焦崗湖本土水生植物的水質(zhì)凈化試驗(yàn)

陳結(jié)平, 胡友彪, 張治國,2, 鄭永紅, 謝士峰, 陳小運(yùn), 劉 煥, 陳永春

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽省礦山地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001;3.安徽省焦崗湖旅游發(fā)展有限公司, 安徽 淮南 232001; 4.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 安徽 淮南 232001)

淮南市焦崗湖位于淮河北岸，橫跨淮南市毛集試驗(yàn)區(qū)與阜陽市潁上縣，是淮河流域的一處淺水性湖泊，也是皖北地區(qū)最大的天然淡水湖之一，為國家級濕地公園，國家AAAA級旅游景區(qū)和國家水利風(fēng)景區(qū)，集灌溉、養(yǎng)殖、旅游、調(diào)蓄洪水等多種功能于一體[1]。近年來，毛集試驗(yàn)區(qū)堅(jiān)持生態(tài)立區(qū)、生態(tài)富區(qū)、生態(tài)強(qiáng)區(qū)戰(zhàn)略，保護(hù)水域生態(tài)環(huán)境，積極為將焦崗湖打造成環(huán)境優(yōu)美、景色宜人、集旅游休閑度假為一體的國家5A級旅游景區(qū)做準(zhǔn)備。然而其為發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)和促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，焦崗湖大力發(fā)展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖及生態(tài)旅游業(yè)，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量使用化肥、農(nóng)藥等，致使湖泊受到較大程度的干擾。據(jù)報(bào)道[2]，2018年焦崗湖水質(zhì)在4—6月連續(xù)3個(gè)月不達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)不同程度的污染物超標(biāo)現(xiàn)象。水生植物具有克藻效應(yīng)[3-4]，對水體中氮磷等污染物的吸收、富集以及轉(zhuǎn)移有明顯的效果[5-6]，是一項(xiàng)生態(tài)化的水污染凈化技術(shù)。本研究就淮南市焦崗湖近期污染物超標(biāo)問題，開展了本土4種水生植物進(jìn)行水質(zhì)凈化研究試驗(yàn)，為焦崗湖利用水生植物修復(fù)水質(zhì)提供可靠的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選取4種焦崗湖本土水生植物，分別為：澤瀉(Alismaplantago-aquatica)、石菖蒲(Acorustatarinowii)、千屈菜(Lythrumsalicaria)以及金魚藻(Ceratophyllumdemersum)。選取標(biāo)準(zhǔn)為生長健壯，長勢相對一致，個(gè)體生物量相近的植株，用自來水洗凈根部，用供試水體預(yù)培養(yǎng)一周，長出新根后進(jìn)行試驗(yàn)。供試水體采用人工配置的方式，在高純水中加入磷酸二氫鉀、氯化銨、硝酸鉀和鄰苯二甲酸氫鉀進(jìn)行配置。根據(jù)焦崗湖水體中N，P的實(shí)際測定值為供試水體低濃度處理組，另兼顧湖泊富營養(yǎng)化和污水水生植物凈化，結(jié)合《城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)GB18918-2002》的一級B標(biāo)準(zhǔn)和二級標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置中、高濃度處理組，配置成高、中、低三種不同濃度的富營養(yǎng)化水體[7]，對配置的供試水體進(jìn)行標(biāo)定，水體實(shí)際初始濃度值詳見表1。

表1 供試水體水質(zhì) mg/L

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用上底直徑為36 cm，下底直徑為27 cm，高為32 cm的PVC水桶內(nèi)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)每桶含供試水10 L。分別研究以上4種水生植物不同處理組對污水的凈化，主要污染物總氮、總磷、氨氮和化學(xué)需氧量的去除效率比較。每種水生植物的不同處理組設(shè)置3個(gè)重復(fù)另加無水生植物的空白對照，共計(jì)45個(gè)試驗(yàn)水桶。試驗(yàn)持續(xù)42 d，從2018年7月4日至8月8日，每周三上午9：00—10：00取樣，期間用蒸餾水來補(bǔ)充蒸發(fā)和取樣所消耗的水分以保持水位。

