巨紫根水葫蘆在不同污染程度水體中的凈化效果

段金程，張毅敏，晁建穎，楊 陽，周 創(chuàng)

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇南京 210042;2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州 213164)

國內(nèi)外近幾十年的研究發(fā)現(xiàn)，濕/水生植物具有實(shí)現(xiàn)污染水體的原位修復(fù)、凈化效果佳、造價低、景觀和生態(tài)效益好等優(yōu)點(diǎn)，因此吸引了大量專家學(xué)者的關(guān)注［1-6］。其中，鳳眼蓮(Eichhornia crassipes，俗稱水葫蘆)是研究較早的水生植物［7-9］。水葫蘆是生長最快的水生植物之一，這一特性造就了它超強(qiáng)的水質(zhì)凈化本領(lǐng)，但同時也帶來了生態(tài)災(zāi)難。

為保留水葫蘆超強(qiáng)的凈化能力并克服水葫蘆因瘋長而造成的危害，云南省生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所運(yùn)用基因表型誘導(dǎo)控制技術(shù)(GPIT)對普通水葫蘆進(jìn)行誘導(dǎo)，培育出了1 種巨紫根水葫蘆，該水葫蘆柄葉短小根系發(fā)達(dá)，根長最長可達(dá)150 cm，并研究了其分泌的化感物質(zhì)的抑藻作用［10］。筆者對這種水葫蘆進(jìn)行實(shí)驗室中試實(shí)驗和野外現(xiàn)場工程研究，探討其在不同污染程度水體中的水質(zhì)凈化效果。

1 試驗材料與方法

1.1 供試植物、水箱及試驗用水

選用植物為云南省生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所培育的巨紫根水葫蘆;實(shí)驗室中試水箱尺寸為70 cm ×50 cm ×40 cm、容積為120 L。

試驗用水采用常州大學(xué)科教城內(nèi)湖水和自來水(提前3 d 進(jìn)行露天曝曬除氯)以1∶ 1 的比例配置后，以劣Ⅴ類湖水、滆湖入湖河流(扁擔(dān)河和夏溪河)河水、漕橋河支流廟尖浜污染嚴(yán)重月份(2010—2011 年)的水質(zhì)濃度為標(biāo)準(zhǔn)(參考數(shù)據(jù)來源于實(shí)驗人員長達(dá)2 ～3 a 的不間斷監(jiān)測)分別加入一定量的葡萄糖、磷酸二氫鉀、硝酸鉀、氯化銨等配制成低、中、高3 種不同營養(yǎng)鹽濃度的試驗用水(加入葡萄糖僅是提供碳源，CODMn并不作為研究指標(biāo))，水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同濃度水樣中的水質(zhì)指標(biāo) mg/L

1.2 試驗方法

將選用植物放在裝有新鮮湖水(常州科教城內(nèi)湖)的水箱中，在室外自然條件下進(jìn)行培養(yǎng)馴化7 d后備用。

試驗開始時，取已清洗晾干、編號的水箱，并按編號向水箱中加入80 L(水深35 cm)配好的試驗用水;挑選生長狀況良好、大小相近的巨紫根水葫蘆，經(jīng)蒸餾水清洗干凈后(未傷其葉子和根系)用濾紙吸干水分并稱取800 g(4 棵)，分別放置于已加好試驗用水的對應(yīng)水箱中，每種濃度設(shè)3 個平行試驗和不放植物的空白對照。所有試驗水箱均放在室外光照良好的地方，避免雨淋，如圖1 所示。

圖1 試驗裝置圖

試驗時間為2011 年7 月23—8 月10 日，共21 d，每3 d 采樣1 次，取樣量為500 mL，氣溫在28.0 ～32.5℃，適合植物生長。水箱中蒸發(fā)的水每天用蒸餾水及時補(bǔ)充。

1.3 野外現(xiàn)場工程

由無錫智者水生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程有限公司在現(xiàn)場工程區(qū)滆湖上游湖灣處投放1.8 hm2左右巨紫根水葫蘆，采樣點(diǎn)分別布置在試驗區(qū)內(nèi)和攔網(wǎng)外，采樣頻率為15 d 一次，采樣時間為2011 年8 月15 日—11 月30 日。

