秦啟文， 趙 昕， 周守標(biāo),

(1安徽師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2安徽省水土污染治理與修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

引言

生活污水是居民日常生活中所排出的廢水，主要來源于公共建筑和居住建筑。隨著人口增長和社會(huì)發(fā)展，由于建設(shè)和規(guī)劃的缺陷，排入湖泊、各大小河流的生活污水日益增多[1]。如何有效降低水體中各形態(tài)的氮、磷含量，控制水質(zhì)惡化，已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的研究課題。

沉水植物通氣組織發(fā)達(dá)且植物體各部分都能吸收水分和養(yǎng)料，并在維持湖泊的清水穩(wěn)態(tài)中起到了重要的作用[2]。賈一非等在探究狐尾藻對園林水景污染水體的凈化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，狐尾藻對水體總氮和總磷的去除率分別達(dá)到49.54%和75.13%，凈化效果較好[3]。水生漂浮植物極具觀賞性、繁殖數(shù)度較快且易于打撈，在水體凈化中同樣被廣泛應(yīng)用，最具代表性的漂浮植物為鳳眼蓮[4]。利用水生植物對污染水體的治理通常采取多種水生植物，利用多種植物配置方法既可以提高水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性，又可以增強(qiáng)水體的觀賞性[5]。本文選取粉綠狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)作為水生沉水植物，選取水禾(Hygroryzaaristata)作為水生漂浮植物，采用兩種植物單獨(dú)培養(yǎng)、混合培養(yǎng)方式，探究其對生活污水的凈化效果和配置可行性，以期為污水凈化處理和水體生態(tài)修復(fù)提供適合的植物材料。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試植物粉綠狐尾藻和水禾均采自安徽省蕪湖市安徽師范大學(xué)花津河，選取無枯黃葉、生長健壯的健康植株，將兩種植物用自來水洗凈放置于裝有自來水的PVC桶中7d，進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)。

供試生活污水取自安徽省蕪湖市城南污水處理廠，選用污水處理廠未經(jīng)處理的生活污水初級水，pH為7.88，其它理化性質(zhì)如表1所示。參照“地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)”(GB3838—2002)，生活污水的各項(xiàng)檢測指標(biāo)均超出地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。

表1 受試水體理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在PVC桶中(桶口直徑27cm，高36cm)分別裝15L生活污水，取自來水馴化后的水禾與粉綠狐尾藻健康、生長旺盛植株，對植物進(jìn)行修剪稱重后，放入生活污水中進(jìn)行水培，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4種處理：對照組(不放入植物)、單獨(dú)培養(yǎng)水禾(水禾100g)、單獨(dú)培養(yǎng)粉綠狐尾藻(粉綠狐尾藻100g)、混合培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻(水禾50g+粉綠狐尾藻50g)。每個(gè)處理設(shè)置三個(gè)重復(fù)，并將其置于溫度為22℃(通過空調(diào)控制)，通風(fēng)條件良好，光暗周期14∶10(光照14h，黑暗10h)、光合光子強(qiáng)度為400 μmol·m-2·s-1，培養(yǎng)過程中每天用蒸餾水補(bǔ)充水量以彌補(bǔ)蒸騰、蒸發(fā)的水分。

1.3 指標(biāo)測定

在試驗(yàn)期間，每隔5d測定植物體的生物量(鮮重)和平均根長(cm)。

水體指標(biāo)測定：

水體總氮(TN)含量采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定。

水體總磷(TP)含量采用鉬酸銨分光光度法測定。

水體氨氮含量采用納氏試劑比色法測定。

水體正磷酸鹽含量采用磷鉬藍(lán)-抗壞血酸分光光度法測定。

水體化學(xué)需氧量(CODCr)采用重鉻酸鉀消解-分光光度法測定。

采用pH計(jì)測定水體pH。

采用溶解氧測定儀測定水體溶解氧(DO)濃度。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行分類歸總。采用軟件SPSS(statistical product and service solutions)20.0對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小顯著差測試(least significant difference,LSD)，顯著水平P<0.05，采用Sigmaplot 14.0對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水禾和粉綠狐尾藻生物量變化

