3种水生植物对富营养化水质的净化性能比较

3种水生植物对富营养化水质的净化性能比较郑足红;胡超;王华伟;兰天翔;王立华【摘要】选择芦苇、狐尾藻、菖蒲3种水生植物净化富营养化水体，考察了不同水生植物及组合对富营养化水体中硝酸盐氮、氨氮、TN、TP、COD、BOD5的去除效果.结果表明，菖蒲对氮、磷的去除效果明显优于芦苇和狐尾藻，狐尾藻在COD的去除上表现出一定的优势，而芦苇对BODs的去除效果最加.在植物组合处理中，菖蒲十狐尾藻组合对氮、BOD5去除效果最佳，处理28d后,TN、BOD5去除率分别达80%、57%,芦苇十菖蒲组合对TP、COD去除效果优于其他组合，处理28d后,TP、COD去除率分别达87%、72%;处理过程中，狐尾藻生物量增长最多，且对芦苇、菖蒲具有明显的抑制作用，是3种植物中的优势物种.综合考虑水质净化效果及植物生长状况，菖蒲和芦苇可作为富营养化水体的净化植物,而狐尾藻则应该谨慎使用.【期刊名称】《环境污染与防治》【年(卷)，期】2018(040)010【总页数】5页(P1147-1151)【关键词】水生植物;水质净化;芦苇;菖蒲;狐尾藻【作者】郑足红;胡超;王华伟;兰天翔;王立华【作者单位】湖北工程学院生命科学技术学院,特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室，湖北孝感432000;湖北工程学院生命科学技术学院,特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室，湖北孝感432000;武汉市洪山区疾病预防控制中心，湖北武汉430070;湖北工程学院生命科学技术学院,特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室,湖北孝感432000；湖北工程学院生命科学技术学院，特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室，湖北孝感432000【正文语种】中文水体富营养化是当前国内夕卜面临的主要环境问题之一［1］。目前，国内许多城市景观水体都已出现不同程度的污染，水体富营养化现象严重。引入能净化水质的水生植物是解决水体富营养化的有效方法。水生植物一般包括漂浮植物、浮叶植物、挺水植物和沉水植物，可固定N、P等营养元素，也可为水体提供生态景观。近年来，利用植物净化水体的生态修复技术在国内得到广泛应用。目前，有关单一植物对水质的净化效果研究已有许多报道，如芦苇可以向水体输送氧气、吸收污染物质、创造生物共生环境，通过发达的根系扩展植物净化污水的空间，使好养细菌向水体深部分布［2-4］;菖蒲［5］也具有较好的净化富营养化水体的效果，赵原等［6］研究表明菖蒲具有一定的N、P吸收能力，周玥等［7］3353研究表明菖蒲对高、低浓度污水COD均有较好的去除效果；狐尾藻能用来改善水体中的富营养化与浮游藻类含量的水平。李源等［8］研究表明穗花狐尾藻除了能与藻类竞争营养和光照外，还可通过分泌次生代谢产物来抑藻；汪文强［9］研究表明绿狐尾藻对于富营养水体中的N、P均有较好的去除效果。然而，不同植物间具有共生、互生或互斥的生长特性［10］,以往有关植物净化富营养化水体的研究主要侧重于单种植物或最优植物组合对富营养化水体脱N、P和C的效果［11-12］，针对不同生活型植物组合、植物间互补或者互斥作用对处理效果的影响少有报道。表1水样的水质参数Table1Theparametersoftestwater本研究从某景观水池（原下水道改造工程，现为校园景观湖泊）采集水样，选用芦苇、菖蒲和狐尾藻3种常见且具观赏价值和净水能力的水生植物，构建不同处理模式，在室温条件下研究其对水体中C、N、P的去除效果，讨论不同植物的最优组合，为景观水体富营养化的治理提供数据。1材料与方法1.1实验材料挺水植物芦苇、菖蒲，沉水植物狐尾藻均购自当地花卉市场，实验前用蒸馏水洗净后在自然光照无雨条件下预培养14d。1.2实验设计实验容器为高33cm、直径35cm的塑料桶，处理水样体积为10L。培养桶中所取水样来自某景观水池上覆水，各项参数见表1。选取长势良好、大小和高度一致的上述植株，洗净后放置于供试水体中。