水培植物對(duì)城市污染河道水體凈化的效果

張 博，李 真，黃民生，何 巖，童 敏，沈叔云

(華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200062)

水生植物作為水生生態(tài)環(huán)境中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的橋梁，因具有美化環(huán)境、凈化水質(zhì)和固持底泥等功能，在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于各種類型的污染水體修復(fù)［1-4］。其主要技術(shù)有人工濕地技術(shù)［5］、生態(tài)浮床技術(shù)［6］及水生植物氧化塘［7］等。目前在城市中小河道的治理中應(yīng)用較多的是生態(tài)浮床技術(shù)［8，9］。

植物的引種和栽培育種是生態(tài)浮床應(yīng)用于城市河道治理的重要環(huán)節(jié)。目前相關(guān)報(bào)道多為不同植物的水質(zhì)凈化效果比較［10，11］以及通過(guò)植物與微生物的優(yōu)化配置和運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)提高其凈化效果［12，13］，較少考慮引種過(guò)程的經(jīng)濟(jì)成本和栽培育種時(shí)植物對(duì)水體環(huán)境的適應(yīng)性等問(wèn)題。比如，植物人工培育可能會(huì)占用大量土地資源，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸耗費(fèi)大量人力、物力以及運(yùn)輸過(guò)程對(duì)植物造成損傷而影響成活率，經(jīng)土壤培育生根的植物移植于污染水體后可能產(chǎn)生某些異常生理表現(xiàn)等。

植物扦插繁殖是指利用離體植物組織器官(如根、莖、芽或葉等)的再生性能，在一定條件下經(jīng)過(guò)人工培育使其發(fā)育成為一個(gè)完整的新植株的過(guò)程［14］，根據(jù)不同的培育基質(zhì)，植物扦插可分為水插、氣插、土插和砂插［15］。水插繁殖指利用水作為基質(zhì)扦插繁殖植物，使植物生根成為新的獨(dú)立植物體。

本研究提出一種浮床系統(tǒng)植物培育的新思路，即采用水插培育方法，直接以污染河道水體作為培養(yǎng)基質(zhì)來(lái)培育植物，并利用經(jīng)水培處理生長(zhǎng)狀況良好的植物凈化污染水體。試驗(yàn)選取綠蘿和千屈菜兩種常見的可水插生根的景觀植物作為培育植物。綠蘿和千屈菜根系發(fā)達(dá)，對(duì)不同環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，污染物吸收能力強(qiáng)，同時(shí)觀賞價(jià)值高，目前在水環(huán)境治理中已有較多應(yīng)用［16-19］。

溫州市位于浙江東南部，境內(nèi)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，近年來(lái)伴隨地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展河流污染程度加劇，河水富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題凸顯，很多水體出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。本試驗(yàn)選用橫瀆河污染水體培育植物并對(duì)橫瀆河以及山下河的河水進(jìn)行凈化效果研究，對(duì)于城市中小河道治理植物修復(fù)過(guò)程中降低經(jīng)濟(jì)成本、提高處理效果等方面具有重要參考意義。

1 材料與方法

1.1 供試植物

供試植物為水插和土培兩種生根培育方式的綠蘿和千屈菜。水插生根綠蘿和千屈菜經(jīng)溫州市橫瀆河河水直接水插培育成熟，土培生根綠蘿和千屈菜購(gòu)于溫州花鳥市場(chǎng)。選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)水體

以溫州市兩條相交匯的橫瀆河及山下河的河水作為試驗(yàn)水體。兩條河均位于溫州市區(qū)城中村，周圍主要是作坊型工廠、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)和違章建筑等，大量生活和生產(chǎn)廢水被排放入河，水體污染嚴(yán)重，均為劣Ⅴ類水質(zhì)。其中，山下河河道窄，水體流動(dòng)性差，黑臭程度嚴(yán)重;橫瀆河作為過(guò)水河道，水面較寬，污染程度低于山下河。試驗(yàn)河水水質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)河水水質(zhì)Tab.1 Characteristics of River Water

