5種水生植物對煤礦廢水的適應性及凈化效果

程麗芬，張 欣

（山西省林業科學研究院，山西 太原030012）

隨著經濟的快速發展，產煤量增加，煤礦廢水排放成為礦區的主要污染之一［1］。煤礦廢水中的主要污染物為懸浮物、石油類和重金屬［2］，具體成分因所處地區不同而存在差異［3］。人工濕地以其自然、低耗能、低投資、處理效果穩定等特點［4-5］，被廣泛應用于城市生活污水處理［6］。國內利用人工濕地處理城鎮和農村生活污水、化糞池尾水、養豬場廢水的研究較多，而針對煤礦廢水的研究較少［7］。人工濕地由水生植物、基質和微生物組成［8］，植物可以通過吸收利用氮、磷等營養成分、富集吸附重金屬和有害物質來凈化污水，植物的根系為微生物提供氧氣，微生物的大量繁殖可以進一步提高人工濕地對污染物的去除率［9］。在實際建設中，最常用的濕地植物是挺水植物，國內外研究中效果較好的挺水植物有蘆葦Phragrnites communis，香蒲Typha orientalis，三棱水蔥Scirpus triqueter，菖蒲Acorus calamus和燈心草Juncus effusus等［10-11］。本研究以蘆葦、香蒲、三棱水蔥、石菖蒲Acorus tatarinowii和水麥冬Triglochin palustre為研究對象，利用塑料水培箱模擬人工濕地單元，比較分析了煤礦廢水和清水對照2個處理下植物的光合特性和生長情況，并測定其對煤礦廢水中化學需氧量（CODCr）、總磷（TP）和總氮（TN）的去除效果，以期為構建煤礦廢水人工濕地植物的選擇提供科學依據。

1 試驗地概況

試驗地（111°29′N，37°26′E）位于山西省太原市，該區屬北溫帶大陸性氣候，年平均降水量為468.4 mm，季節分布不均勻。年平均氣溫為9.5℃，1月平均氣溫為-6.4℃，7月平均氣溫為23℃，年無霜期平均為149～175 d，全年日照時數為2 501.7 h。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

2.1.1 供試植物 根據山西省的氣候條件及濕地處理煤礦廢水的需要，選擇抗污力強、較耐寒、易繁殖、病蟲害少、地下部分及地上部分生物量大的多年生水生或濕生植物進行試驗。通過查閱文獻和實地考察，2017年6月從江蘇省宿遷市購置了5種水生植物（表1）的根苗進行試驗，購回植物后栽植于河沙中，用清水（清水為自來水）澆灌，使植物保持正常生長，定期對枯死植株進行補栽。

2.1.2 模擬人工濕地 用長×寬×高=60 cm×40 cm×35 cm的塑料水培箱模擬人工濕地，在箱子底部鋪設15 cm厚的河沙作為基質，種植水生植物。每種植物6箱，共30箱，植物的株行距為8 cm×6 cm，每箱50株。

2.1.3 煤礦廢水 設煤礦廢水和清水2個處理，各處理3次重復。煤礦廢水取自山西省大同市左云縣小京莊鄉鵲山高家窯煤礦，煤礦廢水和清水的基本理化性質見表2。

本研究所取廢水為礦井廢水，由于在煤礦內部已經過曝氣中和池（曝氣、加堿）、初沉調節池和高效絮凝沉淀池（加入聚合氯化鋁PAC和聚丙烯酰胺PAM）的預處理，所以部分指標（包括鐵、錳等其他重金屬元素含量）已滿足GB 3838-2002《地表水環境質量標準》的Ⅲ類標準。硫化物超標量不大，與土壤基質中的鈣離子、鎂離子結合沉淀后即可滿足地表水環境Ⅲ類標準，因此本次試驗不予考慮。本研究僅測定沒有達到標準要求的CODCr，TP，TN這3個指標。

表1 供試植物Table 1 Tested plants

表2 煤礦廢水和清水的理化性質Table 2 Physical and chemical properties of coal mine wastewater and clean water

