饮马河流域典型湿地植物净化河流水环境效果研究

李廷超 王咏 张刚 王肇钧（东北师范大学环境学院， 长春 130117）



饮马河流域典型湿地植物净化河流水环境效果研究

李廷超 王咏 张刚 王肇钧（东北师范大学环境学院， 长春 130117）

摘 要采取单种及混种方式，通过小型湿地模拟实验，研究松花江支流饮马河流域河流湿地中常见的芦苇、香蒲、槽秆荸荠、藨草、慈姑、花蔺、菱角、紫背浮萍和金鱼藻9种湿地植物及其组合对河流水体中化学需氧量（CODcr）、氮、磷等的净化效果。结果表明：所选湿地植物，在模拟环境条件下均能有效提升取自河流水体的水质；不同的湿地植物对污水中各污染物净化具有明显的差异，花蔺对总磷（TP）、CODcr和氨氮（NH3-N）净化效果最好，去除率依次为99.65%、68.22%和99.54%；香蒲、菱角、金鱼藻混合组对总氮（TN）的净化效果最好，去除率是66.19%；槽杆荸荠、芦苇和金鱼藻对亚硝酸盐氮（NO2-N）的净化效果最好，去除率是83.64%。两种植物混种后对某一种污染物指标的处理效果弱于分别独种时的处理效果，但对多种污染物指标的综合处理效果一般要好于独种时的处理效果。

关键词湿地植物；生活污水；氮；磷；饮马河

人工湿地是近年来发展较为迅速的一种污水处理技术，具有投资少、去除污染物和净化污水效果好、绿色环保等多重优点（刘衍君，2003）。人工湿地是在一定长宽比和底面坡度的洼地中，由土壤和填料（如砂、砾石等）混合组成（史鹏博等，2014），填料床体表面种植具有成活率高、性能好、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物，如芦苇Phragmites australis、香蒲Typha orientalis等，形成一个独特的动植物生态系统，废水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，经过植物、微生物和湿地基质后，从而实现对废水净化处理。

绝大多数人工湿地由5部分组成（刘东阁等，2009；王建军，2004），即透水性的基质、水体、适于在含氧饱和水和厌氧基质中生长的植物、无脊椎或脊椎动物、好氧或厌氧微生物种群。湿地植物在湿地系统中具有重要作用，可将大气氧传输至根部，使根在有氧环境中生长，显著增加微生物的附着，增加土壤的透水性。因此，湿地植物的筛选和优化也一直是该领域研究的重点内容，其选择不仅要考虑到净化效果，也要考虑植物生长的稳定性和地域性。

湿地植物的地域性很强，黄余春等（2012）研究了云南高原常见植物中对生活污水氮的净化效果，结果表明“水葱Scirpus validus+睡菜Nymphaea tetragona+荇菜Nymphoides peltatum”的组合效果较好，去除率高达（93.79±1.27%）。孙海燕等（2014）研究了武汉常见植物对生活污水的净化效果，结果表明鸢尾的处理效果最好，对COD、TN和氨氮等指标的去除率均达到90%左右，其他植物去除率也高于对照组，但是低于鸢尾。杨子尧（2014）研究了四川盆地本土植物对农村生活污水的处理效果，生物量和相对生长速度表明芦苇和旱伞竹生长最快，其他次之，而对污水的去除效果上，菖蒲的综合处理效果最佳。崔丽娟等（2009）研究了北京地区不同湿地植物对生活污水的净化效果，结果表明不同植物对COD、TN和TP的平均去除率分别达92.3%、97.2% 和99.8%。肖洋等（2014）研究了哈尔滨典型植物对生活污水的处理效果，结果表明香蒲的净化能力最强，去除率达70.46%，最佳水力停留时间是6 d。已有研究表明，不同的湿地植物具有较强的地域性，对污染物的去除能力也表现为有较大的差异。因此，湿地植物的选择不仅要考虑净化效果，也要考虑植物生长的稳定性和地域性。

为了研究饮马河流域常见湿地植物在人工湿地处理系统中对水体的处理效果，以应用于寒区河流生态修复中提升水环境质量，本研究选择了9种饮马河流域内典型湿地植物，研究不同植物对河水的净化效果，旨在筛选出净化能力较强的湿地植物物种或者组合方式，为我国寒区河流，尤其是通过人工湿地技术提高大城市下游河段河水水环境质量提供科学依据和参考。

1 研究区概况

饮马河是松花江中上游重要一级支流，流经长春城区的伊通河是饮马河最大的支流，在伊通河下游，特别是长春市城区段，经过河道截流和景观治理，已变成典型湖泊型河流，并且由于接纳了长春市大量污废水，河流水体自净能力几近消失，水体经常处于劣五类水质状况。

