劉旻慧 聞學(xué)政 張志勇 王 巖 劉海琴 張迎穎 宋 偉 嚴(yán)少華 秦紅杰

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 南京 210014)

生物浮島與漂浮植物對(duì)開(kāi)放池塘水質(zhì)凈化效果

劉旻慧 聞學(xué)政 張志勇 王 巖 劉海琴 張迎穎 宋 偉 嚴(yán)少華 秦紅杰

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 南京 210014)

采用自主研發(fā)流量可控的密閉漂浮性水槽開(kāi)展河道原位模擬實(shí)驗(yàn), 研究了挺水植物菖蒲(種植于浮島上)與漂浮植物鳳眼蓮對(duì)受到城市污水污染的開(kāi)放池塘水質(zhì)凈化效果以及系統(tǒng)中氮磷等污染物的歸趨。結(jié)果表明, 菖蒲和鳳眼蓮對(duì)水體藻類(lèi)密度和葉綠素a削減率達(dá)到90%以上, 對(duì)CODMn濃度削減率達(dá)到45%以上。經(jīng)過(guò)10 m長(zhǎng)水槽后, 種植了鳳眼蓮的水槽水體其TN和TP濃度分別由3.71和0.24 mg/L降低至1.71和0.09 mg/L, 而設(shè)置有菖蒲浮島的水槽其水體TN和TP濃度則分別降低至2.69和0.16 mg/L。在水體N、P的總削減量中, 鳳眼蓮吸收作用分別占84.31%和77.52%, 而在菖蒲浮島系統(tǒng)中, 菖蒲的吸收作用僅分別占7.72%和8.55%, 菖蒲凈化系統(tǒng)中氮、磷的物理沉淀量顯著高于鳳眼蓮組, 分別達(dá)到35.26%和51.58%, 但仍有57%和39%以上的氮和磷去向未知, 推測(cè)可能與浮島上生長(zhǎng)的生物膜有關(guān)。研究結(jié)果可為選用鳳眼蓮和浮島植物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行污染水體生態(tài)修復(fù)理論研究與實(shí)踐運(yùn)用提供借簽和參考。

菖蒲; 鳳眼蓮; 水質(zhì)凈化; 植物修復(fù)

近年來(lái), 隨著城市發(fā)展以及人口的急劇增長(zhǎng),導(dǎo)致大量富含氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的城市生活污水流入自然水域, 加快了水體的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。污水問(wèn)題不僅威脅著城市生態(tài)環(huán)境, 降低水體美學(xué)價(jià)值, 增加水處理難度和成本, 而且影響水體經(jīng)濟(jì)價(jià)值, 危害人體健康[1]。目前, 城市污水處理面臨很多挑戰(zhàn), 已成為我國(guó)面臨的主要環(huán)境難題之一。在諸多的污水治理與修復(fù)技術(shù)中, 采用水生植物進(jìn)行水體凈化和水生態(tài)修復(fù)因其具有成本低、投資少、處理效果好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用[2—4]。

菖蒲(Acorus calamusL.)是天南星科多年生挺水植物, 常見(jiàn)于淺水池塘、水溝等處, 除具有較好的觀(guān)賞和藥用價(jià)值外[5], 也作為人工浮島植物被廣泛應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化治理[6,7]。鳳眼蓮(Eichhornia crassipes), 俗稱(chēng)水葫蘆, 為雨久花科鳳眼蓮屬, 屬多年生漂浮性草本植物, 因其具有根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)繁殖快、耐污能力強(qiáng)的特點(diǎn), 在污染水體生態(tài)修復(fù)的應(yīng)用已逐漸成為廣受關(guān)注的舉措[8]。此外, 選用漂浮植物可降低人工浮床建設(shè)成本, 無(wú)需反復(fù)移栽等優(yōu)點(diǎn)[9], 且鳳眼蓮資源化利用如發(fā)酵、堆肥等技術(shù)也已日臻成熟[10]。目前, 鳳眼蓮已被廣泛應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊[11,12]、河道[13]、工業(yè)廢水[14]等方面的治理。