2.2 試驗設計

2017年7月，待供試植物生長情況穩定后，開始進行試驗。試驗過程中各個箱子的基質表面保持2～3 cm恒定水頭，盡量保障所有水培箱都處于相同的溫度、濕度和光照條件下，設置遮雨棚（避免雨水的影響），通過加自來水補充水面蒸發和植物蒸騰消耗的水分。試驗為期4個月，每月中旬測定1次植物的光合參數和葉綠素相對含量，并在試驗前后分別測定各種植物的株高和生物量，每月1日，11日和21日采集煤礦廢水處理組、廢水靜置（ck1）和河沙+廢水靜置（ck2）的水樣測定水質，共測12次。

2.3 數據測定及計算

2.3.1 光合參數測定 測定時間為9：00-11：00。采用LI-6200便攜式光合系統測定植物的光合參數，包括凈光合速率（Pn）， 蒸騰速率（Tr）， 氣孔導度（Cs）， 胞間二氧化碳濃度（Ci）4 個指標， 并根據式（1）計算植物的水分利用效率（WUE）。

式（1）中：Pn為光合速率（μmol·m-2·s-1）；Tr為蒸騰速率（mmol·m-2·s-1）；WUE為水分利用效率（mmol·mol-1）。2.3.2 葉綠素相對含量測定 采用SPAD-502便攜式葉綠素儀測量植物的葉綠素相對含量。測定時間為17：00-18：00。

2.3.3 株高測定 試驗前后分別在各個箱子中隨機選取3株植物，用鋼卷尺測定其株高求平均值。

2.3.4 生物量增加量測定 試驗前后分別在各個箱子中隨機選取3株植物，采集植物全株。用清水洗凈，分為地上部分和地下部分，分別在85℃烘箱中烘至恒量，稱其干質量，計算地上部分、地下部分和總生物量的增加量。地上（地下）部分生物量（g·m-2）=［地上（地下）部分干質量/取樣株數×每個水培箱中的植株數］/水培箱的基質面積；總（地上或地下）生物量增加量（g·m-2）=試驗后總（地上或地下）生物量-試驗前總（地上或地下）生物量。本試驗中，取樣株數為3株，各個水培箱中的植株數為50株，水培箱基質面積為 0.4 m×0.6 m=0.24 m2。

2.3.5 水樣水質測定 BOD5的測定采用稀釋與接種法；CODCr的測定采用重鉻酸鹽法；硫化物的測定采用亞甲基藍分光光度法；TP的測定采用鉬酸銨分光光度法；TN的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；砷的測定采用原子熒光光度法；揮發酚的測定采用連續流動4-氨基安替比林分光光度法。污染物的去除率根據式（2）計算。

式（2）中：R為去除率（%）；Di為污染物的初始質量濃度（mg·L-1）；D0為污染物的取樣質量濃度（mg·L-1）。

2.4 統計分析

利用Excel整理數據并作圖，利用SPSS 18.0對2個處理間光合參數、葉綠素相對含量和株高之間的差異顯著性進行分析（獨立樣本t檢驗），并對生物量增加量進行多重比較（LSD法）。

3 結果與分析

3.1 煤礦廢水對水生植物葉片光合參數的影響

3.1.1 凈光合速率 由圖1可知：煤礦廢水處理下水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥的葉片凈光合速率（Pn）大于清水對照。其中，煤礦廢水下水麥冬葉片7，8，9和10月的Pn比清水對照高13.32%，27.84%，12.76%和85.78%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水下石菖蒲葉片7，8，9和10月的Pn比清水對照高16.68%，39.87%，46.76%和11.67%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水下三棱水蔥葉片7，8，9和10月的Pn比清水對照高21.20%，35.85%，76.46%和197.26%，差異極顯著（P＜0.01）。而清水對照香蒲、蘆葦的葉片Pn大于煤礦廢水處理。其中，清水對照香蒲葉片7，8，9和10月的Pn比煤礦廢水處理高45.34%，0.75%，20.96%和16.96%，差異顯著（P＜0.05）；清水對照下蘆葦葉片7，8，9和10月的Pn比煤礦廢水處理高6.15%，4.21%，14.77%和18.59%，差異顯著（P＜0.05）。總體來看，Pn隨月份的增大呈下降趨勢，從大到小依次為蘆葦、水麥冬、香蒲、石菖蒲、三棱水蔥。

