常見(jiàn)水生植物對(duì)城市河道水質(zhì)凈化影響試驗(yàn)研究

李純潔

(鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450006)

我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)快速發(fā)展，帶來(lái)了嚴(yán)重的水環(huán)境污染問(wèn)題。經(jīng)過(guò)國(guó)家大力治理，地表水環(huán)境已經(jīng)大為改善。生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2018中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》指出，2018年全國(guó)地表水劣Ⅴ類比例已經(jīng)下降到6.7%，長(zhǎng)江、黃河、淮河等流域干流水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。但支流水質(zhì)仍停留在輕度污染程度，其中部分城市河段污染嚴(yán)重。與自然河道相比，城市河道流量、流速均較低，自凈能力差，而又承載了城市排污功能，亟須進(jìn)行水環(huán)境修復(fù)和改善。除了水源注入等工程措施外，水生植物修復(fù)技術(shù)也是改善水環(huán)境行之有效的手段。

水體修復(fù)技術(shù)包括生物修復(fù)技術(shù)和工程修復(fù)技術(shù)，其中利用水生植物構(gòu)建生物凈化系統(tǒng)，具有成本低廉、處理效果明顯、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)勢(shì)，是最佳的生態(tài)修復(fù)措施[1]。因此，人們對(duì)各種水生植物對(duì)不同類型的污水凈化進(jìn)行了大量研究，以期為流域生態(tài)治理提供合適的水生植物資源[2-6]。

本文選擇3種本土水生植物，研究其凈化能力和凈化機(jī)理，確定各項(xiàng)因素在污水凈化中的貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選擇的3種華中、華北地區(qū)常見(jiàn)的水生植物為水芹、石龍芮和沼生蔊菜，均為本地土著物種，大量生長(zhǎng)在潮濕環(huán)境和近水水域，其生物特征見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)植物的生物特征

這3種植物環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，生物量大，在多數(shù)生長(zhǎng)地區(qū)已經(jīng)歸化，在使用中不存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)植物習(xí)性接近，能夠大量共生，具有較好的景觀效果。在環(huán)境、景觀價(jià)值基礎(chǔ)上，這3種植物還具有一定的食用和藥用價(jià)值[6-8]，可帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)效益。

試驗(yàn)植物采自鄭州市賈魯河河道淺水區(qū)，為長(zhǎng)勢(shì)良好、大小均勻的植株，試驗(yàn)前均經(jīng)過(guò)清水馴養(yǎng)，并洗凈晾干。水樣取自賈魯河，基本水質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 水樣水質(zhì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在鄭州市賈魯河綜合治理建設(shè)管理局試驗(yàn)地進(jìn)行，為室外模擬水培試驗(yàn)，在自然環(huán)境中持續(xù)進(jìn)行38天。整個(gè)試驗(yàn)期間氣溫介于10～24℃之間，平均氣溫18℃，天氣以晴天為主，光照充分。

植物種植在12L泡沫箱內(nèi)，水量10L。每種植物均設(shè)置3個(gè)平行組次，同時(shí)將3種植物兩兩組合，每種組合也設(shè)置3個(gè)平行組次。每個(gè)試驗(yàn)組次使用1個(gè)泡沫箱，選取的植株大小一致，總生物量均為200g，植物根部浸泡在水樣中，覆蓋基本相同的水面面積?？傮w設(shè)置1個(gè)空白對(duì)照組次，泡沫箱中僅放入水樣，并對(duì)水面進(jìn)行遮蓋，使得水樣受光面積與其他試驗(yàn)箱相當(dāng)。

試驗(yàn)開(kāi)始的第3天進(jìn)行初次取樣測(cè)定，以后每7天進(jìn)行1次取樣，取樣均于早晨6∶30進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)箱均取水樣100mL，取樣前用蒸餾水補(bǔ)水使水位穩(wěn)定在10L。

水樣處理效果以水樣處理前后的TP、TN指標(biāo)表征，其中TP采用《鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)測(cè)定，TN采用《堿性過(guò)硫酸鉀消減-紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測(cè)定，所有測(cè)試在24h之內(nèi)完成。

TN、TP去除率計(jì)算如下：

(1)

(2)