圖2 野外現(xiàn)場工程圖

1.4 測定指標(biāo)和數(shù)據(jù)處理

測定指標(biāo):TN、NH3-N 和TP，Chl-a。測試方法:TN 采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、NH3-N 濃度采用納氏試劑比色法、TP 濃度采用鉬銻抗比色法、Chl-a 濃度采用丙酮提取法測定等。

綜合各方面因素,兩種方案比較,方案2較理想，采用變頻發(fā)電技術(shù)，使江都三站電機(jī)效率得以提高,同時有利于長期抽水運(yùn)行，也可減小電機(jī)體積和重量，節(jié)約投資。

對于所有試驗數(shù)據(jù)采用t 檢驗進(jìn)行組內(nèi)數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗，并將差異顯著的數(shù)據(jù)剔除，之后用Origin 進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生長情況分析

根據(jù)文獻(xiàn)［10］，經(jīng)過基因誘導(dǎo)后的巨紫根水葫蘆柄葉生長慢，根較長，所以只對其進(jìn)行試驗前、后的株高、根長測量和整體稱重。試驗后的水樣測定用3 層濕紗布過濾，通過減量法確定水葫蘆根脫落重量，試驗前水樣也經(jīng)過3層濕紗布過濾后沒有大顆粒懸浮物質(zhì)，記為0.0 g;分蘗數(shù)指3 個平行樣中共計16 棵水葫蘆中的分蘗總數(shù)。具體結(jié)果如表2。由表2 可知，巨紫根水葫蘆在高濃度水樣中生長最快，中濃度水樣中次之，低濃度水樣中最慢，并且根系部分生長速度均明顯快于莖葉部分。這也驗證了巨紫根水葫蘆不會瘋長，在污染控制和水體修復(fù)中不會造成河道的堵塞和湖面被大面積覆蓋，但較多的巨紫根水葫蘆根系脫落是個比較嚴(yán)重的問題，會直接影響水體的透明度和植物對水體的整體凈化效果。

表2 試驗前后植物生長狀況

2.2 實(shí)驗室水質(zhì)凈化效果與分析

2.2.1 對TN 的去除效果與分析

從圖3(a)中可知，在試驗的前9 d，試驗組低濃度水樣中，TN 質(zhì)量濃度迅速下降，最低下降至(2.29±0.34)mg/L，之后開始升高，第15 天后出現(xiàn)了高于空白對照組低濃度水樣中TN 質(zhì)量濃度的情況;試驗組中濃度水樣中，在試驗的前9 d，TN 質(zhì)量濃度迅速下降，之后下降趨勢緩慢，第12 天時降至最低值(4.06 ±0.01)mg/L，之后開始上升，并在第15天后也出現(xiàn)了TN 質(zhì)量濃度高于對應(yīng)空白對照組中濃度水樣的狀況;試驗組高濃度水樣中，TN 質(zhì)量濃度則在實(shí)驗的前12 d 迅速下降，在第12 天時降至(9.03 ±0.37)mg/L，之后開始升高，最終TN 質(zhì)量濃度雖低于空白對照組中、高濃度水樣，但中間出現(xiàn)了很長時間較明顯的增長趨勢，甚至也出現(xiàn)了超過空白對照組高濃度水樣中TN 質(zhì)量濃度的情況。

此外，根據(jù)圖中TN 質(zhì)量濃度的下降趨勢可以很明顯地判斷出:巨紫根水葫蘆對低濃度含氮污水凈化效果最好，中、高濃度的含氮污水凈化效果相對較低，但試驗結(jié)束后3 組不同濃度污水的水質(zhì)仍為劣Ⅴ類。