圖1 不同處理下5種水生植物葉片凈光合速率（Pn）的變化Figure 1 Changes of net photosynthetic rate（Pn） of 5 aquatic plants under different treatments

3.1.2 蒸騰速率 由圖2可知：煤礦廢水處理下水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥的葉片蒸騰速率（Tr）大于清水對照。其中，煤礦廢水處理下水麥冬葉片7，8，9和10月的Tr比清水對照高13.27%，25.60%，11.99%和77.34%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水處理下石菖蒲葉片7，8，9和10月的Tr比清水對照高17.60%，0.54%，34.69%和21.63%，差異極顯著（P＜0.01）；煤礦廢水處理下三棱水蔥葉片7，8，9和10月的Tr比清水對照高14.69%，19.11%，25.72%和62.80%，差異不顯著（P＞0.05）。而清水對照下香蒲葉片7，8，9和10月的Tr比煤礦廢水處理高64.64%，1.35%，13.25%和30.88%，差異不顯著（P＞0.05）；清水對照蘆葦葉片的Tr除10月略低于煤礦廢水處理外，7，8和9月的Tr比煤礦廢水處理高11.69%，33.51%和15.13%，差異不顯著（P＞0.05）。總體來看，5種植物葉片Tr隨月份的增大呈先升高后降低的趨勢，Tr從大到小依次為蘆葦、三棱水蔥、香蒲、水麥冬、石菖蒲。

圖2 不同處理下5種水生植物葉片蒸騰速率（Tr）的變化Figure 2 Changes of transpiration rate（Tr） of 5 aquatic plants under different treatments

3.1.3 氣孔導度 由圖3可知：煤礦廢水處理下水麥冬葉片7，8，9和10月的氣孔導度（Cs）比清水對照高24.99%，21.23%，2.79%和80.17%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水處理下石菖蒲葉片的Cs除8月略低于清水對照外，7，9和10月的Cs比清水對照高74.34%，39.40%和22.98%，差異顯著（P＜0.05）。而清水對照下香蒲、蘆葦、三棱水蔥的葉片Cs大于煤礦廢水處理。其中，清水對照下香蒲葉片7，8，9和10月的Cs比煤礦廢水處理高83.31%，3.26%，14.97%和67.12%，差異不顯著（P＞0.05）；清水對照蘆葦葉片7，8，9和10月的Cs比煤礦廢水處理高33.94%，8.70%，69.37%和26.32%，差異不顯著（P＞0.05）；清水對照三棱水蔥葉片7，8，9和10月的Cs比煤礦廢水處理高82.48%，40.01%，3.64%和49.66%，差異不顯著（P＞0.05）。總體來看，5種植物Cs隨月份的增加呈下降趨勢，從大到小依次為三棱水蔥、蘆葦、香蒲、水麥冬、石菖蒲。

煤礦廢水處理下水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥的葉片Pn和Tr均大于清水對照，僅說明水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥對煤礦廢水的適應性較強。從整體變化趨勢上來看，蘆葦和香蒲的葉片Pn，Tr和Cs均較大，說明蘆葦和香蒲光合作用較其他3種植物更顯著。

圖3 不同處理下5種水生植物葉片氣孔導度（Cs）的變化Figure 3 Changes of stomatal conductance（Cs） of 5 aquatic plants under different treatments

3.1.4 胞間二氧化碳濃度 由圖4可以看出：5種水生植物煤礦廢水處理和清水對照的葉片胞間二氧化碳濃度（Ci）的差別不定，變化趨勢不明顯。但從總體來看，5種植物的葉片Ci隨月份增大呈上升趨勢。植物的Pn和Cs隨月份的增加呈下降趨勢，而Ci隨月份的增加而增加，所以Cs的下降并不是引起植物Pn下降的主要原因，植物光合速率下降的主要原因可能是季節變化，這與李龍山等［12］的研究結果一致。5種植物Ci從大到小依次為三棱水蔥、蘆葦、石菖蒲、香蒲、水麥冬。