实验设置8种处理，D1组：栽种芦苇7株；D2组：栽种狐尾藻5株；D3组：栽种菖蒲7株；D4组：栽种芦苇7株+狐尾藻5株；D5组：栽种狐尾藻5株+菖蒲7株；D6组：栽种芦苇7株+菖蒲7株；D7组：栽种芦苇7株+菖蒲7株+狐尾藻5株;D8组：空白对照组，为原水水样。实验中，挺水植物和沉水植物均用塑料板或石子固定，培养28d。每隔7d取样一次，并标记取样后水体体积，共取样4次。测定所取水样中硝酸盐氮、氨氮、TN、TP、COD、BOD5等参数。在两次取样间隔中，添加一定蒸馏水以补充蒸发和蒸腾所消耗的水分［13］。1.3分析测定方法氨氮采用纳氏试剂一分光光度法测定；硝酸盐氮采用氨基磺酸紫外分光光度法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解一紫外分光光度法测定；TP采用钼酸铵分光光度法测定；COD采用重铬酸钾法测定；BOD5采用标准稀释测定法测定［14］。2结果与分析2.1不同处理对硝酸盐氮的去除效果不同处理下，硝酸盐氮的去除效果见图1。由图1可见，在28d处理过程中，D8组空白对照的硝酸盐氮去除率从17%上升到70%,D8组未栽种植物，硝酸盐氮的去除主要归因于水样中微生物结合碳源对硝酸盐氮的反硝化作用［15］147。其他各处理的硝酸盐氮去除效果均高于D8组，这是因为栽种植物可以通过植物吸收、根际的吸附、氨的挥发及硝化与反硝化作［16］等促进水体中硝酸盐氮的去除。图1不同处理对硝酸盐氮的去除效果Fig.1RemovalofnitriatenitrogenbydifferenttreatmentsD3组、D5组、D6组在整个处理过程中一直维持较高的硝酸盐氮去除率，分别为92%~99%、88%~98%、69%~100%。D1组、D2组、D4组、D7组、D8组硝酸盐氮去除率变幅较大，分别为29%~82%、45%~83%、47%~82%、76%~86%、17%~70%。除D8组外，D1组芦苇的硝酸盐氮去除率增幅最大，这是因为芦苇具有发达的根系，可以逐渐扩展植物净化污水的空间，因此硝酸盐氮的去除率持续增加。整个实验过程中，D3组菖蒲均保持较高的硝酸盐氮去除率，这是因为菖蒲能较快适应高浓度的硝酸盐氮，其对硝酸盐氮的适应性强于芦苇。组合工艺中，D6组芦苇+菖蒲的硝酸盐氮去除率最高，其次为D5组菖蒲+狐尾藻组合。2.2不同处理对氨氮的去除效果不同处理下，氨氮的去除效果见图2。从图2可以看出，各处理对氨氮的去除率均随实验时间的延长而增加，8个处理中D8组氨氮去除率最低，经过28d的处理，氨氮去除率从3%提高到23%，这主要源于水样的自净能力，水样中浮游植物的大量生长消耗了水中的氨氮。与D8组空白对照相比，其他处理的氨氮去除率有不同程度的提高，其中D4组、D5组、D6组氨氮去除率最高，7~28d的去除率分别为46%~95%、35%~85%、28%~81%。D1组、D2组、D3组、D7组氨氮去除率相对较低，7~28d的去除率分别为27%~50%、1%~48%、1%~66%、4%~64%。植物吸收、吸附和氨气挥发均可去除一定氨氮，但最有效的途径仍为硝化和反硝化作用。水生植物可通过通气组织将氧气从上部输送至根系，经释放和扩散，使根系周围呈现好氧微区，为硝化细菌提供良好的繁衍栖息场所并将氨氮转化成硝酸盐氮，从而降低水中的氨氮浓度。图2不同处理对氨氮的去除效果Fig.2Removalofammonianitrogenbydifferenttreatments单一植物处理中，D1组芦苇7d的氮去除率远高于D3组菖蒲，这与芦苇根系相对发达有关，而28d后D1组的氨氮去除率(50%)略低于D3组(66%)。组合处理中，D4组芦苇+狐尾藻组合对氨氮去除效果最佳，该组合在整个实验期间的氨氮去除率均高于其他处理。2.3不同处理对TN的去除效果不同处理下，TN的去除效果见图3。由图3可见，各个处理对TN的去除率均随实验时间的延长而增加。TN的去除主要为硝酸盐氮的去除，归因于氨的挥发作用及反硝化菌对硝酸盐氮的反硝化作用［17］。D8组空白对照的TN去除率最低，从第7天的17%上升到第28天的49%，其他处理由于植物的生长从而增强了TN的去除效果，但不同植物的生物量、根系生长状况不同，对TN去除效果也会有差距。