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 植物浮床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Floating Bed

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)8個(gè)處理水平，即用水插生根綠蘿、土培生根綠蘿、水插生根千屈菜以及土培生根千屈菜分別處理橫瀆河和山下河兩種不同污染程度的河水，并設(shè)置橫瀆河河水和山下河河水各一個(gè)空白對(duì)照。試驗(yàn)于2011年6月10日～7月15日期間開展。分別將60 L的橫瀆河和山下河河水加入塑料水箱中，水箱上固定聚氯乙烯泡沫板并打定種植孔。將清洗后的土培生根的綠蘿和千屈菜以及經(jīng)過(guò)橫瀆河河水水插培育生根的綠蘿和千屈菜種植在泡沫板上。為防止試驗(yàn)水體因蒸發(fā)以及植物蒸騰作用而引起的損失，每天及時(shí)補(bǔ)給蒸餾水以保持水箱內(nèi)水體體積恒定。試驗(yàn)期間每隔5 d對(duì)各植物處理系統(tǒng)及對(duì)照組進(jìn)行取樣，測(cè)定CODCr、NH+4-N、TN和 TP等水質(zhì)指標(biāo)，水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》之規(guī)定嚴(yán)格進(jìn)行［20］。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD的去除效果

研究表明，水生植物對(duì)有機(jī)污染物沒有直接的吸收作用，處理系統(tǒng)中CODCr主要依靠顆粒物的沉降作用以及植物根系周圍微生物代謝作用去除［21，22］。

圖2為CODCr的去除效果。由圖2可知經(jīng)過(guò)5 d處理，CODCr濃度均明顯下降。其中，4種植物浮床系統(tǒng)對(duì)橫瀆河河水中 CODCr濃度降幅分別為24.5%、23.3%、24.3% 和 23.6%，高于空白對(duì)照槽的17.1%，這主要是河水中懸浮顆粒物的共沉淀作用以及植物根系的吸附作用所致。水插綠蘿和千屈菜浮床系統(tǒng)對(duì)山下河河水中CODCr濃度降幅分別為26.6%和33.4%，高于空白對(duì)照槽的22.8%。而經(jīng)過(guò)土培生根的兩種植物浮床系統(tǒng)，相應(yīng)CODCr濃度降幅只有13.0%和17.0%，這主要是由于在土壤中生根的植物對(duì)污染程度更為嚴(yán)重的黑臭水體環(huán)境需要一段時(shí)間來(lái)適應(yīng)，期間產(chǎn)生的衰敗殘留物以及根系壞死造成有機(jī)質(zhì)分解溶出導(dǎo)致其CODCr濃度降低程度較小。

隨著試驗(yàn)進(jìn)行，各植物浮床系統(tǒng)根系不斷生長(zhǎng)，對(duì)試驗(yàn)水體的有機(jī)物顆粒的捕獲能力也不斷增強(qiáng)。附著植物根系周圍的微生物開始利用有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)源，逐漸形成生物膜，加強(qiáng)了對(duì)水中有機(jī)物的降解。4種植物浮床對(duì)橫瀆河河水的有機(jī)物去除效果差別不大，35 d后的凈去除率分別為 27.1%、32.4%、44.6%和 42.1%。山下河河水由于污染程度嚴(yán)重，在試驗(yàn)15 d后，4種植物浮床系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物去除程度開始表現(xiàn)出明顯差異。其中，土培綠蘿對(duì)有機(jī)物的去除能力最弱，在5～20 d內(nèi)由于適應(yīng)水體環(huán)境導(dǎo)致的根系死亡腐敗使得有機(jī)物濃度比空白對(duì)照槽還要高，35 d后凈去除率只有2.2%。水插生根千屈菜的最終凈去除率為45.7%，高于土培千屈菜的32.7%和水插綠蘿的20.3%。經(jīng)測(cè)量，試驗(yàn)期間兩種河水中的水插千屈菜根長(zhǎng)增長(zhǎng)明顯，分別達(dá)170%和108%，這不僅有利于有機(jī)顆粒物附著，同時(shí)擴(kuò)大根系泌氧范圍，增強(qiáng)了微生物對(duì)有機(jī)物的降解能力。