然而, 以往研究多局限于單一的人工浮島或漂浮植物對(duì)污水的治理效果, 且多在實(shí)驗(yàn)室模擬或大水面開(kāi)闊水域環(huán)境展開(kāi)的, 很難準(zhǔn)確地、真實(shí)地反映水生植物在實(shí)際應(yīng)用中的氮磷去除效果, 而對(duì)浮島挺水植物與漂浮植物在生活污水凈化差異方面的研究并不多見(jiàn)。基于此, 本研究采用自主研發(fā)流量可控的密閉漂浮性水槽, 開(kāi)展為期24d的24h不間斷動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn), 比較菖蒲和鳳眼蓮對(duì)受城市污水污染的開(kāi)放性池塘的水質(zhì)凈化效果, 為合理選用水生植物進(jìn)行污染水體修復(fù)實(shí)踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中1#蓄水塘中(31°17′28.0″ N, 119°02′29.3″ E), 該水塘平均水深2.5 m, 面積10500 m2, 塘內(nèi)水體主要來(lái)源于居民生活污水和上游紫金山匯流的雨水, 常年呈中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)(TN: 2.4—5.9 mg/L; TP:0.1—0.8 mg/L)。實(shí)驗(yàn)期間, 水塘水溫在25.8—28.6℃內(nèi)波動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)在6個(gè)不銹鋼水槽(長(zhǎng)10.0 m×寬1.0 m×深0.5 m)中進(jìn)行(圖1), 水槽為5面的長(zhǎng)方體(無(wú)頂面), 通過(guò)不銹鋼板無(wú)縫焊接而成, 水槽兩側(cè)固定有泡沫浮球, 整個(gè)裝置可自主地漂浮于水面之上, 并可隨水位變化而上下浮動(dòng)。該水槽包括進(jìn)水口、出水口、流量調(diào)節(jié)泵、流水槽。水槽一端安裝有計(jì)量泵, 通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)量泵的功率來(lái)控制水槽內(nèi)水流速與水力停留時(shí)間。進(jìn)水口距離槽底0.4 m, 槽內(nèi)水深維持在0.40 m。出水端連接計(jì)量泵, 工作效率5 m3/d, 保持水力停留時(shí)間為0.8d, 該裝置安置于蓄水塘中。

水生植物來(lái)源實(shí)驗(yàn)前, 將鳳眼蓮與菖蒲暫養(yǎng)于蓄水塘實(shí)驗(yàn)裝置附近, 選取生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)一致的植株用自來(lái)水清洗干凈, 然后將鳳眼蓮?fù)斗庞?#、3#、5#水槽, 菖蒲移栽至2#、4#、6#水槽內(nèi)的浮島中(圖1b、圖2)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2015年8月17日至9月10日在蓄水塘內(nèi)完成, 實(shí)驗(yàn)設(shè)置2個(gè)處理(菖蒲組和鳳眼蓮組), 每個(gè)處理設(shè)3個(gè)平行, 兩種植物初始投放量依照其100%覆蓋水面為標(biāo)準(zhǔn)。水體指標(biāo)每天監(jiān)測(cè), 植物指標(biāo)每周監(jiān)測(cè), 沉積物指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后監(jiān)測(cè), 樣品采集與分析見(jiàn)后續(xù)方法描述。

圖1 水槽結(jié)構(gòu)示意圖(a)和實(shí)景圖(b)Fig. 1 The structural diagram (a) and the photo (b) of the experimental tanks

