陳 曉 蔚武 俊 杰張 煒徐 宇 峰

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140； 2.河北工程大學(xué) 河北省水污染控制與水生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056038； 3.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

當(dāng)前我國(guó)城市河道水污染日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了城市及流域生態(tài)環(huán)境，甚至危害人類健康，黑臭水體已然成為最嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題之一[1]。同時(shí)城市河道的社會(huì)功能及生態(tài)功能不斷被削弱，城市及流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題日益凸顯，治理城市河道污染，恢復(fù)受污染河流生態(tài)系統(tǒng)已成為當(dāng)前水環(huán)境生態(tài)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

城市河道受污染的主要原因是含有大量C、N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生活污水進(jìn)入水體[2-3]，極大地促進(jìn)了水體由正常向富營(yíng)養(yǎng)過渡[4]。而治理黑臭水體最關(guān)鍵的因素在于削減水體中總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)等污染物。

植物修復(fù)技術(shù)是一種低耗高效的原位生態(tài)治理技術(shù)，其植物及根系微生物可共同通過代謝作用將水體中的污染物吸收、降解及轉(zhuǎn)化[5]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)污染水體的凈化。植物修復(fù)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種類型的水體修復(fù)[6-7]，主要技術(shù)包括人工濕地技術(shù)[8]、生態(tài)浮床技術(shù)[9]及水生植物氧化塘等[10-13]。

植物修復(fù)技術(shù)對(duì)受污染水體修復(fù)效果主要受植物種類及其配置方式的影響，因此修復(fù)植物的篩選，不僅要滿足水生植物的生物學(xué)特性、污染物去除能力及耐污性等，還需要結(jié)合受污染水體特征，篩選出適應(yīng)河流水質(zhì)的植物。本研究在前期現(xiàn)場(chǎng)勘探基礎(chǔ)上，選取了3種常見沉水植物，研究備選植物在靜態(tài)模擬條件下TN，TP等污染物的去除效果，分析沉水植物向水體供氧能力的大小，進(jìn)而為富營(yíng)養(yǎng)化水體治理優(yōu)選高效、適宜的水生植物提供一定科學(xué)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 植物篩選

在廣泛調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合滏陽(yáng)河原有水生植物種類，篩選狐尾藻、篦齒眼子菜、金魚藻、黑藻及菖蒲等5種修復(fù)植物。根據(jù)前期研究，發(fā)現(xiàn)沉水植物對(duì)受污染水體適應(yīng)能力大小次序?yàn)楹苍?篦齒眼子菜>金魚藻>黑藻>菖蒲。因此，本研究選擇篦齒眼子菜、狐尾藻以及金魚藻作為備選植物，進(jìn)行批式實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在半封閉大棚中進(jìn)行，以消除氣候因素等對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)在高為1.00 m，直徑為0.80 m的圓柱形塑料桶中進(jìn)行，上覆水取自滏陽(yáng)河邯鄲段劉二莊斷面，水柱高度為0.8 m，底部以滏陽(yáng)河劉二莊斷面沉積底泥填充，填充高度0.25 m，修復(fù)植物為前期培養(yǎng)種，將其反復(fù)沖洗稱重后置入試驗(yàn)容器。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)反應(yīng)組：① 無(wú)植物(對(duì)照)組；② 篦齒眼子菜組；③ 金魚藻組；④ 狐尾藻組。試驗(yàn)開始后，分別在第0，2，4，6，8，10，12，16，20，30，40 d上午09：00取樣。監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)包括：溶解氧(DO)、總氮、總磷、氨氮、透明度、高錳酸鹽指數(shù)等。水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》規(guī)定執(zhí)行。同時(shí)，為了補(bǔ)充因蒸發(fā)等損失的水分，實(shí)驗(yàn)期間定時(shí)增加純水以保持原水位。試驗(yàn)選用的沉水植物基本情況見表1。