如表2所示，單獨(dú)培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻在生活污水中均能夠正常生長，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增長生物量不斷提高，在35d達(dá)到最大值，在隨后的40d和45d生物量有所下降。三種處理生物量的排序?yàn)椋悍劬G狐尾藻>水禾>混合培養(yǎng)，三種培養(yǎng)的生物量存在顯著性差異(P<0.05)。如表3所示，在混合種植條件下水禾的生物量隨處理時(shí)間增長反而有下降趨勢；粉綠狐尾藻生物量隨處理時(shí)間增長明顯上升。在培養(yǎng)初期生物量相同的情況下，培養(yǎng)45d后，水禾生物量占混合培養(yǎng)總生物量的21.17%，粉綠狐尾藻占混合培養(yǎng)總生物量78.83%。實(shí)驗(yàn)表明，在混合培養(yǎng)中，粉綠狐尾藻的生長顯著高于水禾。

表2 水禾和粉綠狐尾藻在生活污水中單培與混培生物量變化

表3 混合培養(yǎng)條件下水禾和粉綠狐尾藻各自的生物量變化

單獨(dú)與混合培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻根長變化如表4所示。單獨(dú)培養(yǎng)水禾的根隨處理時(shí)間增長而不斷生長，30d根長達(dá)到最大平均值3.1cm后不再繼續(xù)生長；單獨(dú)培養(yǎng)粉綠狐尾藻的根隨處理時(shí)間增長而不斷生長，35d達(dá)到最大平均值8.6cm后不再繼續(xù)生長；同等條件下水禾的根生長速率(0.51cm/5d)顯著小于粉綠狐尾藻(1.23cm/5d)。在混合培養(yǎng)條件下，水禾和粉綠狐尾藻根長都是培養(yǎng)35d達(dá)到最大平均值分別為1.8cm和7.4cm，比單獨(dú)培養(yǎng)的根長短，具有顯著性差異(P<0.05)，表明兩種植物在混合培養(yǎng)條件下根的生長受到一定的抑制作用。

表4 水禾和粉綠狐尾藻在生活污水中單培和混培根長變化

2.2 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水氮的去除效果

2.2.1 植物在污水中對總氮的去除效果 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水總氮的去除效果如圖1和表5所示。單獨(dú)培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻生活污水總氮濃度隨時(shí)間增長整體呈下降趨勢。其中，單獨(dú)培養(yǎng)水禾在15～25d總氮濃度略有上升，隨后持續(xù)下降；單獨(dú)培養(yǎng)粉綠狐尾藻在15～20d總氮濃度同樣有所上升，隨后持續(xù)下降。在培養(yǎng)45d時(shí)，單獨(dú)培養(yǎng)的水禾和粉綠狐尾藻對總氮的去除率分別為43.04%和78.77%?；旌吓囵B(yǎng)生活污水總氮濃度隨時(shí)間增長持續(xù)下降，并于45d去除率達(dá)到67.29%。生活污水總氮凈化效果為：粉綠狐尾藻>混合培養(yǎng)>水禾。

表5 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水總氮去除速率

圖1 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水總氮濃度變化

2.2.2 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水氨氮去除效果 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水氨氮的去除效果如圖2和表6所示。0～5d水禾和粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)和混合培養(yǎng)氨氮濃度有所上升，5～20d所有處理的氨氮濃度都呈現(xiàn)急劇下降趨勢，隨后穩(wěn)定在1.00mg·L-1左右。水禾、粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的氨氮去除率均很高，分別為98.28%、98.18%和98.28%，三者氨氮的去除率差異不顯著。