對于試驗組低、中、高濃度樣本中的TN 質(zhì)量濃度明顯高于空白對照組中的情況，應(yīng)與巨紫根水葫蘆本身的特性有關(guān):其根系代謝快，其增長速度明顯高于莖葉部分，但是強(qiáng)度不夠，死根、老根容易脫落而被微生物分解(實(shí)驗反駁了有關(guān)資料顯示的巨紫根水葫蘆根系可長達(dá)1 a 不腐爛、不發(fā)臭的觀點(diǎn))。所以，巨紫根水葫蘆在水中的停留時間最好控制在15 d 左右，以確保有較高的去除率和防止長時間的停留造成根系的脫落、腐敗而出現(xiàn)氮濃度升高，造成二次污染。

2.2.2 對NH3-N 的去除效果與分析

試驗水體中NH3-N 的去除主要是通過根系微生物的硝化和反硝化作用、植物根系的吸收［11］;NH3-N 的濃度增加則主要是微生物對脫落根系的分解作用。

對圖3(b)分析可知，試驗組低、中、高濃度樣本中從試驗開始到第6 天，NH3-N 質(zhì)量濃度均迅速下降，并分別降至(0.15 ±0.11)mg/L、(0.05 ±0.00)mg/L 和(0.08 ±0.01)mg/L，之后緩慢的下降(低濃度水樣)或上升(中、高濃度水樣)，由于在第9 天后氣溫相對較高(32℃左右)使水體中的NH3-N 揮發(fā)較快造成空白對照組中的NH3-N 質(zhì)量濃度也迅速降低，最終試驗組和空白對照組中的NH3-N 質(zhì)量濃度相差無幾。

圖3 不同水樣中TN、NH3-N 質(zhì)量濃度的變化

通過對試驗組低、中、高濃度水樣的對比分析可知，巨紫根水葫蘆對污水中的NH3-N 具有較高的去除效果，6 d 左右即可使3 種不同濃度污水中的NH3-N 質(zhì)量濃度下降至0.10 mg/L 以下，達(dá)到了GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(僅指NH3-N 項)。

2.2.3 對TP 的去除效果與分析

試驗組中不同濃度TP 的變化趨勢如圖4 所示。

圖4 不同濃度水樣中TP 質(zhì)量濃度的變化

由圖4 可知，試驗組低濃度水樣中，在巨根水葫蘆的作用下TP 質(zhì)量濃度逐漸降低，在第15 天時達(dá)到最低值(0.02 ±0.03)mg/L，之后開始上升，最終超過了空白對照組低濃度水樣中TP 的質(zhì)量濃度;試驗組中濃度水樣中，TP 質(zhì)量濃度在前3 天迅速下降，達(dá)到(0.19 ±0.09)mg/L 后開始緩慢下降，在第18 天時達(dá)到了最低值90.05 ±0.04)mg/L，之后也開始出現(xiàn)緩慢增長，但最終仍低于空白對照組中濃度水樣中TP 的質(zhì)量濃度;試驗組高濃度水樣中，TP質(zhì)量濃度在前3 天也迅速下降，當(dāng)降至(1.06 ±0.05)mg/L 時開始緩慢下降，在第21 天時降至實(shí)驗周期內(nèi)的最低值(0.54 ±0.02)mg/L。

由此可以分析出，巨紫根水葫蘆對不同濃度的含磷水體均具有較高的凈化效果，并且TP 質(zhì)量濃度在0.65 mg/L 以下時經(jīng)過18 d 左右即可達(dá)到0.05 mg/L，達(dá)到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。不過，由于巨紫根水葫蘆在水體中停留時間過長，在試驗結(jié)束時水中TP 質(zhì)量濃度分別為(0.16 ±0.08)mg/L(低濃度組)和(0.11 ±0.06)mg/L(中濃度組)，使水質(zhì)下降了1 個等級。

因此，巨紫根水葫蘆在水體中(ρ(TP)=0.65 mg/L 左右)的停留時間控制在18 d 左右為佳，以防止根系脫落、腐敗造成二次污染，對其在高濃度含磷水體中的生長時間可以適當(dāng)延長。

