高效鵝卵石濾料生產廠家四種冬季水生植物組合對富營養化水體的凈化效果

　　高效鵝卵石濾料生產廠家四種冬季水生植物組合對富營養化水體的凈化效果

　　高效鵝卵石濾料廠家四種冬季水生植物組合對富營養化水體的凈化效果。選擇10種耐低溫的水生植物構建4種植物組合，研究了冬季低溫環境下不同水生植物組合對富營養化水體的凈化效果。結果表明：組合1〔常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+反曲燈心草“藍箭”〕4種植物均能在試驗富營養化水體中茂盛生長，且對TN、NOx-N、NH4-N和TP的去除率分別為47.8%、52.2%、32.4%和70.1%;組合2〔常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+大苞萱草〕4種植物也都能在試驗富營養化水體中存活，并且有一定量的生長，對TN、NOx-N、NH4-N和TP的去除率分別為44.2%、58.5%、34.6%和67.8%;而未種植物的對照對TN、NOx-N、NH4-N和TP的去除率分別為40.0%、25.9%、27.3%和64.5%;組合1和2對富營養化水體有較好的凈化效果。組合3和組合4中由于吊蘭和三穗薹草等植物長勢較差，僅對NOx-N具有較明顯去除能力，對其他指標去除效果不明顯。通過這些水生植物在富營養化水體中生長特性和對營養元素的去除能力，發現冬季組合1和2的凈化效果較好，是低溫條件下適宜的浮床植物組合形式。

　　目前，氮磷超標引起的水體富營養化是普遍面臨的問題。大量研究顯示，利用植物修復富營養化水體是一項效果好、投資省又不存在二次污染的好方法，受到國內外的廣泛關注。近年來，利用植物塘、人工濕地以及水生植物和陸生植物浮床等植物修復技術，治理富營養化水體已取得一定的效果。然而，已有的植物修復富營養化水體的研究基本上都是在常溫環境下進行的，冬季低溫環境下浮床植物凈化效果研究較少，因為冬季低溫環境下大部分植物枯死或休眠，水生植物塘、人工濕地及植物浮床系統在低溫環境下處理效率相對也較低。僅有少數低溫環境下的報道多為研究單一植物的試驗效果，利用植物組合處理冬季富營養化水體的研究罕見報道。事實上，不同植物對營養鹽的吸收和水體凈化效果差異較大，同一種植物可能對水質中某一指標去除效果較好，而對其他指標的效果相對較差，如童昌華等研究顯示，金魚藻對提高水體透明度的效果既好又快，但在吸收TN、TP、NOx-N等方面效果差些，狐尾藻在吸收TN、TP及NOx-N方面效果好，但對降低COD及提高DO方面不理想。單一植物很難起到全面去除各種污染指標的作用，按照不同植物生長特性和吸收營養物質能力以及季節的差異性，合理搭配植物，注重植物組合的景觀和生態功能方面的持續性，才可能使植物修復技術常年不間斷發揮良好的凈化能力。本研究利用10種耐低溫水生植物構建4種組合形式，對富營養化水體進行修復試驗，研究低溫季節不同水生植物組合對富營養化水體中氮和磷去除效果的影響，篩選出適宜長三角地區冬季低溫環境下對富營養化水體修復的植物組合形式，以促進植物修復技術進一步的推廣應用。

　　1 材料與方法

　　試驗區位于浙江省杭州市蕭山區(30°09’N，120°16'E)，浙江省水利河口研究院江東水環境試驗基地。在基地西北角修建了一塊60m×11m水生植物修復試驗區，包括1個20 m×11 m的水生植物培育區和15個長4 m、寬1 m、深0.8 m的混凝土水池。試驗用水取自當地內河(南坵流化橫河)，從內河抽水到沉淀池初步沉淀，在沉淀池出口處放置活性炭過濾后注入試驗水池，經測定水中各種營養元素的平均濃度為：TN 22.47±2.46 mg/L、NOxN 2.34±0.04 mg/L、NH4-N 2.69±0.40 mg/L、TP 0.28±0.07mg/L，處于超富營養化狀態。