圖2 四種植物系統(tǒng)對(duì)橫瀆河及山下河河水的COD去除效果Fig.2 Effect of Four Plant Systems on COD Removal of Hengdu River and Shanxia River

圖3 四種植物系統(tǒng)對(duì)橫瀆河及山下河河水-N的去除效果Fig.3 Effect of Four Plant Systems on -N Removal of Hengdu River and Shanxia River

2.3 TN的去除效果

圖4為TN的去除效果。

由圖4可知由于試驗(yàn)前5 d河水中有機(jī)含氮顆粒物的沉降行為，各組系統(tǒng)中TN濃度均出現(xiàn)較大幅度的降低，其中橫瀆河河水植物浮床系統(tǒng)中TN降低4.21～5.03 mg/L，山下河河水植物浮床系統(tǒng)中TN降低4.47～5.51 mg/L，與空白對(duì)照槽均相差較小。試驗(yàn)進(jìn)行5 d后，橫瀆河河水系統(tǒng)中TN濃度繼續(xù)平穩(wěn)下降至試驗(yàn)結(jié)束，并且各植物浮床間TN濃度差距一直較小，最終4種植物系統(tǒng)對(duì)TN凈去除率為 34.9%、40.8%、43.1% 和 42.2%，其中千屈菜的TN去除能力略高于綠蘿，而兩種生根方式水質(zhì)凈化效果的區(qū)別沒有明顯體現(xiàn)。對(duì)于山下河河水，水插綠蘿、水插千屈菜和土培千屈菜三種處理系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中TN濃度相差不大，最終的凈去除率為33.8%、43.8%和35.7%。而土培生根綠蘿在5～15 d時(shí)TN濃度甚至一度高于空白對(duì)照槽，也明顯高出同期各處理系統(tǒng)。說(shuō)明經(jīng)土壤培育生根的綠蘿其根系結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)吸收需較長(zhǎng)時(shí)間適應(yīng)黑臭程度的水體環(huán)境。最終土培綠蘿系統(tǒng)對(duì)山下河河水的TN凈去除率為21.2%。水插生根兩種植物對(duì)山下河河水的TN凈去除率比土培生根分別高出12.6%和8.1%。有研究表明短期內(nèi)濕地水生植物通過(guò)植物根系吸收同化的氮污染物即使較低，但通過(guò)微生物硝化反硝化作用去除的氮污染物仍較高［25］。付融冰等［26］報(bào)道在人工濕地基質(zhì)中微生物數(shù)量與TN去除率具有顯著相關(guān)性。經(jīng)過(guò)污染河水水插生根培育的植物的根系細(xì)長(zhǎng)發(fā)達(dá)，能更好適應(yīng)試驗(yàn)水體環(huán)境，根際微生物數(shù)量較多，經(jīng)過(guò)植物和微生物的交互作用可以提高TN去除率［27］。

圖4 四種植物系統(tǒng)對(duì)橫瀆河及山下河河水TN的去除效果Fig.4 Effect of Four Plant Systems on TN Removal of Hengdu River and Shanxia River

