石菖蒲對不同濃度模擬生活污水凈化效果研究

黃學奇，李 婷，張 震

石菖蒲對不同濃度模擬生活污水凈化效果研究

黃學奇，李 婷，張 震*

(安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，合肥 230036)

為研究濕地植物在不同濃度污水條件下的凈化效果，通過模擬生活污水實驗分析了石菖蒲（）的污水凈化能力。實驗設置自來水對照組（CK）以及4個污水梯度（分別為模擬生活污水試劑用量的25%、50%、100%和150%，標記為T1、T2、T3和T4），通過分析石菖蒲生物量變化以及對污水中TP、TN和NH+ 4-N的去除率，研究石菖蒲對不同濃度模擬生活污水的凈化效果。結果表明：（1）石菖蒲在5組處理條件下都能正常生長，生物量差異顯著（<0.05），其中T4下效果最佳。石菖蒲的根長增加CK（9.87±0.16）cm>T3（8.74±0.27）cm>T1（7.91±0.45）cm>T4（7.26±0.11）cm>T2（7.11±0.07）cm；（2）石菖蒲在模擬生活污水TP的去除率，隨著種植時間的增長而增加，為T1（99.20%）>T2（98.39%）>T3（91.36%）>T4（87.26%）；TN和NH+ 4-N具有較高一致性，TN去除率為T1（99.13%）>T2（98.76%）>T3（95.97%）>T4（95.67%）；（3）實驗期間有少量NO- 3-N和NO- 2-N的產(chǎn)生，總體是隨時間呈先增加后減少的趨勢。研究結果可為利用石菖蒲治理生活污水提供重要依據(jù)。

石菖蒲；模擬生活污水；生物量；去除率

近年來大量未達標污水排入河道，導致水體中氮、磷不斷積累，造成水體富營養(yǎng)化程度不斷加深，從而使水體原有生態(tài)平衡遭受破壞，魚類死亡以及水體發(fā)黑發(fā)臭[1-2]，嚴重影響水體水質和景觀，導致其生態(tài)功能日益退化[3]。如何有效控制生活污水導致的水體富營養(yǎng)化，以及如何恢復受損水質成為如今水生生態(tài)研究的重要方向。

目前物理、化學和生物等措施是控制和修復水體富營養(yǎng)化的重要方法[4-5]。物理方法主要通過借助工程技術，清除污染底泥的一種方法。主要有底泥疏浚、稀釋沖刷、填沙和底層曝氣等措施，其優(yōu)點在于見效快，但費用高，治標不治本，同時可能會破壞水體生態(tài)平衡和產(chǎn)生二次污染問題[6]。化學方法是通過加入石灰來控制水體中的氮素過剩等方法來控制水體中主要營養(yǎng)鹽類濃度[7]，或者通過添加化學藥劑等控制浮游藻類密度，該類方法簡單，但往往會產(chǎn)生水體二次污染[8]。生物方法包括動物法、微生物法和植物法，其中動物法主要是通過魚類和蚌類等，具有凈化效果的動物來濾食浮游藻類等[8-9]。微生物法主要是通過微生物來降解水體中氮和磷的含量[10-11]，這兩種方法均具有較大的使用范圍，但是其處理對象較為固定，且對于水體環(huán)境具有一定要求；植物法主要是利用生態(tài)系統(tǒng)的完整性補充水生植物，達到吸收物質、抑制藻類和凈化污水的目的[12]，同時其通入成本與管理成本低，操作簡單，對環(huán)境擾動小，已經(jīng)成為水體污染防治的主要措施。

目前已經(jīng)篩選紫背浮萍（）、美人蕉（L.）和黑藻（）等[13-15]多種不同生活型植物對于水質改善具有明顯的效果，但能夠凈化水質，同時能夠耐低溫的濕地植物相關研究較少。石菖蒲（）為天南星科（）、菖蒲屬（L.）的多年生草本植物，具有較強的耐寒性，地下莖能潛入泥中越冬，具有化痰開竅、化濕和胃的功效[16]，且具有良好的抑制微囊藻的作用[17]。