圖2 實(shí)驗(yàn)布置與樣品采集Fig. 2 Experimental arrangement and sample collection

1.3 分析方法

水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定水體理化指標(biāo)的監(jiān)測(cè)頻率為1次/d, 其中水溫、pH、溶解氧(DO)通過(guò)水質(zhì)分析儀(哈希, HQ40D, 美國(guó))現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定; 分別采取各水槽進(jìn)水口和出水口水樣, 帶回實(shí)驗(yàn)室后采用流動(dòng)分析儀(Auto-Analyzer 3 Application)測(cè)定水體氨氮(-N)、硝氮(-N)、可溶性正磷酸鹽()、可溶性總氮(TDN)、可溶性總磷(TDP)、總氮(TN)及總磷(TP)等。高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》方法測(cè)定[15], 水體藻類(lèi)生物量使用流式細(xì)胞儀(BD公司, FACSJazz型)測(cè)定, 水體葉綠素a濃度依照Wintermans和de Mots方法, 使用乙醇提取后測(cè)定[16]。

水生植物指標(biāo)測(cè)定水生植物生物量測(cè)定:采用重量法, 將1 m2水生植物從水中撈起放在篩網(wǎng)上, 直至無(wú)滴水時(shí)稱(chēng)重而得, 單位為kg/m2。

水生植物氮磷含量的測(cè)定: 將植物在105℃下殺青30min后, 于65℃烘干至恒重。粉粹后的植物干物質(zhì)過(guò)60目網(wǎng)篩, 用于植物總氮和總磷含量測(cè)定,其中氮含量用凱氏滴定法測(cè)定, 磷含量用鉬銻抗比色法[17]。

沉積物的收集與測(cè)定在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 清除實(shí)驗(yàn)水槽剩余的鳳眼蓮和菖蒲, 用計(jì)量泵抽去水槽凈化系統(tǒng)中的全部水樣。采用毛細(xì)尼龍刷收集6個(gè)水槽底部全部沉積物至水桶中, 混合均勻后稱(chēng)重獲其鮮重。分別取6個(gè)水槽沉積物500 g, 均勻的平鋪于培養(yǎng)皿中, 放于陰涼透風(fēng)處自然風(fēng)干至恒重, 稱(chēng)其干重, 根據(jù)取樣量(500 g)換算水槽全部沉積物干物質(zhì)。干燥后沉積物用研磨磨碎后過(guò)100目網(wǎng)篩,用于沉積物氮磷測(cè)定。沉積物中全氮采用凱氏定氮法測(cè)定, 全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定[18]。

數(shù)據(jù)處理文中數(shù)據(jù)均以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示, 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理采用Excel 2010、origin 7.5和統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 16.0, 鳳眼蓮實(shí)驗(yàn)組與菖蒲實(shí)驗(yàn)組間差異性選用單因素方差比較(LSD檢驗(yàn)), 其中顯著性水平設(shè)置為P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 水溫、DO與pH

在實(shí)驗(yàn)期間, 水溫、DO及pH變化如圖3所示。水溫變化區(qū)間為25.6—28.9℃, 各實(shí)驗(yàn)組進(jìn)水口和出水口的水溫?zé)o顯著性差異(P＞0.05)(圖3a)。如圖3b所示, 菖蒲出水口DO在第5天達(dá)到最低(0.67 mg/L), 實(shí)驗(yàn)第18天鳳眼蓮處理組出水口DO最低(0.64 mg/L)。各水槽出水口DO均顯著低于進(jìn)水口DO值(P＜0.05), 而菖蒲出水口處DO在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的8—18 d顯著高于鳳眼蓮出水口(P＜0.05)。

實(shí)驗(yàn)初期水體pH在9.0左右, 兩者pH最小值分別出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)第18天和第19天, pH為6.24和6.42。實(shí)驗(yàn)3d后, 各實(shí)驗(yàn)水槽進(jìn)水口pH顯著高于出水口(P＜0.05)。此外, 菖蒲出水口的pH顯著高于鳳眼蓮出水口(P＜0.05)(圖3c)。