2.4 TP的去除效果

圖5為TP的去除效果。

由于試驗(yàn)初期兩條河的試驗(yàn)水體中不溶態(tài)磷沉降到處理槽底部，使得TP濃度均有明顯下降。橫瀆河河水中TP下降0.31～0.47 mg/L，山下河河水中TP下降0.6～0.71 mg/L。研究表明植物系統(tǒng)可直接吸收水體中的溶解性磷用于自身組織的合成，同時(shí)植物根系周圍的微生物(如聚磷菌)利用水中的磷酸鹽合成ATP并轉(zhuǎn)化為聚磷來(lái)貯存能量［28］。各植物系統(tǒng)對(duì)橫瀆河河水中的TP濃度下降趨勢(shì)基本一致，土培生根千屈菜在10～25 d時(shí)、水插生根綠蘿在20～30 d時(shí)，TP濃度分別與其他3種系統(tǒng)略有差異。最終各植物處理系統(tǒng)對(duì)橫瀆河河水的TP凈去除率為 45.7%、53.8%、54.4% 和 52.0%，差異不明顯。水插千屈菜由于前期的污染河水培育能較快地適應(yīng)黑臭程度的水體環(huán)境，在10～25 d內(nèi)相對(duì)于其他3種植物系統(tǒng)TP濃度下降明顯。而水插綠蘿、土培綠蘿和土培千屈菜在試驗(yàn)開始20 d后TP濃度相對(duì)于空白對(duì)照槽才明顯下降。最終4種植物浮床系統(tǒng)對(duì)山下河河水的 TP凈去除率分別為41.4%、34.2%、50.3%和44.5%。水插生根的兩種植物對(duì)TP凈去除率比土培生根植物高出7.2%和5.8%，顯示出一定優(yōu)勢(shì)，而千屈菜的TP去除能力明顯高于綠蘿，這與柳驊等的研究一致［29］。

圖5 四種植物系統(tǒng)對(duì)橫瀆河及山下河河水TP的去除效果Fig.5 Effect of Four Plant Systems on TP Removal of Hengdu River and Shanxia River

3 結(jié)論

(1)不同生根方式的兩種植物對(duì)橫瀆河河水的凈化效果差異不大。由于橫瀆河水體污染背景值較山下河低，黑臭程度不明顯，水插和土培植物都能很好利用污染物作為營(yíng)養(yǎng)鹽，根系、生物量等生長(zhǎng)指標(biāo)差異較小，對(duì)水體的凈化效果相近。

(2)不同生根方式的兩種植物對(duì)山下河河水的凈化效果差異明顯，通過(guò)水插方式培育生根的兩種植物對(duì)污染物的去除率均高于土培方式。經(jīng)過(guò)水插生根培育的植物可以更好地適應(yīng)污染程度更嚴(yán)重的黑臭水體環(huán)境，植物根長(zhǎng)增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于土培植物，根系發(fā)達(dá)，有利于顆粒物的吸附以及微生物群落的生長(zhǎng)。而根際微生物對(duì)水體污染物，特別是CODCr、TN的去除起著重要作用。

(3)綜合來(lái)看，千屈菜對(duì)河水污染物的去除能力高于綠蘿。在黑臭程度嚴(yán)重的山下河河水中，水插千屈菜去除污染物的優(yōu)勢(shì)得到明顯體現(xiàn)，這與其根長(zhǎng)、株高、生物量等生長(zhǎng)特性增長(zhǎng)率最高具有一致性。因此對(duì)于污染嚴(yán)重的河道水體，可以利用水插培育的千屈菜浮床系統(tǒng)進(jìn)行治理。

(4)利用水插培育的植物凈化污染河道水體，可將園藝扦插與生態(tài)浮床技術(shù)很好地結(jié)合。水插生根植物具有對(duì)污染水體良好的適應(yīng)性，特別是對(duì)重污染水體較好的抗逆性，污染物處理效果好，并具有良好的觀賞價(jià)值。此外，預(yù)先用污染河水進(jìn)行水插的培育方法可以降低河道治理中水生植物引種及運(yùn)輸?shù)某杀?，?duì)于大規(guī)模的生態(tài)浮床工程，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的水生植物培育方式。

［1］Carl Christian Hofmann，Anneue Baattrnp Pedersen.Reestablishing freshwater wetlands in Denmark ［J］.Ecological Engineering，2006，(9):22.

［2］韓飛園.水生植物重建工程對(duì)小柘皋河富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)的凈化效果［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2011，11(24):1263-1268.

［3］吳小慧，張勇，何巖，等.污染水體凈化與生態(tài)修復(fù)中水生植物光合、呼吸特性研究進(jìn)展［J］.凈水技術(shù)，2009，28(6)5-7，25.

［4］Hadad H R，Maine M A，Bonetto C A.Macrophyte growth in a pilot-scale constructed wetland for industrial wastewater treatment［J］.Chemosphere，2006，23:1744-1753.