本研究以石菖蒲為研究材料，采用實驗室模擬生活污水的方法，研究其對不同濃度生活污水中氮、磷等凈化效果，以期為石菖蒲用于生活污水的凈化與修復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

供試材料石菖蒲采自安徽省六安市金寨縣燕子河鎮(zhèn)張畈村（31o18′32.60″N，115o51′39.91″E），將新鮮植株在溫室內進行30 d適應性水培，去除枯枝爛根，選取生長旺盛和大小相似的植株進行污水凈化實驗。

實驗依據(jù)賈文林[18]采用自來水配置模擬生活污水，試劑用量如表1所示。污水中pH為7.90，總磷濃度為5 mg·L-1，總氮濃度為50 mg·L-1，NH+ 4-N濃度為50 mg·L-1。參照《國家地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)[19]，除pH外，其他指標均超出地表Ⅴ類水標準。

表1 模擬生活污水組成

1.2 實驗方法

用自來水作為對照組（CK），分別配置含模擬生活污水試劑用量的25%、50%、100%和150%生活污水，形成4組不同濃度污水實驗組，記為T1、T2、T3和T4，每組處理5個重復。選取總鮮重（30.0±0.3）g的石菖蒲植株，放入裝有2 L對應濃度污水的PVC桶（直徑為18 cm，高為18.5 cm），置于培養(yǎng)箱（D12 h，18 ℃，濕度75%），培養(yǎng)30 d進行污水凈化效果分析，每隔5 d用自來水補充蒸發(fā)水量。

1.3 測定指標及方法

實驗第30天將石菖蒲從PVC桶取出，放于75 ℃烘箱烘至恒重，測定生物量。在實驗第0、5、10、15、20、25和30 d采集水樣，測定pH、總磷（TP）、總碳（TN）、銨態(tài)氮（NH+ 4-N）、硝態(tài)氮 （NO- 3-N）和亞硝態(tài)氮（NO- 2-N）等，上述指標均參照《水與廢水水質測定方法》[20]。各項指標去除率的公式計算[21]：

式中：0為實驗開始時實驗水體中的污染物濃度含量（mg·L-1）；C為第天時水體中的污染物濃度含量（mg·L-1）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 26.0進行單因素ANOVA分析，使用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度處理條件下石菖蒲生物量的變化

石菖蒲生物量隨污水濃度升高總體呈上升趨勢（圖1）。實驗期間，石菖蒲在各濃度條件下均能正常生長，表明石菖蒲具有很強的適應能力和耐受性。T1和T2組石菖蒲生物量與CK差異不顯著（>0.05），在短時間內T1和T2污水對石菖蒲生物量影響較小，而T3和T4組石菖蒲生物量與CK差異顯著（<0.05），分別增加3.86%和8.52%，其中T4生物量達到（9.50±0.09）g，表明石菖蒲在高濃度污水條件下，能利用污水中的氮、磷，作為營養(yǎng)元素供植物生長，提高自身生物量。

圖中不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。下同。

Figure 1 Biomass of

圖2 石菖蒲株高變化量

Figure 2 Variations of plant height of

圖3 石菖蒲根長變化量

Figure 3 Variations of root length of

2.2 不同濃度處理條件下石菖蒲株高、根長變化

2.2.1 不同濃度處理條件下石菖蒲株高變化 石菖蒲株高的變化，隨著污水濃度的增加逐漸減小（圖2），其中CK株高增長達（2.01±0.26）cm，說明短時間內，石菖蒲在高濃度污水中需要適應時間，短期內污水會對石菖蒲的株高有影響。實驗組株高變化量與對照植株差異顯著（<0.05），實驗組之間差異不顯著（>0.05）。