各處理組對(duì)葉綠素a、藻類(lèi)密度及CODMn的削減率如表1所示。除實(shí)驗(yàn)第20天(降雨), 處理組對(duì)葉綠素a及CODMn削減率有所降低外, 鳳眼蓮與菖蒲對(duì)兩者的去除率分別到達(dá)70%、34%和10%、3%。兩處理組的藻類(lèi)密度削減率在60%和30%以上。如表1所示, 鳳眼蓮對(duì)葉綠素a、藻類(lèi)密度及CODMn的削減效果優(yōu)于菖蒲。

2.2 水體不同形態(tài)氮素濃度變化

圖3 水體水溫(a)、DO(b)與pH(c)變化Fig. 3 Values of water temperature (a), dissolved oxygen (b), and pH (c) of water samples harvested from different sites

表1 鳳眼蓮與菖蒲水槽凈化系統(tǒng)水體葉綠素a、藻類(lèi)密度及CODMn的削減率Tab. 1 The removal rate of chlorophyll a, algae density, and the CODMn of purification system with E. crassipes and A. calamus

圖4 實(shí)驗(yàn)水體中TN, TDN, -N,-N濃度變化Fig. 4 Values of total nitrogen (TN), dissolved total nitrogen (TDN), nitrate (-N), and ammonium (-N) in the water during the experiments

TDN濃度變化趨勢(shì)與TN相似, 菖蒲出水口與鳳眼蓮出水口TDN濃度分別在實(shí)驗(yàn)第15和第10天達(dá)到最低值1.72和0.74 mg/L。實(shí)驗(yàn)前15天, 菖蒲出水口TDN濃度顯著高于進(jìn)水口濃度(P＜0.05), 15d后其TDN與進(jìn)水口無(wú)顯著差異(P＞0.05)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 鳳眼蓮出水口TDN則顯著低于進(jìn)水口和菖蒲出水口(P＜0.05)。

2.3 水體不同形態(tài)磷素變化

實(shí)驗(yàn)水體不同形態(tài)磷素包括總磷(TP)、可溶性總磷(TDP)、正磷酸鹽()的變化如圖5所示。實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)水口TP平均濃度為0.24 mg/L, 而鳳眼蓮和菖蒲出水口TP平均濃度分別為0.09 mg/L和0.16 mg/L(圖5a)。實(shí)驗(yàn)8d后, 菖蒲處理組出水口TP濃度顯著低于進(jìn)水口濃度, 而鳳眼蓮處理組在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中其出水口濃度顯著低于進(jìn)水口(第19天除外)(P＜0.05)。

在為期24d的實(shí)驗(yàn)中, 菖蒲處理組出水口TDP濃度顯著高于進(jìn)水口濃度, 尤其是在實(shí)驗(yàn)前18天(P＜0.05)。鳳眼蓮處理組出水口TDP濃度略低于進(jìn)水口處水體TDP濃度, 在18d后較進(jìn)水口有顯著降低(P＜0.05)(圖5b)。

2.4 菖蒲和鳳眼蓮植株氮磷含量及其對(duì)水體氮磷去除貢獻(xiàn)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí), 菖蒲生物量增長(zhǎng)了0.27 kg/m2, 鳳眼蓮生物量增長(zhǎng)了3倍以上(增長(zhǎng)量13.25 kg/m2)。鳳眼蓮氮含量在2.36%—2.37%間波動(dòng), 顯著高于菖蒲1.21%—1.55%。此外, 鳳眼蓮磷含量也顯著高于菖蒲(P＜0.05)。菖蒲含水率為(82.56%—83.63%)顯著低于鳳眼蓮(93.63%—94.81%)(P＜0.05, 表2)。

兩種植物水槽底部沉積物含水率無(wú)顯著差異,均在90%左右(P＞0.05)(表3)。種養(yǎng)菖蒲的水槽中沉積物鮮重達(dá)到14.93 kg, 顯著高于鳳眼蓮水槽底部沉積物12.60 kg (P＜0.05)。而且, 菖蒲水槽沉積物氮磷含量分別為3.18%干重和0.38%干重, 顯著高于鳳眼蓮水槽中沉積物氮磷含量2.49%干重和0.33%干重(P＜0.05)。