表1 沉水植物基本情況Tab.1 Basic condition of submerged plants

2 不同沉水植物對(duì)滏陽(yáng)河水質(zhì)的適應(yīng)及影響

2.1 沉水植物對(duì)氨氮的去除研究

不同沉水植物組中氨氮隨時(shí)間變化的濃度曲線如圖1所示。

圖1 不同沉水植物組氨氮濃度隨時(shí)間變化的曲線Fig.1 Ammonia nitrogen concentration curves of different submerged plant groups

3組處理系統(tǒng)對(duì)水體NH3-N均有較好的去除效果。在0～15 d內(nèi)，對(duì)照組、狐尾藻、金魚藻組及篦齒眼子菜組中NH3-N濃度下降趨勢(shì)與時(shí)間線性相關(guān)，下降明顯，由最初的4.64 mg/L迅速降低至2.82,1.94，1.51 mg/L及2.27 mg/L，去除率達(dá)58.18%，67.50%及51.07%，與對(duì)照組(去除率39.29%)對(duì)比差異顯著。15 d后，各組中的NH3-N濃度下降速度逐步變緩至平臺(tái)期，40 d后，4組反應(yīng)器的總氮濃度為2.81，1.52，1.17 mg/L及1.65 mg/L，去除率達(dá)39.41%，67.31%，74.77%及64.41%。

可以看出，3組植物中，金魚藻組對(duì)NH3-N處理效果最好，高出對(duì)照組35%左右，這主要與NH3-N的去除途徑有關(guān)。常規(guī)狀態(tài)下，NH3-N的去除途徑主要包含植物吸收、硝化反應(yīng)及氨揮發(fā)3部分。沉水植物根莖葉均能夠直接吸收水體中的氮[14]，但植物直接吸收對(duì)水體NH3-N的去除貢獻(xiàn)較微小。根據(jù)對(duì)照組對(duì)NH3-N的去除效果可以發(fā)現(xiàn)，因各試驗(yàn)組DO含量較高，可維持硝化反應(yīng)的進(jìn)行[15]，因此硝化細(xì)菌對(duì)NH3-N的轉(zhuǎn)化量至少占水體總氮的39.41%，占主導(dǎo)地位；NH3-N揮發(fā)受水體pH值影響較大，當(dāng)水體pH值大于8.0時(shí)，氨揮發(fā)顯著，7.5～8.0時(shí)反應(yīng)不顯著，小于7.5時(shí)，氨揮發(fā)可忽略[16]。結(jié)合前期研究可以發(fā)現(xiàn)，金魚藻組水體中pH值通常較高，可能對(duì)NH3-N的降低有一定貢獻(xiàn)。另外，沉水植物在生長(zhǎng)過程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐爛分解，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的逸出，從而影響了實(shí)驗(yàn)中后期對(duì)氨氮的總?cè)コ俊?/p>

2.2 沉水植物對(duì)總氮的去除效果

不同沉水植物組對(duì)總氮的去除曲線如圖2所示。

圖2 不同沉水植物組總氮濃度隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 The variation curves of total nitrogen concentration in different submerged plant groups

3組處理系統(tǒng)對(duì)水體TN均有較好的去除效果。在0～10 d內(nèi)，對(duì)照組、狐尾藻、金魚藻組及篦齒眼子菜組中TN濃度有較明顯的下降，由最初的9.45 mg/L分別降低至7.23，5.07，4.13 mg/L及5.59 mg/L，去除率達(dá)23.50%，46.30%，56.32%，40.80%，與對(duì)照組對(duì)比差異顯著。在10～20 d內(nèi)，對(duì)照組、金魚藻組、狐尾藻組及篦齒眼子菜組中TN濃度的下降速度有所變緩，至20 d基本進(jìn)入平臺(tái)期，總氮濃度分別降低至6.07，3.15，2.44 mg/L及3.39 mg/L，去除率達(dá)35.70%，66.64%，74.11%，64.06%。40 d后，4組反應(yīng)器的總氮濃度為5.68，2.84，2.55 mg/L及3.37 mg/L，去除率達(dá) 39.94%，68.04%，71.61%，62.49%。與20 d時(shí)結(jié)果無(wú)明顯差異?？梢钥闯?，3組植物中，金魚藻對(duì)總氮的處理效果最好，但與狐尾藻組及篦齒眼子菜組的去除效果相比，相差不大，均高于對(duì)照組30%左右。這主要是因?yàn)?，水生植物一方面通過根系的作用同化氮污染物，而另一方面通過微生物硝化的反硝化作用去除氮污染物[17]，且后者對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)較高。因此，結(jié)合圖2分析，認(rèn)為0～10 d內(nèi)各組中TN濃度下降明顯的主要原因可能是根系及水中懸浮細(xì)菌的硝化反硝化作用，而后，易生物降解物質(zhì)逐漸消耗，在10～20 d，反硝化作用降低，對(duì)總氮的削減主要受植物吸收作用控制，至20 d后，各組植物出現(xiàn)葉片發(fā)黃，腐爛現(xiàn)象，釋放出氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得試驗(yàn)水體中TN濃度隨時(shí)間變化而不再下降。