1.3 試驗(yàn)方法

按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》[8]中相關(guān)方法對各指標(biāo)檢測，其中，焦崗湖水體水質(zhì)指標(biāo)化學(xué)需氧量(COD)采用高錳酸鹽法，試驗(yàn)水體的COD采用重鉻酸鹽法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用ArcGIS 10.2和SPSS 24軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用Origin 9.0進(jìn)行相關(guān)圖形繪制。

2 焦崗湖水質(zhì)概況

2.1 采樣點(diǎn)選取

根據(jù)焦崗湖出入湖河流流經(jīng)路線，在各個(gè)入湖口、出水口、湖面以及荷花淀設(shè)置9個(gè)取樣點(diǎn)，具體點(diǎn)位情況詳見表2。其中1#，2#，3#，4#以及9#為焦崗湖入湖口，5#，7#和8#為焦崗湖水面采點(diǎn)，6#為焦崗湖出水口。于2018年5，7，9月3次采集距采樣點(diǎn)水面下0.5 m處水樣。樣品1 h內(nèi)運(yùn)往安徽理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析檢測，嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)中相應(yīng)的方法測定總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)和化學(xué)需氧量(COD)等相應(yīng)指標(biāo)。

表2 采樣點(diǎn)位地理信息表

2.2 焦崗湖水質(zhì)空間變化

通過對焦崗湖水體采樣檢測分析，發(fā)現(xiàn)各個(gè)采樣點(diǎn)處各污染物平均濃度空間分布差異性較大。由圖1可知，3#點(diǎn)處湖水TN平均質(zhì)量濃度明顯高于其他點(diǎn)位，達(dá)到3.34 mg/L；除8#點(diǎn)外，其余點(diǎn)位處水體TN濃度均超國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(以湖、庫計(jì)，下同)(1 mg/L)，屬于不同程度的超標(biāo)狀態(tài)。TP濃度含量最高的為3#和9#，分別達(dá)到0.40和0.23 mg/L，分別超標(biāo)7倍和3.6倍；除8#點(diǎn)外，其余點(diǎn)位處水體TP含量均嚴(yán)重超標(biāo)。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，僅1#，3#和9#3個(gè)點(diǎn)位處NH3-N含量處于超標(biāo)狀態(tài)，分別為1.14，2.48和1.13 mg/L。圖1中2#點(diǎn)處COD平均質(zhì)量濃度最大，為13.62 mg/L。除COD外，6#出水口中各污染物濃度均低于入湖口水體，表明湖中的沉積物吸附、微生物降解等一系列自然凈化機(jī)制，截留了入湖水體中帶來的污染物，達(dá)到了一定的水體凈化，但曹集河口水體仍達(dá)不到規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(Ⅲ類)，需要結(jié)合其他方法對其進(jìn)行綜合治理。

圖1 焦崗湖TN，TP，NH3-N和COD空間分布

3 水生植物對污染物的凈化效果

3.1 水生植物對TN的去除效果

通過6次采樣對供試水體中TN含量的測定結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)隨著試驗(yàn)日期的增加，水生植物組水體中TN含量基本低于空白對照組(無水生植物)水體中TN含量，表明本次試驗(yàn)所選取4種水生植物對TN均有不同程度的凈化作用。從圖2可以看出，高濃度處理組在試驗(yàn)開始7 d時(shí)總氮濃度差異較為明顯，凈化效率依次為：千屈菜>澤瀉>石菖蒲>金魚藻；在第28 d時(shí)，千屈菜、澤瀉以及金魚藻組總氮濃度值基本穩(wěn)定，達(dá)到最低值，此時(shí)凈化效率最大，分別為96.60%，93.90%和26.01%，而石菖蒲組總氮濃度還在持續(xù)下降中，在42 d時(shí)凈化效率為91.46%。