如表4所示, 鳳眼蓮凈化系統(tǒng)氮磷削減量達(dá)250.77和21.04 g, 顯著高于菖蒲凈化系統(tǒng)氮磷削減量127.38和10.41 g (P＜0.05)。鳳眼蓮?fù)ㄟ^(guò)自身吸收作用對(duì)水體氮磷去除量達(dá)到211.43和16.31 g, 分別占水槽凈化系統(tǒng)總削減量的84.31%和77.52%, 而物理沉淀作用對(duì)系統(tǒng)氮磷的削減貢獻(xiàn)較弱。但菖蒲凈化系統(tǒng)中物理沉淀作用分別占總削減量的35.26%和51.58%, 而菖蒲自身的吸收量?jī)H占總削減量的7.72%和8.55%, 仍有57%和39%以上的氮磷通過(guò)其他途徑從凈化系統(tǒng)中去除。

圖5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水體磷TP、TDP和變化Fig. 5 Values of total phosphorus (TP), dissolved total phosphorus (TDP), and orthophosphate () in the water during the experiments

表2 實(shí)驗(yàn)植物生物量及其氮磷含量Tab. 2 Biomass of the test plants and their nitrogen and phosphorus contents

表3 水槽沉積物收集量及其氮磷含量Tab. 3 Sediment collection in sinks and their nitrogen and phosphorus content

表4 水體凈化系統(tǒng)中氮磷歸趨Tab. 4 The fate of nitrogen and phosphorus in water purification systems

3 討論

鳳眼蓮原產(chǎn)于南美洲, 主要以無(wú)性繁殖, 被稱(chēng)為生長(zhǎng)最快的水生植物之一[19], 除物種本身特性外,環(huán)境因子也是影響水生植物生長(zhǎng)的重要因素, 其中溫度是影響水生植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子[20]。有研究表明, 鳳眼蓮在水溫27—30℃時(shí)生長(zhǎng)最旺盛[8], 而菖蒲的最適水溫在20—25℃。在本研究中, 水溫在25—29℃內(nèi)波動(dòng), 更適合鳳眼蓮生長(zhǎng), 故水溫在本研究中也是造成鳳眼蓮擴(kuò)繁更快的因素之一, 最快生長(zhǎng)速度達(dá)到每周0.94 kg/m2, 而菖蒲最大生長(zhǎng)速率僅為每周0.16 kg/m2。

菖蒲與鳳眼蓮均使實(shí)驗(yàn)水體的DO和pH顯著降低, 這與前人的研究相一致, 王智等[21]通過(guò)對(duì)滇池湖灣鳳眼蓮種養(yǎng)區(qū)連續(xù)3個(gè)月的監(jiān)測(cè)表明, 鳳眼蓮種養(yǎng)區(qū)水體DO與pH較無(wú)鳳眼蓮水域顯著降低。其原因有: 一方面, 鳳眼蓮生長(zhǎng)緊密, 覆蓋面積大, 阻礙了大氣向水體富氧[22]; 另一方面, 鳳眼蓮根系脫落物的分解腐爛消耗水體中的氧氣, 導(dǎo)致種植水域DO低于進(jìn)水口。有研究表明, 水生植物在淹水狀態(tài)下, 其根系能分泌氧氣, 但隨著時(shí)間的延長(zhǎng), 植物根際區(qū)域的氧濃度逐漸下降, 這也是種植區(qū)水體DO小于進(jìn)水口的原因之一[23]。而菖蒲出水口的DO高于鳳眼蓮, 分許其主要原因可能是, 菖蒲細(xì)而長(zhǎng)的葉片對(duì)大氣富氧的阻礙作用較葉片大而繁茂的鳳眼蓮弱。此外, 盡管浮島也有很強(qiáng)的遮光效果,影響大氣富氧, 然而菖蒲根系與鳳眼蓮相比并不發(fā)達(dá), 根系對(duì)藻類(lèi)等有機(jī)物攔截效率低, 攔截的有機(jī)污染物在根部分解時(shí)也會(huì)消耗水體溶氧, 這也是菖蒲處理組出水口DO較鳳眼蓮組高的原因之一。