2.3 沉水植物對(duì)總磷的去除效果

各植物系統(tǒng)中總磷隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，3組植物系統(tǒng)對(duì)水體TP均有較好的去除效果。在0～10 d內(nèi)，對(duì)照組、狐尾藻組、金魚藻組及篦齒眼子菜組水體中TP濃度有較明顯的下降，由最初的1.23 mg/L分別降低至1.01，0.79，0.61 mg/L及0.71 mg/L，去除率達(dá)15.79%，34.02%，48.98%及41.18%，與對(duì)照組對(duì)比差異顯著。在10 d后，各組中TP濃度的下降速度變緩；20 d后進(jìn)入平臺(tái)期；40 d后，4組反應(yīng)器的TP濃度為0.96，0.63，0.52 mg/L及0.68 mg/L，去除率達(dá)19.41%，42.20%，55.25%及45.08%。可以發(fā)現(xiàn)，金魚藻組去除效果高于其他兩組植物系統(tǒng)，而3組植物系統(tǒng)對(duì)磷的去除率遠(yuǎn)高于對(duì)照組?？偭椎娜コ緩桨ㄖ参镂?、磷酸鹽沉降、吸附作用和微生物固定等。試驗(yàn)直接采用河底原污泥及塑料容器，故吸附作用去除的磷極為有限。由圖3可以看出，無(wú)植物存在的對(duì)照組中也出現(xiàn)了TP去除現(xiàn)象，這應(yīng)該歸結(jié)于TP沉淀及微生物固定的作用；而3組植物系統(tǒng)對(duì)水體中TP的去除率遠(yuǎn)高于對(duì)照組的原因可能是植物對(duì)可溶性磷的吸收同化作用，這也體現(xiàn)了不同植物對(duì)TP去除具有的重要作用[18]。

2.4 沉水植物對(duì)CODMn的去除研究

各植物系統(tǒng)中CODMn隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。可以看出，各植物系統(tǒng)都具有一定的CODMn去除能力，各組水體中CODMn呈持續(xù)性、波動(dòng)下降趨勢(shì)，未見明顯的平臺(tái)期，至40 d后，4組反應(yīng)器的CODMn濃度為32.55，18.69，13.98 mg/L及15.64 mg/L，去除率達(dá)29.55%，67.37%，74.93%及71.47%。可以發(fā)現(xiàn)，3組植物系統(tǒng)對(duì)CODMn的去除率遠(yuǎn)高于對(duì)照組。

圖3 不同沉水植物組中總磷(TP)濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of total phosphorus concentration in different submerged plant groups

研究表明，植物對(duì)CODMn的去除主要通過附著于根系表面的微生物完成，微生物對(duì)CODMn的去除過程受水體溫度、水中溶解氧及微生物種類等因素影響。常溫條件下，以水體溶解氧在小于0.20，0.20～1.00 mg/L和大于1.00 mg/L為控制條件時(shí)，相繼發(fā)生厭氧降解、缺氧降解和好氧降解反應(yīng)[19]。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，各植物系統(tǒng)DO始終大于1.00 mg/L，故各植物系統(tǒng)主要通過好氧降解過程去除水中的CODMn，同時(shí)植物組之間對(duì)CODMn去除率的差異主要是因?yàn)楦髦参锔当砻嫠栏轿⑸锏牟町?，而植物組相較于對(duì)照組對(duì)CODMn去除率的差異主要是因?yàn)橹参锔悼勺鳛槲⑸飾⒌卮嬖?，?dǎo)致其微生物數(shù)量、種群數(shù)量均大于對(duì)照組。