2.2.2 不同濃度處理條件下石菖蒲根長變化 不同濃度處理對于石菖蒲根的影響較為顯著（圖3），隨著污水濃度的增加根的數(shù)量逐漸增多，表明污水中會促進石菖蒲生根，用于吸收水體中氮、磷。石菖蒲根長變化量在自來水中最大達（9.87±16）cm，但根的數(shù)量相對于實驗組的較少，表明污水會一定程度限制根長的生長，但可作為營養(yǎng)元素促進根的生長，所以根長呈現(xiàn)先降低后上升又下降的趨勢，處理組的根長變化量與CK差異顯著（<0.05）。

表2 不同濃度生活污水條件下pH變化

注：同列數(shù)據(jù)（平均值±標準誤）后不同小寫字母表示在<0.05 水平差異顯著。下同。

2.3 不同濃度處理條件下石菖蒲凈化效果

2.3.1 不同濃度處理條件下石菖蒲對pH的影響 石菖蒲對不同實驗處理水體pH影響較為顯著（表2）。污水起始濃度不同，0 d時水體pH隨著污水濃度的增加而增大。在石菖蒲和自然沉降的作用下，CK中水體pH隨著實驗時間增長呈下降趨勢，實驗組水體pH呈先下降后上升又下降的總體趨勢，最終pH與CK組接近，原因是由于污水濃度過高，會有藻類的產(chǎn)生，產(chǎn)生一定量的堿性物質使水體pH升高，隨著石菖蒲的生長對水體中氮、磷的吸收以及藻類的死亡使得pH下降。水體pH上升的最大值與污水濃度有關，濃度越高pH增長的最大值越高，表明污水濃度會對水體pH產(chǎn)生很大影響，污水濃度越高影響越嚴重。對30 d時pH進行方差分析，處理組之間差異不顯著（>0.05），表明石菖蒲可有效地改善水體pH，使水體pH達到正常水平。

圖4 石菖蒲對模擬生活污水中TP去除率

Figure 4 The removal rate of TP from simulated domestic sewage by

圖5 石菖蒲對模擬生活污水中TN去除率

Figure 5 The removal rate of TN from simulated domestic sewage by

圖6 石菖蒲對模擬生活污水中NH+ 4-N去除率

Figure 6 The removal rate of NH+ 4-N from simulated domestic sewage by

2.3.2 不同濃度處理條件下石菖蒲對TP的影響 實驗初期T1、T2組中TP的去除率較高（圖4），15 d后趨于緩慢，主要原因是T1和T2組相對于T3和T4組本底值較低，在短期內石菖蒲對T1和T2組中TP去除效率更好。T3和T4組前期去除率較低，隨著時間的增長，石菖蒲適應后則變快，后因TP被吸收利用水體中含量減少，去除率趨于緩慢。實驗組植物對模擬生活污水TP的去除均在87.23%以上，其中T1和T2組的處理效果最好。對30 d時水體中TP含量進行方差分析，T3和T4組與其他組差異顯著（<0.05），表明石菖蒲在30 d內對T1和T2中TP處理效果更好。

2.3.3 不同濃度處理條件下石菖蒲對TN的影響 石菖蒲對實驗組中TN的去除率穩(wěn)定增加（圖5），分別為95.67%、95.97%、98.76%和99.13%。實驗初期T1和T2組中TN的去除率較高，15 d后趨于緩慢，主要是因T1和T2組相對于T3和T4組污水濃度低，石菖蒲單位時間內對氮的利用有限，因而在實驗初期去除率比T3和T4組高。對30 d生活污水中TN進行方差分析，T3、T4組與其他組差異顯著（<0.05），說明石菖蒲在30 d內對T1、T2組中TN處理效果更好。

