趙強(qiáng)民 馮承婷 簡(jiǎn)向陽

Study on the Purification Effect of Ruellia brittoniana on Wastewater and Its Practical Application

摘要：研究了翠蘆莉Ruellia brittoniana對(duì)污水的凈化效果，結(jié)果表明，翠蘆莉?qū)ξ鬯械幕瘜W(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）和氨氮（NH4-N）都有較好的去除效果，但植株大小對(duì)其去除效果沒有顯著差異。在華南地區(qū)已有多個(gè)生態(tài)園林項(xiàng)目應(yīng)用翠蘆莉作為生態(tài)修復(fù)污水凈化植物品種，如梅州市芹洋半島濱水濕地公園、中山市火炬開發(fā)區(qū)得能湖公園、貴州云漫湖等項(xiàng)目中，在生境較為惡劣的區(qū)域采用翠蘆莉作綠植設(shè)計(jì)，經(jīng)過一段時(shí)間追蹤觀察可知翠蘆莉?qū)ι承迯?fù)效果明顯。

關(guān)鍵詞：翠蘆莉;凈化污水;效果;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S688

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2641（2019）02-0064-05

收稿日期：2018-11-29

修回日期：2019-02-01

Abstract： The purification effect of Ruellia brittoniana on wastewater was studied. The results showed that R. brittoniana had better removal effect on both COD， TP， TN and NH4-N in wastewater， but there was no significant difference in the removal efficiency of plant size. There have been many ecological garden projects in South China where R. brittoniana has been used as a plant variety for ecological restoration of wastewater purification. For example， KiunYong Peninsula Wetland Park in Meizhou， the Deneng Lake Park in Zhongshan City Torch Development Zone， and the Yunman Lake in Guizhou， the green planting design of R. brittoniana has been adopted in the region where the habitat was relatively bad. After a period of follow- up observation， the effect of R. brittoniana on habitat restoration was obvious.

Key words： Ruellia brittoniana; Wastewater purification; Effect; Application

1 研究背景

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市河流湖泊等景觀水體富營(yíng)養(yǎng)問題日益嚴(yán)重。中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)（2005）[1]中指出，我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)七大水系的地表水監(jiān)測(cè)斷面中，I～I(xiàn)II類、IV～V類和劣V類水質(zhì)的斷面比例為41%、32%和27%，其中遼河、淮河、黃河、松花江水質(zhì)較差，海河污染嚴(yán)重。且在28個(gè)國(guó)控重點(diǎn)湖（庫(kù)）中，滿足II～I(xiàn)V類水質(zhì)的湖（庫(kù)）共11個(gè)，占39%;V類水質(zhì)的湖（庫(kù)）5個(gè)，占18%;劣V類水質(zhì)湖（庫(kù)）12個(gè)，占43%，主要污染物質(zhì)為總氮和總磷。截止2016年，我國(guó)七大流域等1617個(gè)國(guó)考斷面中，V類水質(zhì)102個(gè)，占6.3%;劣V類水質(zhì)147個(gè)，占9.1%。112個(gè)重要湖（庫(kù)）中，V類水質(zhì)6個(gè)，占5.4%;劣V類水質(zhì)9個(gè)，占8.0%。盡管我國(guó)對(duì)水生態(tài)環(huán)境加大了保護(hù)及修復(fù)力度，仍不能將全部重要河流、湖（庫(kù)）水質(zhì)修復(fù)至水質(zhì)達(dá)到IV類以上，我國(guó)景觀水生態(tài)修復(fù)仍需持續(xù)不斷努力[2]。

由于大量有機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽排放進(jìn)入河流湖泊中，水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的問題，打破了原有的生態(tài)平衡，造成水體藻類爆發(fā)，增加大量浮游動(dòng)物，水中溶解氧急劇下降，造成水下魚類等生物因缺氧死亡，后經(jīng)微生物分解導(dǎo)致水體黑臭，形成惡性循環(huán)。如何治理城市景觀水體污染已成為現(xiàn)代社會(huì)亟待解決的問題。水污染治理主要為3種方式，分別為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)及生物修復(fù)。物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)方法多作為富營(yíng)養(yǎng)化爆發(fā)的應(yīng)急手段，不適合在中度及輕度富營(yíng)養(yǎng)的水體中應(yīng)用。在景觀水體污染及治理中，一般采用生物修復(fù)方法，利用植物、水生生物等結(jié)合互相作用。利用植物修復(fù)污染水體是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外開展水生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)，其具有生態(tài)性、低成本性、易操作性等特點(diǎn)[3]，且應(yīng)用方式多樣，如人工濕地、人工浮島、生態(tài)草溝、岸坡植被等。因植物在其中起主要作用，所以選擇合適的植物對(duì)于利用植物修復(fù)水污染有著重要意義。