图3不同处理对TN的去除效果Fig.3RemovalofTNbydifferenttreatments7个水生植物处理7-28d的TN去除率分别为D1组66%~79%,D2组54%~73%,D3组73%~77%,D4组46%~80%,D5组68%~79%,D6组37%~67%,D7组39%~75%。单一植物处理中，芦苇、菖蒲TN去除效果均较好，植物组合处理中，菖蒲+狐尾藻组合对TN去除效果最佳。2.4不同处理对TP的去除效果不同处理下，TP的去除效果见图4。由图4可见，各处理对TP的去除率均随实验时间的延长而增加，其中D3组、D4组、D6组TP去除率相对最高，在7~28d内去除率分别为72%~95%、12%~87%、55%~87%。D8组空白对照的TP去除率从第7天的8%上升到第28天的43%，这是因为水样中的微生物及悬浮物对TP具有一定的沉淀、固结、吸附作用。在水生植物的辅助下，各处理TP去除率均明显提高，这是因为植物根部环境为聚磷菌提供了良好的条件，水中可溶性磷酸盐经过根际微生物处理后被植物体吸收，颗粒型磷酸盐通过植物根系的过滤与植物的吸附作用被去除，正磷酸盐则是被聚磷菌吸收而去除，在植物和微生物协同作用下，促进水样中TP的有效去除。图4不同处理对TP的去除效果Fig.4RemovalofTPbydifferenttreatments整个实验过程中，D3组菖蒲的TP去除率一直维持在较高水平，这是因为菖蒲根部对TP的积累量最高，因此在实验初期即表现出较高的TP去除效果，实验后期TP去除率增幅逐渐减慢，这与实验后期植物本身对N、P需求量减少以及N、P在植物体内的再次分配有关［18］。组合处理中，D6组芦苇+菖蒲组合对TP去除效果最佳，TP去除率在各个时间段均高于其他组合，可能因为挺水植物根系比较发达、生物量相对较大，可以吸附大量的磷酸盐，最终使TP含量大大地降低。2.5不同处理对COD的去除效果不同处理下，COD的去除效果见图5。由图5可见，各处理对COD的去除率均随实验时间的延长而增加，8个处理在7~28d的COD去除率分别为D1组35%~56%,D2组47%~65%,D3组35%~54%,D4组30%~57%,D5组41%~60%,D6组35%~72%,D7组41%~60%,D8组24%~49%。D8组空白对照28d的COD去除率可达49%，这主要通过水样中厌氧微生物群的降解作用实现［19］。在水生植物作用下，COD的去除有明显提升，这是因为植物根区依附大量微生物，这些微生物在降解COD的过程中会随着植物根系的生长而形成以有机物为营养源的生物膜，增强其对有机物质的捕获能力与降解效率。因此，相比与微生物较少的空白对照组，种植水生植物的处理具有更大的COD去除优势。图5不同处理对COD的去除效果Fig.5RemovalofCODbydifferenttreatments单一植物处理中，D2组狐尾藻处理效果最佳，其次为D1组芦苇、D3组菖蒲。这与其他学者研究结论不同，周玥等［7］3353研究表明菖蒲对高、低浓度污水COD均有较高的去除效过，周雪等［20］认为穗状狐尾藻对COD的去除效果不佳，与其他水生植物相比，其在处理初期(7d)即表现出相明显的COD去除劣势。这些差异可能有两方面的原因造成：首先植物在不同生长期对有机物的分解能力不同；其次，COD的降解主要是由微生物活动而不是植物活动主导的。组合处理中，D6组芦苇+菖蒲处理效果最佳，可能与两种水生植物根系发达，根区微生物数量较多，更有利于根区的泌氧作用有关，因此COD的降解效果更好。2.6不同处理对BOD5的去除效果不同处理下，BOD5的去除效果见图6。由图6可见，D4组、D7组在实验过程中一直保持较高的BOD5去除效果，BOD5去除率分别为29%~57%、29%~49%。D5组、D6组、D8组BOD5去除率偏低，分别为8%~13%、6%-14%和1%~12%。图6不同处理对BOD5的去除效果Fig.6RemovalofBOD5bydifferenttreatmentsD8组空白对照BOD5的去除主要归因于水样自净作用。单一植物处理中D1组芦苇BOD5去除效果最佳，其次为D3组菖蒲，而组合工艺中，D4组芦苇+狐尾藻BOD5去除效果最佳。