两种沉水植物在人工湖泊中净化水质效能的研究

王乐阳

(1.江苏龙腾工程设计股份有限公司,江苏 南京 210014;2.江苏省雨污水资源化利用工程技术研究中心,江苏 南京 210014)

水是人类赖以生存的主要物质之一,随着工农业的不断发展和防治污染措施的不当使用导致淡水资源加速消耗、水质不断恶化,人类已经面临严重的淡水资源匮乏问题,因此水质的净化研究变得尤为重要。而沉水植物以其特有的生态和景观功能以及易于操作等优点,在净化水质和修复水生态系统方面受到普遍关注[1]。

沉水植物可以有效地增加空间生态位,减少生物性和非生物性悬浮物,明显改善水下光照条件和溶解氧情况。沉水植物特有的结构和功能对水体中的污染物,尤其是氮、磷等具有较好的吸收作用,因此其在改善水体质量、保证良好的水体环境中发挥了重要作用[2]。本文通过室内模拟,在前期研究秋季沉水植物对人工湖泊水质净化效果[3]的基础上,进一步研究了狐尾藻、金鱼藻2种沉水植物的净化效果,同时研究了狐尾藻和金鱼藻不同的投放配比对水质的影响,为更好地发挥沉水植物的特有功能和缩短水生态修复周期提供了重要依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验开展于2022年夏季的5月和6月,狐尾藻、金鱼藻均取自人工湖泊,试验开始前分别称取500g的狐尾藻和金鱼藻置于聚乙烯塑料桶中用自来水培养10天,同时用2个双管式增氧泵24h不断增氧,每隔两天换一次水,确保吸附在植物表面的悬浮物被水-气流冲洗干净。试验用水取自人工湖泊水,水质指标见表1。

表1 试验用水水质的相关指标

1.2 试验内容

2022年5月13—29日,开展水质净化能力比较试验。称取相同质量的狐尾藻、金鱼藻,分别置于两个装满人工湖泊水且规格相同的聚乙烯塑料桶中,置于试验室窗口进行通风光照培养,每隔一天采集一次水样测定化学需氧量(COD)、总氮(TN)、悬浮物(SS)和pH值。

2022年6月2—20日,称取不同配比的狐尾藻和金鱼藻(共10g,其中狐尾藻依次从0g、2g、4g、6g、8g添加),共5组,分别置于5个装满人工湖泊水且规格相同的聚乙烯塑料桶中,记为M0、M2、M4、M6、M8。置于试验室窗口进行通风光照培养,每隔一天采集一次水样测定SS、COD、TN,试验共采集9次。

1.3 测定方法

水质的SS、COD、TN、pH值的测定方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》[4]。SS粒径采用光电感应法测定(激光粒度粒形分析仪,Mastersizer 3000,Malvern);CODCr采用重铬酸盐法测定;TN采用气相分子吸收光谱法测定(气相分子吸收光谱仪,GMA3510,森普)。

2 结果与讨论

2.1 两种藻类水质净化能力

图1 狐尾藻和金鱼藻水质净化能力比较

由方差分析可知,两种藻类在SS、COD、TN、pH值4种水质指标中的显著性检验P值分别为0.833、0.798、0.987、0.798,未呈现出显著性差异,故在气温适合的情况下两种藻类对水质净化的效果无较大的差异。由表2的相关性分析可知,经狐尾藻、金鱼藻净化的水体中SS、COD、TN、pH值之间基本呈极显著相关关系,说明狐尾藻、金鱼藻能够较好地调节水体水质。狐尾藻净化的水体中SS浓度与TN浓度的相关性较差,而金鱼藻净化的水体中SS浓度与TN浓度的相关性较好,这是因为金鱼藻具有很强的吸氮能力[7],其特有的绒毛结构对悬浮物也有较强的吸附和固定能力,说明在高氮和高悬浮物浓度的情况下适合栽种金鱼藻[8],而金鱼藻在吸氮的同时其他水质指标也会随之向良性方向发展。因此,在选取藻类处理受污染的水体时,应考虑当地的自然环境以及水体的各项水质指标,进行有针对性的治理。

