黑藻对城市河道水质的净化效果

邵霞珍，郭思岩，王　颖.甘肃省国土资源规划研究院，甘肃兰州730000 .西安理工大学水利水电学院，陕西西安70048

黑藻对城市河道水质的净化效果

邵霞珍1，郭思岩1，王颖2
1.甘肃省国土资源规划研究院，甘肃兰州730000 2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048

采用模拟试验研究了黑藻对城市河道水质的净化效果。结果表明，与静水状态相比，在流速为1.74 cm/s的动水条件下，黑藻对NH3-N、TP和CODCr的净化均有优势，平均去除率为92.03%、83.08%和74.04%；根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》要求，试验结束后，地表水质可由原Ⅴ类水净化为Ⅲ类水；动水组黑藻平均生物量大于静水组。说明黑藻在较低流速的水环境中生长情况好于静水条件，并且净化作用更优。

黑藻；城市河道；氮磷；去除率

SHAO X Z，GUO S Y，WANG Y.Simulation test of purification effect of Hydrilla verticillata in Urban Rivers［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（2）：149-154.

邵霞珍，郭思岩，王颖.黑藻对城市河道水质的净化效果［J］.环境工程技术学报，2015，5（2）：149-154.

近几十年以来，随着工业技术的快速发展，河流作为重要的水源地发挥了极其重要的作用，尤其是城市河道。但是人类为了满足自身的需要，不顾河道的生态平衡和健康发展，大量未达标的污水排进河道，对城市河道产生严重污染［1-2］。利用水生植物净化水体是近年来的热点研究，水生植物对受污水体的净化不仅具有环境相容性，无其他污染，满足对环境的观赏性，而且还会带来经济利益，具有低能耗、低投资的优点［3］。因此利用水生植物净化水体备受关注，尤其是沉水植物在污水处理、环境保护等方面的应用［4］得到普遍重视。研究发现，通常情况下水生植物中净化能力最强的是沉水植物和漂浮植物［5］，浮叶植物次之，挺水植物居后。沉水植物作为水生态系统的有机组成部分，具有较强的水质改善功能［6-10］。黑藻也称轮叶黑藻，属于水鳖科黑藻属植物，为多年生沉水植物，轮叶黑藻有很广泛的生存范围，且适应能力和富集能力强，是净化污水的理想植物，其能在水体中形成巨大的“水下森林”，对水生态系统结构和功能的稳定具有重要作用［11］。许多学者对黑藻净化污水机制及净化效果进行了大量研究，如李国新等［12］研究了黑藻对重金属铅的吸附特征及生物吸附机理，发现黑藻对铅有着较快的吸附能力，其吸附属于单层吸附。但是对黑藻在流动水体中净化机制及效果的研究相对较少。

笔者利用水循环系统模拟城市河道，研究在动水和静水条件下沉水植物黑藻对城市河道的净化作用，以期为黑藻净化城市河道水质提供理论基础和实践措施。

1　方法与材料

1.1试验装置

动水试验装置为2.5 m×0.4 m×0.5 m（长×宽×高）的钢化玻璃水槽，水槽的水循环系统由105 W的水陆两用泵及长3 m的塑料软管构成，水槽顶部由溢流堰控制水位；静水试验装置为50 cm×37 cm×26 cm的4个半透明水箱。试验场地设在室外遮雨大棚中；试验日期为7月7—26日。

试验原水根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》地表Ⅴ类水的要求进行配置，碳源的引入由葡萄糖实现，投配一定比例的硝酸钠、氯化铵以及磷酸二氢钾。原水各指标为：TN浓度，4.12 mg/L；TP浓度，0.34 mg/L；NH3-N浓度，3.44 mg/L；CODCr，52.94 mg/L；DO浓度，8.14 mg/L。水槽及2个半透明水箱底部均匀铺设5 cm的过筛细沙（筛子孔径为5 mm），在水槽从槽首至槽尾均等位置设4个取样点。

1.2黑藻的选择

黑藻购自西安市某花卉市场，试验前在自来水中“饿”3天，以使其能在净化过程中吸收更多的污染物。选择枝株大小均匀、长势良好、生物量相当的24束黑藻放置水槽和水箱中，每束为10株黑藻，动水和静水中黑藻的种植密度均设为1.875束/dm2。

1.3试验工况

在4个半透明水箱中设置静水组（砂子+黑藻）、黑藻组、砂子组和空白组4组静水对照试验；动水组水槽中流速为1.74 cm/s。水箱和水槽水位均设为24.5 cm。

1.4取样与分析方法

试验历时20 d，分别在试验开始的第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19天取样，取样时间约为09：30；试验进行至第19天后，各指标浓度变幅较小，第20天进行了连续24 h取样；共取样11次。每次取样完成后立即送入实验室进行TN浓度、TP浓度、NH3-N浓度、CODCr、浊度和DO浓度测定。其中，TN浓度采用GB 11894—89碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；TP浓度采用GB 11893—89钼酸铵分光光度法测定；NH3-N浓度采用HJ 535—2009纳氏试剂分光光度法测定；CODCr采用GB 11914—89快速消解分光光度法测定［13］；浊度采用美国哈希便携式浊度仪测定；DO浓度采用美国哈希便携式溶解氧测定仪进行测定。