圖2 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水氨氮濃度變化

表6 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水氨氮去除速率

2.3 水禾和粉綠狐尾藻對植物在生活污水中對磷的去除效果

2.3.1 水禾和粉綠狐尾藻對植物在生活污水中對總磷的去除效果 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水總磷的去除效果如圖3和表7所示。水禾和粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)和混合培養(yǎng)處理總磷濃度都總體呈現(xiàn)下降趨勢，其中單獨(dú)培養(yǎng)水禾和混合培養(yǎng)處理組在25d較20d總磷的濃度略有上升；水禾、粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的總氮去除率均在25d達(dá)到最大值，分別為51.81%、94.57%和82.97%，處理效率為：粉綠狐尾藻>水禾>混合培養(yǎng)，三種處理存在顯著性差異(P<0.05)。水禾、粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)和混合培養(yǎng)總磷的去除速率均出現(xiàn)兩個(gè)峰值，其中水禾總磷去除速率在0～20d波動(dòng)較大，20～45d后隨時(shí)間增長而逐漸下降；粉綠狐尾藻總磷去除速率在0～10d逐漸上升并達(dá)到最大，在35d時(shí)去除速率突然升高，隨后下降；混合培養(yǎng)總磷去除速率初始值較高，在15～35d去除速率逐漸增高并達(dá)到最大值，隨后逐漸下降。

表7 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水總磷去除速率

圖3 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水總磷濃度變化

2.3.2 植物在生活污水中對正磷酸鹽的去除效果 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水正磷酸鹽的去除效果如圖4和表8所示。水禾單獨(dú)培養(yǎng)處理生活污水在5～10d正磷酸鹽濃度有所上升，然后隨處理時(shí)間的增長而減少，在35d正磷酸鹽去除率達(dá)到最大值，為62.23%。粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)和混合培養(yǎng)處理的正磷酸鹽濃度隨時(shí)間增長而逐漸下降，兩者均在45d去除率達(dá)到最大值，分別為95.28%和87.98%。由此可見，粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)對生活污水正磷酸鹽的去除率最高，與另外兩種處理有顯著性差異(P<0.05)。

圖4 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水正磷酸鹽濃度變化

表8 水禾和粉綠狐尾藻處理生活污水正磷酸鹽去除速率

2.4 水禾和粉綠狐尾藻對植物在生活污水中對CODCr的影響去除效果

水禾和粉綠狐尾藻對生活污水CODCr去除效果如表9所示。從去除率上看，粉綠狐尾藻>混合種植>水禾，各處理之間存在顯著性差異(P<0.05)。

表9 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水CODCr影響

2.5 水禾和粉綠狐尾藻對植物在生活污水中對溶解氧(DO)和pH的影響

水禾和粉綠狐尾藻對生活污水DO濃度影響如表10所示。各處理組的DO濃度相較于初始值均有所上升。水禾、粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)和混合培養(yǎng)處理的水DO濃度在0～25d均表現(xiàn)為隨時(shí)間增長而上升，且都在25d達(dá)到最大值分別為6.06mg·L-1、6.48mg·L-1和6.34mg·L-1，隨后皆有所下降。45d時(shí)各處理DO值為：混合培養(yǎng)>水禾>粉綠狐尾藻。粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)DO在0～15d、25～35d較其它處理高，但40～45d時(shí)DO值較其它處理低，可能由于粉綠狐尾藻生長較快導(dǎo)致DO值下降。

表10 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水溶解氧濃度影響

圖5所示為水禾和粉綠狐尾藻對生活污水pH的影響。水禾單獨(dú)培養(yǎng)對生活污水的pH隨時(shí)間增長而趨于中性；粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)生活污水的pH值隨處理時(shí)間增長逐漸下降，在35 ～ 45d由弱堿性轉(zhuǎn)為弱酸性?；旌吓囵B(yǎng)的生活污水pH值同樣表現(xiàn)出隨時(shí)間增長而下降，并于40 ～ 45d由弱堿性轉(zhuǎn)化為弱酸性。

圖5 水禾和粉綠狐尾藻對生活污水pH影響

3 討論

實(shí)驗(yàn)表明，水禾和粉綠狐尾藻在供試生活污水中均能正常生長，粉綠狐尾藻生物量和根長在兩種培養(yǎng)模式下均高于水禾，混合培養(yǎng)模式中水禾生物量減少，表明兩者的種間競爭使水禾生物量和根長減少，這可能與兩者不同的植物類型有關(guān)，粉綠狐尾藻作為沉水植物相較于水禾根系更加發(fā)達(dá)、生長速度較快[6]。因此，在混合培養(yǎng)中，粉綠狐尾藻根莖葉的快速延伸抑制了漂浮植物水禾光合作用強(qiáng)度和營養(yǎng)物質(zhì)吸收，導(dǎo)致水禾衰亡。