2.3 野外現(xiàn)場工程中水質(zhì)凈化效果與分析

一般而言，受氣溫、風(fēng)力、降水、水體擾動等影響因素，實(shí)際工程的巨紫根水葫蘆種植試驗和實(shí)驗室試驗往往有很大差別，為了研究巨紫根水葫蘆在真實(shí)水體中的實(shí)際效果，特對野外現(xiàn)場工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 野外現(xiàn)場工程試驗區(qū)TN、NH3-N、TP、Chl-a 的質(zhì)量濃度變化及去除率

從圖5(a)中可知，巨紫根水葫蘆在水體中投放一段時間后，水體中的TN 質(zhì)量濃度開始下降，從去除率中也可以看出，剛投放初期對TN 去除率較高(20%左右)，之后開始下降，甚至在9 月15 日至10月15 日間出現(xiàn)了試驗區(qū)內(nèi)高于區(qū)外的情況，并持續(xù)到10 月15 日，隨后則一直處于一個較高的去除率，最高為26.25%。這應(yīng)與氣候、水文條件和植物本身有關(guān)，8—9 月南方氣溫相對較高，適合植物生長，巨紫根水葫蘆投放后出現(xiàn)了對TN 短暫的高去除率，之后因為植物老根的脫落、腐敗以及風(fēng)浪的擾動使水體中的TN 濃度在一段時間出現(xiàn)試驗區(qū)內(nèi)高于試驗區(qū)外的情況，最后階段雖然水體中TN 濃度升高，但由于植物本身生長的需要，試驗區(qū)內(nèi)水體中的TN 濃度又開始低于試驗區(qū)外。整體來說，試驗區(qū)內(nèi)的TN 濃度控制在1.61 ～3.78 mg/L，和試驗區(qū)外的1.95 ～4.02 mg/L 相差不多，對水體中TN 濃度的控制效果不是很明顯。

對圖5(b)分析可知，在巨紫根水葫蘆投放后，試驗區(qū)內(nèi)的NH3-N 濃度高于試驗區(qū)外(8 月15 日試驗區(qū)內(nèi)ρ(NH3-N)=0.45 mg/L，試驗區(qū)外為0.15 mg/L)，之后波動變化，大小關(guān)系不斷改變，正負(fù)去除率交替出現(xiàn)，最高為97.52%(試驗區(qū)外ρ(NH3-N)=0.70 mg/L，試驗區(qū)內(nèi)僅為0.02 mg/L)，但之后試驗區(qū)內(nèi)NH3-N 質(zhì)量濃度一直高于區(qū)外(在11 月30 日試驗區(qū)外ρ(NH3-N)=0.45 mg/L，試驗區(qū)內(nèi)則高達(dá)7.64 mg/L，是試驗區(qū)外NH3-N 質(zhì)量濃度的17 倍)。對于剛投放后巨紫根水葫蘆后出現(xiàn)試驗區(qū)內(nèi)水體NH3-N 濃度高于試驗區(qū)外的情況，研究人員認(rèn)為應(yīng)是在運(yùn)輸過程中死亡根系在高溫天氣中急速腐敗分解，并且植物根系本身容易吸附一些物質(zhì)，高溫也促使其分解，最后在投放入水體后因外源NH3-N 質(zhì)量濃度的添加造成了短時間內(nèi)試驗區(qū)內(nèi)NH3-N 質(zhì)量濃度高于區(qū)外的情況。之后波動變化的原因和對圖5(a)的分析相同，對于最后11 月30 日出現(xiàn)的試驗區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)高于區(qū)外的質(zhì)量濃度變化情況，其原因應(yīng)該為隨著季節(jié)的變化氣溫下降，巨紫根水葫蘆開始大量枯萎、死亡，而死后的植株又被水體中的微生物分解而釋放出大量的氨氮物質(zhì)。

由圖5(c)可知，試驗區(qū)內(nèi)部和外部水體中TP濃度的變化趨勢和相對應(yīng)的時間與TN 的濃度變化的基本一致，但對TP 的去除效果非常明顯，最高可達(dá)75.29%(11 月30 日試驗區(qū)外ρ(TP)=1.31 mg/L，試驗區(qū)內(nèi)ρ(TP)=0.32 mg/L)，并且試驗區(qū)內(nèi)TP 質(zhì)量濃度控制在0.13 ～0.32 mg/L 內(nèi)，遠(yuǎn)低于試驗區(qū)外0.15 ～1.31 mg/L 的水平。