pH也是影響菖蒲和鳳眼蓮生長(zhǎng)的因素之一。在本研究中, 進(jìn)水口的pH在7—9內(nèi)波動(dòng), 而菖蒲出水口與鳳眼蓮出水口的pH則分別穩(wěn)定在6.6和6.3左右?？梢?jiàn)植物根系能降低并穩(wěn)定水體的pH。加上根系周?chē)奈⑸锓纸馑w有機(jī)物, 其呼吸作用產(chǎn)生CO2均會(huì)降低水體的pH[24]。

在一定濃度范圍內(nèi), 葉綠素a在與藻類(lèi)密度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性, 可直接說(shuō)明水體中藻類(lèi)的多少和水華暴發(fā)的強(qiáng)度[25]。有研究表明, 葉綠素a濃度為40 mg/m3時(shí)是水華暴發(fā)的臨界值[26]。在本研究中,進(jìn)水口葉綠素a濃度在100 mg/m3左右, 已達(dá)到水華閾值。不管種養(yǎng)漂浮植物鳳眼蓮, 還是浮島植物菖蒲以, 水體葉綠素a和藻類(lèi)密度均有顯著降低。分析其原因主要有: (1)菖蒲和鳳眼蓮均能分泌感化物質(zhì)對(duì)藻類(lèi)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)抑制[27—29], 從而降低了水體葉綠素a的濃度與藻類(lèi)密度; (2)水生植物發(fā)達(dá)的根系能夠攔截污水中的部分有機(jī)物包括水體藻類(lèi)[30]; (3)依附在植物根系上小型水生生物和微生物通過(guò)分解或攝取藻類(lèi)等有機(jī)物來(lái)維持其正常的生理活動(dòng), 進(jìn)而成為水體藻類(lèi)和葉綠素a削減的原因之一, 從這個(gè)角度看, 采用浮島植物或漂浮植物一定程度上有抑制水華暴發(fā)的作用。同時(shí), 這也是水體種養(yǎng)鳳眼蓮和菖蒲后CODMn濃度顯著下降的主要原因之一。

植物快速吸收是通過(guò)種養(yǎng)水生植物吸收水體氮磷等污染物, 達(dá)到水質(zhì)凈化效果的主要原因之一。鳳眼蓮也早以其對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(氮磷)的高效吸收與富集特征被廣泛用于多種水體凈化與修復(fù)[31]。本研究結(jié)果表明, 鳳眼蓮在24天的實(shí)驗(yàn)周期中生物量增加3倍以上, 通過(guò)植物吸收帶走的氮素占總系統(tǒng)氮去除量的80%以上。此外, 從水體主要氮形態(tài)-N的削減效果看, 經(jīng)過(guò)10 m長(zhǎng)的控養(yǎng)水槽后鳳眼蓮可將-N濃度降低至1 mg/L以下, 而菖蒲出水口-N濃度平均在2.5 mg/L左右。