　　2011年12月中旬，從杭州市郊的池塘水邊和杭州天景水生植物苗圃采集或購買長勢一致的植物幼苗，將這些幼苗放入盛自來水的塑料桶中預培養1周，然后選取大小基本一致的植株用于本試驗，試驗前仔細清洗植物根部，以避免帶入泥土和雜草等其他物質。收集的耐低溫植物共14種。綜合考慮植物的生長特性，包括高度、葉形、生物量、開花性狀、生長的季節性，從收集的14種植物中挑選出10種(表1)，按照高與低、闊葉與條形葉、開花與不開花的植物相互搭配等原則組合，盡量增加組合內植物生長在時間和空間上的銜接性和持續性，以期兼顧凈化能力和景觀觀賞性，植物組合配置情況。

　　組合1：常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+反曲燈心草“藍箭”;

　　組合2：常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+大苞萱草;

　　組合3：毛茛+黑麥草+吊蘭+蒼白燈心草“標槍”;

　　組合4：毛茛+黑麥草+吊蘭+三穗薹草。

　　試驗植物采用泡沫浮床栽培，試驗布置如圖1。

　　試驗期間對各處理水體定期取樣觀測，并詳細觀查記錄池內水生植物生長狀況。取樣頻率為每周1次，在各池中心位置用采水器采集距表面10 cm的表層水樣進行測定。由于試驗在露天情況下進行，試驗期間降雨中的營養物質可能會對試驗結果產生干擾，因此對雨水進行了收集測定。根據浙江省杭州市汛情發布系統公布，蕭山東站的降雨情況是2011年12月28日—31日降雨0次，2012年1月降雨11次、小雪2次，2月降雨18次，3月截至20日降雨15次。利用口徑為45 cm的塑料桶收集降雨，一天內收集到的雨水達到400 mL以上的水樣進行水質測定，共14次。另外，2月28日和3月6日由于連續強降雨，水池水深過高，進行了2次排水，排水量通過排水前后的水深差與水池的面積計算，排水安排在正常取樣的時間，排水的水質參照當天取樣的水質。各處理水樣、雨水和排水的測定指標均為TN、NOx-N、NH4-N、TP，試驗儀器為荷蘭Skalar公司的SA-4000型N、P流動分析儀等儀器。在計算植物組合對水體N、P的去除率時，以池為單位減去雨水帶入的N、P總量，加上排水排出的N、P總量，見公式(1)，以反映自然環境下植物組合對N、P的真實去除效果。數據分析通過SPSS16.0重復測量方差分析實現。NH4

　　P=(C初始·S水池·H初始+∑C降雨·S水池·H降雨-∑C排水·S水池·H排水)/(C初始·S水池·H初始)×100%(1)

　　式中，P為去除率，C為濃度，H為水深或降雨量，S為面積。

　　2 結果與分析

　　2.1植物生長情況

　　試驗在2011年12月28日—2012年3月20日進行，經過為期84 d的試驗處理后，供試的10種植物在低溫的富營養化水體中基本都能存活。從試驗開始到2月底，盡管在1月出現2次雨雪天氣，氣溫早晚降至零度以下，表面水體結薄冰，10種植物絕大部分仍保持存活狀態，但植物生長狀況存在較大差異。其中毛茛、羊蹄和黑麥草長勢最好，葉片鮮綠，有新芽長出，高度增加明顯;其次為常綠水生鳶尾、反曲燈心草“藍箭”、蒼白燈心草“標槍”和金葉“金錢蒲”，雖部分葉尖枯萎，但仍有少量新芽萌發，高度也有所增加;而大苞萱草基本停止生長，不過葉片總體上仍保持綠色狀態;生長最差的三穗薹草和吊蘭表現為部分出現枯黃和腐爛現象。