對于藻類抑制效果，從圖5(d)中可知，8 月15日至10 月15 日試驗區(qū)內(nèi)葉綠素a 濃度和外部相差不多，沒有表現(xiàn)出很明顯的抑制效果;10 月15 日之后，總體上則是試驗區(qū)內(nèi)葉綠素a 濃度高于試驗區(qū)外的現(xiàn)象。此外，由分析可知，藻類抑制率整體較低，最高只有24.05%，后期由于植物的死亡、分解甚至促進(jìn)了藻類的生長(11 月30 日試驗區(qū)外ρ(Chl-a)= 29.68 mg/m3，試驗區(qū)內(nèi)ρ(Chl-a)=116.27 mg/m3)，但整體上試驗區(qū)內(nèi)外的Chl-a 的質(zhì)量濃度相差不多(試驗區(qū)內(nèi):ρ(Chl-a)=15.09 ～146.30 mg/m3，試驗區(qū)外:ρ (Chl-a)= 15.19 ～138.52 mg/m3)。

由此可知，整體上巨紫根水葫蘆在富營養(yǎng)化水體中除氮和抑藻的效果一般，并且1 a 中可用于水體凈化的時間不長，故建議其在富營養(yǎng)化水體應(yīng)用時要控制好時間和面積，且避免單獨(dú)應(yīng)用。

3 結(jié) 語

a. 巨紫根水葫蘆根部生長速度明顯高于莖葉部分，分蘗速度慢，不會瘋長，但有比較嚴(yán)重的根系脫落問題，不利于水體中氮磷物質(zhì)的真正去除。

b. 實(shí)驗室中試中，巨紫根水葫蘆對不同濃度的NH3-N 污水凈化效果均較好，并在其生長6 d 左右即可使NH3-N 質(zhì)量濃度降至0.10 mg/L 以下;對磷的去除效果也較好，中、低濃度試驗組在實(shí)驗結(jié)束時分別為ρ(NH3-N)=(0.16 ±0.08)mg/L 和(0.11 ±0.06)mg/L。

c. 野外現(xiàn)場工程的數(shù)據(jù)顯示，巨紫根水葫蘆對水體中的TN、NH3-N 和藍(lán)藻的去除效果較小;對TP控制效果明顯，試驗期內(nèi)試驗區(qū)內(nèi)、外的TP 質(zhì)量濃度分別為0.13 ～0.31 mg/L 和0.15 ～1.31 mg/L。

d. 巨紫根水葫蘆在靜態(tài)水體或低濃度動態(tài)水體中的最佳停留時間為15 ～18 d，但考慮到運(yùn)輸、人工等成本，控制在1 個月內(nèi)為宜。此外，由于巨紫根水葫蘆是很好的產(chǎn)沼氣料、飼料、肥料和纖維板制作原料等［12-14］，如在應(yīng)用時將這些因素考慮進(jìn)去，不僅能實(shí)現(xiàn)控制和修復(fù)水體污染，彌補(bǔ)巨紫根水葫蘆應(yīng)用時間短的缺陷，也能實(shí)現(xiàn)巨紫根水葫蘆的資源化利用，解決二次污染的問題。

［1］方云英，楊肖娥，常會慶，等.利用水生植物原位修復(fù)污染水體［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2008，19(2):407-412.(FANG Yunying，YANG Xiaoe，CHANG Huiqing，et al.In-situ remediation of polluted water body by planting hydrophytes［J］. Chinese Journal of Applied Ecology，2008，19(2):407-412.(in Chinese))

［2］KONNERUPA D，KOOTTATEPB T，BRIXA H.Treatment of domestic wastewater in tropical，subsurface flow constructed wetlands planted with Canna and Heliconia［J］.Ecological Engineering，2009，35(2):248-257.

