不同水生植物對水體中氮磷吸收去除效果的試驗

蘇小東，李 艷，原金海，賈 云

(1.重慶科技學院化學化工學院，重慶 401331;2.西藏自治區水文水資源勘測局，西藏拉薩 850000)

隨著人民生活水平的提高，小城鎮氮磷含量較高的生活污水排放量逐年增加，因此需要采取有力的措施凈化受污染水體。目前，國內外利用水生植物凈化生活污水的研究已取得了一些成果，并證實利用水生植物既能治理水體污染，又能避免二次污染［1-5］。研究溫和氣溫生長的水生植物凈化水體的研究較多，而對于在極端氣溫下水生植物凈化水體的研究則較少。另外在極端氣溫時水生植物會枯萎甚至死亡，不僅不能凈化水體，反而會產生新的污染。三峽庫區上游重慶地區在夏季氣溫比較高，因此需要篩選適應當地氣候條件且在極端氣溫下也能高效脫氮除磷的水生植物，從而建立一個完整的凈化生活污水的水生植物體系，避免因極端氣溫導致水體水質出現明顯波動。

利用實驗室人工模擬三峽庫區氣候條件，對狐尾藻、水蘊草、輪葉黑藻、長葉久冠和銅線草等5種水生植物在污水中去除總氮(TN)和總磷(TP)的效果進行了系統研究，分析了它們對水體中氮磷的去除效果差異，從中比選出能適應三峽庫區山地集鎮氣候條件并能高效凈化水質的水生植物。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

狐尾藻、水蘊草、輪葉黑藻、長葉久冠和銅線草均采自重慶地區的河流和池塘中。

1.2 試驗測定方法

為了避免微生物對水體中的氮磷去除效果的影響，本試驗所用水體均采用高溫滅菌，使用滅菌水對植物進行清洗。

檢測的水質指標及其方法:TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定;TP采用鑰銻抗分光光度法測定［6］。每個指標重復測定3次，取平均值作為測試結果。

植物選取及質量稱量:選取健壯植株，清洗并去除腐根爛葉，用濾紙吸去植物表面的水分，生長于模擬水體中的植物移出水體，用濾紙吸干水分后于天平上稱取精確到0.1 g，不同時間不同植物的質量如表1所示。試驗溫度為35～42℃。

表1 試驗周期中植物的質量變化Tab.1 Weight of Plants during Experimental Period

2 試驗結果與討論

2.1 不同水生植物對總氮的去除效果

5種水生植物分別在試驗系統中生長一定時間后進行測定，結果如圖1所示。由圖1可知銅線草、水蘊草、輪葉黑藻、長葉久冠和狐尾藻對總氮的去除率分別為48%、69%、62%、49%和62%。當生長時間進一步延長達到24 d時，水生植物對總氮的去除率幾乎能達到90%，其值分別達到95%、95%、92%、88%和96.70%。由此可知除氮能力大小順序為水蘊草＞狐尾藻＞輪葉黑藻＞銅線草＞長葉久冠。

圖1 5種水生植物12和24 d的總氮去除率Fig.1 Removal Rates of Total Nitrogen of 5 Hydrophytes in 12 Days and 24 Days

同時試驗了低濃度氮含量的條件下對氮的去除率，試驗結果如圖2所示。由圖2可知對低濃度氮去除能力的順序為狐尾藻＞銅線草＞水蘊草＞輪葉黑藻＞長葉久冠。在生態系統中，TN主要源于原水中的有機物和系統內部生長的微生物及其釋放產物。TN包括NH3-N和NO3-N，主要通過揮發、生物硝化/反硝化、生物同化吸收3種機制去除，水生植物和微生物都可以作為硝化菌的有效載體，促進水體中硝化作用的增長［7］。研究發現水體中總氮的去除率與植物質量之間呈線性關系，其中狐尾藻重量與水體中總氮的去除率之間的相關系數達到0.958，水蘊草和輪葉黑藻也能達到0.9左右，且在移栽初期也有很好的相關性，說明這3種水生植物的適應性非常好。而長葉久冠在移栽初期呈現負增長，這是由于在移栽初期根部的葉片枯萎死去，在稱量時是去除死葉稱量所得質量，這說明其適應性相對較差，但適應6 d后其植物質量與水體中的總氮去除率呈正相關關系，其相關系數可達0.998。而銅線草雖然在吸收生成，但是其與總氮的去除率無正相關關系。這說明在該試驗條件下，在微生物含量較小的情況下，水體中總氮的去除主要依靠生物同化吸收，其吸收效果與生長速度呈正相關關系(如圖3所示)。綜上，幾種水生植物對水體中總氮的去除效果由大到小的順序為水蘊草＞狐尾藻＞輪葉黑藻＞銅線草＞長葉久冠。銅線草對高溫天氣的適應性相對較差，而水蘊草的適應性最好，狐尾藻的適應性也較好且在低氮濃度下對氮的吸收也是最好的。