COD和BOD5均可以代表水体的有机物污染，然而单一植物和植物组合在对COD和BOD5的去除上却表明出明显的不同，D2组狐尾藻和D6组芦苇+菖蒲在COD去除中最优，而D1组芦苇和D4组芦苇+狐尾藻在BOD5去除中最优，可见水生植物及其组合对COD和BOD5的去除机制值仍需要更深入的研究。2.7水生植物生物量的变化不同处理下，各实验桶中植物的鲜重变化见表2。由表2可见，在28d处理过程中，各组植物的增重率分别为1.31%~225.91%。在单一植物处理中，3种植物增重率排序为：狐尾藻(46.96%)＞芦苇(27.72%)＞菖蒲(9.87%)，与刘燕等[15]147研究结果相同。植物组合处理中，D4组芦苇+狐尾藻中狐尾藻增重率最高，为225.91%，远大于单一狐尾藻的增重率46.96%，表明狐尾藻明显抑制芦苇的生长;D5组菖蒲+狐尾藻中狐尾藻增重率为33.06%，大于菖蒲增重率8.67%，但小于D4组芦苇+狐尾藻中狐尾藻的增重率225.91%，表明菖蒲+狐尾藻的组合中，菖蒲对狐尾藻的生长有一定的抑制作用；D5组菖蒲+狐尾藻、D6组芦苇+菖蒲中菖蒲的增重率分别为8.67%、7.66%，说明芦苇对菖蒲有一定的抑制作用。D7组芦苇+菖蒲+狐尾藻中狐尾藻的增重率为161.10%，远高于菖蒲增重率1.31%及狐尾藻增重率4.90%，且芦苇和菖蒲的增加率比其他组合的增加率要少，由此说明狐尾藻对这两种植物有抑制作用，狐尾藻在3种植物组合中是明显优势物种。表2各处理水生植物的生物量增加量Table2Theweightgrowthofthehydrophytesinthetreatments综合比较，3种水生植物中狐尾藻对氮源和磷源的需求明显不及菖蒲及芦苇，而对碳源的需求多于其他两种植物。虽然狐尾藻在处理过程中生长量增加多，但对污染物去除效率相对较差。此外，考虑到优势物种疯长引发大气碳源向水体的聚集及优势物种死亡后导致的耗氧生物质沉积，狐尾藻在富营养化水体的治理中应该谨慎使用。3结论各种植物及植物组合对富营养化水体中各类污染物的去除效率表现不同。总体看来，在单一植物处理中，菖蒲对氮、磷的去除效果明显优于芦苇和狐尾藻，在COD的去除上，狐尾藻则表现出一定的优势，芦苇对BOD5的去除效果最明显。在植物组合处理中，菖蒲+狐尾藻组合对氮、BOD5去除效果最佳，处理28d后，TN、BOD5去除率分别达80%、57%，芦苇+菖蒲组合对TP、COD去除效果优于其他组合，处理28d后，TP、COD去除率分别达87%、72%；从植物生长量变化上看，狐尾藻生物量增长较多，且对其他共生植物有明显抑制，是3种植物的明显优势物种。综合考虑植物净化效果及优势物种疯长引发的次生环境问题，认为菖蒲和芦苇可应用于富营养化水体中氮和磷去除，而狐尾藻则应谨慎使用。参考文献：【相关文献】孟庆瑞,崔心红，朱义，等.载氧化镁水生植物生物炭的特性表征及对水中磷的吸附[J].环境科学学报,2017,37(8):2960-2967.赵斌，卢少勇,罗杨阳，等.洱海缓冲带典型入湖溪流沉积物磷形态的分布特征[J].水土保持通报,2016,36(3):94-97,104.SEHARS,SUMERA,NAEEMS,etal.Acomparativestudyofmacrophytesinfluenceonwastewatertreatmentthroughsubsurfaceflowhybridconstructedwetland[J].EcologicalEngineering,2015,81:62-69.张芳,易能,张振华，等.不同类型水生植物对富营养化水体氮转化及环境因素的影响[J].江苏农业学报,2015,31(5):1045-1052.燕文明，麻林，向龙，等.沉积物-水界面中可交换态氮对不同菹草密度的响应[J].水资源保护,2016,32(2):119-122.赵原，王彦，汪涛，等.川中丘陵区高富集氮、磷沟渠植物的筛选[J].环境污染与防治,2015,37(10):12-16.周玥,韩玉国，张梦，等.4种不同生活型湿地植物对富营养化水体的净化效果[J].应用生态学报,2016,27(10).李源，闰浩，施媚，等.菹草与铜绿微