翠蘆莉Ruellia brittoniana是一種廣泛用于園林綠化的草本植物，具有非常強(qiáng)的抗逆性，耐旱、耐濕且耐輕鹽堿。翠蘆莉的地下根莖蔓延生長(zhǎng)，根莖上有芽，芽向上生長(zhǎng)出新苗，形成新的植株，因此翠蘆莉擁有非常大的生物量。有研究表明，翠蘆莉在人工濕地和淺水區(qū)域用于處理生活污水效果明顯[4～6]。作為一種陸生耐旱耐淹植物，不僅具有明顯污水凈化效果，在園林景觀營(yíng)造中具有較高觀賞價(jià)值，研究不同生物量的翠蘆莉?qū)ξ鬯畠艋幚硇Ч?，有利于在工程上最?jīng)濟(jì)化推廣翠蘆莉應(yīng)用，以達(dá)到最大的生態(tài)效益及經(jīng)濟(jì)效益。本文將研究不同生物量的翠蘆莉?qū)λ锌偭祝═P）、氨氮（NH4-N）、化學(xué)需氧量（COD）和總氮（TN）的凈化效果，并介紹翠蘆莉在人工濕地中的應(yīng)用情況。

2 材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

篩選工程上常見的翠蘆莉苗，以小袋苗（單株植物凈重約12g）作為低生物量材料，成年苗（單株植物凈重約60g）作為高生物量材料，每種挑選出長(zhǎng)勢(shì)相近、生物量相近的苗，同時(shí)準(zhǔn)備海綿塊（21cm×11cm×9cm）及塑料箱（70cm×50cm×60cm）。

2.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)在廣東中山小欖基地溫室大棚進(jìn)行，調(diào)節(jié)大棚的溫度、濕度、光照與外界相當(dāng)，避免受雨水的影響。分別將翠蘆莉沖洗干凈，摘除多余葉片，保留上部分葉片，將海綿塊切開，每塊海綿包裹住2株翠蘆莉的根部，并讓根部露出一部分，后用棉繩綁緊，放入塑料箱中，讓其漂浮在水面上。試驗(yàn)開始前，先用一半自來水一半河流水培養(yǎng)翠蘆莉1周時(shí)間，讓其生長(zhǎng)穩(wěn)定。試驗(yàn)開始時(shí)，將塑料箱中的水換成70L自配一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)（GB18918-2002）的水，即化學(xué)需氧量（CODcr）為50mg/L、總氮（TN）為15mg/L、氨氮（NH4-N）為5mg/L和總磷（TP）為0.5mg/L。分別設(shè)置高、低生物量植物各1組為實(shí)驗(yàn)組，每組設(shè)3個(gè)重復(fù)項(xiàng)，每個(gè)重復(fù)項(xiàng)3個(gè)箱子，每個(gè)箱子放入10株植物;對(duì)照組為無植物。試驗(yàn)周期為28d。

2.3 測(cè)定方法

試驗(yàn)期間，每隔4d取塑料箱中水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，即水質(zhì)檢測(cè)的時(shí)間為開始試驗(yàn)后的第1、4、8、12、16、20、24和28d。水質(zhì)檢測(cè)后剩余的水樣補(bǔ)充到原來的水箱中，用蒸餾水補(bǔ)充因蒸發(fā)蒸騰消耗的水分，以減少試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)正式開始前以及完成后，稱量每組試驗(yàn)中翠蘆莉的植物鮮重。

水質(zhì)檢測(cè)方法按照國(guó)標(biāo)法：總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-89），氨氮（NH-N）采4用納氏試劑光度法（HJ535-2009），化學(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鹽法（HJ828-2017），總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012）。

2.4 數(shù)據(jù)分析

使用MicrosoftExcel2013處理數(shù)據(jù)，使用spss19.0進(jìn)行單因素顯著性分析，并利用origin17.0制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)COD的凈化效果

如圖1所示，在第1次測(cè)量后到第2次測(cè)量間，3組實(shí)驗(yàn)中COD含量都有不同程度的上升，其原因是從包裹翠蘆莉的海綿中釋放出部分有機(jī)物。隨后整體趨勢(shì)為波動(dòng)下降。在28d后，生物量大的翠蘆莉組（B組）相較于生物量小的翠蘆莉組（A組），對(duì)COD去除效果較好;實(shí)驗(yàn)組比空白組有較明顯的去除效果，說明翠蘆莉在污水凈化中對(duì)COD凈化起到了明顯作用。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析，CK組與A、B組差異性顯著（P<0.05），A組與B組之間差異性不顯著（P>0.05）。

