常规的次氯酸钠消毒外，膜组件化学清洗的排放水也会造成尾水的余氯短时波动，甚至某些时段的余氯浓度达到或超过沉水植物的耐受阈值，对湿地公园沉水植物的生长造成冲击性伤害。夏季高温、强光的自然条件下，尾水的余氯分解速率加快，更容易对沉水植物的叶片造成氧化损伤。含氯尾水浇灌湿地公园的陆生植物时，也明显观察到部分叶片呈现发白、枯萎的现象。

针对以上问题，除筛选出相对具备耐氯性的沉水植物外，还可通过控制尾水的余氯浓度以避免对湿地水体中的水生植物造成伤害。如通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)设置控制次氯酸钠的投加浓度或投加时间，采用与MBR每天定期进行膜组件的在线或离线化学清洗加氯过程进行联动控制，MBR膜组件排放高含氯水时段停止或减少常规消毒的氯投加量，达到降低尾水余氯浓度以及控制余氯波动的效果。此外，净水厂的MBR出水氨氮含量低，氯消毒后的出水以游离氯为主，在进入湿地公园前，可设置一套脱氯装置，降低余氯的影响及消毒副产物生成量，提高进入湿地公园的再生水质量。

3 结 论

3.1 研究了金鱼藻、苦草、水蕴草、轮叶黑藻等四种沉水植物在不同余氯环境的总体生长状况，结果表明，水蕴草的耐氯性最高，在总余氯浓度为0.4 mg/L的环境下生长良好，几乎不受余氯的影响；当总余氯浓度增大到0.8 mg/L时，水蕴草受到轻度伤害；当总余氯浓度增大到1.2 mg/L时，水蕴草受到中度至重度伤害。

3.2 在四个梯度的余氯暴露环境中，四种植物的叶绿素含量都经历了先上升后下降的趋势，其中水蕴草在第96 h出现拐点。该现象与沉水植物的叶绿素体受到破坏、数量减少后的代偿性作用相关。相同余氯环境中暴露10天后水蕴草的叶绿素含量相对最高，更能适应含氯尾水的水质。

3.3 结合外观表征以及叶绿素指标可知，水蕴草能够在总余氯浓度不超过0.8 mg/L的暴露环境条件下存活，净水厂消毒后的尾水进入湿地公园时，前段水体区域种植水蕴草更易于成活。此外，在进一步的研究中还将扩大筛选沉水植物的种类。

3.4 污水厂含氯尾水作为生态补水回用于湿地公园时，需要考虑沉水植物对尾水中余氯的耐受程度。根据本文的研究结果，可为含氯尾水湿地公园的建设及沉水植物的选择提供参考依据，以提高尾水回用的生态效益。