植物對黑臭水體底泥中污染成分的吸收降解作用

張 晶

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

0 引言

當(dāng)前，城市黑臭水體治理是城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)的一項重要工作。河道底泥是黑臭水體重要的污染物來源，經(jīng)過長期的沉積與吸附作用，底泥中賦存了大量重金屬污染物、營養(yǎng)元素污染、難降解的有機物等[1]。當(dāng)有機污染物含量過高時，好氧微生物活動劇烈，大量消耗水體中的氧氣，造成水體缺氧，有機物在缺氧狀態(tài)下不完全降解而產(chǎn)生氨氮、硫化物、揮發(fā)性有機酸等致臭物質(zhì)；鐵、錳金屬元素與硫作用產(chǎn)生的化合物被腐殖酸和富里酸吸附絡(luò)合形成致黑化學(xué)物質(zhì)[2,3]。底泥與水體時刻發(fā)生物質(zhì)交換，源源不斷地向水體釋放污染物質(zhì)，對水體環(huán)境造成長期破壞。因此，要從根本上治理黑臭水體，必須開展對受污染底泥的修復(fù)治理工作。

前人在底泥的修復(fù)治理領(lǐng)域進(jìn)行了有益的探索和實踐，目前運用成熟的修復(fù)技術(shù)有：疏浚技術(shù)、原位覆蓋掩蔽技術(shù)、氧化還原技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等[4]，其中運用最廣泛的是疏浚技術(shù)，該技術(shù)具有操作簡單、治理成效快的優(yōu)點，但由于我國河道底泥存量巨大、污染物成分復(fù)雜、運輸處理成本高等原因，難以推廣使用[5-9]。

將疏浚底泥固化后用作種植綠化植物的培養(yǎng)基質(zhì)，不僅能突破底泥的處置難題，還能挖掘底泥的資源化利用價值，是一個前景廣闊的發(fā)展方向[10-12]。本次通過對固化底泥開展植生性實驗，觀測植物的生長狀況和培養(yǎng)基質(zhì)中總氮(TN)、總磷(TP)、鐵元素(Fe)、錳元素(Mn)、硫化物等污染成分的含量變化來研究植物生長代謝過程對污染成分的降解作用。從而對底泥的資源化開發(fā)利用展開實驗性探索。

1 實驗材料與過程

1.1 實驗材料

市售優(yōu)質(zhì)綠化植物種子：本次實驗在植物品種的選擇方面，主要遵循經(jīng)濟實用原則，選擇市場上常見的易成活、易管理的綠化植物品種，共選取20種植物種子，分別是千屈菜、狐尾藻、苦草、早熟禾、諸葛菜、白車軸草、紅三葉、狗牙根、常青藤、龍須草、高羊茅、紫穗槐、黃花、油松、香根草、金盞花、金雞菊、荷花、再力花、苜蓿。

培養(yǎng)基質(zhì)：采用固化后的河道底泥作為培養(yǎng)基質(zhì)進(jìn)行植生實驗。底泥取自河北省邢臺市牛尾河后西吳斷面，由于疏浚底泥具有含水率高、塑性差的缺陷，給修復(fù)治理工作和資源化再利用帶來了極大難題，本次實驗采用無毒無害固化劑對疏浚底泥進(jìn)行固化/穩(wěn)定化處理。取固化后的底泥做成分檢測分析，檢測目標(biāo)成分是總氮、總磷、鐵元素、錳元素、硫化物，檢測結(jié)果見表1。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)樣品中錳元素和硫化物含量較低，考慮實驗方法的適用性，對其暫不做研究。因此，本次實驗主要研究培養(yǎng)基質(zhì)中總氮、總磷、鐵元素含量的變化情況。

表1 培養(yǎng)基質(zhì)中目標(biāo)成分的檢測結(jié)果

培養(yǎng)箱：本次實驗所用培養(yǎng)箱采用木質(zhì)復(fù)合板與鐵絲網(wǎng)裝釘而成，共20個。培養(yǎng)箱規(guī)格：長100 cm，寬100 cm，高40 cm，由兩塊垂直正交的木板平均分為四個區(qū)域，裝置底部用鐵絲網(wǎng)封閉，其具有經(jīng)濟、美觀、運輸方便、透水性好、透氣性好的特點。

1.2 實驗過程

運用疏浚技術(shù)從河北省邢臺市牛尾河后西吳斷面處取適量河道底泥，對底泥進(jìn)行固化處理。

將固化后的河道底泥鋪放于20個培養(yǎng)箱內(nèi)，鋪放厚度為30 cm，并對培養(yǎng)箱逐一編號。

將選取的20種綠化植物種子分別播種于1號～20號培養(yǎng)箱內(nèi)并做好播種記錄。每組培養(yǎng)箱分為四個獨立單元格，作為同種植物的4個重復(fù)對照樣。

2017年4月14日進(jìn)行播種，至5月初，諸葛菜、油松、荷花三個實驗組均未見發(fā)芽，對其進(jìn)行復(fù)播，仍未見發(fā)芽。其他實驗組植物發(fā)芽率極高，均達(dá)到80%以上。

植物的生長期選取為2017年4月15日～2017年11月15日，共7個月。期間根據(jù)天氣變化和植物的生長需求進(jìn)行通風(fēng)和澆水處理，每天上午9點記錄植物的生長狀態(tài)。