水禾和粉綠狐尾藻在兩種培養(yǎng)模式下都能有效的去除供試的生活污水中的總氮、總磷、氨氮、正磷酸鹽和CODCr。粉綠狐尾藻單獨(dú)培養(yǎng)對生活污水凈化效果顯著強(qiáng)于其他的處理。在沒有植物生長的自然條件下水體氮、磷元素去除主要有吸附、沉積、生物硝化、反硝化和微生物吸收等過程[7]，因此，實(shí)驗(yàn)中對照組雖然沒有植物進(jìn)行處理，氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)濃度均下降。氮磷有機(jī)物經(jīng)過微生物各種反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，如含氮有機(jī)物經(jīng)過氨化和胺化過程轉(zhuǎn)化為氨氮。0 ～ 15d對照組中氨氮濃度逐漸升高，表明水體氨化作用快且微生物對氨氮吸收和自然揮發(fā)速率慢。以植物處理污染水體，一方面其生長過程中會(huì)吸收水體中氮、磷無機(jī)鹽和小分子有機(jī)物質(zhì)[8]，水生植物生物量大，對這些物質(zhì)吸收比微生物更迅速；另一方面，植物根系由于輸送氧氣，周邊形成良好的好氧環(huán)境，有利于微生物繁衍和滋生，加劇營養(yǎng)物質(zhì)有機(jī)態(tài)和無機(jī)態(tài)間相互轉(zhuǎn)化速度[9]，植物根系釋放出多種物質(zhì)同樣可以促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)化[10]，無機(jī)、有機(jī)態(tài)營養(yǎng)物質(zhì)在相互轉(zhuǎn)化間不斷被植物和微生物吸收利用。因此，有植物培養(yǎng)的處理比照組凈水效果更好。

多種植物搭配可以提高水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性，近年來的水體修復(fù)工程中也同樣運(yùn)用了多種植物。呂家展等[11]在探究生態(tài)浮島種植水生植物水質(zhì)改善效果時(shí)利用鳶尾、美人蕉、風(fēng)車草等五種植物建立生態(tài)浮島，并比較了各植物單獨(dú)培養(yǎng)和兩兩混合時(shí)對水體凈化效果。發(fā)現(xiàn)混合培養(yǎng)相對于兩種植物單獨(dú)培養(yǎng)對于營養(yǎng)因子的去除效果位于單獨(dú)種植的兩種植物之間，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道一致?；旌吓囵B(yǎng)凈水效果強(qiáng)于單獨(dú)培養(yǎng)水禾卻弱于單獨(dú)培養(yǎng)粉綠狐尾藻，可能是水禾和狐尾藻之間存在競爭關(guān)系，導(dǎo)致兩者的生長情況及凈水能力都受到限制，其具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究，說明在對水體的凈化過程中水禾和粉綠狐尾藻不是最佳組合[12]。

4 結(jié)論

(1)單獨(dú)培養(yǎng)水禾和粉綠狐尾藻在生活污水中均能正常生長，且粉綠狐尾藻生長最好，生物量最高；混合培養(yǎng)水禾生物量減少，生長受抑制，兩種植物間存在競爭關(guān)系。

(2)實(shí)驗(yàn)中粉綠狐尾藻對生活污水凈化效果最好，混合培養(yǎng)和單獨(dú)培養(yǎng)水禾效果次之，凈水效果差異顯著。單獨(dú)培養(yǎng)狐尾藻對生活污水凈化效果比混合培養(yǎng)好，說明這二者可能不是最佳的植物組合。因此還需進(jìn)一步對不同植物搭配進(jìn)行富養(yǎng)化水體凈化效果研究，從而篩選出更多高效的植物及凈水植物配置，為受損水體修復(fù)生態(tài)工程及生態(tài)河道建設(shè)提供理論依據(jù)。