式中：c0為水樣初始TN、TP濃度(見(jiàn)表2)；ci為第i次取樣測(cè)定的TN、TP濃度；ci′為第i次對(duì)照水樣測(cè)定的TN、TP濃度；η為植物的總?cè)コ剩沪恰錇閷?duì)照水樣的去除率。

水樣自凈化作用帶來(lái)的兩者之差反映了植物的實(shí)際去除效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 植物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)

試驗(yàn)周期內(nèi)，3種植物與植物組合生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)良好，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)生物量見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)植物的生物量

與初始200g生物量相比，植物生長(zhǎng)較快，生物量顯著增加，按大小排列為石龍芮>水芹>沼生蔊菜。石龍芮和水芹的分蘗不斷增多，長(zhǎng)出新的葉片，生物量增加很快，而沼生蔊菜莖稈生長(zhǎng)較快，新生葉片較小，導(dǎo)致其生物量增加最少。植物組合的生物量介于兩種植物之間，更偏向于生長(zhǎng)較快的植物。

根據(jù)試驗(yàn)期間的觀察，植物生長(zhǎng)主要發(fā)生在試驗(yàn)開(kāi)始至20天左右，隨后生長(zhǎng)趨勢(shì)明顯放緩，試驗(yàn)后期甚至觀察到一定程度的腐敗現(xiàn)象，部分植株還出現(xiàn)了蟲(chóng)害，說(shuō)明這3種植物為歸化植物，不會(huì)發(fā)生過(guò)度瘋長(zhǎng)的現(xiàn)象。

2.2 單一水生植物凈化TN、TP效果

3種水生植物對(duì)污水TN的凈化效果見(jiàn)圖1。在試驗(yàn)前期，無(wú)論是水體自身凈化作用還是植物凈化處理都有明顯效果，TN去除率迅速升高，并于第24天達(dá)到峰值，隨后發(fā)生一定程度的下降?？瞻讓?duì)照水樣TN去除率最高達(dá)到55.2%，在試驗(yàn)后期穩(wěn)定在32.1%。

圖1 植物對(duì)TN的凈化效果

植物對(duì)TN去除率均顯著高于空白對(duì)照組，在峰值處水芹、石龍芮、沼生蔊菜去除率分別達(dá)到92.4%、98.2%和71.3%，與對(duì)照組相比提升幅度為16.1%～43.0%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，3種植物對(duì)TN的去除率為43.3%～54.1%，與對(duì)照組相比提升幅度穩(wěn)定在11.8%～22.6%之間，這3種植物對(duì)水體TN均有明顯的凈化效果?？傮w而言，處理效果水芹>石龍芮>沼生蔊菜。試驗(yàn)前期石龍芮的峰值去除率更大，但持續(xù)效果不如水芹，沼生蔊菜處理效果最低。

3種水生植物對(duì)TP的去除效果見(jiàn)圖2。在試驗(yàn)周期內(nèi)，空白對(duì)照組TP去除率迅速上升到12.0%左右，然后兩周內(nèi)大致穩(wěn)定，隨后又開(kāi)始上升，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到32.7%，與水體對(duì)TN的自凈效果大致相當(dāng)。

圖2 植物對(duì)TP的凈化效果

3種植物同樣對(duì)TP去除率有顯著提升，第17天達(dá)到第一個(gè)峰值，去除率最高為石龍芮的74.8%，與對(duì)照組相比提升幅度達(dá)到60.9%。從第24天開(kāi)始，石龍芮、水芹、沼生蔊菜對(duì)TP的去除率與對(duì)照組相比提升幅度始終維持在47.6%～55.5%、45.3%～48.5%、19.7%～21.4%之間，處理效果是石龍芮>水芹>沼生蔊菜。試驗(yàn)后期石龍芮和水芹對(duì)TP去除率達(dá)到88.2%和81.2%，沼生蔊菜稍低，為54.3%。相比之下，3種水生植物對(duì)TP去除率的提升效果優(yōu)于對(duì)TN去除率的提升效果，并且沒(méi)有隨著時(shí)間的推移而降低。

2.3 水生植物組合凈化TN、TP效果

不同植物通過(guò)合理的組合，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，保持較高且穩(wěn)定的去除效果[2-5]。為了探究植物組合去污效果，試驗(yàn)分別將水芹+石龍芮、水芹+沼生蔊菜、石龍芮+沼生蔊菜3種組合和單一植物TN、TP的去除率進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 植物組合對(duì)TN的凈化效果