已有研究表明植物吸收和物理沉淀是水體磷素的主要?dú)w趨[32], 本研究結(jié)果顯示鳳眼蓮的植物吸收與富集作用對(duì)凈化系統(tǒng)中TP的削減占有率在77%以上, 而菖蒲對(duì)水體中TP的吸收作用僅8%左右。從水生植物對(duì)水體不同形態(tài)磷素的影響效果可以看出, 菖蒲對(duì)水體TDP的削減效果也遠(yuǎn)不及鳳眼蓮。在本研究中菖蒲組水槽出水口TDP和均高于其進(jìn)水口濃度, 分析其原因有: (1)浮島菖蒲對(duì)水體藻類(lèi)等顆粒態(tài)磷素?cái)r截后, 在缺氧環(huán)境下顆粒態(tài)物釋放大量磷素; (2)從菖蒲生物量與其植物體氮磷含量可以看出, 菖蒲生長(zhǎng)相對(duì)緩慢, 對(duì)水體磷素的削減效率低, 在水利滯留時(shí)間0.8d的條件下對(duì)水體TDP和的去除是有限的。

此外, 對(duì)于菖蒲水槽凈化系統(tǒng), 仍有57%和39%以上的氮磷是通過(guò)植物吸收和物理沉淀作用以外的途徑從系統(tǒng)中移除。除上述所剖析的原因外, 作者推測(cè)浮島自身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也可能會(huì)對(duì)水體氮磷的去處有影響。菖蒲通過(guò)海綿條包裹后放入帶孔的盆缽, 最后固定于漂浮性材料, 具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)材料與方法。實(shí)驗(yàn)期間也有發(fā)現(xiàn)在浮島上生長(zhǎng)有良好的生物膜結(jié)構(gòu), 盡管實(shí)驗(yàn)期間我們未對(duì)生物膜的結(jié)構(gòu)功能等做相關(guān)監(jiān)測(cè), 但已有大量文獻(xiàn)報(bào)道表明,生物膜對(duì)水體氮磷有較好的去除效果[33,34], 生物膜上廣泛存在著異養(yǎng)硝化細(xì)菌等多種與水體氮磷代謝有關(guān)的微生物[35,36]。此外浮島中菖蒲選用海綿包裹, 其多孔結(jié)構(gòu)也可以增大微生物的附著空間,為微生物的擴(kuò)繁提供生存介質(zhì), 進(jìn)而也增加了其水體氮磷去除力度。

本研究基于自主研發(fā)的漂浮性水槽, 開(kāi)展了漂浮植物和浮島植物對(duì)受城市污水污染的開(kāi)放池塘水質(zhì)凈化效果研究, 鳳眼蓮憑其快速的繁殖能力和高效的氮磷富集能力, 達(dá)到了良好的水質(zhì)凈化效果。此外, 筆者研究團(tuán)隊(duì)已打通了鳳眼蓮的控養(yǎng)、打撈、處置、及資源化利用等方便的技術(shù)關(guān)隘, 鳳眼蓮用于池塘和河道等污染水體的生物修復(fù)技術(shù)已日臻成熟。而浮島植物菖蒲對(duì)水體氮磷的去除效率最高為42.04%和52.89%, 同時(shí)對(duì)水體懸浮顆粒物(包括藻類(lèi))有很好的攔截效果。鳳眼蓮和菖蒲的最適生長(zhǎng)溫度有互補(bǔ), 在季節(jié)銜接上可以考慮交錯(cuò)使用這兩種植物, 早春和晚秋鳳眼蓮生長(zhǎng)緩慢, 而此時(shí)溫度最適合菖蒲, 炎熱夏季鳳眼蓮爆炸式生長(zhǎng),而菖蒲成長(zhǎng)遲緩。鑒于此, 筆者提出漂浮植物鳳眼蓮和浮島菖蒲組合模式用于水體修復(fù), 在達(dá)到理想水質(zhì)凈化效果的同時(shí), 提高水域美學(xué)效果。