2 材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验植物 本实验选择了伊通河水系常见9种湿地植物，即香蒲Typha orientalis、槽杆荸荠Heleocharis equiaetiformis、芦 苇Phragmites australis、慈姑Heleocharis dulcis、藨草Scirpus triqueter、 花 蔺Butomus umbellatus、菱角Trapa bispinosa、紫背浮萍Marsilea、金鱼藻Ceratophyllum demersum。

本实验所用植物，均取自于伊通河水系中支流玉带河净月区段河流湿地中，植物经水冲洗去除根部污泥后，于容器中水培待用。参考植物的自然生长密度，本实验植物的种植密度如下：香蒲22株/ m2；槽杆荸荠12～15芽/丛，8丛/m2；芦苇26株/m2；慈姑16株/ m2；藨草5～7芽/丛，8丛/m2；花蔺2～3芽/丛，25丛/m2；菱角32株/m2；紫背浮萍200株/m2；金鱼藻5～6芽/丛，9丛/m2。

2.1.2 实验基质 根据已有研究结果，本实验采用的基质为大沸石、粉煤灰、火山灰、小沸石。大沸石：粉煤灰：火山灰：小沸石比例是2∶1∶1∶2 （沸石粒径：小2～5 mm，大15～20 mm；煤灰渣粒径：15～25 mm；火山灰：8 mm），其中，沸石按照粒径购买于长春市九台区上河湾镇石羊沸石矿厂；火山灰购买于辉南县三角龙湾自然保护区；煤灰渣取自长春市某热电厂。材料取回后过筛、清洗、自然风干存放备用。

2.1.3 实验污水 实验所用污水取自长春市东南部的伊通河支流玉带河，玉带河为其上游净月潭泄洪河道，水源主要为降水及上游泄洪，实地考察发现还有一部分沿岸生活污水汇入，位于净月高新技术开发区新城大街桥下河段，经实地调查，取水期前两个月内，上游没有泄洪，河道内水来源为雨季降水以及周边高校生活污水，所取污水的水质指标见表1。

2.1.4 实验场地及装置 本实验于室外完成，共设置14组模拟实验箱，用市售聚乙烯材质整理箱（长宽高为0.4 m×0.6 m×0.35 m）。实验场地上方设置了防雨棚，棚顶为聚乙烯薄膜，透光防水。

2.2 实验设计

模拟实验共设14组（表2），其中，第1组是纯污水对照，即只放入等高水位污水，模拟污水自净效果。第2组是基质对照，即将比例基质等量置入容器，研究基质净化效果；第3～14组则是依次将不同植物栽培于同样比例基质上，研究不同植物及其组合的净化效果。第3～11组是单一植物组；第12组是芦苇、菱角和金鱼藻混合组；第13组是槽杆荸荠、菱角和金鱼藻混合组；第14组是香蒲、菱角和金鱼藻混合组。

表1 伊通河支流玉带河污水水质参数 mg/L

将所取污水置于大桶内充分混匀，依次加入各模拟实验箱内，保持水位相同，将当天作为第1天。此后，因自然蒸发及取样测试分析所影响的水位变化，通过向实验箱内加入蒸馏水予以调整，各组水位控制参考初始水位高度。

2.3 样品分析

实验共进行17 d，研究在不同水力停留时间（HRT为1、3、5、7、……、17 d）下的去污效果，以确定本研究条件下最佳的水力停留时间。每间隔1 d于各模拟实验装置内取水1次，分析测试水样中水质指标，包括CO Dcr、TN、NH3-N、NO2-N和TP，每指标3次平行，取均值，各指标分析方法见表3.

评价湿地植物对污水的净化效果，指标选取CO Dcr、NH3-N、NO2-N、TN和TP的去除率（R），计算公式如下：

其中，R为去除率，Ci为第i次 CO Dcr、NH3-N、NO2-N、TN和TP的浓度，C0为CO Dcr、NH3-N、NO2-N、TN和TP的初始时刻浓度。

采用SPSS 19.0统计分析软件对研究数据进行处理分析。

3 结果与讨论

3.1 湿地植物对TN的净化效果

湿地系统对污水中氮素的去除包括基质的吸附和过滤、氮的矿化、氨的挥发、植物的吸收和同化、微生物硝化和反硝化的作用等。由图1可知，无论是对照组、基质组还是植物+基质组，均对污水中的TN有较为明显的净化效果，表明本实验过程污水中总氮的去除是多方面因素协同共同作用的结果，并且污水中TN含量随时间的变化趋势也基本相同，即呈现出缓缓降低趋势。