圖4 不同沉水植物的CODMn去除能力Fig.4 Removal ability of CODMn from different submerged plants

2.5 沉水植物對(duì)DO的影響

試驗(yàn)期間各植物系統(tǒng)中DO隨時(shí)間變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，各組系統(tǒng)中DO含量均較高，平均維持在3.70 mg/L以上，增氧效果較明顯的是金魚藻及狐尾藻。植物對(duì)水體的富氧作用主要是由于植物光合作用以及呼吸作用將氧氣從上部輸送至根系，經(jīng)釋放和擴(kuò)散，根系周圍呈現(xiàn)周期性好氧環(huán)境。因此植物的復(fù)氧能力與根系發(fā)達(dá)程度及植物光合作用相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中金魚藻及狐尾藻的葉片與根系均較發(fā)達(dá)，其復(fù)氧作用也隨之而較高。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)采用水桶模擬，水深較淺，水體天然復(fù)氧能力較高，因此對(duì)照組也顯現(xiàn)出較高的DO濃度。

圖5 不同沉水植物的復(fù)氧能力Fig.5 Ability of reoxygenation in different submerged plants

3 沉水植物對(duì)氮磷的積累能力

完成40 d的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)后，將反應(yīng)器中各組植物取出，按照生長(zhǎng)高度，將其分為上端和下端，分別測(cè)量其干重及氮磷量。各組植物生物量和植物氮磷含量如表2所示。

表2 沉水植物氮磷累計(jì)情況Tab.2 Accumulation of nitrogen and phosphorus in submerged plants

由表2可見，各植物生物量隨本體高度變化而逐漸增加，但其值較小，對(duì)植物生物量影響不明顯；而各組植物積累氮磷的能力隨本體高度變化有較明顯的差距?？傮w來(lái)說，植物越高的部分，積累氮磷的能力越強(qiáng)，這可能與植物的傳輸作用有關(guān)。同時(shí)，不同植物的含氮量與含磷量與其污染物去除能力并不能一一對(duì)應(yīng)，但其大小次序與對(duì)氮磷的去除能力基本相似，這可能與植物的吸收作用或植物根系微生物的代謝作用相關(guān)。

4 結(jié) 論

(1) 通過多次對(duì)滏陽(yáng)河現(xiàn)場(chǎng)勘察，選擇金魚藻、篦齒眼子菜以及狐尾藻作為備選植物，進(jìn)行批式試驗(yàn)。

(3) 狐尾藻組、金魚藻組及篦齒眼子菜組對(duì)磷有很好的處理效果，遠(yuǎn)高于對(duì)照系統(tǒng)。經(jīng)40 d實(shí)驗(yàn)后，對(duì)TP的去除率達(dá)42%以上，凈化效果最佳的植物為金魚藻。

(4) 狐尾藻組、金魚藻組及篦齒眼子菜組對(duì)CODMn的去除效果無(wú)明顯平臺(tái)期，實(shí)驗(yàn)階段內(nèi)一直在緩慢下降。經(jīng)40 d實(shí)驗(yàn)后，對(duì)CODMn的去除率達(dá)67%以上，凈化效果最佳的植物為金魚藻。

(5) 各植物本體高度的氮磷積累能力有較明顯差距，植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收也隨著本體高度的增高而增加，這可能與植物的傳輸作用有關(guān)。同時(shí)，不同植物的含氮量與含磷量與其污染物去除能力并不一一對(duì)應(yīng)，但其大小順序與對(duì)氮磷的去除能力基本相似，這可能與植物的吸收作用或植物根系微生物的代謝作用相關(guān)。