表2 狐尾藻和金鱼藻分别加入后的水质指标之间的相关关系

①表示0.05水平显著。

②表示0.01水平显著。

2.2 不同配比的狐尾藻和金鱼藻对SS浓度的影响

水体中SS的含量是影响水体透明度和光学衰减系数的重要因素,含量高时会削弱水下光强,对植物光合作用和水体初级生产力产生不良影响。因此,降低水中悬浮物含量是水质净化与生态修复工作的重要部分。沉水植物可通过根茎和叶片的拦截吸附作用减缓水流和风浪扰动,同时可通过表面微生物分泌黏液的凝聚作用,有效降低水中悬浮物的浓度。由图2可知,不同配比的狐尾藻和金鱼藻对水质均有较好的净化效果。随着试验的进行,经处理的水体SS浓度不断下降,在第14天时水体中SS浓度开始趋于稳定,至试验结束时经M0、M2、M4、M6、M8处理的水体中SS浓度分别为73mg/L、90mg/L、98mg/L、106mg/L、115mg/L,对应的去除率分别为63.50%、55.00%、51.00%、47.00%、42.50%,去除效果为M0>M2>M4>M6>M8,说明随着狐尾藻数量的增加,吸附SS的能力减弱,此时经M0处理的水体中SS浓度最低,这主要与金鱼藻特有的绒毛结构具有较强的吸附和固定能力有关[9]。

图2 加入不同配比的狐尾藻和金鱼藻的SS浓度变化

2.3 不同配比的狐尾藻和金鱼藻对COD的影响

水中有机污染物种类多样且成分复杂,有机物分解会大大降低水中溶解氧含量从而破坏水生环境。沉水植物可通过吸收、吸附、截留及附着微生物的降解作用来降低水中COD值。由图3可知,试验开始前,因植物在干净的水体中培养了一段时间,试验开始时的植物缺乏有机质,因此,吸收有机物速率较快[10],故在试验第8天之前,各方案处理的COD浓度均大幅度下降,有机质被植物吸附和微生物转化[11],此时不同配比的狐尾藻和金鱼藻对COD浓度影响显著(n=9,P<0.05),水体中的COD浓度差异较大;在试验第8天之后,各方案处理的COD浓度均基本处于稳定状态,且COD浓度差异不大,基本处于8.00～9.00mg/L之间。M8处理的水体中COD浓度在第8天达到本次试验的最低值,为8.17mg/L,明显低于试验开始时的30.38mg/L,仅为试验开始时的26.89%,这与狐尾藻对有机质处理效果较好有关。

图3 不同配比的狐尾藻和金鱼藻加入后水体COD浓度变化

2.4 不同配比的狐尾藻和金鱼藻对TN的影响

如图4所示,在狐尾藻和金鱼藻的作用下,试验开始至第8天,经M0、M2、M4、M6、M8处理的水体中TN浓度基本在2.6～2.7mg/L范围内波动,第8天开始快速上升,在第10天达到最高值,分别为2.99mg/L、2.91mg/L、2.75mg/L、2.97mg/L、2.96mg/L,均超过试验开始时的2.74mg/L,在第14天快速下降至此次试验最低值,分别为2.29mg/L、2.38mg/L、2.20mg/L、2.37mg/L、2.35mg/L,对应的去除率分别为16.52%、3.19%、19.63%、13.42%、14.41%,在第16天又回升至试验初始浓度附近,试验期间,M4处理的水体TN浓度均低于其他四组。各方案处理的水体TN浓度在第0～8天上下稳定波动,藻类对TN基本没有净化效果,这可能是由于人工湖泊水体中大量的悬浮物颗粒覆盖在藻类表面,阻碍了藻类的光合作用和呼吸作用,藻类处于逆境生长阶段,其体内会产生大量的活性氧自由基,而活性氧自由基会破坏植物的蛋白质、核酸等,导致系统功能紊乱,严重时会导致植物细胞死亡[12],从而对水体净化效果较差,此时藻类的一些残体和不良代谢物排入到水体中,引起水体TN浓度大幅提高[13]。

图4 不同配比的狐尾藻和金鱼藻加入后水体TN浓度变化

3 结 论

狐尾藻、金鱼藻在提高水体中pH值的同时,均有较好的水质净化效果,其中金鱼藻较狐尾藻去除SS和TN的能力强,狐尾藻较金鱼藻去除COD的能力强。随着狐尾藻数量的增加,藻类组合吸附SS的能力相对减弱,而人工湖泊由于其特殊性,单纯的金鱼藻无法更好地去除TN,因此4g狐尾藻+6g金鱼藻的组合能较好地抵抗悬浮物覆盖带来的危害,使得水体中TN的去除效果最好,因此选择正确的配比方式能够保证植物的健康生长,减少逆境对植物造成的伤害。

由于试验室是相对封闭的环境,体系较为稳定,若推广到室外需要考虑到季节、温度、水量水位,以及微生物、动物、人类活动等外在扰动的影响,因此下一步将在室外开展中试试验,研究以上因素对沉水植物净化效能的影响,为更好地发挥沉水植物的特有功能和缩短水生态修复周期提供重要依据和参考。