塘西河湿地水生植物对富营养化水体的净化效果研究

崔丽杉， 洪　磊， 吴京京， 金　杰,

(1. 合肥学院 生物与环境工程系，合肥 230601； 2. 安徽省环境污染防治生态修复协同创新中心，

合肥230601； 3. 合肥环境工程研究院，合肥 230601)



塘西河湿地水生植物对富营养化水体的净化效果研究

崔丽杉1， 洪磊2, 3， 吴京京1， 金杰1, 2, 3

(1. 合肥学院 生物与环境工程系，合肥 230601； 2. 安徽省环境污染防治生态修复协同创新中心，

合肥230601； 3. 合肥环境工程研究院，合肥 230601)

摘要通过静态水培试验研究塘西河湿地9种常见的水生植物在富营养化水体中的生长状况及对TN、TP、COD(cr)的去除能力。结果表明：1)供试的水生植物均能正常生长，30天后，石菖蒲在供试植物中生物量增长比达到最高54.36%，黑藻生物量增长比最低39.14%；2)9种植物中石菖蒲对TN的去除率最高可达80.62%，水葫芦最低56.16%；对TP的去除率最高是芦苇可达78.84%，最低是黑藻43.78%；对COD(cr)的去除率最高是黄菖蒲可达81.60%，最低是黑藻44.76%。

关键词水生植物；富营养化水；净化效果

Study on the purification effect on eutrophic water by aquatic plants in Tanxi River wetland

CUI Li-shan1, HONG Lei2， 3, WU Jing-jing1, JIN Jie1， 2， 3

(1.Department of Biological and Environmental Engineering, Hefei University;2. Collaborative Innovation Center for Environmental Pollution Precaution and Ecological Rehabilitation of Anhui; 3.Institude for Environmental Engineering of Hefei, Hefei 230601，China)

AbstractThrough the static hydroponics tests, 9 kinds of common aquatic plants from Tangxi River Wetland were cultured in the eutrophic water, and their removal abilities of TN. TP and CODcrwere determined. Result showed that the tested plants grew well. After 30 d, the highest growth ratio of biomass among the tested samples was 54.36% fromAcorustata, and the lowest 39.14% fromHydrillaverticillata.Acorustatashowed the highest TN removal ability with the rate of 80.62%, while water hyacinth the lowest with 56.16%. Result showed the highest TP removal ability with 78.84%.Hydrillaverticllatawas the lowest with 43.78%. For CODcrRemoval,Irispseudacoruswas the best with 81.60%.HydrillaVerticillatawas the lowest with 44.76%.

Keywords aquatic plants; eutrophication water; water quality purification

近年来，随着江、河、湖等水体的富营养化程度变得日益严重[1]，水体污染已经成为当下环境污染问题中的重大难题。而人工湿地就是在这样的背景下出现的一种生态型的污水处理技术系统[2，3]，并且已经被广泛地用于处理城市污水、城镇河流和养殖废水[4，5]，比传统的污水处理技术具有效果好、易管理、持续时间长等优点，是一种绿色的污水处理技术[6，7]。在这项技术中，具有改善水质、美化景观等重要作用的是湿地植物，而不同植物的净化效果不同，因此如何选择和配置湿地植物是人工湿地建设的重要内容。

本文选取塘西河湿地内9种常见的水生植物，研究其对污水中的TN、TP及CODcr的净化效果，以期筛选出净化效果好，易于生长和观赏性高的植物。研究结论可为人工湿地植物的筛选提供参考，同时对怎样组合植物可更高效地净化水质有一定的参考价值。

1材料与方法

1.1实验材料

在塘西河湿地调查区域内选取9种常见的水生植物进行对比实验，包括挺水植物美人蕉、石菖蒲、黄菖蒲、芦苇、再力花，浮叶植物大薸、水葫芦，沉水植物苦草和黑藻。

1.2实验方法

将在湿地采集的植物带回实验室，首先要用清水洗净根部的泥土，再用蒸馏水冲洗3遍，以减少实验误差，最后，放入配置好的营养液中进行适应性生长。15 d后确定植物已稳定生长，挑选生长状态最佳的植株移入培养缸中，然后只将供试污水作为植物生长的单独营养液。实验期间，观察植物的根、茎、叶，防止病虫害的发生，及时修剪枯萎、腐败的枝叶。