圖2 5種植物低濃度氮水體中總氮的12 d去除率Fig.2 Removal Rates of Total Nitrogen of 5 Hydrophytes Containing Low Concentration of Nitrogen in 12 Days

圖3 總氮去除率與植物體質量的相關性Fig.3 Correlation between Removal Rate of Total Nitrogen and Weight of Hydrophytes

2.2 不同水生植物對總磷的去除效果

水體中總磷(TP)主要通過化學沉淀、藻類細菌的合成代謝和水生植物的吸收3種方式去除［8］。采用合成水體，植物體洗凈后植于水體中，避免化學沉淀和藻類細菌的合成代謝對磷的去除作用，然后篩選出對磷有好的吸收作用的植物。由圖4可知植物生長12 d對總磷的去除效果由大到小的順序為狐尾藻=水蘊草＞輪葉黑藻＞長葉久冠＞銅線草，而植物生長24 d對總磷的去除率均大于60%，去除效果的順序為狐尾藻＞長葉久冠＞水蘊草＞輪葉黑藻＞銅線草，其中狐尾藻對TP的去除率最大，其值能達到90%以上。研究中發現選取的5種水生植物對低濃度磷的12 d去除率均能達到50%以上(如圖5所示)，其中狐尾藻和長葉久冠對低濃度磷的12 d去除率能達到80%以上。對植物的生長過程進行了追蹤，發現水體中總磷的去除效果和植物的生長速度有直接的正相關關系，其中狐尾藻和輪葉黑藻對總磷的去除效果和植物質量的相關系數達到0.9以上(如圖6所示)。這也表明在該試驗條件下植物的生長吸收是總磷去除的主要方式。同時從圖中總磷的去除率變化和植物生長情況發現狐尾藻、水蘊草和輪葉黑藻對環境的適應性更快更好，長葉久冠適應性相對較弱。在移栽初期根部的葉片枯萎死去，去除死葉后稱量，結果使得生長前期磷的去除率與植物質量相關性差，但長葉久冠在12～24 d生長期間對總磷的去除效果和植物質量的相關系數可達0.95，銅線草對該試驗條件下的環境適應性最差。綜上，幾種水生植物對水體中總磷的去除效果的順序為狐尾藻＞水蘊草＞長葉久冠＞輪葉黑藻＞銅線草。

圖4 5種水生植物對總磷的去除效果Fig.4 Removal Rate of TP of 5 Hydrophytes in 12 Days and 24 Days

圖5 5種植物低濃度磷水體中總磷的12天去除率Fig.5 Removal Rate of TP of 5 Hydrophytes Containing Low Concentration of TP in 12 Days

圖6 總磷去除率與植物體重量的相關性Fig.6 Correlation between TP Removal Rate and Weight of Hydrophytes

3 結論

在模擬試驗條件下研究了5種水生植物對水體中氮磷的吸收去除效果。結果表明狐尾藻、水蘊草、長葉久冠、輪葉黑藻和銅線草24 d的氮去除率均能達到85%以上，對磷的去除率能達到65%以上。其中狐尾藻和水蘊草對氮磷均有較好的吸收去除效果，且能適應三峽地區的夏季高溫天氣，而長葉久冠和銅線草的環境適應性相對較差，因此推薦在三峽地區生態污水處理中選擇狐尾藻、水蘊草和輪葉黑藻。

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