沉水植物对污水处理厂尾水水质净化效果研究

沉水植物对污水处理厂尾水水质净化效果研究

现在，进入湖泊的河流尤其是城市河流的富营养化是世界上最常见的环境问题之一。利用水生植物简单、高效、低代价的特点修复富营养化水体已得到国内外广泛共识,对其研究和应用也日益增多,并取得大量研究成果和实践经验。沉水植物在水生生态系统中发挥着重要的生态功能,吸收水体中的营养盐,减少水体中的营养盐再释放以及通过与藻类进行资源竞争,分泌化感物质抑制藻类生长繁殖。因此,富营养化水体中沉水植物的恢复与重建已成为环境领域和水生态学研究的重点内容之一。国内外多年来已经积累了一些利用沉水植物净化富营养化湖库和河道水体的研究,本研究在前人研究的基础上,选取滇池流域常见的五种沉水植物,室外模拟其在静态条件下对污水处理厂尾水的净化效果,为构建不同植物配置的综合型人工修复河道的净化系统包括植物筛选、底质构建等方面提供理论依据和数据支持。1材料和方法1.1非材料种的养殖本研究所选沉水植物包括浮叶眼子菜(Potamogetonnatans)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、马来眼子菜(Potamogetonmalaianus)、苦草(Vallisnerisspiralis)、菹草(PotamogetoncrispusLinn),均为滇池流域常见种类,实验前驯养10d。1.2不同种沉水植物对污水厂尾水的净化能力实验模拟装置设在昆明市第五污水处理厂内空地上的大棚内,沉水植物实验装置为ppc材料制作,长1200mm×宽1000mm×高1000mm,每个装置装底质(污水厂活性污泥和红壤混合物)17cm厚,分别种植90株单一沉水植物,然后向装置中加入污水厂尾水(一级A标)70L,比较研究在静态条件下不同种沉水植物对污水厂尾水的进一步净化能力。实验开始后,分别在处理时间第1、2、11、18、25、50d上午9:00-10:00现场测定水体的水下照度、透明度、DO,同时采集水样,在实验室尽快分析总氮、氨氮、总磷、COD;同时采集植物样以及底质,测定植物的生物学指标、叶片叶绿素a、b含量和底质的全氮、全磷和有机质(数据在另一论文中整理)。1.3最小显著性差异法lsd水体水质各项指标数据用3次重复的平均值,最小显著性差异法(LSD)进行比较。数据处理使用Excel2003,统计分析使用软件SPSS13.0。2结果与讨论2.1浮水植物对藻类的影响在实验初期各沉水植物生长良好,随着处理时间的延长,各沉水植物表现不尽相同,这可能与各种沉水植物的生长特性及其吸收营养物质能力的差异有关。比较五种沉水植物,苦草生长最好,马来眼子菜和金鱼藻其次,随着处理时间的延长,水体出现了不同程度的藻类,存在藻类与沉水植物的生长竞争。研究表明,苦草、金鱼藻具有一定的克藻作用,在苦草生长的地方,浮游生物、细菌和丝状藻的生物量显著降低;鲜启明等通过试验对4种沉水植物抑藻现象研究发现:金鱼藻、微齿眼子菜及苦草的种植水具有较强的克藻作用,尤以金鱼藻最显著;而伊乐藻几乎没有克藻作用。处理到20d左右,浮叶眼子菜叶片上开始出现坏死斑点,25d后坏死斑点逐渐扩大、增多,茎杆也出现斑点,35d后腐烂死亡。可见,植物修复富营养化水体的后期成熟植物的收割、资源化利用及运行管理显得尤为重要。2.2水体水质变化2.2.1不同处理水体率分布随着实验进行,各处理水体COD含量逐渐降低,至25d达到平衡(图1),各沉水植物对COD的去除率由高到低依次为:苦草>马来眼子菜>金鱼藻>浮叶眼子菜>菹草。从图1可见,随着处理时间的延长,水体COD先降低后升高再降低的趋势。至处理后期出现了藻类,水下照度和透明度降低,进而对植物光合作用产生影响,光照不足,导致叶绿色含量的降低,致使细胞活性下降,植物的腐败加剧,致使COD的含量持续上升。2.2.2浮叶眼子菜对氨氮的去除作用随着研究的进行,各水体总氮含量逐渐降低,至25d达到平衡(图2),各沉水植物对总氮的去除率由高到低依次为:金鱼藻>菹草>苦草>马来眼子菜>浮叶眼子菜。金鱼藻、菹草、苦草的DO水平较高,较高的DO促进了硝化作用的进行,进而通过反硝化作用将氮从水体中去除。浮叶眼子菜和马来眼子菜对总氮的去除率低于对照,这是由于这两种沉水植物在生长过程中,叶片腐烂现象严重,使其对氮去除作用小于释放。氨氮在实验前25d,表现出逐渐降低的趋势,之后除浮叶眼子菜外,各处理水体氨氮含量又有所增加(图3)。各沉水植物对氨氮的去除率类似于总氮,由高到低依次为:金鱼藻>菹草>马来眼子菜>苦草>浮叶眼子菜。研究表明水体中总氮的去除方式包括氨氮挥发、生物吸收、硝化反硝化、死生物量的沉降和淤泥层的积聚。对于本实验水体总氮去除的主要方式则为沉水植物吸收、氨氮挥发和硝化反硝化作用。沉水植物根系及茎叶均能够直接吸收水体中的氮。