实验装置是体积为40 L的棕色瓷缸，供试污水为人工配制的富营养化水。培养缸中投放两层砂层作为基质，下层为5 cm的细沙，上层为5 cm的砾石。细沙和砾石投入瓷缸前要经过预处理，首先用自来水冲干净，再用蒸馏水冲洗几遍，以减少细沙和砾石给试验带来的影响[8]。设计水力停留时间(HRT)为30 d，培养缸内污水体积为10 L，确定植物稳定生长后开始水体净化实验，不种植物的作为空白对照。

实验开始后，水样的采集分为短期和长期两个阶段，短期为处理后(培养植物的前半个月)每隔2 d采集1次水样，长期每隔6 d采集1次水样，共采集水样8次，对水质指标CODcr、TP和TN进行检测。供试污水的初始水质指标 CODcr、TN、TP、如表1。

表1 实验废水主要初始指标

1.3测试方法

1.3.1监测指标与分析方法[9]

表2 主要监测指标和监测分析方法

各水体指标的去除率按下列公式[10]计算：

去除率(%)=[(Co-Ci)/Co]×100%。

其中，Co为实验开始时水体中的污染物浓度；Ci为第i天时水体中的污染物浓度。

1.3.2生物量的测定方法

生物量称取的是植物的鲜重，称重包括植物根部在内的植物整体的重量且要沥干植物自身所带的水分。初始生物量为实验开始时的植物重量，最终生物量为实验结束后的植物重量。

生物量增长比(%)=[(最终生物量-初始能量)/初始生物量]×100%

2结果与讨论

2.1生物量变化

这9种水生植物在富营养化水体中均能正常生长，各植物长势良好，都有新叶长出，无大批植物死亡枯萎现象。由图1可看出，9种水生植物在实验期间的生物量都有所增加，30 d后生物量增长比最大的是石菖蒲为54.36%，黑藻的生物量增长比最小为39.14%。挺水植物中再力花的净增量227.7 g为最大，其次为石菖蒲225.9 g，最小的是芦苇的净增量为159.6 g；浮水植物中最大净增量为122.4 g(大薸)，水葫芦的净增量为89.9 g；沉水植物中最大净增量为83.9 g(苦草)，黑藻的净增量为72.1 g。

挺水植物在生活型上的优势决定它们可以在水面上下立体发展[11]，并且自身初始生物量就偏大，在富营养水体条件下净增生物量明显高于其他生活型植物。浮水植物和沉水植物，在培养开始时生物量迅速增加由于空间限制及环境影响使得净增生物量要小于挺水植物。

实验结束时，各植物的净增生物量的比较结果为：再力花>石菖蒲>黄菖蒲>美人蕉>芦苇>大薸>水葫芦>苦草>黑藻。

图1 植物生物量变化

2.2CODcr的去除效果

实验在平均水温为25℃的环境下进行，植物生长良好，利于植物对水体中营养盐的吸收，各试验组都表现出明显的净化效果，空白组由于其水体本身的自净作用使得培养缸内的CODcr的含量有所降低，但是所有植物对水体中CODcr的净化效果明显高于空白组。

水体中的CODcr去除主要是通过沉淀、过滤和植物的根系截留、吸附及其微生物降解等综合作用而去除[12]。明显的自然降解与湿地植物共同作用的效果要优于只在自然作用下的效果。停留时间(HRT)为6 d时，芦苇、美人蕉和黄菖蒲的去除率都超过了50%，分别为60.24%、50.54%和55.81%。当停留时间(HRT)为10 d时，挺水植物中除再力花外，对CODcr的去除率均超过60%，其中芦苇去除率最高达到70.89%。从这个短期测试结果来看各种植物对CODcr的去除率是芦苇>黄菖蒲>美人蕉>石菖蒲>再力花>大薸>苦草>水葫芦>黑藻。因此，所选的挺水植物的去除率要优于其他受试浮水植物和沉水植物。