圖4 植物組合對(duì)TP的凈化效果

a.植物組合與單一植物類似，TN去除率在試驗(yàn)中期達(dá)到最大，峰值總?cè)コ试?9.3%～98.3%之間，在后期TN去除率開(kāi)始下降。

b.水芹+石龍芮組合對(duì)TN處理效果在任何時(shí)段均優(yōu)于單一植物，而水芹+沼生蔊菜或石龍芮+沼生蔊菜在試驗(yàn)早期和中期高于單一沼生蔊菜，但略低于單一水芹或石龍芮，這是沼生蔊菜的處理效果偏低帶來(lái)的，說(shuō)明此時(shí)植物之間相互促進(jìn)作用尚未展現(xiàn)。

c.隨時(shí)間的增長(zhǎng)，各種組合處理效果均優(yōu)于單一植物。這說(shuō)明植物之間存在相互促進(jìn)作用，盡管沼生蔊菜單獨(dú)對(duì)污水處理效果不甚理想，但它能顯著加強(qiáng)其他植物的后期處理效果。

d. 3種組合在試驗(yàn)后期對(duì)TN的去除率都能達(dá)到61.3%～65.0%，去除效率比單一植物提升10.0%以上，組合效果明顯。

e.由圖4可以看出，植物組合對(duì)TP的去除率在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，不低于單一植物的處理效率。同樣，沼生蔊菜對(duì)TP去除效率不高，但它能加強(qiáng)其他植物的去除效果。在試驗(yàn)后期，3種植物組合對(duì)TP的總?cè)コ史€(wěn)定在79.2%～88.6%之間。

2.4 水生植物對(duì)TN、TP的去除機(jī)理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，無(wú)論是單一植物還是組合植物，對(duì)TP去除效率都高于TN。TP去除率最高可達(dá)88.6%，而對(duì)TN的去除率雖然在試驗(yàn)中期可高達(dá)98.3%，但隨時(shí)間的推移降低到65.0%。相關(guān)機(jī)理研究認(rèn)為，TN去除的主要途徑是植物吸收、微生物硝化與反硝化過(guò)程、物理化學(xué)作用，而TP去除的主要途徑則是植物吸收、化學(xué)沉淀，但不同文獻(xiàn)報(bào)道的貢獻(xiàn)率有一定差異[9-11]。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以推測(cè)TN去除率應(yīng)主要與微生物作用相關(guān)，而TP去除率主要由植物決定。

為了驗(yàn)證本試驗(yàn)中TN、TP的去除機(jī)理，進(jìn)行了第二次靜水試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為14天，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)微生物進(jìn)行了滅菌處理，通過(guò)物料平衡的方法計(jì)算了各因素的貢獻(xiàn)。

考慮到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，滅菌方法不能對(duì)植物產(chǎn)生傷害，最終選擇了氯霉素滅菌法。試驗(yàn)工作方式與第一次靜水試驗(yàn)相同，水芹、石龍芮以及它們的組合，各設(shè)置了兩個(gè)加藥組次和兩個(gè)不加藥組次(由于沼生蔊菜處理效率偏低，試驗(yàn)中未作其機(jī)理研究)，同時(shí)設(shè)置1個(gè)加藥空白組次和1個(gè)不加藥空白組次。所有加藥組次按照30mg/L的投加量加入氯霉素，每周投加1次，投加后2天取樣，根據(jù)《食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定》(GB 4789.2—2016)，采用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定菌落總數(shù)，試驗(yàn)在48h內(nèi)完成。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，未投加氯霉素的水樣菌落總數(shù)量級(jí)104/mL，而投加氯霉素后，菌落總數(shù)小于102/mL，滅菌效果良好，符合試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，統(tǒng)一采樣測(cè)定各組次的TN和TP，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。氯霉素中含有氮元素，這部分在計(jì)算TN時(shí)已經(jīng)扣除。