3.2 對(duì)TP的凈化效果

如圖2所示，在第4d時(shí)，TP在各組中均有較大幅度的下降，然后在后續(xù)時(shí)間里緩慢下降，其大幅度下降主要原因是由于磷的沉降[7]。實(shí)驗(yàn)組比空白組對(duì)磷有明顯的去除效果;生物量小的A組在第4d的下降幅度要比生物量大的B組大，后隨著時(shí)間波動(dòng)起伏，28d后基本趨于平穩(wěn)，A組與B組對(duì)TP的去除效果相近。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，可知CK組與A組差異性顯著（P<0.05），B組與CK組、A組差異性不顯著（P<0.05）。

3.3 對(duì)TN的凈化效果

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)組比空白組對(duì)TN有較大的去除率，但是經(jīng)過28d的處理并沒有使水質(zhì)達(dá)到地表V類水。在第16d時(shí)，生物量小的A組TN下降明顯比生物量大的B組多;在后期的時(shí)間段里，A組TN濃度趨于平穩(wěn)，而B組下降速度加快;在第28d時(shí)，B組TN濃度低于A組。由單因素差異性分析可知，CK組與A組有顯著性差異（P<0.05），B組與CK組、A組差異性不顯著（P>0.05）。3.4 對(duì)NH4-N的凈化效果

如圖4所知，實(shí)驗(yàn)組對(duì)NH4-N去除速度較為明顯，在第4d時(shí)NH4-N含量就已基本降至底部，后期趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)組對(duì)NH4-N的去除效果較空白組稍快稍強(qiáng)，空白組NH4-N的濃度維持在0.7～0.8mg/L范圍，而實(shí)驗(yàn)組還有下降的趨勢(shì)。利用單因素方差分析可知，空白組與實(shí)驗(yàn)組無顯著性差異，說明空白組與實(shí)驗(yàn)組凈化效果無顯著差別。查閱相關(guān)資料可知，水體中氨氮物質(zhì)具有揮發(fā)性[8]，所以空白組中的水體自凈效果與實(shí)驗(yàn)組凈化效果接近。

3.5 小結(jié)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）可知，翠蘆莉在同一植株數(shù)不同生物量的實(shí)驗(yàn)中，在配置污水停留28d后，污水中的COD、TP、TN、NH4-N均有不同程度的降低，去除效果最好為NH4-N，最高達(dá)93.1%（出現(xiàn)在B組）;去除效果最差為COD，去除率最低為42.3%（出現(xiàn)在A組）。

通過對(duì)不同生物量翠蘆莉的水質(zhì)凈化能力比較，可以得出以下結(jié)論：不同生物量翠蘆莉的凈水效果相差較小，對(duì)于單株翠蘆莉來講，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后生物量大的翠蘆莉與生物量小的相比，其根系長(zhǎng)出約5cm，根系繁密給微生物附著提供了條件，使其對(duì)COD與NH4-N的去除效果更佳[9];植物根系越發(fā)達(dá)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收就越多[10]，所以其對(duì)N和P的吸收也更多。但是本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使兩組翠蘆莉相差500g左右的生物量，對(duì)于污水凈化的能力相差也不大，因此只需要合適的種植密度，就能達(dá)到預(yù)期凈水效果。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，翠蘆莉?qū)ξ鬯哂休^強(qiáng)去氮除磷效果，今后可增加其他植物種類與翠蘆莉的凈化效果做對(duì)比，進(jìn)一步深入研究。在本次實(shí)驗(yàn)中，翠蘆莉無不適水淹情況發(fā)生，在實(shí)驗(yàn)前一周的水培期中，其植株就已經(jīng)開始長(zhǎng)出新根，在實(shí)驗(yàn)的過程中依舊正常開花，說明翠蘆莉具有較強(qiáng)抗逆性。

4 工程應(yīng)用

4.1 梅州市芹洋半島濱水濕地公園

梅州市芹洋半島濱水濕地公園是濱水河灘公園，沿梅江芹洋半島“U”型水系的北岸建設(shè)，總長(zhǎng)約4.7km，總用地面積約24hm2。該公園與目前梅江兩岸公園、橋梁、廣場(chǎng)、建筑等相連，共同構(gòu)筑成梅城一江兩岸靚麗風(fēng)景。該公園于2016年2月建成開放，由于梅州市每年在雨季的降雨量普遍偏高，持續(xù)的降水使得江河水位暴漲，岸坡植物常常被淹，且雨水沖刷岸坡，導(dǎo)致江水常年渾濁呈黃土色。為改造園內(nèi)濱水區(qū)的生態(tài)景觀，考慮到雨水沖刷淹浸問題，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用大量翠蘆莉作為濱水護(hù)岸植物。經(jīng)過兩年的生態(tài)修復(fù)，濕地公園濱水岸坡的景觀得到極大改善，原雜草橫生的岸坡現(xiàn)已成為大片翠蘆莉。公園內(nèi)景觀不再受暴雨天氣、水位抬高等問題影響，公園內(nèi)護(hù)坡景觀得到改善，且公園內(nèi)景觀水體再無因暴雨天氣呈黃土色渾濁現(xiàn)象（圖5）。