圖2 高濃度組試驗(yàn)水體TN濃度變化

由圖3可知，中濃度處理組在14 d內(nèi)，凈化效率大小依次為：澤瀉>千屈菜>石菖蒲>金魚藻，且凈化效率差異明顯；18 d后澤瀉凈化效率超過千屈菜，表現(xiàn)為千屈菜>澤瀉>石菖蒲>金魚藻；澤瀉、千屈菜和金魚藻組均在28 d時(shí)為最低值，表明此時(shí)其凈化效率最大，分別為92.48%，94.12%和59.86%，石菖蒲組在35 d時(shí)凈化效率達(dá)到最大值為83.67%。

由圖4可知，低濃度處理組中，除金魚藻外，其余3種水生植物處理組在14 d前曲線接近重合，說明這個(gè)時(shí)間段內(nèi)處理效率相近；14～33 d時(shí)間段，總氮凈化效率大小依次為：千屈菜>澤瀉>石菖蒲>金魚藻；金魚藻在21 d時(shí)凈化效率最高為36.69%，石菖蒲和澤瀉在14 d時(shí)凈化效率分別為82.52%和80.35%，千屈菜在35 d時(shí)凈化效率為86.02%。直到28 d后，千屈菜、石菖蒲以及金魚藻組總氮濃度均有增高現(xiàn)象，可能是植物根系停止生長并開始腐敗而使總氮含量升高[9]。

圖4 低濃度組試驗(yàn)水體TN濃度變化

3.2 水生植物對TP的去除效果

通過6次采樣對供試水體中TP含量的測定結(jié)果可知，植物組和空白對照組差異較為明顯，在試驗(yàn)期內(nèi)，有植物組的水體中總磷濃度基本低于無水生植物組。

各植物組對于總磷含量的去除效果不同(如圖5所示)，高濃度處理組下，金魚藻和澤瀉對于總磷的去除效果差異明顯，金魚藻組在14 d時(shí)去除率42.25%，澤瀉在35 d時(shí)去除率最大，為68.31%；石菖蒲和千屈菜對總磷濃度的去除效果差別不大，在7 d前去除速率較快，石菖蒲在28 d達(dá)到總磷去除率75.58%，千屈菜在42 d時(shí)去除率為78.13%。

圖5 高濃度組試驗(yàn)水體TP濃度變化

由圖6中總磷變化曲線可知，在中濃度處理下，21 d前，去除效果依次為：千屈菜>澤瀉>石菖蒲>金魚藻，21 d后，石菖蒲去除率超過澤瀉，總體來說，兩種植物最大凈化效率相近，只是凈化速率不同，分別為28 d的77.21%和14 d的77.57%；千屈菜去除效果較好，14 d達(dá)到總磷去除率95.22%，金魚藻去除效果一般，最大去除率為35 d時(shí)的45.59%。

圖6 中濃度組試驗(yàn)水體TP濃度變化

由圖7可知，在低濃度處理下，4種水生植物中只有千屈菜的總磷濃度去除率較好，在21 d時(shí)總磷含量去除率達(dá)到63.08%，其余水生植物去除相差較小，未達(dá)到顯著差異。

3.3 水生植物對NH3-N的去除效果

通過6次采樣對供試水體中NH3-N含量的測定結(jié)果可知，在試驗(yàn)期內(nèi)，4種水生植物對NH3-N含量均有一個(gè)降低的過程，但其降低的速率以及降低的含量有明顯的區(qū)別，由圖8可知，高濃度處理下，4種水生植物在前7 d的降低量較大，去除速率也較快，澤瀉組更是在此時(shí)達(dá)到最大去除率88.34%；7 d后千屈菜、石菖蒲和金魚藻等組NH3-N含量均有繼續(xù)下降的效果，但是效率較低，在28 d時(shí)均到達(dá)最大去除率，分別為87.04%，95.23%和94.35%；35 d前氨氮去除率大小為：石菖蒲>金魚藻>澤瀉>千屈菜，35 d后金魚藻去除率高于石菖蒲。