　　進入3月份，氣溫升高，毛茛迅速生長至成體狀態，并逐漸開花;2種燈芯草均快速生長，其中蒼白燈心草“標槍”雖然植株高大，但分蘗數不多，一株產生2～3顆新芽，反曲燈心草“藍箭”每株產生10個左右新芽;羊蹄新葉茂盛，并且葉片數量和面積遠大于冬季，大量白根也逐漸變老轉黃;黑麥草葉片由紅轉綠，有少量分蘗;常綠水生鳶尾長出新苗，葉片綠色加深;大苞萱草開始長出新葉，吊蘭也長出了一些新芽。

　　2.2降雨情況

　　試驗期間總降雨量為386.8 mm，不同時期降雨的水質差異較大，14次降雨中營養物質平均濃度為：TN 7.96±2.30 mg/L，NOx-N 0.70±0.56 mg/L，NH4-N 0.90±0.8 5mg/L，TP 0.24±0.34 mg/L。降水濃度與試驗用水初始濃度(具體值見材料與方法)相比較低，但高于試驗處理后水體中營養物質的濃度，在所有組合處理的試驗水體中TN、NOx-N、NH4-N和TP最低濃度分別降至6.85±0.22、0.56±0.21、1.50±0.06和0.05±0.03 mg/L。單個水池中各指標的雨水負荷計算公式為W=∑S水池·H降雨·C降雨(式中：S為水池面積，H為降雨量，C為降雨濃度)，單個水池各指標的負荷達TN 12.32±3.56 g，NOx-N 1.08±0.87 g，NH4-N 1.39±1.32 g和TP 0.37±0.24 g，因此，不能忽略降雨對試驗造成的影響。據此推測，降雨對自然水體帶入的污染也是比較嚴重的。

　　2.3對營養鹽的去除效果

　　試驗用水注入水池，植物浮床布置好后，于12月28日對各池水質進行了一次測定，作為各處理的初始濃度。各池水體中營養元素各指標略有分化，但差別不大。試驗一直持續到3月20日，期間每周采集水樣測定一次，不同植物組合對水質幾個指標的影響各不相同。

　　TN的變化

　　從圖2可以看出，隨著處理時間的延長，各處理TN濃度均有不同程度下降，組合1、2、3處理的水體TN濃度始終低于對照組，而組合4的TN濃度曲線則大部分時間在對照之上，去除TN效果較差。比較分析4個植物組合最終對TN的去除率發現，經過84d的處理后，對照池水體中TN的平均濃度從14.13 mg/L降至7.88 mg/L，去除率為40.0%;組合1和2對TN的去除率分別為47.8%和44.2%，均顯著高于對照無植物處理組(P<0.05)，去除能力分別為對照的1.20倍和1.11倍，組合3和4對水體中TN的去除率分別為43.0%和37.9%，與空白對照的去除效果差異不明顯(P>0.05)。

　　NOx-N的變化

　　圖3顯示，4種植物組合和對照處理的水體中NOx-N濃度均有較大幅度的下降，其中組合1、2濃度曲線一直遠低于對照曲線，對NOx-N的去除效果較好，組合3處理的水體NOx-N的濃度也低于對照，但不如組合1、2顯著，而組合4的NOx-N濃度與對照比較接近。處理結束時，組合1、2、3和4對水體中NOx-N的去除率分別為52.2%、58.5%、34.1%和31.1%，分別為對照去除率(25.9%)的2.02倍、2.26倍、1.32倍和1.20倍。4種植物組合對NOx-N均具有較高的去除能力，明顯高于對照(P<0.05)，組合3和4對NOx-N去除能力不及組合1和2(P<0.05)。

　　NH4-N的變化

　　從圖4可以看出，對照和幾種植物組合處理的水體中，NH4-N的濃度均有所降低，但最終濃度均在1.5 mg/L以上，仍處于較高水平，可見水體對NH4-N的自凈能力和植物組合對NH4-N的處理能力均有限。組合1、2、3、4和對照對水體中NH4-N的去除率分別為32.4%、34.6%、21.4%、19.1%和27.2%。其中組合1和2的去除能力高于對照(P<0.05)，組合3和4處理對水體中NH4-N的去除能力較差，最終濃度甚至高于對照。