2　结果与分析

2.1水质变化情况

2.1.1NH3-N的去除

动水组和静水组NH3-N去除率随时间的变化如图1所示。

图1　动水组与静水组NH3-N去除率变化Fig.1NH3-N removal rate change of moving water group and the still water group

从图1可知，静水组NH3-N去除率波动幅度较动水组大，并且在第10天出现较大幅度的下降，分析原因发现，在第10天是高温天气，静水组水体温度达到27.7℃，高温可能导致一些微生物的硝化作用和反硝化作用强度降低；而动水组在该日并没有出现NH3-N去除率大幅度的下降，原因是在动水条件下，虽然出现的高温可能也会对硝化细菌和反硝化细菌造成影响，但动水组水体的复氧能力较强，因而与静水组相比，能更好地进行硝化反应。试验中后期，2组的去除率都呈增加趋势，但静水组对NH3-N的去除比动水组略高，原因可能是随着试验的进行，水体中硝化细菌等逐渐增多，能更好地进行硝化反硝化活动，但是在动水条件下对微生物附着不利，导致上述结果出现。整个试验过程中动水组和静水组对NH3-N去除效果均很好，NH3-N平均去除率分别达到92.03%和91.01%。

动水组和空白组对NH3-N的去除效果如图2所示。从图2可知，动水组对NH3-N的去除率大于空白组，且比空白组更加稳定。

图2　动水组与空白组NH3-N去除率变化Fig.2NH3-N removal rate change of the moving water group and the blank group

静水组和黑藻组对NH3-N的去除效果如图3所示。

图3　静水组与黑藻组NH3-N去除率变化Fig.3NH3-N removal rate change of the still water group and Hydrilla verticillata group

从图3可知，静水组与黑藻组对NH3-N去除率总体都呈上升趋势，但前6天，静水组NH3-N的去除率明显高于黑藻组，分析原因是试验开始时，静水组水箱底部的砂子更容易成为微生物的附着质，能使硝化反应等更好进行。在第10天，静水组因为高温所致出现NH3-N去除率突然降低，而黑藻组中NH3-N的去除率虽然比第9天稍有降低，但幅度很小。在试验中后期，静水组与黑藻组对NH3-N的去除基本一致，静水组略高。

2.1.2TP的去除

各试验组对TP的去除效果如图4所示。从图4可知，动水组有明显优势，TP平均去除率达83.08%；静水组与砂子组相当，TP平均去除率分别达到71.44%和71.84%；空白组TP去除率在前6天上升较快，后期逐渐趋于稳定；黑藻组在第18天TP去除率出现大幅降低。原因是水体对P的去除主要是通过水生植物的直接吸收、基质的吸附、微生物的同化吸收以及自然沉降、固结等来实现的［14-15］。黑藻组在第18天出现的TP去除率大幅度降低的原因可能是黑藻重新释放磷所导致。

图4　各试验组TP去除率变化Fig.4TP removal rate of the experimental group comparison

2.1.3TN的去除

各试验组对TN的去除效果如图5所示。

图5　各试验组TN去除率变化Fig.5TN removal rate of the experimental group comparison

从图5可知，各试验组TN去除率的趋势基本一致，即前8天呈缓慢上升趋势，此后基本趋于稳定。主要是因为水体对氮素的去除主要是通过微生物的氨化、硝化、反硝化等作用来完成，水生植物只是吸收一小部分的无机氮作为自身的营养物质［16］。TN去除率的缓慢上升，是因为开始时硝化细菌、反硝化细菌等还未成熟，慢慢成熟之后去除率稳定在一定的范围。试验中，静水组TN的去除率稍优于动水组，分别为77.30%和76.10%。

2.1.4CODCr的去除

动水组和静水组对CODCr的去除效果如图6所示。从图6可知，动水组CODCr去除率比较平稳，而静水组波动较大。动水组在第16天时，CODCr去除率出现了明显的升高；静水组在试验中出现3次高峰。原因为污水中的CODCr去除主要是靠微生物对其中的有机物、营养盐等进行代谢反应来实现的，而水生植物很难直接吸收CODCr［17］。动水组CODCr呈平稳的状态，主要是因为，动水条件能为水体中的微生物以及附着在黑藻上的一些微生物提供更好的好氧厌氧的微环境［18］，使其能更好地进行代谢活动。

图6　动水组与静水组CODCr去除率变化Fig.6CODCrremoval rate changeof moving water group and the still water group

各试验组对CODCr的平均去除效果如图7所示。从图7可以看出，动水组CODCr平均去除率明显高于其他试验组，4组静水试验CODCr平均去除率依次表现为静水组（66.43%）＞黑藻组（60.16%）＞砂子组（58.60%）＞空白组（55.33%）。在流速为1.74 cm/s的动水情况下，黑藻对CODCr的去除较其他静水组有优势，说明在这种低流速的河道中，黑藻可以正常生长并且对有机物的去除有一定的贡献作用。此外，空白组CODCr的去除率也达到55.33%，说明在整个试验过程中水体的自净能力较好。