圖7 低濃度組試驗(yàn)水體TP濃度變化

由圖9可知在中濃度處理下，4種水生植物在14 d前的NH3-N濃度凈化率差異較大，澤瀉、千屈菜和石菖蒲組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金魚藻組，表現(xiàn)為：石菖蒲>澤瀉>千屈菜>金魚藻；在14～21 d試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，金魚藻組對NH3-N濃度凈化速率明顯上升，供試水體內(nèi)NH3-N含量也大幅降低，此時(shí)去除率大小為：石菖蒲>金魚藻>澤瀉>千屈菜；在達(dá)到最大去除率的時(shí)間上，澤瀉在14 d時(shí)為75.51%，石菖蒲、金魚藻和千屈菜組與高濃度處理組相似，均在28 d達(dá)到最大，分別為88.17%，83.66%和74.42%。

低濃度處理組下(如圖10所示)，千屈菜組NH3-N濃度在14 d前的小幅下降后，迅速上升甚至超過初始值，可能是由于千屈菜部分枝葉掉落至供水水體內(nèi)未及時(shí)清理腐爛后釋放NH3-N所致[9]，然而其TN含量依舊在下降，表明千屈菜對TN去除率較好，對NH3-N去除一般，從高處理組和中處理組也可以看出，千屈菜對于NH3-N的去除效果較其他水生植物一般；澤瀉組NH3-N濃度曲線與空白組接近重合，表明其在低濃度處理時(shí)對NH3-N含量的去除效果不顯著；石菖蒲組去除率大于金魚藻組，分別為14 d時(shí)的80.83%和21 d的72.02%。

圖9 中濃度組試驗(yàn)水體NH3-N濃度變化

圖10 低濃度組試驗(yàn)水體NH3-N濃度變化

3.4 水生植物對COD的去除效果

通過5次采樣對供試水體中COD含量的測定結(jié)果可知，3種COD濃度處理下，4種水生植物對其皆有一定的去除能力，與其他3種污染物相比，本次對照組(無水生植物)COD濃度下降幅度較大。

由圖11可知在高濃度處理下，在前7 d內(nèi)，澤瀉組去除效率顯著，去除率91.04%,7 d后供試水體內(nèi)COD濃度較為平穩(wěn)，并沒出現(xiàn)明顯的降低或者升高現(xiàn)象；在14 d時(shí)，石菖蒲和金魚藻組COD都有一個(gè)快速下降的過程，表明在這段時(shí)間內(nèi)這2種水生植物有一個(gè)較好的去除效果，去除率分別為93.78%和92.38%；千屈菜組在28 d時(shí)COD去除率達(dá)到84.45%，其去除效率不及其他3種水生植物；總的來說，在COD高濃度處理下，去除率大小依次為：澤瀉>石菖蒲>金魚藻>千屈菜。

由圖12—13中COD濃度含量曲線可知，中濃度和低濃度處理下，4種水生植物組的濃度曲線變化較為相似，金魚藻和千屈菜在7 d左右都要高于空白對照組，在7～14 d時(shí)間段內(nèi)，這2種水生植物組中COD含量下降明顯，14 d后COD含量維持在一個(gè)較穩(wěn)定的范圍；兩種不同濃度處理下，石菖蒲和澤瀉組中COD在21 d一直在不同程度的下降，之后有一個(gè)小幅的上升趨勢；在中濃度處理下，澤瀉、石菖蒲、金魚藻和千屈菜的最大凈化率分別為86.81%，85.07%，84.38%和81.94%，在低濃度處理下，澤瀉、石菖蒲、金魚藻和千屈菜的最大凈化率分別為87.12%，83.02%，79.51%和61.36%。4種水生植物對于高濃度供試水體的COD去除效率比較低濃度更為顯著。