圖4 不同處理下5種水生植物葉片胞間二氧化碳濃度（Ci）的變化Figure 4 Changes of intercellular carbon dioxide concentration（Ci） of 5 aquatic plants under different treatments

3.1.5 水分利用效率 由圖5可以看出：煤礦廢水處理下5種植物葉片的水分利用效率（WUE）總體上比清水對照高（香蒲9月，石菖蒲7和10月，蘆葦10月除外）。其中，水麥冬、香蒲、石菖蒲、蘆葦的WUE隨月份的增加先降低后升高，而三棱水蔥的水分利用效率隨月份的增加而降低。5種植物WUE的從大到小依次為水麥冬、石菖蒲、蘆葦、香蒲、三棱水蔥。

3.2 煤礦廢水對水生植物葉綠素相對含量的影響

由圖6可知：煤礦廢水處理下水麥冬、三棱水蔥的葉綠素相對含量大于清水對照。其中，煤礦廢水處理下水麥冬葉片7，8，9和10月的葉綠素相對含量比清水對照高5.70%，9.94%，7.69%和14.19%，差異顯著（P＜0.05）；煤礦廢水處理下三棱水蔥葉片7，8，9和10月的葉綠素相對含量比清水對照高9.09%，2.41%，6.49%和6.76%，差異不顯著（P＞0.05）。而除香蒲9月外，清水對照香蒲、石菖蒲、蘆葦的葉綠素相對含量大于煤礦廢水處理。其中，清水對照香蒲葉片7，8和10月的葉綠素相對含量比煤礦廢水處理高5.02%，1.98%和9.65%，差異顯著（P＜0.05）；清水對照石菖蒲葉片7，8，9和10月的葉綠素相對含量比煤礦廢水處理高12.54%，7.69%，5.53%和11.59%，差異極顯著（P＜0.01）；清水對照蘆葦葉片7，8，9和10月的葉綠素相對含量比煤礦廢水處理高16.73%，10.04%，12.68%和18.99%，差異顯著（P＜0.05）。總體來看，5種植物葉片的葉綠素相對含量隨月份的增大呈先升高后降低的趨勢，也從另一方面表明導致植物光合速率下降的主要原因是季節變化。5種植物葉綠素相對含量的變化從高到低依次為石菖蒲、蘆葦、香蒲、水麥冬、三棱水蔥。

圖5 不同處理下5種水生植物葉片水分利用效率（WUE）的變化Figure 5 Changes of water use efficiency（WUE） of 5 aquatic plants under different treatments

圖6 不同處理下5種水生植物葉片葉綠素相對含量的變化Figure 6 Changes of chlorophyll relative content of 5 aquatic plants under different treatments

3.3 煤礦廢水對水生植物株高的影響

圖7 5種水生植物試驗前和試驗后的株高對比Figure 7 Plant height of 5 aquatic plants before and after experiment

清水對照和煤礦廢水條件下，5種植物均能健康正常地生長，因此均能適應煤礦廢水環境。從圖7可以看出：5種植物的株高大小為蘆葦＞香蒲＞石菖蒲＞三棱水蔥＞水麥冬。經過4個月的生長，5種植物試驗后的株高均大于試驗前。其中，香蒲、石菖蒲、蘆葦的株高增長量較大，平均增加量分別為28.88，44.15和34.60 cm；水麥冬、三棱水蔥的株高增長量較小，平均增加量分別為1.08和4.71 cm。除香蒲試驗前外，清水對照香蒲、石菖蒲、蘆葦的株高均大于煤礦廢水處理，其中蘆葦試驗前2個處理間差異顯著（P＜0.05），其他無顯著差異；但煤礦廢水處理下水麥冬、三棱水蔥的株高大于清水對照，其中三棱水蔥煤礦廢水和清水對照間差異極顯著（P＜0.01），水麥冬無顯著差異。