当水力停留时间＜12 d时，大部分植物及植物组合对TN的去除效率高于对照，但是每组的平均去除率与对照组相差不大，当实验至第12天时（即水力停留时间为13 d时），各组TN含量达到实验周期内最低值，净化效率由高到低依次为香蒲混（14组）＞金鱼藻＞槽秆荸荠混（13组）＞菱角＞紫背浮萍＞香蒲＞藨草＞芦苇＞芦苇混（12组）＞花蔺＞槽杆荸荠＞基质＞慈姑＞对照。由以上净化效率可知，单一植物组，处理效果最好的为金鱼藻，其去除率达到了55.71%；混合植物组处理效果最好的为香蒲混，其去除率达到了66.19%。当水力停留时间＞13 d时，湿地植物对TN的净化效果趋于平稳并且去除率降低，原因是系统中植物、微生物和基质的吸收转化吸附达到饱和，同时有一部分反硝化作用使TN含量趋于升高。陈永华等（2008）研究得出植物氮磷积累量表示植物从湿地系统中带走的氮磷量，是直接反应植物净化潜力的重要指标之一，其大小由生长量和植物内氮磷平均含量决定。

表2 各实验植物组合

表3 各指标分析方法和分析仪器

同样含有金鱼藻的3个混合组（12组、13组、14组）处理效果差异明显，比较发现，只有香蒲混合组比单一金鱼藻组的处理效果好，这说明一方面单一植物对于TN的去除（利用）可能存在上限，另一方面植物混种可能会提高或者降低处理效果；在工程应用时筛选适合的植物搭配对于TN的去除来说至关重要。

图1 湿地植物对TN浓度的净化效果

虽然本试验周期内湿地植物对TN能够起到明显的净化效果，但是根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2012），所有组内污水水质处理前后仍然为劣五类，说明当污水中TN含量较高时，湿地植物的处理负荷有限，需要辅助其他方法才能更有效的改善和增强水质。

3.2 不同水力停留时间下湿地植物对TP的净化效果

湿地对磷的去除包括植物根系的吸收、微生物固磷、基质的吸附等，可见湿地中磷净化效果取决于基质、水生植物和微生物之间的共同作用。由图2可知，实验各组对污水中的TP均有明显的净化效果；当实验时间为4天（即水力停留时间＜5 d）时，污水中TP含量随时间而呈现明显的降低趋势。当水力停留时间为5 d时，各组净化效果由高到低依次为花蔺＞藨草＞紫背浮萍＞慈姑＞槽杆荸荠混（13组）＞香蒲混（14组）＞芦苇混（12组）＞香蒲、菱角＞槽杆荸荠＞芦苇＞金鱼藻＞基质＞对照。对于单一植物组来说，处理效果最好的为花蔺，去除率达到了99.65%。对于混合植物组来说，处理效果非常接近，处理效果最好的是槽杆荸荠混，去除率达到了97.30%。于君宝等（2013）根据污水处理前后的污染物浓度，计算出总磷的净化率，6 种人工湿地单元对TP 有着不同程度的净化效果，与本实验相同的植物去除效果相似，其中平均净化率达到95%。去除效果是植物、微生物和填料共同作用的结果。

对于TP这一指标来说，花蔺能够将污水水质由劣Ⅴ类处理为I类；而且3种混合物组植物均能将污水水质由劣Ⅴ类处理为II类。实验表明，本研究条件下，花蔺对TP具有很高的去除率。

3.3 湿地植物对COD的净化效果

化学需氧量COD是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量，在河流污染和工业废水性质的研究以及废水处理厂的运行管理中，它是一个重要的而且能较快测定的有机物污染参数，是国家重点关注的废水重点污染物之一。由图3可以看出，各组植物均对污水中的COD有明显的净化效果，随着时间的推移，污水中的COD呈先快后慢的下降趋势。

图2 湿地植物对TP浓度的净化效果

图3 湿地植物对COD的净化效果

图4 湿地植物对氨氮的净化效果

图5 湿地植物对亚硝酸盐氮的净化效果

当水力停留时间＜5 d时，大部分湿地植物对CO D的去除率高于对照组；当水力停留时间为5 d时，对水体的净化效果由高到低依次为花蔺＞芦苇＞香蒲＞慈姑＞藨草＞槽杆荸荠＞紫背浮萍＞菱角＞芦苇混（12组）＞金鱼藻＞香蒲混（14组）＞槽杆荸荠混（13组）＞基质＞对照。当水力停留时间＞5 d时，去除率下降并且趋于缓慢。研究表明单独的湿地植物处理最好的为花蔺，去除率达68.22%。混合组的湿地植物处理效果最好的是芦苇混，达到61.15%，这与蒋永荣等（2009）的研究结果相近。本研究花蔺对水样中的COD指标具有较为明显的净化效果。随着水力停留时间的增加，各组的去除率下降但各组的去除率明显高于对照组，湿地系统的脱氮主要途径是植物的吸收、微生物的硝化反硝化、基质的吸附。

