3種水生植物對富營養(yǎng)化水質(zhì)的凈化性能比較

3種水生植物對富營養(yǎng)化水質(zhì)的凈化性能比較鄭足紅;胡超;王華偉;蘭天翔;王立華【摘要】選擇蘆葦、狐尾藻、菖蒲3種水生植物凈化富營養(yǎng)化水體，考察了不同水生植物及組合對富營養(yǎng)化水體中硝酸鹽氮、氨氮、TN、TP、COD、BOD5的去除效果.結(jié)果表明，菖蒲對氮、磷的去除效果明顯優(yōu)于蘆葦和狐尾藻，狐尾藻在COD的去除上表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，而蘆葦對BODs的去除效果最加.在植物組合處理中，菖蒲十狐尾藻組合對氮、BOD5去除效果最佳，處理28d后,TN、BOD5去除率分別達(dá)80%、57%,蘆葦十菖蒲組合對TP、COD去除效果優(yōu)于其他組合，處理28d后,TP、COD去除率分別達(dá)87%、72%;處理過程中，狐尾藻生物量增長最多，且對蘆葦、菖蒲具有明顯的抑制作用，是3種植物中的優(yōu)勢物種.綜合考慮水質(zhì)凈化效果及植物生長狀況，菖蒲和蘆葦可作為富營養(yǎng)化水體的凈化植物,而狐尾藻則應(yīng)該謹(jǐn)慎使用.【期刊名稱】《環(huán)境污染與防治》【年(卷)，期】2018(040)010【總頁數(shù)】5頁(P1147-1151)【關(guān)鍵詞】水生植物;水質(zhì)凈化;蘆葦;菖蒲;狐尾藻【作者】鄭足紅;胡超;王華偉;蘭天翔;王立華【作者單位】湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北孝感432000;湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北孝感432000;武漢市洪山區(qū)疾病預(yù)防控制中心，湖北武漢430070;湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北孝感432000；湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北孝感432000【正文語種】中文水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前國內(nèi)夕卜面臨的主要環(huán)境問題之一［1］。目前，國內(nèi)許多城市景觀水體都已出現(xiàn)不同程度的污染，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重。引入能凈化水質(zhì)的水生植物是解決水體富營養(yǎng)化的有效方法。水生植物一般包括漂浮植物、浮葉植物、挺水植物和沉水植物，可固定N、P等營養(yǎng)元素，也可為水體提供生態(tài)景觀。近年來，利用植物凈化水體的生態(tài)修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。目前，有關(guān)單一植物對水質(zhì)的凈化效果研究已有許多報(bào)道，如蘆葦可以向水體輸送氧氣、吸收污染物質(zhì)、創(chuàng)造生物共生環(huán)境，通過發(fā)達(dá)的根系擴(kuò)展植物凈化污水的空間，使好養(yǎng)細(xì)菌向水體深部分布［2-4］;菖蒲［5］也具有較好的凈化富營養(yǎng)化水體的效果，趙原等［6］研究表明菖蒲具有一定的N、P吸收能力，周玥等［7］3353研究表明菖蒲對高、低濃度污水COD均有較好的去除效果；狐尾藻能用來改善水體中的富營養(yǎng)化與浮游藻類含量的水平。李源等［8］研究表明穗花狐尾藻除了能與藻類競爭營養(yǎng)和光照外，還可通過分泌次生代謝產(chǎn)物來抑藻；汪文強(qiáng)［9］研究表明綠狐尾藻對于富營養(yǎng)水體中的N、P均有較好的去除效果。然而，不同植物間具有共生、互生或互斥的生長特性［10］,以往有關(guān)植物凈化富營養(yǎng)化水體的研究主要側(cè)重于單種植物或最優(yōu)植物組合對富營養(yǎng)化水體脫N、P和C的效果［11-12］，針對不同生活型植物組合、植物間互補(bǔ)或者互斥作用對處理效果的影響少有報(bào)道。