2.3.4 不同濃度處理條件下石菖蒲對NH+ 4-N的影響 NH+ 4-N是污水中唯一氮源，因而NH+ 4-N的去除率與TN具有較高一致性，隨著時間的逐漸增加（圖6），污水濃度越低，越早達到最大累計去除率。實驗中NH+ 4-N的揮發(fā)可忽略不計，實驗中未加基質層，因此植物的吸收以及硝化作用和反硝化作用是NH+ 4-N去除的主要方式。石菖蒲對T1、T2和T3組中TN的去除率較高，T4組有少量NH+ 4-N剩余，去除率為99.81%，對30 d模擬生活污水中TN進行方差分析，T4組與其他組差異顯著（<0.05）。

2.3.5 不同濃度處理條件下石菖蒲對NO- 3-N的影響 本實驗是以NH+ 4-N作為氮源，隨著時間的增加，硝化細菌在好氧的條件下，將部分NH+ 4-N轉化為 NO- 3-N（表3），后被植物吸收利用，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。由于植物部分根系的腐敗，會使CK中產(chǎn)生少量的NO- 3-N，對30 d模擬生活污水中NO- 3-N進行方差分析，CK與T3、T4組之間差異顯著（<0.05）。

表3 不同濃度生活污水條件下NO- 3-N變化

表4 不同濃度生活污水條件下NO- 2-N變化

2.3.6 不同濃度處理條件下石菖蒲對NO- 2-N的影響 本實驗是以NH+ 4-N作為氮源，隨著時間的增加，硝化細菌在好氧條件下，將NH+ 4-N氧化為NO- 2-N（表4），后被植物吸收利用，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，對30天模擬生活污水中NO- 2-N進行方差分析，CK組與T3、T4組差異顯著（<0.05）。

3 討論與結論

植物的生長狀況直接影響濕地系統(tǒng)的處理效率，植物的良好生長狀態(tài)，保證了對氮、磷和有機物的處理效果[22]。本研究在5組處理中石菖蒲均能正常生長，存活率100%，表明石菖蒲可以適應的污水濃度范圍較廣，適合用于人工濕地系統(tǒng)。植物的吸收、吸附、富集作用與植物的生長狀況和根系發(fā)達程度成正相關[23]，石菖蒲在實驗中根系生長狀況較好，根系密度較高，最低生長長度達（7.11±0.07）cm，因此，可優(yōu)先考慮作為人工濕地構建的水生植物。整個實驗期間，空白組的pH整體呈下降的趨勢，主要是石菖蒲對水質的凈化和自然的沉降，使pH趨近弱堿性。實驗組水體pH整體呈現(xiàn)先下降后升高又下降的趨勢，其下降原因可能是實驗前期植物向水體釋放酸性物質[24]，使pH下降，實驗中期pH出現(xiàn)上升的趨勢，由于污水濃度過高，藻類大量繁殖，藻類在光照強烈的時候，通過光合作用向水體中釋放OH-，使水體 pH 增加[25]。實驗后期由于石菖蒲對氮、磷的吸收以及藻類的死亡，pH出現(xiàn)下降的趨勢，最終穩(wěn)定在弱堿性，說明石菖蒲能有效地調解水體pH。

石菖蒲對TP的去除效果（30 d）受污水濃度的影響，但TP的去除率都大于87.26%，表明石菖蒲對污水中TP有較好的去除效果。實驗前期，TP去除率與污水濃度呈現(xiàn)負相關，T1和T2組去除率較快，主要原因是T1和T2組中TP含量較低，中期T3和T4組去除效率增快，主要原因是石菖蒲根系的增多增長，能夠更好地利用水中的磷元素，從而加快削減TP的含量。實驗中NH+ 4-N是主要氮源，NH+ 4-N的變化與TN的變化具有很強的一致性，實驗前期，水體中TN去除率與污水濃度呈現(xiàn)負相關，主要是因為T3和T4污水濃度過高，水體中TN含量較高，石菖蒲單位時間內的吸收量有限，污水濃度越高，去除率反而降低。植物對營養(yǎng)鹽氮素的吸收和微生物的硝化-反硝化作用，以及基質的吸附沉淀作用是TN去除的主要途徑[26]。隨著實驗的進行，TN的去除率逐漸的增高，主要是植物根系的生長與其的表面積的增加，對氮的吸收及利用逐漸增強。在整個實驗過程中有少量NO- 3-N和NO- 2-N的產(chǎn)生，主要原因是氨氮在好氧環(huán)境下可以迅速轉化為低價態(tài)的NO- 3-N和NO- 2-N[27]，其中NO- 2-N是硝化反硝化的中間產(chǎn)物[28]。在整個實驗過程，石菖蒲對水體中氮和磷的去除率逐漸的增加，說明石菖蒲可以改善水體環(huán)境，有效去除水體中氮和磷。