表4 各組次對(duì)TN、TP的去除率 單位：%

TN、TP的總?cè)コ视?個(gè)部分組成：物理化學(xué)作用、微生物作用、植物-微生物協(xié)同作用、植物自身作用。各部分貢獻(xiàn)確定方法如下：

a.物理化學(xué)作用：即表4中加藥空白的TN、TP去除率數(shù)據(jù)。

b.微生物作用：表4中不加藥空白與加藥空白的TN、TP去除率之差，這一項(xiàng)表征天然水樣微生物的貢獻(xiàn)。

c.植物-微生物協(xié)同作用：表4中不加藥植物與加藥植物的TN、TP去除率之差，再減去微生物作用。本數(shù)據(jù)表征由于植物存在而導(dǎo)致的微生物貢獻(xiàn)增加量。

d.植物自身作用：按表4中加藥植物與加藥空白的TN、TP去除率之差分別計(jì)算出每種植物的各類作用的貢獻(xiàn)值，見(jiàn)圖5。

圖5 不同植物對(duì)TN、TP的去除貢獻(xiàn)

對(duì)于TN去除率而言，物理化學(xué)作用的貢獻(xiàn)值為18.0%，微生物的貢獻(xiàn)值為16.9%，植物-微生物協(xié)同作用處于6.2%～17.5%之間，植物自身貢獻(xiàn)值處于11.7%～15.4%之間。盡管石龍芮的自身處理效果高于水芹，但水芹的植物-微生物協(xié)同作用貢獻(xiàn)更大，使總的處理效率水芹優(yōu)于石龍芮。而植物組合發(fā)揮了二者的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有較大植物-微生物協(xié)同作用和植物自身貢獻(xiàn)。

對(duì)于TP去除率而言，物理化學(xué)作用和微生物的貢獻(xiàn)值較低，只有5.5%和7.6%，而植物-微生物協(xié)同作用和植物自身提供主要貢獻(xiàn)值達(dá)到了20.7%～32.1%，并且均為水芹<石龍芮<組合。

總體而言，對(duì)于TN主要貢獻(xiàn)為微生物(含植物-微生物協(xié)同)，基本提供了總?cè)コ实囊话?，而物理化學(xué)作用占比也達(dá)到近1/3，相比之下，植物自身的貢獻(xiàn)占比不到1/4。對(duì)于TP主要貢獻(xiàn)為植物(含植物-微生物協(xié)同)，合計(jì)占總?cè)コ实?/5，而單獨(dú)微生物和物理化學(xué)作用占比很低。

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了之前的推測(cè)。在第一次靜水試驗(yàn)中，TN去除率出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，與微生物生長(zhǎng)期匹配。而TP去除率則隨著植物生長(zhǎng)而持續(xù)提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

石龍芮、水芹和沼生蔊菜及其組合的靜水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，3種植物具有較好的TN、TP去除效果，石龍芮和水芹的處理效果更好，而沼生蔊菜能顯著加強(qiáng)前兩者的處理效果，獲得組合優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)條件下，植物組合在中期對(duì)TN達(dá)到最高去除效果，后期有所下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)穩(wěn)定在61.3%～65.0%，而對(duì)TP去除率穩(wěn)定提升，達(dá)到79.2%～88.6%。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，這3種植物對(duì)賈魯河低污染水體的凈化效果明顯，適合對(duì)河道水系進(jìn)行生物修復(fù)。

滅菌對(duì)比試驗(yàn)表明，對(duì)TN而言，主要貢獻(xiàn)來(lái)自于微生物和物理化學(xué)作用；而對(duì)TP而言，主要貢獻(xiàn)來(lái)自于植物吸收、吸附等。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在賈魯河綜合治理工程中，嘗試以水芹、石龍芮和沼生蔊菜組合為基本配置，在濕地、湖泊及兩岸淺水區(qū)進(jìn)行大范圍種植。目前河道水生態(tài)環(huán)境已得到大幅度改善，監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)均已達(dá)到地表Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，尤其是大量種植水生植被的濕地、湖泊等區(qū)域，TN和TP明顯低于其他河段，基本實(shí)現(xiàn)了水生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)。

由此可見(jiàn)，上述3種水生植物對(duì)低污染城市河道水質(zhì)改善能起到積極作用。所選的3種水生植物在華中、華南地區(qū)分布廣泛，利用它們結(jié)合工程措施進(jìn)行城市低污染水體的生物修復(fù)，能在達(dá)到水體生態(tài)治理效果的前提下，降低工程成本，同時(shí)帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)效益，為城市河湖通過(guò)水生植物改善水質(zhì)提供了可借鑒的試驗(yàn)依據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。