表1水樣的水質(zhì)參數(shù)Table1Theparametersoftestwater本研究從某景觀水池（原下水道改造工程，現(xiàn)為校園景觀湖泊）采集水樣，選用蘆葦、菖蒲和狐尾藻3種常見且具觀賞價(jià)值和凈水能力的水生植物，構(gòu)建不同處理模式，在室溫條件下研究其對水體中C、N、P的去除效果，討論不同植物的最優(yōu)組合，為景觀水體富營養(yǎng)化的治理提供數(shù)據(jù)。1材料與方法1.1實(shí)驗(yàn)材料挺水植物蘆葦、菖蒲，沉水植物狐尾藻均購自當(dāng)?shù)鼗ɑ苁袌?，?shí)驗(yàn)前用蒸餾水洗凈后在自然光照無雨條件下預(yù)培養(yǎng)14d。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)容器為高33cm、直徑35cm的塑料桶，處理水樣體積為10L。培養(yǎng)桶中所取水樣來自某景觀水池上覆水，各項(xiàng)參數(shù)見表1。選取長勢良好、大小和高度一致的上述植株，洗凈后放置于供試水體中。實(shí)驗(yàn)設(shè)置8種處理，D1組：栽種蘆葦7株；D2組：栽種狐尾藻5株；D3組：栽種菖蒲7株；D4組：栽種蘆葦7株+狐尾藻5株；D5組：栽種狐尾藻5株+菖蒲7株；D6組：栽種蘆葦7株+菖蒲7株；D7組：栽種蘆葦7株+菖蒲7株+狐尾藻5株;D8組：空白對照組，為原水水樣。實(shí)驗(yàn)中，挺水植物和沉水植物均用塑料板或石子固定，培養(yǎng)28d。每隔7d取樣一次，并標(biāo)記取樣后水體體積，共取樣4次。測定所取水樣中硝酸鹽氮、氨氮、TN、TP、COD、BOD5等參數(shù)。在兩次取樣間隔中，添加一定蒸餾水以補(bǔ)充蒸發(fā)和蒸騰所消耗的水分［13］。1.3分析測定方法氨氮采用納氏試劑一分光光度法測定；硝酸鹽氮采用氨基磺酸紫外分光光度法測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解一紫外分光光度法測定；TP采用鉬酸銨分光光度法測定；COD采用重鉻酸鉀法測定；BOD5采用標(biāo)準(zhǔn)稀釋測定法測定［14］。2結(jié)果與分析2.1不同處理對硝酸鹽氮的去除效果不同處理下，硝酸鹽氮的去除效果見圖1。由圖1可見，在28d處理過程中，D8組空白對照的硝酸鹽氮去除率從17%上升到70%,D8組未栽種植物，硝酸鹽氮的去除主要?dú)w因于水樣中微生物結(jié)合碳源對硝酸鹽氮的反硝化作用［15］147。其他各處理的硝酸鹽氮去除效果均高于D8組，這是因?yàn)樵苑N植物可以通過植物吸收、根際的吸附、氨的揮發(fā)及硝化與反硝化作［16］等促進(jìn)水體中硝酸鹽氮的去除。圖1不同處理對硝酸鹽氮的去除效果Fig.1RemovalofnitriatenitrogenbydifferenttreatmentsD3組、D5組、D6組在整個(gè)處理過程中一直維持較高的硝酸鹽氮去除率，分別為92%~99%、88%~98%、69%~100%。D1組、D2組、D4組、D7組、D8組硝酸鹽氮去除率變幅較大，分別為29%~82%、45%~83%、47%~82%、76%~86%、17%~70%。除D8組外，D1組蘆葦?shù)南跛猁}氮去除率增幅最大，這是因?yàn)樘J葦具有發(fā)達(dá)的根系，可以逐漸擴(kuò)展植物凈化污水的空間，因此硝酸鹽氮的去除率持續(xù)增加。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，D3組菖蒲均保持較高的硝酸鹽氮去除率，這是因?yàn)檩牌涯茌^快適應(yīng)高濃度的硝酸鹽氮，其對硝酸鹽氮的適應(yīng)性強(qiáng)于蘆葦。組合工藝中，D6組蘆葦+菖蒲的硝酸鹽氮去除率最高，其次為D5組菖蒲+狐尾藻組合。2.2不同處理對氨氮的去除效果不同處理下，氨氮的去除效果見圖2。