［3］CUI Lihua，YING Ouyang，QIAN Lou，et al. Removal of nutrients from wastewater with Canna Indica L. under different vertical-flow constructed wetland conditions［J］.Ecological Engineering，2010，36(6):1083-1088.

［4］HU Guangji，MIN Zhou，HOU Haobo，et al.An ecological floating-bed made from dredged lake sludge for purification of eutrophic water ［J］. Ecological Engineering，2010，36(10):1448-1458.

［5］GUSTAVO G，HENRY S，MONTEIRO A F C.Efficiency of aquatic macrophytes to treat Nile tilapia pond effluents［J］.Sci Agric，2006，63(5):433-438.

［6］周曉紅，王國祥，馮冰冰，等.3 種景觀植物對城市河道污染水體的凈化效果［J］. 環(huán)境科學(xué)研究，2009，22(1):108-113. (ZHOU Xiaohong，WANG Guoxiang，F(xiàn)ENG Bingbing，et al. Purification effect of nitrogen and phosphorus in polluted water of urban rivers by three landscape plants ［J］. Research of Environmental Sciences，2009，22(1):108-113.(in Chinese))

［7］GIRALDO E，GARZóN A. The potential for water hyacinth to improve the quality of Bogota River water in the Mu?a Reservoir:comparison with the performance of waste stabilization ponds ［J］. Water Science and Technology，2002，45(1):103 -110.

［8］MATHIAS E，MICHAEL W H，EVANGELOU A S.Cyanide phytoremediation by water hyacinths (Eichhornia crassipes)［J］.Chemosphere，2007，66(5):816-823.

［9］胡綿好，袁菊紅，常會慶，等.鳳眼蓮-固定化氮循環(huán)細(xì)菌聯(lián)合作用對富營養(yǎng)化水體原位修復(fù)的研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2009，3(12):2163-2169. (HU Mianhao，YUAN Juhong，CHANG Huiqing，et al.In situ remediation of eutrophic water bodies by the combination of water hyacinth and immobilized nitrogen cycle bacteria ［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2009，3(12):2163-2169.(in Chinese))

［10］張憲中，孫梅，張維娜，等.2 種水葫蘆-微生物系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果的比較［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(8):4645-4648. (ZHANG Xianzhong，SUN Mei，ZHANG Weina，et al.Comparison of the water purification effect of two kinds of water hyacinth-on microbial system ［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2011，39(8):4645-4648.(in Chinese))

［11］李欲如，陳娟.浮床植物對不同污染程度水體中氮、磷的去除效果［J］. 水資源保護(hù)，2011，27(1):58-62. (LI Yuru，CHEN Juan.Removal effect of floating-bed plants on nitrogen and phosphorus in wastewater with different concentrations［J］. Water Resources Protection，2011，27(1):58-62.(in Chinese))

［12］任東華，高蓓蕾，沈建康. 水葫蘆在太湖流域的應(yīng)用［J］.中國資源綜合利用，2011，29(7):59-61. (REN Donghua，GAO Beilei，SHEN Jiankang. The application of water hyacinth in taihu lake basin［J］. China Resources Comprehensive Utilization，2011，29 (7):59-61. (in Chinese))

［13］蔣偉軍，顏幼平，李萍.水葫蘆資源化利用綜述［J］.水資源保護(hù)，2010，26(6):79-81. (JIANG Weijun，YAN Youping，LI Ping. Progress in resources utilization of eichharnia crassipes ［J］. Water Resources Protection，2010，26(6):79-81.(in Chinese))

［14］盛婧，劉紅江，陳留根，等.農(nóng)田施用水葫蘆對水稻磷素吸收利用的影響［J］. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2011，17(6):803-808. (SHENG Jing，LIU Hongjiang，CHEN Liugen，et al. Effect of hyacinth mulching on uptake and utilization of phosphorus by rice plant (Oryza sativa L.)［J］. Chinese Journal of Applied ＆ Environmental Biology，2011，17(6):803-808.(in Chinese))