濕地水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果研究

曹開銀,丁海濤,鄧 超,盧 文，陳 俊,，金 杰,,3

(1.合肥學院 生物與環(huán)境工程系，合肥 230601；2.污水凈化與生態(tài)修復材料安徽省重點實驗室，合肥 230088；3.安徽省環(huán)境污染防治與生態(tài)修復協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥 230601)

富營養(yǎng)化水體嚴重影響了水體的使用功能，還會進一步危害人類健康，通常被認為是劣質水體，其治理已成為世界難題。利用植物對富營養(yǎng)化水體進行生態(tài)修復成為研究的熱點，浮葉植物、漂浮植物、挺水和沉水植物等水生植被的恢復和重建能夠有效分配富營養(yǎng)化水體中的營養(yǎng)鹽，在生長期間可有效凈化富營養(yǎng)化水體[1]。濕地水生植物種類繁多，篩選出凈化效果較好的植物意義重大[2]。

1 材料與方法

1.1 實驗植物的選擇及預處理

在巢湖烔煬濕地內烔煬河橋下、烔煬河入湖口、閘口、東側濕地內溝渠和濕地內部設置7個植物采集點，具體位置如圖1所示。在采樣點烔煬河橋下和烔煬河入湖口有大量的蘆葦(PhragmitesaustraliasTrin.)、菱角(TrapabispinosaRoxb.)、浮萍(LemnaminorL.)、美人蕉(CannaindicaL.)，西側濕地池塘1和濕地池塘2分布較多的荇菜(Nymphoidespeltatum(Gmel.)O.Kuntze)、空心蓮子菜(Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.)、浮萍、再力花(ThaliadealbataFraser)、鳶尾(IristectorumMaxim.)、狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)和睡蓮(NymphaeaL.)、空心蓮子菜、蘆葦、浮萍、黑藻(Hydrillaverticillata)、水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC)，在閘口和閘口入湖口荷花、蘆葦、空心蓮子菜分布較多，在東側濕地內部蘆葦、再力花、鴨舌草(Monochoriapauciflora(Bl.)Kunth.)、田字草(MarsileaquadrifoliaL.)分布較多。2016年6月下旬，在上述7個植物采集點選擇具有生物量大、根系發(fā)達、耐污能力強等特征的再力花、美人蕉、鳶尾、黑藻、水芹、鴨舌草、田字草、狐尾藻8種水生植物作為研究對象。

在植物的采集過程中選取長勢良好正在生長的植株，用塑料袋將植物根部包裹，在搬運過程中避免將植株莖稈弄斷。用蒸餾水仔細清洗植物根部，對沉水植物用蒸餾水進行整體清洗，清洗過程中避免植物根須和莖稈受損[3-5]。利用預先配制好的營養(yǎng)液對其進行一周的預培養(yǎng)。

圖1 采樣點分布圖Figure 1 The map of sampling point distribution

1.2 富營養(yǎng)化水體采集

農業(yè)面源污染和城市生活污水經(jīng)入湖河流輸入是巢湖污染物外源輸入的主要來源[6]。巢湖主要入湖河流有南淝河、十五里河、派河、杭埠河等9條，其中南淝河、十五里河和派河以不足20%的入湖水量，輸入60%以上的污染物[7]。烔煬河入湖口周邊水域處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，河水中營養(yǎng)物質指標具備生活污水和農業(yè)面源污染特征[8]。2016年6月22日，在烔煬河西側濕地池塘2一次采集水樣800 L，用規(guī)格為25 L干凈的塑料油桶灌裝送至合肥學院環(huán)境工程研究院濕地工程實驗室，倒入儲水池備用。在澆灌植物前從儲水池采集3組9個100 mL水樣，分別檢測NH3-N、CODCr、TP指標，為富營養(yǎng)化水體本底值如下表1所示。

1.3 研究方法

模擬人工濕地試驗在長方形塑料桶中進行(長60 cm、寬40 cm、高50 cm)。從預培養(yǎng)一周的8種濕地植物中，挑選生長健壯，大小基本一致的健康植株，去除腐爛根葉并用去離子水沖洗根部。每桶種植一種植物5～10株，用雙層網(wǎng)格支架固定，水體取自儲水池。水澆灌量為每桶30 L，其水深約為13 cm，標記每個水桶的液面，試驗期間通過加蒸餾水補充蒸發(fā)和蒸騰所消耗的水分，以保持桶中水位。溫度和濕度分別控制在25℃～28℃和60%～70%，陰雨天補充光照。每種濕地植物種植3桶作為重復，并設置3桶無植物空白組對照，試驗在2016年7月進行。

1.4 實驗檢測指標和檢測方法

本次實驗開始日期為2016年7月1日，水樣采集間隔為5 d，水力停留時間為30 d，共計采樣6次，采樣前補充蒸餾水至標記液面位置，采樣時間為上午十點左右，每桶每個檢測指標取3個樣，用注射器在水面以下5到10 cm處抽取水樣100 mL，分析實驗地點為合肥學院環(huán)境工程研究院。測定指標為NH3-N、CODCr、TP，測定方法分別采用納氏試劑分光光度法、重鉻酸鹽法、鉬酸銨分光光度法[9]。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

試驗結果以平均值±標準差來表示，數(shù)據(jù)用軟件Excel和SPSS進行處理。水中污染物去除率的計算利用公式計算，水中污染物去除率%=(初始濃度-最終濃度)/初始濃度×100%[10]。

表1 富營養(yǎng)化水體本底值(mg/L)Table 1 Polluter concentration of eutrophic water in the experiment(mg/L)