本研究表明,沉水植物对氮直接吸收的最大量仅占水体总氮的1.23%。所以,沉水植物的直接吸收对水体氮的去除贡献比较微弱。沉水植物对氮的去除过程中,细菌的降解作用占主导地位,氧化塘内平均DO含量达到6mg/L足以维持硝化作用的进行。本实验水体的最高DO可达17.2mg/L,因此较强的氧化环境有助于硝化作用的进行,硝化作用产生的硝氮进而通过反硝化作用产生的N2或N2O而去除。另外,沉水植物在生长过程中会出现不同程度的腐烂分解,若沉水植物分解严重,将增加水体的氮磷含量,影响对氮磷的去除率。因此,本实验中有少量螺出现的种植金鱼藻的水体对氮的去除效果最好。2.2.3对总磷的去除随着时间的延长,水体中的总磷先升高,至18d达到最高值,之后有降低,到25d达到平衡,在第50d水体的总磷含量又有所升高(图4),这是由于沉水植物老叶脱落、腐烂分解,且出现断枝所致。各沉水植物对总磷的去除率由高到低依次为:马来眼子菜>金鱼藻>苦草>菹草>浮叶眼子菜。研究表明,水体的强氧化性有利于磷的化学沉淀及沉降吸附。种植马来眼子菜、苦草和金鱼藻水体的DO水平较高,因此对总磷的去除率最高。研究表明,总磷主要通过化学沉淀、藻类细菌的合成代谢、水生植物的吸收去除,微生物同化作用对TP的去除率为50%~60%,植物吸收为1%~3%,其余为物理作用、化学吸附和沉淀作用。因此,在开始阶段,底质中的含磷化合物或有机物不断释放出。可能由于水体中溶氧较少,好氧微生物作用受抑制,水生植物对磷的去除率低,所以水体中的磷含量一直上升。在天然富营养化条件下,磷元素多因其易于沉积而成为浮游植物生长的限制因子,也成为难以去除的营养物质。水生植物对去除磷素发挥重要作用,一方面水生植物通过同化作用去除磷,即通过植物根系吸收可溶性活性磷(SRP),合成核酸、核苷酸、磷脂及糖磷酸酯等植物细胞组成;另一方面,水生植物表面为聚磷菌等微生物提供附着空间。沉水植物的茎、叶和表皮都与根一样具有吸收作用,且皮层细胞含有叶绿素,有进行光合作用的功能。这种结构对水体中不同污染物,尤其是氮、磷等具有良好的吸收作用。本研究表明,在处理第25天,生长状况较好的马来眼子菜、金鱼藻和苦草对总磷的去除率较高,这可能是通过茎、叶和表皮的吸收。2.2.4苦草对水体空间的影响光照是影响植物生长的重要环境因子之一,它为植物进行光合作用提供能源,控制植物的生存、生长和分布。沉水植物的生存依赖于水环境中的光因子。从图5可见,随着水下深度的增加,水下照度降低;随着处理时间的延长,水下照度也呈下降趋势。表面照度变化率由高至今依次为:浮叶眼子菜>金鱼藻>菹草>马来眼子菜>苦草;水下60cm处水下照度变由高至今依次为:苦草>菹草>浮叶眼子菜>马来眼子菜>金鱼藻,总体来说,种植苦草的水体水质较好,即苦草对于水体水质的净化能力最强,水体透明度最好。苦草能减少水体中的正磷酸盐、溶解有机碳和总的悬浮物,增加水体透明度。在处理第10天水质均较好,各层的透光率较高;第25、50天与第10天相比各水层的透光率均显著下降。光照不足会影响植物的生长,甚至导致植物的死亡,进而对水质产生影响。由植物叶绿素a/b的比值来看,苦草为阴性植物,而其他均为阳性植物,除苦草能在弱光下生长,其他植物生长所需的光照较强。沉水植物水体水下照度直接影响沉水植物的光合作用,通过光合作用消耗水体中CO2,甚至HCO3-游离出的CO2,而沉水植物及细菌的呼吸作用所释放的CO2相比其消耗量甚微,因此水体中的部分氨氮会以气态形式脱离水体。3选择种植沉水植物滇池流域常见的5种沉水植物均有一定能力去除水体中总磷、总氮、氨氮、COD,随着处理时间的延长,水体中的多项水质指标在不同程度上达到平衡,可能是由于在处理后期沉水植物叶片的腐烂分解提高了水体氮磷和COD的含量,因此沉水植物修复富营养化水体时对其的收割管理等显得尤为重要,可见通过沉水植物修复污染水体具有一定的有限性。综合水体水质、沉水植物的多个指标,苦草、金鱼藻和马来眼子菜在各方面表现能力均较强,可作为滇池流域河道水体修复优先选用的物种。根据本研究结果,以污水厂活性污泥和红壤混合物作为底质,除苦草和马来眼子菜外,在静态条件下单一种沉水植物在污水厂尾水中很难存活下来,作为构建富营养化水体修复方案还需进一步研究。具体结论如下:(1)随着实验进行,各水体COD含量逐渐降低,至25d达到平衡,各沉水植物对COD的去除率由高到低依次为:苦草>马来眼子菜>金鱼藻>浮叶眼子菜>菹草。(2)随着研究的进行,各水体总氮含量逐渐降低,至25d达到平衡,各沉水植物对总氮的去除率由高到低依次为:金鱼藻>菹草>苦草>马来眼子菜>浮叶眼子菜。(3)随着时间的延长,水体中的总磷先升高,至18d达到最高值,之后有降低,在第50d水体的总磷含量又有所升高,各沉水植物对总磷的去除率由高到低依次为:马来眼子菜>金鱼藻>苦草>菹草>浮叶眼子菜。(4)随着水下深度的增加,水下照度