培养植物半个月后，黄菖蒲对CODcr的去除率有所增加，到第29天时已经达到81.60%，成为所有受试植物中去除率最高的。其次为石菖蒲、芦苇、再力花和美人蕉，这几种挺水植物对CODcr的去除率都超过了70%。分析其原因，一方面黄菖蒲根系发达，根区微生物数量较多，更有利于根区的泌氧作用，对CODcr的降解效果好；另一方面，芦苇前期栽种时根系有所损伤致后期生长劣于其它挺水植物，使得培养后期对CODcr的去除率没有大幅上升。浮水植物大薸对CODcr的去除率为67.83%要大于水葫芦，沉水植物苦草对CODcr的去除率为63.58%也要高过水葫芦，可能是因为水葫芦快速生长覆盖了培养缸水体表面，使缸内藻体增加，也可能是水葫芦自身释放了一部分营养物质使缸内CODcr值增加。

图2 不同植物降解污水中CODcr情况比较

培养期要结束时，沉水植物黑藻缸内的CODcr含量开始上升，黑藻对CODcr的去除率是所有植物中最差的，后期藻类覆盖缸体致使CODcr开始上升，在培养房内还可闻到异味。

由实验结果可以看出，这9种植物对污水都具有良好地净化作用，这9种植物的去除率的高低顺序为，黄菖蒲(81.60%)>石菖蒲(80.41%)>芦苇(79.30%)>再力花(75.86%)>美人蕉(72.56%)>大薸(67.83%)>苦草(63.58%)>水葫芦(52.26%)>黑藻(44.76%)。

2.3TN的去除效果

由图3可以看出，这几种植物对培养缸内的污水中的TN都有一定的去除效果且均大于空白对照组。在实验过程中，由于此小型模拟人工湿地系统的自身的净化作用[13]，对照培养缸中TN的浓度也比开始有所降低，但是，系统自身净化污水的能力是有限的，因此，没种任何植物的培养缸内，在实验的后期TN的浓度几乎不再下降。培养过程中发现，这9个培养缸中的污水颜色都由最初的黄色逐渐变成了无色，这说明经过植物的净化作用污水水质得到很好的转化。不同的植物具有的生物量不同、根系也不尽相同，所以植物的去除效果也会有差距。美人蕉、再力花、黄菖蒲、芦苇、石菖蒲、大薸、水葫芦、黑藻和苦草这9种植物在培养的第11天对TN的去除率分别为51.42%、55.47%、57.62%、45.26%、65.34%、52.86%、36.21%、47.77%、51.81%。从短期结果来看，石菖蒲对TN的去除效果最优，黄菖蒲、苦草次之，水葫芦对TN的去除效果最差。对照培养缸内的TN浓度的降低说明，TN不仅通过植物吸收而降解，还可以通过湿地中的基质吸附和其体系内生长的微生物的消化作用而去除。

从图3还可看出，水体中的 TN 去除率开始较快，到培养后期植物去除污染物的速度逐渐减慢，这与植物成长后期，其体内对 N、P 的需求量的减少以及植物内部 N、P 的再次分配有很大的关系[14]。

在实验结束时，挺水植物培养缸内TN浓度在1.56 mg/L～2.58 mg/L，浮水植物培养缸内TN浓度在2.86 mg/L～3.56 mg/L，沉水植物培养缸内TN浓度在2.43 mg/L～2.82 mg/L。

实验结束时，各培养体系内植物对TN的去除率如下：石菖蒲(80.62%)>美人蕉(79.16%)>黄菖蒲(73.85%)>再力花(72.08%)>苦草(69.74%)>芦苇(67.83%)>黑藻(65.01%)>大薸(64.43%)>水葫芦(56.16%)。

2.4TP的去除效果

由图4看出是各培养体系对TP均有一定的去除效果。空白对照组对TP的净化率最高也达到了16%，因为，植物对磷的去除，一部分是植物的吸收，一部分是以磷酸盐形式沉降并沉积在基质上，P极易被底部基质吸附[15]，所以试验前11天 TP浓度降低得很快。但下降到某一值后，就会有少量的P从基质中逐渐被释放出来，因此，试验后期TP浓度下降逐渐变缓，甚至会有所上升。