3.4 煤礦廢水對水生植物生物量的影響

由表3可以看出：5種植物地上部分、地下部分和總生物量的增長量大小均為石菖蒲＞蘆葦＞香蒲＞三棱水蔥＞水麥冬，差異顯著。其中，香蒲、石菖蒲、蘆葦的株高增長量較大，水麥冬、三棱水蔥的株高增長量較小，與株高表現一致。生物量增長量總體表現為地下部分生物量增長量大于地上部分生物量的增長量。但清水對照香蒲、石菖蒲、蘆葦的生物量增長量均大于煤礦廢水處理（P＜0.05），煤礦廢水處理下水麥冬、三棱水蔥的生物量增長量大于清水對照（P＜0.05）。

3.5 5種水生植物對煤礦廢水的凈化效果

表3 5種水生植物的生物量增加量Table 3 Biomass increase of 5 aquatic plants

3.5.1 對化學需氧量（CODCr）的去除效果 由圖8可以看出：5種水生植物均能有效去除煤礦廢水中CODCr。7月11日第1次取樣時，水麥冬、香蒲、石菖蒲、蘆葦、三棱水蔥對煤礦廢水中CODCr的去除率分別為47.66%，65.84%，57.58%，62.26%，69.70%。8月11日之前，煤礦廢水中的CODCr下降速度較快，之后變化趨于平緩。到9月21日時，各水生植物處理組的CODCr達最低值，為8～18 mg·L-1，去除率均為95%以上，達到GB 3838-2002《地表水環境質量標準》的Ⅲ類標準。之后，水麥冬和石菖蒲組的CODCr濃度又有小幅度升高，這種變化趨勢與李龍山等［12］的研究結果相似。各水生植物處理組煤礦廢水中的CODCr與對照（ck1和ck2）差異顯著（P＜0.01）。ck1和ck2處理下，煤礦廢水中CODCr質量濃度于9月1日前呈下降趨勢，9月1日后基本保持不變，最終分別降至132和81 mg·L-1，去除率達63.64%和77.69%，可能是因為有機質的沉淀和基質的吸附發揮了重要作用。總體來看，5種植物對煤礦廢水中CODCr的去除效果從高到低依次為香蒲、三棱水蔥、蘆葦、石菖蒲、水麥冬。

3.5.2 對總磷（TP）的去除效果 由圖9可以看出：5種水生植物對煤礦廢水中TP的去除效果較好。7月11日第1次取樣時，水麥冬、香蒲、石菖蒲、蘆葦、三棱水蔥對煤礦廢水中TP的去除率分別為46.38%，60.87%，40.10%，65.22%，53.62%。8月1日之前，煤礦廢水中的TP質量濃度下降速度較快，之后變化趨于平緩。這可能是由于7-8月為植物的生長旺期，所以較多地吸收利用煤礦廢水中的磷元素用于自身生長，而9-10月植物生長趨緩，所以對磷的吸收較少。到10月21日試驗結束時，各煤礦廢水處理組的TP質量濃度達最低值，為0.06～0.17 mg·L-1，去除率均為92%以上，達到GB 3838-2002《地表水環境質量標準》的Ⅲ類標準。各水生植物處理組煤礦廢水中的TP濃度與與對照（ck1和ck2）差異顯著（P＜0.01）。ck1處理煤礦廢水中TP質量濃度于7月21日之前下降速度較快，之后繼續下降但速度趨緩；ck2處理煤礦廢水中TP質量濃度的于8月1日前迅速下降，之后又稍有回升，8月21日后又緩慢下降。這種前期的快速下降趨勢說明磷酸鹽的沉降作用是去除煤礦廢水中磷的主要途徑，最終ck1和ck2的TP質量濃度分別降至0.86和0.64 mg·L-1，去除率達58.45%和69.08%，這可能是由于一部分磷以磷酸鹽的形式沉積在水體底部，一部分磷與基質相結合形成難溶物質。總體來看，5種植物對煤礦廢水中TP的去除效果從高到低依次為香蒲、蘆葦、三棱水蔥、水麥冬、石菖蒲。香蒲和蘆葦對TP的去除效果較好，可能是因為香蒲和蘆葦吸收了更多磷營養元素用于自身生長。

