不同挺水植物对模拟污水中C、N净化效果研究

2022-10-28王玉杰罗雪梅涂卫国

四川环境 2022年5期

宋涛，王玉杰，罗雪梅，涂卫国

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010;2.四川省自然资源科学研究院，成都 610015)

引言

水体富营养化已成为河流、湖泊和水库等水体的严峻环境问题[1-2]，利用挺水植物修复是一种应用广泛的水体富营养化治理方式。随着挺水植物的生长，会不断从水环境吸收N等营养元素，富集在植物体的根、茎、叶等器官中。并且挺水植物的茎和叶片一般挺出水面，因此也便于收割，以去除从水体转移到植物茎、叶中的N、P等元素。挺水植物发达的根系也为微生物的附着提供了场所，从而有效降低水环境中的COD成分。此外，挺水植物还可以通过对营养元素的竞争作用，抑制藻类的繁殖[3]。这种方法不仅成本低廉，而且不易产生二次污染[4]。

目前，关于利用挺水植物修复富营养化水体的研究主要集中在养分吸收动力学特征[5]、资源化利用[6]和净化效果[7]及性状筛选[8]等方面。这其中，主要采用污染物的吸收情况、去除率来衡量其净化效果。另外，挺水植物的株高、鲜重等生物量指标也是影响净化效果的重要因素。旱伞草、黄菖蒲、再力花、美人蕉、鸢尾是西南地区常见的5种挺水植物，对于这5种植物单独在净化效果方面的研究已比较全面，但有关它们净化效果的对比研究尚鲜见。鉴于此，本研究选取了西南地区常见的5种挺水植物作为试验材料，通过室内模拟试验，重点对比分析了它们对污水中C、N净化效果的差异，同时分析了植株生长情况与净化效果的关系，以期为植物修复在富营养化水体治理中的应用提供基础数据。

1 试验材料及条件

1.1 试验材料

5种试验植物材料黄菖蒲Irispseudacorus、再力花Thaliadealbata、旱伞草Cyperusinvolucratus、美人蕉Cannaindica、鸢尾Iristectorum等均取自四川省成都市，采回植物后用蒸馏水洗净泥土，去除枯萎的叶片，蒸馏水培30 d后选取生长良好且大小基本一致的植株进行模拟试验，在试验开始前对植物进行统一的修剪。

1.2 试验设计

试验地点位于成都双流，试验时间为当地夏季(7～8月)，实装装置采用自制的透明玻璃水箱(200 cm × 70 cm × 100 cm)，每个水箱放置同种植物材料36株，通过高密度聚苯乙烯浮岛材料配合鹅卵石进行固定(图1)，每个水箱设为1个试验组，共设置5个试验组和1个试验对照组，5个试验组分别采用黄菖蒲、再力花、旱伞草、美人蕉、鸢尾作为植物材料，对照组不种植任何植物。试验设置在室外大棚内，大棚为钢架结构，覆盖透明薄膜，避免降雨对本试验产生干扰。模拟污水采用试验地附近的天然河水添加葡萄糖、磷酸二氢钾、氯化铵等进行配制，具体浓度见表1，本实验为静态模拟试验，试验过程中水箱的进水口与出水口保持关闭状态。试验过程水箱中污水水位高度保持80 cm，通过添加蒸馏水来补充试验过程中自然蒸发和植物蒸腾所消耗的水分。在试验开始和结束时用卷尺测量记录每株植物的根长、株高、分蘖数以及鲜重，植物干重通过烘干法进行测定。试验结束时，植物生长情况如图2所示。

表1 模拟污水水质指标初始浓度Tab.1 The initial concentration of the simulated water quality index

图1 试验装置示意图Fig.1 A diagram of experimental device

图2 试验结束时植物的生长情况Fig.2 Plant growth at the end of the experiment

1.3 测定方法和数据分析

本研究中污染物的去除率计算公式如下：

式中：η—去除率；Co—第1次采集的水样中污染物的浓度；Cn—第n次采集的水样中污染物的浓度。分别在试验开始第0、2、4、6、8、11、13、18、22、32、38、45天采集水样进行测定。

2 结果与分析

2.1 不同挺水植物对污染物的去除能力研究

2.1.1 不同挺水植物对模拟污水中CODCr的去除效果

各体系中植物材料对CODCr去除效果如图3所示，其中图3(A)为各组试验中模拟污水的CODCr浓度变化趋势，图3(B)为各组中CODCr去除率变化趋势。从图中可以看出，试验过程中试验组和对照组水体中CODCr浓度变化趋势基本一致，总体上呈现出先不断降低，然后趋于稳定的动态规律。

试验开始前5天，各试验组和对照组中CODCr的去除率均较低，在第5～11天，旱伞草、黄菖蒲、再力花、美人蕉、鸢尾在适应环境后对CODCr去除率快速上升，试验进行到第11天，各试验组中的CODCr的去除率均超过对照组，除鸢尾之外的其他4种植物对CODCr的去除率达到60%以上，体系中CODCr浓度下降到40mg/L以下，随着时间的推进，旱伞草对CODCr的去除率稳定在80%左右，黄菖蒲、再力花对CODCr的去除率达到70%以上，美人蕉在70%左右，鸢尾的去除效果相对较差，后期逐渐稳定在50%以上。第38天，各试验组的CODCr去除率达到56.76%～80.58%，对照组的去除率为48.57%。5种植物CODCr去除率由高到低依次为：旱伞草、黄菖蒲、再力花、美人蕉、鸢尾。

图3 不同挺水植物对CODCr的去除效果Fig.3 The removal effect of different emergent plants on CODCr

图4 不同挺水植物对的去除效果Fig.4 The removal effect of different emergent plants on

2.2 各体系中植物生长情况与污染物的去除效果之间的关系

为了研究植物生长情况与模拟水体中C、N去除率之间的关系，试验过程中对5种植物材料的根长、株高、分蘖数、鲜重和干重等指标进行的测定。研究结果表明：5种植物中，黄菖蒲的根系最长，达到77 cm，其次为旱伞草，根长为66 cm，鸢尾的根长最短为25cm(见表2)，同时旱伞草的分蘖数最多，根系也最发达，从前面的研究结果中也可以看出旱伞草对水体中CODCr去除率最好，其他4种植物对CODCr去除率高低也与其根系发达程度和植物生长情况关系密切。这是由于试验水体中碳源的降解主要依靠水体中和植物根系上的微生物，根系越发达，越能给微生物提供更多的附着场地，微生物的数量越多，因此对CODCr的去除效果越好。