图7　各试验组CODCr平均去除率变化Fig.7CODCraverage removal rate of the experimental group comparison

2.1.5浊度变化

各试验组浊度变化如图8所示。从图8可知，静水组浊度降幅明显高于其他组。动水组在前4天浊度呈快速下降的趋势，第4天之后出现缓慢升高，原因是因为试验人工配置的开始时浊度很小，水体比较清澈，随着试验的进行，动水组在水体不断流动的情况下，一些有机悬浮物、水体中细小颗粒等不容易沉降，只能依靠黑藻的吸附降解以及拦截等作用来实现浊度的降低，因此出现浊度缓慢升高。黑藻组和空白组出现浊度升高现象，原因是黑藻组仅依靠黑藻对有机悬浮物的拦截吸附来实现浊度的降低，没有砂子作为微生物附着载体，可能没有像静水组中那么多的微生物来实现对悬浮有机物的生化降解；空白组只能依靠水体自然沉降，加之整个试验在户外进行，易受外界气温，风力扰动的影响，还有灰尘颗粒等飘入水体，因此浊度不降反升，而且变化不稳定。

图8　各试验组浊度变化Fig.8Turbidity of the experimental group comparison

2.1.6DO浓度变化

各试验组DO浓度变化如图9所示。从图9可以看出，动水组DO浓度比较稳定，保持在7.45～8.23 mg/L；静水组在前12天处于上升趋势，试验后期有所波动，分析原因是动水组的复氧能力更强，静水组主要依赖黑藻的光合作用来实现水体的复氧，但是黑藻在进行光合作用的同时，水体中一部分微生物对有机质进行好氧分解［19-20］，当水体中微生物耗氧速度大于复氧速度时，出现DO浓度下降趋势；黑藻组和砂子组趋势基本一致；空白组变化较大，并在第10天出现DO浓度高于其他试验组的情况，分析原因是空白组从第8天开始箱子底部及边壁出现大量“绿膜”，及比较紧凑的棒状絮体，而且第10天出现高温天气所致。

2.1.7生物量的变化

试验共用24束黑藻，试验前生物量为1 050 g。历时20 d试验结束时，黑藻生物量为1 589 g，生物量增加539 g。另外还发现，试验结束时水槽中黑藻（动水组）平均生物量大于4组静水组，说明相比较静水条件，黑藻在流速较小的水体中长势更好。

图9　各试验组DO浓度变化Fig.9DO density change of the experimental group comparison

2.1.8水质净化情况

动水组试验前后水质净化情况如表1所示。从表1可以看出，试验结束后，各水质指标都有大幅度降低，其中CODCr、NH3-N浓度达到地表Ⅰ类标准限值。根据“木桶短板效应”，试验结束后可将原地表Ⅴ类水净化为Ⅲ类水。

表1　动水组试验前后各指标浓度对比Table 1The comparison of Indices before and after experimentmg/L

3　结论

（1）利用黑藻模拟净化城市河道水质的试验表明，在低流速的动水情况下，黑藻长势良好，且对受污染水质净化效果较好，试验结束后可将原地表Ⅴ类水净化为Ⅲ类。

（2）动水组NH3-N、TP和CODCr的平均去除率达92.03%、83.08%和74.04%，DO浓度在整个试验过程中比较稳定，保持在7.45～8.23 mg/L，因此，利用黑藻可以修复较低流速的受污染河道。另外，黑藻还是鱼虾、河蟹等喜欢的食物，也是良好的观赏性沉水植物，但黑藻繁殖速度较快，尤其在磷酸盐和硝酸盐较丰富的水体中，因此要注意其过量繁殖，以免引起其他灾害。

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Simulation Test of Purification Effect of Hydrilla verticillata in Urban Rivers

SHAO Xia-zhen1，GUO Si-yan1，WANG Ying2
1.Gansu Institute of Land Resources Planning and Research，Lanzhou 730000，China2.Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering，Xi＇an University of Technology，Xi＇an 710048，China

The purification effect of Hydrilla verticillata for urban river water was simulated.The results showed that compared with the still water condition，under the moving water condition with water flow of 1.74 cm/s，Hydrilla verticillata had the superiority in purification of NH3-N，TP and CODCr，with the average removal rate of 92.03%，83.08%and 74.04%，respectively.After the experiment，the original surface water was purified from Classification V to Classification III，according to the Environmental Quality Standards for Surface Water（GB 3838-2002）.The biomass of Hydrilla verticillata of the moving water group was greater than that of the still water group，demonstrating that the Hydrilla verticillata grew better under low water-flow condition and had better purification effect，compared with the still water condition.

Hydrilla verticillata；urban river；nitrogen and phosphorus；removal rate

X522

1674-991X（2015）02-0149-06doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.02.022

2014-10-27

邵霞珍（1986—），女，硕士，主要从事水环境生态修复研究，shaoxiazhen@163.com