3.4 湿地植物对氨氮的净化效果

所有组均对污水中的氨氮有明显的净化效果（图4）。当水力停留时间＜5d时，污水中氨氮含量随时间呈稳步的下降趋势，尤其是0～4天净化效果尤为明显，各植物组和对照组相比，去除效果明显提高，但植物与植物组合之间的差异性不显著。各组对水体的净化效果由高到低依次为花蔺＞藨草＞香蒲＞慈姑＞金鱼藻＞槽杆荸荠＞菱角＞芦苇＞槽杆荸荠混（13组）＞香蒲混（14组）＞芦苇混（12组）＞紫背浮萍＞基质＞对照。

单一植物中，处理效果最好的是花蔺，去除率达99.54%，将对应的水体氨氮指标由劣Ⅴ类提高到II类。混合植物组中，处理效果最好的是槽杆荸荠混，去除率达97.40%，可将污水水质由劣Ⅴ类提高到II类。郭杏妹等（2010）研究了3种植物对总磷和氨氮的净化效果，主要在试验的前段时间，且表现为同步的硝化和反硝化。湿地植物群落中由于存在多种植物种类，植物的化感作用、生化他感等对污水中污染物的吸收和富集有一定的促进效果，但也可能存在减弱作用。

3.5 湿地植物对亚硝酸盐氮的净化效果

各实验组均对污水中的亚硝酸盐氮有明显的净化效果（图5）。随着水力停留时间的变化，污水中亚硝酸盐氮含量随时间的推移呈较为明显的下降趋势。当水力停留时间＜5 d时，不同组合对各组合的去除率变化明显，净化效果由高到低依次为槽杆荸荠＞芦苇＞金鱼藻＞藨草＞花蔺＞紫背浮萍＞芦苇混＞槽杆荸荠混＞香蒲混＞香蒲＞慈姑＞菱角＞基质＞对照。实验表明，单一植物组中，亚硝酸盐氮处理效果好的为槽杆荸荠、芦苇、金鱼藻，去除率为83.64%。混合植物组中，亚硝酸盐氮处理效果好的为芦苇混，去除率达80%。与其他研究相比，湿地植物对亚硝酸盐氮净化效果的研究很少，其净化机理的研究也很少，人工湿地植物去除氨氮和亚硝酸盐氮的实验研究有待深入开展。

4 结论

综上所述，本研究得到如下结论：

（1）本研究所选各种区域典型湿地植物物种，在小型湿地模拟实验环境条件下，单种或者混种均能有效改善取自天然河道地表水模拟的水环境质量。

（2）不同典型湿地植物对污水中污染物和氮磷等净化效果不同。花蔺对TP、COD和氨氮净化效果最好；香蒲混合组对TN净化效果最好；槽秆荸荠、芦苇和金鱼藻对亚硝酸盐氮净化效果最好。

（3）由于种间复杂关系的存在，两种湿地植物混种后的污水处理效果弱于分别独种时的处理效果。

参考文献

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doi:10.3969/j.issn.1673-3290.2016.02.12

收稿日期：2016-01-22

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（No：2014ZX07201-011）资助

作者简介：李廷超（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为环境生物学与湿地植物生态修复。 E-mail：243655132@qq.com

通讯作者：王咏，E-mail： wangy833 @nenu.edu.cn，张刚，E-mail：zhangg 217@nenu.edu.cn

Effectiveness of Water Purification by Typical Wetland Plants in Yinmahe River Basin

LI Ting-Chao WANG Yong ZHANG Gang WANG Zhao-Jun （Northeast Normal University， School of Environment， Changchun 130117）

AbstractNine typical wetland plants in Yinmahe river basin， a branch of Songhua River， were selected to study the effectiveness of purifcation by these plants separately and jointly to remove Chemical Oxygen Demand （CODcr）， nitrogen and phosphorus of the water body in Northeast China by simulated experiment of small-sized wetland with single species and species mixture.Results showed that all the selected wetland plants can improve the quality of water body of the river under the simulated environmental conditions.However， there were signifcant differences among different wetland plants in purifying to remove various pollutants in the water.Butomus umbellatus was the best in removing total phosphorus （TP）， CODcrand ammonia nitrogen （NH3-N）， with a purifcation effciency of 99.65%， 68.22% and 99.54%，respectively.Moreover， the species mixture of Typha orientalis， Trapa bispinosa and Ceratophyllum demersum were the best in removing total nitrogen （TN） with an efficiency of 66.19%， and the mixture of Heleocharis equiaetiformis， Phragmites australis and Ceratophyllum demersum were the best in removing nitrite nitrogen （NO2-N） with an effciency of 83.64%.In addition， the effectiveness of removing a single pollutant was weaker by mixture of 2 species than by single species.In contrast， the effectiveness of removing multiple pollutants by species mixture was higher than by single species.

Key wordsWetland plants； Waste water； Nitrogen； Phosphorus；Yinmahe River