图3 不同植物降解污水中TN情况比较

实验前期，这十个培养缸中的总磷浓度都迅速下降，体现了很好的净化效果。不同的是，对照组TP浓度下降较为平缓，而植物组TP浓度下降较快。到11 d时去除速率都基本达到最大，TP去除率分别为芦苇(73.60%)>黄菖蒲(70.29)>再力花(68.23%)>石菖蒲(65.27%)>美人蕉(62.98%)>大薸(60.02%)>水葫芦(42.93%)>苦草(55.54%)>黑藻(41.87%)。

实验结束时挺水植物的培养体系中的TP浓度为0.178 mg/L～0.226 mg/L，浮游植物培养缸内TP浓度为0.316 mg/L～0.339 mg/L，沉水植物培养缸内TP浓度为0.244 mg/L～0.479 mg/L。

此外，同 TN 一样，水体中的 TP 去除率开始较快，到后期去除TP的速度逐渐减慢，这同样是与后期植物本身对 N、P 需求量的减少以及N、P 在植物体内的再次分配有关。这也与李科德[16]等用芦苇床系统净化污水的研究结果一致。李科德研究得出，微生物的数量与P的去除率基本不相关，认为污水中磷的去除一方面与底部基质有关，一方面则是植物的吸收作用。由图4可知，5种挺水植物对磷的去除曲线基本一致，这是因为挺水植物根系比较发达、生物量相对较大，可以吸附大量的磷酸盐，最终使总磷含量大大地降低。

TP最终去除率为芦苇(78.84%)>美人蕉(75.56%)>黄菖蒲(74.28%)>石菖蒲(73.05%)>再力花(71.84%)>苦草(69.95%)>大薸(61.60%)>水葫芦(59.09%)>黑藻(43.78%)

图4 不同植物降解污水中TP情况比较

3 结论与建议

1)不同类型的水生植物的净生物量的增长比差异较明显，各植物净生物量增长比的变化范围为39.14%～54.36%，净生物量增长比最大的是石菖蒲。

2)不同植物的水质净化能力也存在较大的差异，9种湿地植物的TN、TP、CODcr的去除率分别在64.43%～80.62%、43.78%～78.84%和44.76%～81.60%。其中石菖蒲(80.62%)对TN的去除率最高，美人蕉(79.16%)次之；芦苇(78.84%)TP的去除率最高，美人蕉(75.56%)次之；黄菖蒲(81.60%)对CODcr的去除率最高，石菖蒲(80.41%)次之。

3)为了达到更好的污水净化效果，建议将去除TN能力最强的石菖蒲与去除TP能力最强的芦苇兼美人蕉和去除CODcr能力最强的黄菖蒲混种，这样可以将去除TN、TP和CODcr的能力达到更高。

通过对人工湿地植物的水培实验结果可以得知，生物量较大的挺水植物对污水的净化效果是最好的。并且在实验系统运行过程中，挺水植物管理较为方便，通过定期的收割则可避免水体的二次污染。因此，合理的筛选植物、组合植物群落就可以提高植物对水体中CODcr、TN、TP的净化效果。人工湿地中若水域中只有单一水生植物，则会受季节性变化影响，导致其净化作用不稳定，但将多种水生植物综合配置，就可以营造出一个独特的人工复合生态系统，还能够实现多种水生植物的优势互补。

本实验设计的种植水生植物的生态修复体系，见效快、花费少且管理运行也方便，为净化本地的河水提供了很好的思路。既可以净化污水又可以修复生态环境还可以美化景观，是一种很好的改善水体环境的方法。但是，要注意植物的选择和配置以使其达到更好的效果，具体配置还有待更进一步的研究。

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中图分类号X52；X173

文献标识码A

文章编号2095-1736(2016)02-0018-04

作者简介：崔丽杉，硕士研究生，研究方向为环境工程；通信作者：金 杰，教授，研究方向为生物及环境工程领域，E-mail: amushui@hfuu.edu.cn。

基金项目：合肥学院重点学科项目(2014xk01)；合肥学院院级学科带头人项目(2014dtr02)；安徽省高校自然科学研究重大项目(KJ2016SD50)

收稿日期：2015-11-06；修回日期：2015-12-01

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2016.02.018