從圖2可以看出，各處理對氨氮的去除率均隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長而增加，8個(gè)處理中D8組氨氮去除率最低，經(jīng)過28d的處理，氨氮去除率從3%提高到23%，這主要源于水樣的自凈能力，水樣中浮游植物的大量生長消耗了水中的氨氮。與D8組空白對照相比，其他處理的氨氮去除率有不同程度的提高，其中D4組、D5組、D6組氨氮去除率最高，7~28d的去除率分別為46%~95%、35%~85%、28%~81%。D1組、D2組、D3組、D7組氨氮去除率相對較低，7~28d的去除率分別為27%~50%、1%~48%、1%~66%、4%~64%。植物吸收、吸附和氨氣揮發(fā)均可去除一定氨氮，但最有效的途徑仍為硝化和反硝化作用。水生植物可通過通氣組織將氧氣從上部輸送至根系，經(jīng)釋放和擴(kuò)散，使根系周圍呈現(xiàn)好氧微區(qū)，為硝化細(xì)菌提供良好的繁衍棲息場所并將氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮，從而降低水中的氨氮濃度。圖2不同處理對氨氮的去除效果Fig.2Removalofammonianitrogenbydifferenttreatments單一植物處理中，D1組蘆葦7d的氮去除率遠(yuǎn)高于D3組菖蒲，這與蘆葦根系相對發(fā)達(dá)有關(guān)，而28d后D1組的氨氮去除率(50%)略低于D3組(66%)。組合處理中，D4組蘆葦+狐尾藻組合對氨氮去除效果最佳，該組合在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間的氨氮去除率均高于其他處理。2.3不同處理對TN的去除效果不同處理下，TN的去除效果見圖3。由圖3可見，各個(gè)處理對TN的去除率均隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長而增加。TN的去除主要為硝酸鹽氮的去除，歸因于氨的揮發(fā)作用及反硝化菌對硝酸鹽氮的反硝化作用［17］。D8組空白對照的TN去除率最低，從第7天的17%上升到第28天的49%，其他處理由于植物的生長從而增強(qiáng)了TN的去除效果，但不同植物的生物量、根系生長狀況不同，對TN去除效果也會(huì)有差距。圖3不同處理對TN的去除效果Fig.3RemovalofTNbydifferenttreatments7個(gè)水生植物處理7-28d的TN去除率分別為D1組66%~79%,D2組54%~73%,D3組73%~77%,D4組46%~80%,D5組68%~79%,D6組37%~67%,D7組39%~75%。單一植物處理中，蘆葦、菖蒲TN去除效果均較好，植物組合處理中，菖蒲+狐尾藻組合對TN去除效果最佳。2.4不同處理對TP的去除效果不同處理下，TP的去除效果見圖4。由圖4可見，各處理對TP的去除率均隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長而增加，其中D3組、D4組、D6組TP去除率相對最高，在7~28d內(nèi)去除率分別為72%~95%、12%~87%、55%~87%。D8組空白對照的TP去除率從第7天的8%上升到第28天的43%，這是因?yàn)樗畼又械奈⑸锛皯腋∥飳P具有一定的沉淀、固結(jié)、吸附作用。在水生植物的輔助下，各處理TP去除率均明顯提高，這是因?yàn)橹参锔凯h(huán)境為聚磷菌提供了良好的條件，水中可溶性磷酸鹽經(jīng)過根際微生物處理后被植物體吸收，顆粒型磷酸鹽通過植物根系的過濾與植物的吸附作用被去除，正磷酸鹽則是被聚磷菌吸收而去除，在植物和微生物協(xié)同作用下，促進(jìn)水樣中TP的有效去除。圖4不同處理對TP的去除效果Fig.4RemovalofTPbydifferenttreatments整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，D3組菖蒲的TP去除率一直維持在較高水平，這是因?yàn)檩牌迅繉P的積累量最高，因此在實(shí)驗(yàn)初期即表現(xiàn)出較高的TP去除效果，實(shí)驗(yàn)后期TP去除率增幅逐漸減慢，這與實(shí)驗(yàn)后期植物本身對N、P需求量減少以及N、P在植物體內(nèi)的再次分配有關(guān)［18］。