生長期滿，多數(shù)植物長勢良好，僅少數(shù)植物出現(xiàn)稀疏、黃葉、死亡現(xiàn)象。選取植物長勢良好的實驗組，對培養(yǎng)基質(zhì)進(jìn)行取樣檢測分析。選取的實驗組為：紅三葉、常青藤、紫穗槐、香根草、金盞花、金雞菊、千屈菜、再力花、龍須草、白車軸草，共10組，選取植物在實驗過程中的長勢見圖1。按照NY/T 1121.1—2006土壤檢測第1部分：土壤樣品的采集、處理和貯存的要求進(jìn)行樣品采取，檢測指標(biāo)為：TN，TP，鐵元素。

2 實驗結(jié)果與分析

將篩選出來的10組培養(yǎng)基質(zhì)中污染成分含量的檢測數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行比較、計算，見表2。為直觀分析，將植物生長對TN、TP和鐵元素的降解率數(shù)據(jù)繪制成柱形圖進(jìn)行對比，見圖2～圖4。

表2 培養(yǎng)基質(zhì)中目標(biāo)成分含量檢測結(jié)果統(tǒng)計及與背景值對照計算

對表2中數(shù)據(jù)分析可知，植物生長代謝可對培養(yǎng)基質(zhì)中TN，TP和鐵元素三種污染成分進(jìn)行不同程度的吸收降解，且降解效果良好。其中對TN的降解效果最為顯著，平均削減量為2.80 g/kg，平均降解率達(dá)66.40%；對TP的平均削減量為1.49 g/kg，平均降解率為56.95%；對鐵元素的平均削減量為4.43 g/kg，平均降解率為31.88%。

由表2和圖2綜合分析可知，篩選出的10種植物對培養(yǎng)基質(zhì)中TN的降解效果十分突出，降解率均超過了50%，其中降解效果最好的植物品種是再力花，削減量達(dá)3.24 g/kg，降解率達(dá)76.78%；其余依次是紫穗槐，削減量為3.17 g/kg，降解率為75.12%；紅三葉，削減量為3.02 g/kg，降解率為71.56%；香根草，削減量為2.92 g/kg，降解率達(dá)69.19%；白車軸草，削減量為2.84 g/kg，降解率為67.30%；常青藤，削減量為2.83 g/kg，降解率為67.06%；金盞花，削減量為2.80 g/kg，降解率為66.35%；金雞菊，削減量為2.67 g/kg，降解率為63.27%；千屈菜，削減量為2.33 g/kg，降解率為55.21%；龍須草，削減量為2.20 g/kg，降解率為52.13%。

由表2和圖3綜合分析可知，篩選出的10種植物對培養(yǎng)基質(zhì)中TP的降解效果較好，其中降解效果最突出的植物品種是再力花，削減量達(dá)1.99 g/kg，降解率達(dá)76.11%；其余依次是龍須草，削減量為1.67 g/kg，降解率為63.78%；紅三葉，削減量為1.65 g/kg，降解率為62.86%；金盞花，削減量為1.52 g/kg，降解率為58.02%；常青藤，削減量為1.51 g/kg，降解率為57.63%；千屈菜，削減量為1.44 g/kg，降解率為54.96%；白車軸草，削減量為1.33 g/kg，降解率為50.76%；紫穗槐、金雞菊，削減量為1.30 g/kg，降解率為49.62%；香根草，削減量為1.21 g/kg，降解率為46.18%。

由表2和圖4綜合分析可知，篩選出的10種植物對培養(yǎng)基質(zhì)中鐵元素的降解率整體偏低，其中千屈菜、再力花、龍須草的降解效果較好，其余皆低于平均水平。按降解效果依次為：千屈菜，削減量為5.41 g/kg，降解率為38.92%；再力花，削減量為5.36 g/kg，降解率為38.56%；龍須草，削減量為5.20 g/kg，降解率為37.41%；常青藤，削減量為4.55 g/kg，降解率達(dá)32.73%；金盞花，削減量為4.52 g/kg，降解率為32.52%；香根草，削減量為4.27 g/kg，降解率為30.72%；紅三葉，削減量為4.21 g/kg，降解率為30.29%；金雞菊，削減量為3.90 g/kg，降解率為28.06%；紫穗槐，削減量為3.70 g/kg，降解率為26.62%；白車軸草，削減量為3.20g/kg，降解率為23.02%。

3 結(jié)語

本次實驗選用的20種植物中有3種不適宜在受污染的河道底泥中生長，分別為諸葛菜、油松、荷花；有7種植物雖然成活，但表現(xiàn)為黃葉、稀疏，長勢較差，分別為：狐尾藻、苦草、早熟禾、狗牙根、高羊茅、黃花、苜蓿；有10種植物生長狀態(tài)良好，分別是：紅三葉、常青藤、紫穗槐、香根草、金盞花、金雞菊、千屈菜、再力花、龍須草、白車軸草。

實驗表明，10種長勢良好的植物在生長過程中對固化底泥中的總磷、總氮、鐵元素三種污染成分均有較好的吸收降解作用，對TN的降解效果最為顯著，平均降解率達(dá)66.40%，對TP的平均降解率達(dá)56.95%，對鐵元素的平均降解率為31.88%。

生物修復(fù)技術(shù)具有綠色環(huán)保、費用低廉、修復(fù)效果顯著等優(yōu)勢，被越來越廣泛地運用。將固化后的底泥用作綠化植物的培養(yǎng)基質(zhì)，既可以解決疏浚底泥的去向難題，又可以開發(fā)疏浚底泥的資源化利用潛力。在當(dāng)今重點推進(jìn)綠色發(fā)展、著力解決環(huán)境問題的形勢下，該項實驗成果可為黑臭水體的修復(fù)治理工作提供有力的參考佐證。