4.2 中山市得能湖體育公園

中山市得能湖體育公園是一個(gè)改造公園，北面臨得能東路，東臨湖中路，占地約16hm2。公園改造前水體泛黃渾濁，水面漂浮較多日常垃圾（如塑料瓶、垃圾袋、飯盒等）、大量枯枝落葉及死魚等，水體常年呈褐綠色，已呈富營(yíng)養(yǎng)水體狀態(tài)，水生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重失衡。為改造公園內(nèi)水體景觀及周圍環(huán)境，對(duì)園區(qū)內(nèi)47101m2的水域面積進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。

由于荷塘中淤泥較為深厚，前期對(duì)園內(nèi)湖泊進(jìn)行垃圾清理及底泥清淤，在湖泊周邊種植大量如蘆竹Arundo donax、水竹芋Thalia dealbata等凈水能力強(qiáng)、能遮擋硬質(zhì)駁岸的植物。市政河道師炎涌貫穿公園的中軸線，早晚有污水處理廠排出的水流經(jīng)，為降低該影響，在河道兩邊大量種植翠蘆莉，以達(dá)到一定的生態(tài)攔截—凈化作用，視覺上亦能緩沖硬質(zhì)駁岸的突兀感。經(jīng)過半年的運(yùn)行，園區(qū)內(nèi)翠蘆莉長(zhǎng)勢(shì)茂盛，三季開花，給公園增添不少色彩，維護(hù)只需定期修剪長(zhǎng)勢(shì)茂盛的翠蘆莉即可（圖6）。

4.3 貴州云漫湖項(xiàng)目

建國(guó)初期，云漫湖項(xiàng)目所在區(qū)域前身為上壩水庫(kù)，水庫(kù)在20世紀(jì)80年代中期被重新修繕，但由于開發(fā)過度，水體富營(yíng)養(yǎng)化的程度較深，水質(zhì)較差，使周邊土地的荒漠化程度也隨之加劇，出現(xiàn)土層裸露、亂石橫生的景象，系統(tǒng)性景觀被嚴(yán)重破壞，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。2014年底，云漫湖景區(qū)規(guī)劃啟動(dòng)，公園內(nèi)部分土壤惡劣區(qū)域采用以翠蘆莉等抗逆性強(qiáng)的植物作為景觀綠地植物。通過對(duì)原有生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)及低干預(yù)開發(fā)，采用物理措施與生態(tài)措施聯(lián)合改善方法，使云漫湖的水體富營(yíng)養(yǎng)化情況得到改善，在保留農(nóng)業(yè)用水性質(zhì)不變的前提下，水體環(huán)境質(zhì)量從地表IV類上升到III類，生態(tài)環(huán)境亦得到極大改善，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)的全保育，由此打造了生態(tài)城市的樣板示范區(qū)（圖7）。

5 結(jié)論

作為一種耐旱、耐淹、耐鹽堿的水陸兩生植物，研究結(jié)果表明，翠蘆莉?qū)υ谌斯竦睾蜏\水區(qū)域中均能表現(xiàn)出較理想污水凈化效果，適宜在濕地景觀工程、生態(tài)景觀工程中應(yīng)用推廣。由于翠蘆莉生長(zhǎng)量大，繁殖能力強(qiáng)，在工程應(yīng)用和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低，非常適合在人工濕地如人工浮島、生態(tài)草溝、濕地濱水緩沖帶等濕地景觀中應(yīng)用。在海綿城市建設(shè)中，翠蘆莉抗逆性強(qiáng)，污水凈化效果好，成本相對(duì)低廉，對(duì)凈化城市面源污染及改善城市生態(tài)環(huán)境極具優(yōu)勢(shì)，在城市中濕地、河涌和湖泊等景觀綠地或水體中推廣應(yīng)用，對(duì)建造和維護(hù)良好生態(tài)城市具有重要意義。

致謝：感謝在本論文完成過程中給予過支持及幫助的同事們！特別感謝甘美娜女士在實(shí)驗(yàn)開展、進(jìn)行過程中提供技術(shù)指導(dǎo)，以及相關(guān)示范工程記錄跟蹤！

注：圖5由胡福超拍攝，圖6由甘美娜拍攝，圖7由棕櫚股份指定團(tuán)隊(duì)拍攝，其余圖片為作者自繪。

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