［5］Cristina S C，Calheiros，Antonio O S.Constructed wetland systems vegetated with different plants applied to the treatment of tannery wastewater［J］.Water Research，2007，41:1790-1798.

［6］Sun L，Liu Y，Jin H.Nitrogen removal from polluted river by enhanced floating bed grown canna［J］.Ecological Engineering，2009，35:135-140.

［7］趙安娜，馮慕華.沉水植物氧化塘對(duì)污水廠尾水深度凈化效果與機(jī)制的小試研究［J］.湖泊科學(xué)，2010，22(4):538-544.

［8］徐歡，張勇，黃民生.梯級(jí)生態(tài)浮床系統(tǒng)處理黑臭河水除磷性能研究［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，57(1):119-125.

［9］Fengliang Zhao，Shu Xi，Xiaoe Yang.Purifying eutrophic river waters with integrated floating island systems［J］.Ecological Engineering，2012，(40):53-60.

［10］周曉紅，王國(guó)祥.3種景觀植物對(duì)城市河道污染水體的凈化效果［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2009，22(1):108-113.

［11］王金麗，顏秀勤.浮島植物凈化水質(zhì)效果研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34(10):14-18.

［12］田如男，朱敏.不同水生植物組合對(duì)水體氮磷去除效果的模擬研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(6):191-195.

［13］李先寧，宋海亮.組合型生態(tài)浮床的動(dòng)態(tài)水質(zhì)凈化特性［J］.環(huán)境科學(xué)，2007，28(11):2448-2452.

［14］王濤.植物扦插繁殖技術(shù)［M］.北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

［15］李繼華.扦插的原理與應(yīng)用［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1987.

［16］黃廷林，宋李桐.人工浮床凈化城市景觀水體的試驗(yàn)研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39(1):30-33.

［17］吳建強(qiáng)，王敏.4種浮床植物吸收水體氮磷能力試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2011，32(4):995-999.

［18］劉英.美人蕉和綠蘿在修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體過(guò)程中對(duì)Cr(Ⅵ)脅迫的生理生化響應(yīng)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，38(1):78-84.

［19］周煒，謝愛軍，年躍剛，等.人工濕地凈化富營(yíng)養(yǎng)化河水試驗(yàn)研究(1)——植物對(duì)氮磷污染物的凈化作用［J］.凈水技術(shù)，2006，25(3):35-39.

［20］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.第四版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［21］王金麗，顏秀勤，寧冰.浮島植物凈化水質(zhì)效果研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34(10):15-18.

［22］羅固源，肖華.人工浮床處理重污染河水的效能分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31(8):932-936.

［23］Fennessy M S，Gonk J K，M itsch WJ.Macrophyte productivity and community development in created freshwater wetlands under experimental hydrological conditions［J］.Ecological Engineering，1994，3(4):469-484.

［24］馬杰，趙蘭枝.水培與土培綠蘿的比較試驗(yàn)［J］.南方園藝，2011，22(3):35-36.

［25］袁東海，任全進(jìn)，高士祥.幾種濕地植物凈化生活污水COD、總氮效果比較［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15(12):2337-2341.

［26］Fu Rong-bing，Yang Hai-zhen，Gu Guo-wei.Analysis of substrate microorganisms in constructed wetlands and their correlation with pollutants removal for wastewater treatment［J］.Research of Environmental Science，2005，18(6):44-49.

［27］Hedge R S，F(xiàn)letcher J S.Influence of plant growth stage and season on the release of root phenolics by mulberry as related to development of phytoremediation technology［J］.Chemosphere，1996，32:2471-2479.

［28］祝宇慧，趙國(guó)智.濕地植物對(duì)模擬污水的凈化能力研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(1):166-172.

［29］柳驊，楊霞.千屈菜在富營(yíng)養(yǎng)化水體中生長(zhǎng)及磷去除效果試驗(yàn)初報(bào)［J］.浙江林業(yè)科技，2005，25(1):42-52.