圖8 水生植物對CODCr的去除效果Figure 8 Effect of aquatic plants on CODCrremoval from wastewater

圖9 水生植物對總磷（TP）的去除效果Figure 9 Effect of aquatic plants on total phosphorus（TP）removal from wastewater

3.5.3 對總氮（TN）的去除效果 由圖10可以看出：5種水生植物對煤礦廢水中TN的去除效果也較好，煤礦廢水中的TN隨時間變化總體呈下降趨勢。7月11日第1次取樣時，水麥冬、香蒲、石菖蒲、蘆葦、三棱水蔥對煤礦廢水中TN的去除率分別為37.80%，51.30%，34.60%，55.75%，45.75%。8月21日之前，煤礦廢水中的TN濃度下降速度較快，之后變化趨于平緩。其原因可能和TP一樣，7-8月為植物的生長旺期，所以吸收利用了較多的氮元素用于自身生長，而9-10月植物生長趨緩，所以對氮的吸收較少。到10月21日試驗結束時，各煤礦廢水處理組的TN濃度達最低值，為0.23～0.87 mg·L-1，去除率均為93%以上，也達到GB 3838-2002《地表水環境質量標準》的Ⅲ類標準。各水生植物處理組煤礦廢水中的TN質量濃度與對照（ck1和ck2）差異顯著（P＜0.01）。ck1和ck2處理煤礦廢水中TN濃度于8月1日前下降速度較快，8月1日后下降速度趨緩，之后最終分別降至6.84和4.58 mg·L-1，去除率達65.80%和77.10%，可能是因為氨態氮的揮發及基質的吸附沉降作用，其中ck2，隨著試驗時間的延長，會在基質表面生長微生物群，微生物的硝化、反硝化左右使其對TN的去除率較高。總體來看，5種植物對煤礦廢水中TN的去除效果從高到低依次為蘆葦、香蒲、三棱水蔥、水麥冬、石菖蒲。香蒲和蘆葦對TN的去除效果較好，可能是因為香蒲和蘆葦的生長過程中也吸收利用了較多的氮元素。本研究顯示：5種水生植物對煤礦廢水中TN的去除率高，可能是由于本試驗時間為7-10月，正值供試植物的生長旺盛期，其生長過程中需要吸收大量的氮、磷等營養元素。此外，在靜水條件下且試驗時間較長，有利于水生植物根系的發展，在根系周圍形成穩定的好氧、缺氧或厭氧微環境，有利于硝化細菌和反硝化菌的生長，從而增強微生物的硝化和反硝化作用，提高對煤礦廢水中TN的去除率［13］。

圖10 水生植物對總氮（TN）的去除效果Figure 10 Effect of aquatic plants on total nitrogen（TN）removal from wastewater

4 結論

煤礦廢水處理下水麥冬、石菖蒲、三棱水蔥的葉片凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）均大于清水對照，香蒲、蘆葦的則小于清水對照；煤礦廢水處理下水麥冬、三棱水蔥的葉綠素相對含量、株高、生物量增加量均大于清水對照，香蒲、石菖蒲、蘆葦的則小于清水對照。說明煤礦廢水中的有害物質可能影響了香蒲、石菖蒲、蘆葦的正常生長，而煤礦廢水中的氮磷等營養物質促進了水麥冬、三棱水蔥株高和生物量的增長。因此，5種植物中水麥冬和三棱水蔥對煤礦廢水的適應性較強。

5種水生植物處理下，煤礦廢水中的CODCr，TP，TN質量濃度均能降至GB 3838-2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準的要求。綜合去除效果和去除率，應優先選擇香蒲、蘆葦和三棱水蔥作為構建煤礦廢水人工濕地的植物材料，其次為水麥冬和石菖蒲。