4 結(jié)論

本文通過(guò)自主研發(fā)流量可控的漂浮性水槽, 對(duì)人工浮島和漂浮植物對(duì)受城市污水污染的開(kāi)放性水體凈化效果的比較研究, 主要結(jié)論如下: 浮島植物菖蒲和漂浮植物鳳眼蓮的種養(yǎng)均能降低水體的DO和pH, 顯著削減水體藻類(lèi)生物量和CODMn濃度,但鳳眼蓮作用效果更顯著; 鳳眼蓮對(duì)水體氮、磷的削減效果顯著, 而浮島菖蒲盡管對(duì)氮、磷也有一定的去除作用, 然而其效果遠(yuǎn)不及鳳眼蓮, 且經(jīng)其處理過(guò)的水體溶解態(tài)的磷(TDP和)還有所升高。鳳眼蓮的生長(zhǎng)速度和氮、磷吸收能力均強(qiáng)于菖蒲, 對(duì)水體總氮和總磷的去除率最高分別為66.11%和73.20%, 比菖蒲分別高出24.07%和20.31%, 同時(shí)鑒于浮島菖蒲對(duì)水體溶解性磷素的移除限制, 并結(jié)合鳳眼蓮對(duì)溶解性磷素高效吸收富集能力, 作者建議今后的水體修復(fù)工程實(shí)踐中可考慮鳳眼蓮與菖蒲的組合模式, 在達(dá)到一定景觀(guān)效果的同時(shí), 提高其水質(zhì)凈化效果。

致謝:

感謝江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所的范如芹副研究員對(duì)英文摘要的修改及潤(rùn)色。

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PURIFICATION EFFECT OF BIOLOGICAL FLOATING ISLAND AND FLOATING PLANTS ON AN OPEN CONTAMINATED POND

LIU Min-Hui, WEN Xue-Zheng, ZHANG Zhi-Yong, WANG Yan, LIU Hai-Qin, ZHANG Ying-Ying, SONG Wei,YAN Shao-Hua and QIN Hong-Jie
(Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

The self-developed experimental device of a cuboid sink welded with stainless steel (10.0 m × 1.0 m ×0.5 m)without the top cover was used to investigate water purification of open pond contaminated with domestic sewage using biological floating island growing withAcorus calamusL. andEichhornia crassipes, and the fates of nitrogen (N)and phosphorus (P) in the water purification system. The results revealed that the removal rates of algal density and chlorophyllawere over 90%, and the removal rate of CODMnconcentration was over 45%. Total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) concentrations of the polluted water by running through the 10 m sinks decreased from 3.71 and 0.24 mg/L to 1.71 and 0.09 mg/L byE. crassipes, and to 2.69 and 0.16 mg/L byA. calamus, respectively. The main fate for N and P in the purification system withE. crassipeswas absorbed by the plants, which accounted for 84.31% and 77.52% decrease of the TN and TP, respectively; while the N and P absorbed by plants in the system withA. calamus

only accounted for 7.72% and 8.55% reduction, respectively. A large proportion TN (35.26%) and TP (51.58%) existed in the sediments in the sinks withA. calamus, while location of over 57% and 39% of the TN and TP were unclear in the system, which may relate to the biofilm growing on the floating island. This study provides practical and theoretical references for ecological restoration of open pond contaminated with domestic sewage using phytoremediation technology with floating island andE. crassipes.

Acorus calamusL.;Eichornia crassipes; Water purification; Phytoremediation

X52

A

1000-3207(2017)06-1318-09

2016-10-08;

2017-02-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(41501545); 江蘇省自然科學(xué)基金(BK20150549); 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)(ZX(16)2035)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (41501545); Natural Science Foundation of Jiangsu Province,China (BK20150549); Special Fund on Basic Research of Jiangsu Academy of Agricultural Sciences (Grant No. ZX(16)2035)]

劉旻慧(1991—), 女, 浙江臺(tái)州人; 碩士; 主要從事水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)理論與技術(shù)方面的研究。E-mail: 540972937@qq.com

秦紅杰(1984—), 男, 河南內(nèi)黃人; 副研究員; 主要從事水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)理論與技術(shù)與水體氮素循環(huán)研究。E-mail: hongjieqin111@126.com

10.7541/2017.163