綜上所述，石菖蒲在所供實驗濃度條件下均能夠較好的生長，有效地改善水體中pH和削減水體中氮和磷的含量。石菖蒲在我國具有廣泛分布，生物量大，且易于管理。因此，石菖蒲可作為水體凈化和水體修復工程的良好材料。關于石菖蒲凈化污水的相關研究較少，且用于實際生活污水處理較少，今后還需多加以實踐，以便石菖蒲的實際應用及推廣。

本實驗結果表明，石菖蒲在各實驗污水濃度下生長狀況良好，根系發(fā)達，葉片飽滿而鮮綠，生物量增加明顯。對不同濃度模擬生活污水的TP和TN等具有顯著的凈化效果，其中在25%和50%模擬生活污水處理效果相對100%和150%較好。石菖蒲不僅可以去除水體中污染物，還具有一定的藥用價值。如能將石菖蒲因地制宜，用于濕地凈化污水系統(tǒng)中，利用石菖蒲將污水資源轉化為生物資源和能源，將有利于污水處理的研究。

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Study on purification effect ofon simulated domestic sewage with different concentrations

HUANG Xueqi, LI Ting, ZHANG Zhen

(School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)

In order to study the purification effect of wetland plants under different concentrations of sewage. The sewage purification ability ofwas analyzed by simulating domestic sewage experiment. The experiment set up a tap water as control group (CK) and 4 sewage gradients (respectively 25%,50%,100%,150% of the reagent dosage of the simulated domestic sewage, marked as T1,T2,T3,T4). By analyzing the biomass change ofand the removal rate of TP, TN, NH+ 4-N in sewage, the purification effect ofon simulated domestic sewage with different concentrations was studied. The results showed that: (1)can grow normally under the five treatment conditions,and the difference in biomass is significant (<0.05), Among which T4 had the best effect. The root length ofincreased CK(9.87±0.16cm)> T3(8.74±0.27cm)> T1(7.91±0.45cm)> T4(7.26±0.11cm)> T2 (7.11±0.07cm); (2) The removal rate ofin the simulated domestic sewage to TP increases with the increase of planting time, as T1 (99.20%)>T2 (98.39%)>T3 (91.36%)>T4 (87.26%); TN and NH+ 4-N had high consistency, the removal rate of TN was T1(99.13%)> T2(98.76%)>T3(95.97%)>T4(95.67%); (3) During the experiment, a small amount of NO- 3-NandNO- 2-N will be produced, and the overall trend will increase first and then decrease with time. The research results can provide an important basis for the use ofto treat domestic sewage.

; simulated domestic sewage; biomass; removal rate

X173

A

1672-352X (2021)05-0801-06

10.13610/j.cnki.1672-352x.20211105.014

2021-11-8 9:23:27

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20211105.1129.028.html

2021-03-04

安徽農(nóng)業(yè)大學2020年度研究生創(chuàng)新基金（2020ysj-65）資助。

黃學奇，碩士研究生。E-mail：1524125004@qq.com

通信作者:張 震，教授。E-mail：xjzhangzhen@163.com