組合處理中，D6組蘆葦+菖蒲組合對TP去除效果最佳，TP去除率在各個(gè)時(shí)間段均高于其他組合，可能因?yàn)橥λ参锔当容^發(fā)達(dá)、生物量相對較大，可以吸附大量的磷酸鹽，最終使TP含量大大地降低。2.5不同處理對COD的去除效果不同處理下，COD的去除效果見圖5。由圖5可見，各處理對COD的去除率均隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長而增加，8個(gè)處理在7~28d的COD去除率分別為D1組35%~56%,D2組47%~65%,D3組35%~54%,D4組30%~57%,D5組41%~60%,D6組35%~72%,D7組41%~60%,D8組24%~49%。D8組空白對照28d的COD去除率可達(dá)49%，這主要通過水樣中厭氧微生物群的降解作用實(shí)現(xiàn)［19］。在水生植物作用下，COD的去除有明顯提升，這是因?yàn)橹参锔鶇^(qū)依附大量微生物，這些微生物在降解COD的過程中會(huì)隨著植物根系的生長而形成以有機(jī)物為營養(yǎng)源的生物膜，增強(qiáng)其對有機(jī)物質(zhì)的捕獲能力與降解效率。因此，相比與微生物較少的空白對照組，種植水生植物的處理具有更大的COD去除優(yōu)勢。圖5不同處理對COD的去除效果Fig.5RemovalofCODbydifferenttreatments單一植物處理中，D2組狐尾藻處理效果最佳，其次為D1組蘆葦、D3組菖蒲。這與其他學(xué)者研究結(jié)論不同，周玥等［7］3353研究表明菖蒲對高、低濃度污水COD均有較高的去除效過，周雪等［20］認(rèn)為穗狀狐尾藻對COD的去除效果不佳，與其他水生植物相比，其在處理初期(7d)即表現(xiàn)出相明顯的COD去除劣勢。這些差異可能有兩方面的原因造成：首先植物在不同生長期對有機(jī)物的分解能力不同；其次，COD的降解主要是由微生物活動(dòng)而不是植物活動(dòng)主導(dǎo)的。組合處理中，D6組蘆葦+菖蒲處理效果最佳，可能與兩種水生植物根系發(fā)達(dá)，根區(qū)微生物數(shù)量較多，更有利于根區(qū)的泌氧作用有關(guān)，因此COD的降解效果更好。2.6不同處理對BOD5的去除效果不同處理下，BOD5的去除效果見圖6。由圖6可見，D4組、D7組在實(shí)驗(yàn)過程中一直保持較高的BOD5去除效果，BOD5去除率分別為29%~57%、29%~49%。D5組、D6組、D8組BOD5去除率偏低，分別為8%~13%、6%-14%和1%~12%。圖6不同處理對BOD5的去除效果Fig.6RemovalofBOD5bydifferenttreatmentsD8組空白對照BOD5的去除主要?dú)w因于水樣自凈作用。單一植物處理中D1組蘆葦BOD5去除效果最佳，其次為D3組菖蒲，而組合工藝中，D4組蘆葦+狐尾藻BOD5去除效果最佳。COD和BOD5均可以代表水體的有機(jī)物污染，然而單一植物和植物組合在對COD和BOD5的去除上卻表明出明顯的不同，D2組狐尾藻和D6組蘆葦+菖蒲在COD去除中最優(yōu)，而D1組蘆葦和D4組蘆葦+狐尾藻在BOD5去除中最優(yōu)，可見水生植物及其組合對COD和BOD5的去除機(jī)制值仍需要更深入的研究。2.7水生植物生物量的變化不同處理下，各實(shí)驗(yàn)桶中植物的鮮重變化見表2。由表2可見，在28d處理過程中，各組植物的增重率分別為1.31%~225.91%。在單一植物處理中，3種植物增重率排序?yàn)椋汉苍?46.96%)＞蘆葦(27.72%)＞菖蒲(9.87%)，與劉燕等[15]147研究結(jié)果相同。植物組合處理中，D4組蘆葦+狐尾藻中狐尾藻增重率最高，為225.91%，遠(yuǎn)大于單一狐尾藻的增重率46.96%，表明狐尾藻明顯抑制蘆葦?shù)纳L;D5組菖蒲+狐尾藻中狐尾藻增重率為33.06%，大于菖蒲增重率8.67%，但小于D4組蘆葦+狐尾藻中狐尾藻的增重率225.91%，表明菖蒲+狐尾藻的組合中，菖蒲對狐尾藻的生長有一定的抑制作用；D5組菖蒲+狐尾藻、D6組蘆葦+菖蒲中菖蒲的增重率分別為8.67%、7.66%，說明蘆葦對菖蒲有一定的抑制作用。