圖11 高濃度組試驗(yàn)水體COD濃度變化

圖12 中濃度組試驗(yàn)水體COD濃度變化

圖13 低濃度組試驗(yàn)水體COD濃度變化

4 討 論

從本研究的水生植物對污水的凈化水質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果來看，4種水生植物對TN，TP，NH3-N和COD均有去除效果，其凈化水質(zhì)的效果均優(yōu)于靜水條件下無水生植物對照組，與前人[10-12]的研究基本一致。另外研究表明，不同水生植物對水體中各水質(zhì)指標(biāo)的去除率有明顯差別。

(1) 對TN去除效果方面，綜合各濃度梯度4種水生植物與空白對照去除率，對供試水體中TN含量去除效果較好的有千屈菜、石菖蒲和澤瀉。千屈菜對TN的去除率較高，這與元文革等[13]研究的結(jié)果相同，石菖蒲對TN的去除率較高，這與何池全等[14]研究的結(jié)果一致。而張之浩[15]研究結(jié)果顯示金魚藻的去TN較好，與本次研究有一定的差異，可能是由于試驗(yàn)設(shè)置的供試水體濃度不一致有關(guān)；

(2) 對TP去除效果方面，綜合各濃度梯度4種水生植物與空白對照去除率，對于高、中濃度水體，石菖蒲和千屈菜去除效果較好，低濃度的水體則僅有千屈菜的去除效果良好，溫奮翔等[16]研究結(jié)果也表明千屈菜去除TP能力效果顯著(p<0.001)，與本研究結(jié)果一致，可為遭受不同等級污染的湖泊治理提供一定的科學(xué)依據(jù)；

(3) 對NH3-N去除效果方面，綜合各濃度梯度4種水生植物與空白對照去除率，對供試水體中NH3-N含量去除效果較好的為石菖蒲和金魚藻。石菖蒲對NH3-N去除效果較好與何娜[17]等研究結(jié)果一致；

(4) 對COD去除效果方面，綜合各濃度梯度4種水生植物與空白對照去除率，4種水生植物對供試水體中COD含量去除效果均較好，只是在低濃度時(shí)，千屈菜的去除效果相對其他3種水生植物較差，但總體來說對COD含量去除良好；

(5) 在試驗(yàn)后期，水體中各污染物指標(biāo)均有所反彈，可能是由于水生植物部分根系開始腐爛導(dǎo)致的二次污染[9]。

可根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果與水生植物的生活型、生長特性以及水生植物間生長競爭關(guān)系進(jìn)一步合理的搭配水生植物的組合配置，結(jié)合焦崗湖各個(gè)入湖口的污染狀況，在焦崗湖各個(gè)入湖口以人工浮床[18]、人工濕地[19]和凈化塘等方式種植上搭配好的植物組合，期望能夠達(dá)到更好地對焦崗湖水質(zhì)綜合凈化效果，也能為同類型其他湖泊提供借鑒和參考。

本研究是在靜水條件下通過對供試水體中污染物含量的檢測了解各水生植物對各污染物的去除效果，可能和自然條件下水生植物凈化水質(zhì)效果有所差異。因?yàn)樽匀粭l件下水體底泥吸附以及微生物降解等作用也會對水體中污染物去除起一定效果，而且由于水生植物在水桶內(nèi)生長范圍受限制，導(dǎo)致生物量增加不明顯，也會引起試驗(yàn)效果的差異性[20]。雖然本研究的結(jié)果具有一定的局限性，但仍對水生植物的篩選具有一定的參考作用。

5 結(jié) 論

(1) 4種水生植物對各種污染物的去除效果隨著時(shí)間的增長而不斷變化；

(2) 4種水生植物均對污染物有不同程度的去除效果，千屈菜和澤瀉對TN的去除效果最好；千屈菜對TP的去除效果最佳；石菖蒲和金魚藻對NH3-N去除效果良好；而對于COD，4種水生植物均有較為不錯(cuò)的去除效果；

(3) 相同水生植物在不同污染物濃度梯度下，表現(xiàn)的水體凈化效果不大一致，如石菖蒲對高、中濃度TP去除效果較好，對低濃度TP去除效果一般。