2 結果分析與討論

2.1 植物對CODCr的凈化效果

在整個實驗過程中8種植物生長狀況較好的是再力花、美人蕉、狐尾藻、水芹4種植物。由于水體的自凈功能，空白組對污水中的CODCr有較低去除效果[11]。在水力停留時間為10 d時，鳶尾、黑藻、田字草對污水中CODCr去除率低于20%，在水力停留時間20 d時，再力花、美人蕉、水芹、狐尾藻這4種植物對污水中的CODCr的去除率均超過了50%。在水力停留時間為25 d時，美人蕉對污水中CODCr的去除率最高，但是在水力停留時間為30 d時，再力花成為所有植物中去除率最高的，達到81.33%，通過枝葉和根莖的比較，再力花適應后根莖的生長速度加快，其降解CODCr的能力提升較快。對污水中CODCr去除效率最低的3種植物分別是鳶尾、黑藻、田字草[12-13]。

圖2 污水中CODCr濃度變化趨勢Figure 2 Dynamics of CODCr concentration in the sewage

圖3 濕地植物對CODCr的去除效果Figure 3 COD removal efficiency of the wetland plant treatment systems

根據(jù)實驗結果可以得出，實驗所選取的8種植物對污水中的CODCr去除均有一定效果，這8種植物對污水中CODCr的去除率大小依次為再力花>美人蕉>狐尾藻>水芹>鴨舌草>鳶尾>黑藻>田字草。挺水植物對CODCr的去除效果普遍好于浮水植物和沉水植物[14]，浮水植物狐尾藻的去除效果好于水芹、鴨舌草、鳶尾、黑藻和田字草，其去除率為76.90%。

2.2 植物對NH3-N的凈化效果

從圖4和圖5可以看出，實驗所選取的8種植物對NH3-N的去除效果都較好，植物對水中NH3-N的去除機理主要是是通過硝化作用將氨氮還原成硝態(tài)氮，繼而通過反硝化作用將硝態(tài)氮還原成氮氣[15]，植物的根系為硝化細菌和各種微生物提供了附著的場所。植物自身的吸收和基質的離子交換作用和吸附作用也是去除水中NH3-N的重要機理[16]。

圖4 污水中NH3-N濃度變化趨勢Figure 4 Dynamics of NH3-N concentration in the sewage

圖5 濕地植物對污水中NH3-N的去除效果Figure 5 NH3-N removal efficiency of the wetland plant treatment systems

由于水體的自凈功能[17]，空白組對NH3-N的去除率為7.02%。8種實驗植物均將水中NH3-N濃度降到了 7 mg/L以下。在水力停留時間為15 d時，8種植物對水中NH3-N的去除率均超過了總去除率的50%，說明這期間植物通過吸收和微生物的硝化作用效果明顯[18]。再力花、美人蕉、水芹對水中氨氮的去除效果最好[19]，挺水植物具有根系發(fā)達的優(yōu)勢，微生物附著面積大[20]。8種實驗植物對污水中NH3-N的去除效果大小依次為美人蕉>水芹>再力花>黑藻>狐尾藻>鴨舌草>鳶尾>田字草，由此可以看出挺水植物對富營養(yǎng)化水體中NH3-N的去除效果普遍要優(yōu)于沉水植物和浮水植物[21]。對水中污染物去除效果最差的3種植物分別是田字草、鴨舌草、鳶尾，根系不如美人蕉、水芹、再力花發(fā)達，且生長緩慢。

2.3 植物對TP的凈化效果

試驗中對磷的去除主要是依靠植物的吸收和基質的吸附，部分磷以磷酸鹽的形式通過沉降并被基質固定。包括空白組在內，所有實驗缸內的磷含量均有下降，空白組的去除率達到10.09%，就是因為底部基質對磷進行了吸附[22]。

在水力停留時間為15 d時，由圖7可知8種植物對富營養(yǎng)化水體中TP的去除率均超過總去除率的50%,再力花與美人蕉依然保持了很好的去除效果[23],8種植物中去除效果最好的是水芹，在水力停留時間30 d，去除率達到82.67%。去除效果表現(xiàn)最差的是田字草，其原因與去除NH3-N效果不佳基本一致。8種植物對富營養(yǎng)化水體中TP的去除效果，由高到低依次為水芹>美人蕉>再力花>鴨舌草>黑藻>狐尾藻>鳶尾>田字草，鴨舌草對磷的去除效果在所選的浮水植物中表現(xiàn)最佳[24]，水力停留時間30 d，去除率達到68.35%。

圖6 污水中TP濃度變化趨勢Figure 6 Dynamics of TP concentration in the sewage

圖7 濕地植物對污水中TP的去除效果Figure 7 TP removal efficiency of the wetland plant treatment systems

3 結論

8種水生植物，對富營養(yǎng)化水體CODCr、NH3-N、TP的凈化均有一定效果。隨著生長時間的延續(xù)，植物根系和莖葉快速生長，吸收營養(yǎng)物質能力增強，污染物去除率提高。富營養(yǎng)化水體CODCr的去除率大小依次為再力花>美人蕉>狐尾藻>水芹>鴨舌草>鳶尾>黑藻>田字草；對富營養(yǎng)化水體中NH3-N的去除率大小依次為美人蕉>水芹>再力花>黑藻>狐尾藻>鴨舌草>鳶尾>田字草；對富營養(yǎng)化水體中TP的去除率高低依次為水芹>美人蕉>再力花>鴨舌草>黑藻>狐尾藻>鳶尾>田字草。挺水植物再力花、美人蕉、水芹效果較好，對水中CODCr、NH3-N和TP的去除率分別達到81.33%、78.05%、73.86%，75.54%、84.66%、76.22%和73.61%、77.33%、82.67%，田字草的根系不發(fā)達，且生長緩慢，對CODCr、NH3-N和TP的去除率在8種植物中最差。8種植物對水體中TP的去除率均超過50%。