　　TP的變化

　　從圖5可以看出，各處理TP濃度在試驗初期下降較快，后期可能由于濃度已較低，呈平緩下降趨勢，其中組合1和2多次取樣時測定的濃度均低于對照，而組合4的TP濃度與對照十分接近，組合3處理的水體中TP濃度下降較少，后期濃度甚至高于對照。比較組合1、2、3、4和對照的最終去除率發現，經過84d的處理后，它們對TP的去除率分別70.1%、67.8%、42.4%、53.2%和64.5%。組合1、2與對照差異顯著(P<0.05)，對TP去除能力較強，而組合4相對對照沒有明顯的去除優勢(P>0.05)，組合3效果較差，去除率甚至低于空白對照(P<0.05)。

　　3 結論與討論

　　在為期84 d的試驗結束時，組合1(常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+反曲燈心草“藍箭”)4種植物都生長良好，對TN、NOx-N、NH4-N和TP均有較好去除效果，去除率分別為47.8%、52.2%、32.4%和70.1%;組合2(常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+大苞萱草)對TN、NOx-N、NH4-N和TP的去除效果也較好，分別為44.2%、58.5%、34.6%和67.8%，其中其他植物生長良好，而大苞萱草雖保持常綠，但生長量較少;組合3和4由于部分植物生長狀態不佳，僅對NOx-N具有一定的去除能力，且對NOx-N的去除率低于組合1和組合2。

　　研究發現，低溫環境下，植物生長狀況好的組合對富營養化水體的凈化能力強，對TN、TP、NH4-N和NOx-N等均有較好的凈化效果，其中對NOx-N的處理效果最好，而對NH4-N的處理則相對較差，這與童昌華等的研究一致，一方面是由于植物本身對NOx-N的吸收偏好，對NH4-N的利用能力相對較差，另一方面可能與低溫導致對NH4-N去除能力影響較大的微生物活動下降有關。周小平等報道，黑麥草等植物浮床系統對富營養化水體中TN和TP的去除率分別在50%和60%左右，TN去除率比本研究低，而TP去除能力高于本試驗。劉淑媛等研究顯示，多花黑麥草富營養化水體的TN和TP去除率分別高達80%和90%，均高于本試驗，這可能與其試驗中水體TN和TP原始濃度較高(分別為11.55和1.59 mg/L)有關

　　冬季植物及其組合對水體有一定的凈化作用，但相比夏季效果仍存在一定差距。童昌華等報道夏季微齒眼子菜對水中TN、TP和NOx-N的去除效率分別為77.54%、90.65%和91.7%，冬季分別為71.5%、70.4%和84.5%。李文朝、王超等和李金中等的研究也顯示了相似的結果。這一方面是由于溫度高，植物代謝迅速，吸收能力更強，另一方面也可能與低溫導致微生物的活動下降有關。另外，李寒娥等研究表明，夏季鳳眼蓮、大薸和水龍兩種或兩種以上的植物組合對TN的去除能力比單獨任何一種植物強;而在冬季各組合沒有呈現明顯的優勢，以單獨生長的鳳眼蓮對TN的去除能力最好。這可能是因為大部分植物在夏季均生長旺盛，各種植物對不同指標的吸收差異可以形成優勢互補，因此總體效果較好，而在冬季不同的植物生長狀態相差很大，少數生長較好的植物凈化效果好，其他植物效果不佳，甚至腐爛造成負作用，因此冬季植物修復時植物種類及其組合的選擇更為重要。

　　從植物生長特性、景觀效果和生態效應等方面綜合考量，在冬季富營養化水體植物修復中可優先考慮組合1(常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+反曲燈心草“藍箭”)和組合2(常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+大苞萱草)，它們具有能在冬季正常生長、景觀效果好、對營養物質去除率較高且穩定等優點，是低溫環境下適宜的浮床系統植物組合形式。本研究結論對長三角及類似氣候帶地區冬季乃至全年富營養化水體的植物修復具有一定的指導意義，但本研究只是相對穩定環境中的短期試驗，在實際應用時還需對其進行進一步觀察。

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