D7組蘆葦+菖蒲+狐尾藻中狐尾藻的增重率為161.10%，遠(yuǎn)高于菖蒲增重率1.31%及狐尾藻增重率4.90%，且蘆葦和菖蒲的增加率比其他組合的增加率要少，由此說明狐尾藻對這兩種植物有抑制作用，狐尾藻在3種植物組合中是明顯優(yōu)勢物種。表2各處理水生植物的生物量增加量Table2Theweightgrowthofthehydrophytesinthetreatments綜合比較，3種水生植物中狐尾藻對氮源和磷源的需求明顯不及菖蒲及蘆葦，而對碳源的需求多于其他兩種植物。雖然狐尾藻在處理過程中生長量增加多，但對污染物去除效率相對較差。此外，考慮到優(yōu)勢物種瘋長引發(fā)大氣碳源向水體的聚集及優(yōu)勢物種死亡后導(dǎo)致的耗氧生物質(zhì)沉積，狐尾藻在富營養(yǎng)化水體的治理中應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。3結(jié)論各種植物及植物組合對富營養(yǎng)化水體中各類污染物的去除效率表現(xiàn)不同?？傮w看來，在單一植物處理中，菖蒲對氮、磷的去除效果明顯優(yōu)于蘆葦和狐尾藻，在COD的去除上，狐尾藻則表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，蘆葦對BOD5的去除效果最明顯。在植物組合處理中，菖蒲+狐尾藻組合對氮、BOD5去除效果最佳，處理28d后，TN、BOD5去除率分別達(dá)80%、57%，蘆葦+菖蒲組合對TP、COD去除效果優(yōu)于其他組合，處理28d后，TP、COD去除率分別達(dá)87%、72%；從植物生長量變化上看，狐尾藻生物量增長較多，且對其他共生植物有明顯抑制，是3種植物的明顯優(yōu)勢物種。綜合考慮植物凈化效果及優(yōu)勢物種瘋長引發(fā)的次生環(huán)境問題，認(rèn)為菖蒲和蘆葦可應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體中氮和磷去除，而狐尾藻則應(yīng)謹(jǐn)慎使用。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】孟慶瑞,崔心紅，朱義，等.載氧化鎂水生植物生物炭的特性表征及對水中磷的吸附[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,37(8):2960-2967.趙斌，盧少勇,羅楊陽，等.洱海緩沖帶典型入湖溪流沉積物磷形態(tài)的分布特征[J].水土保持通報(bào),2016,36(3):94-97,104.SEHARS,SUMERA,NAEEMS,etal.Acomparativestudyofmacrophytesinfluenceonwastewatertreatmentthroughsubsurfaceflowhybridconstructedwetland[J].EcologicalEngineering,2015,81:62-69.張芳,易能,張振華，等.不同類型水生植物對富營養(yǎng)化水體氮轉(zhuǎn)化及環(huán)境因素的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015,31(5):1045-1052.燕文明，麻林，向龍，等.沉積物-水界面中可交換態(tài)氮對不同菹草密度的響應(yīng)[J].水資源保護(hù),2016,32(2):119-122.趙原，王彥，汪濤，等.川中丘陵區(qū)高富集氮、磷溝渠植物的篩選[J].環(huán)境污染與防治,2015,37(10):12-16.周玥,韓玉國，張夢，等.4種不同生活型濕地植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2016,27(10).李源，閏浩，施媚，等.菹草與銅綠微