6种水生植物及其组合对模拟污水中磷的净化效果

陈小运， 胡友彪， 郑永红， 张治国， 余 婷， 孙 翔， 邓永强

(安徽理工大学 地球与环境学院， 安徽 淮南 232001)

水环境质量是水环境保护和治理的重点问题及研究对象，随着人类活动的增加，生活污水和生产用水的排放量日益增加，其特点是含有大量的氮、磷等元素，随之而来的是水体富营养化问题[1]。在富营养化水体治理技术方法中,植物修复技术因其环境友好、太阳能驱动、成本低、可恢复水体自净化能力等优点,逐渐成为一种重要的生态治理方法[2]，因此水生植物对于净化污染水质和维持湖泊生态系统功能具有重要意义[3-5]。用于生态修复的水生植物需满足生物量大、生长快速、富集营养物质能力强等特点[6],且根系长度对净化水体的深度有重要影响[7]。此外,依靠单一水生植物较难取得理想的生态环境治理效果[8]。因而,不同水生植物的组合与配置方式已成为更具应用价值的水体质量修复模式[9]。水生植物是水环境生态系统的重要组成部分，能够从水体中吸收氮磷等营养物质，调节水生态系统的物质循环速度，控制藻类的营养成分，改善水体环境，是调节、治理和抑制水体富营养化的有效途径[10-13]。在水生生态系统的环境净化过程中，水生植物的净化贡献巨大[14-16]。不同水生植物对氮、磷的去除效果有很大的差异，去除率的变化范围为20%～98%，植物修复水体是一种经济、简单、可持续的水体修复方法，在富营养化水体环境治理中得到广泛应用[17]。利用植物对富营养化水体进行生态修复成为研究的热点问题，漂浮植物、浮叶植物、沉水和挺水植物等水生植被的恢复和重建能够有效分配富营养化水体中的营养盐，在生长期间可有效净化水体富营养化[18]。

本研究选择6种水生植物：菖蒲、美人蕉、大薸、凤眼莲、金鱼藻、穗花狐尾藻，进行室内静态模拟试验，对各水生植物净化受污染水体的效能及改善水环境的能力进行研究，分析水体磷元素的消减过程及动态变化规律，以期为污染水体的水生植物治理提供一定的选择依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与模拟污水

本试验选择6种水生植物，分别是挺水植物菖蒲、美人蕉，浮水植物大薸、凤眼莲，沉水植物金鱼藻、穗花狐尾藻(表1)。用蒸馏水仔细清洗植物根部，对沉水植物用蒸馏水进行整体清洗，清洗过程中避免植物根须和茎秆受损[19-20]。洗净后在自然光照无雨条件下进行预培养一周。人工模拟污水是使用磷酸二氢钾进行配制。

表1 6种供试水生植物名录

1.2 试验设计

试验容器的选择高为30 cm，直径为34 cm的PVC水桶，实验处理的水样体积为15 L,试验培养桶中所取水样来自实验室蒸馏水。基本水质指标的质量浓度为总磷高浓度2 mg/L，总磷中浓度0.5 mg/L，总磷低浓度0.1 mg/L。总磷高浓度2 mg/L参照城镇污水处理厂污染物排放标准设置，总磷中浓度0.5 mg/L和总磷低浓度0.1 mg/L参照湖泊富营养化分级评价标准的严重富营养化和中度富营养化标准设置。

选择长势良好、长度接近的金鱼藻、美人蕉、菖蒲、大薸、穗花狐尾藻、凤眼莲6种水生植物的幼苗作为供试植物，洗净后放入供试水体中。在45个PVC水桶中倒入各自所需的水体材料，将水生植物根据试验要求放入42个水桶内，每组分别放入3个浓度梯度的污水。单一水生植物试验组每桶放6株水生植物，组合水生植物试验组每种植物放3株,共9株。另设3个水桶作为空白对照组，桶中不放任何水生植物，其余条件同试验组(表2)。每隔20 d进行一次采样。试验期间定期用蒸馏水补充蒸发和蒸腾所消耗的水分，以保持容器中的水位。试验持续时间80 d，从2019年6月1日至8月20日，每次是当天上午9:00—10:00取样。

1.3 分析测定内容与方法

本次试验主要是针对水质总磷进行测定，其采用的方法是钼酸铵分光光度法(GB11893-89)。采用北京普析TU-1901双光束紫外可见分光光度计测定。并对水质的溶解氧和pH值进行测定，分别采用溶解氧仪和pH计进行测定。

表2 试验设计类型

2 结果与分析

2.1 水生植物生长情况

在本试验条件下，金鱼藻在全过程试验期间长势良好，衰败迹象不明显，穗花狐尾藻长势良好，40 d后有些许衰败迹象，而菖蒲、美人蕉、大薸、凤眼莲在初期生长旺盛，而40 d后衰败迹象明显。

2.2 水生植物及不同组合对水体pH值的影响

随着试验时间的延长，所有处理水体pH值呈上升趋势(见图1—3)。试验模拟污水初始pH值呈现中性或弱酸性，随着试验的进行，试验后期水体pH值呈现弱碱性。高浓度磷水体中，美人蕉在60～80 d水体pH值上升幅度最大，从7.3上升至8.1，其他试验处理组水体pH值均无显著差异，表明水体环境趋于稳定。中浓度磷水体中，金鱼藻、美人蕉、金鱼藻+美人蕉+大薸在60～80 d水体pH值相对于其他试验处理组上升幅度较大，分别从7.5，7.3，7.0上升至8.4，7.9，7.8。其他水体pH值趋于稳定。低浓度磷水体中，金鱼藻、金鱼藻+美人蕉+大薸在60～80 d水体pH值相对于其他试验处理组上升幅度较大，分别从7.9，7.1上升至8.5，7.7。其他水体pH值上升幅度不大，趋于稳定。

注：图中K为空白对照，A为单一植物，B为植物组合，详见表2。下同。

图2 水生植物及其组合中浓度磷处理下水体pH值变化

图3 水生植物及其组合低浓度磷处理下水体pH值变化

2.3 水生植物及其不同组合对水体DO的影响

试验初期0～20 d，所有处理水体溶解氧(DO)急剧上升，20～40 d,所有处理水体DO上升缓慢，上升幅度不大，40～80 d，所有处理水体DO趋于稳定，部分呈现下降趋势(见图4—6)。分析此现象的原因，是因为在试验初期，DO上升是由于水生植物生长旺盛，向水体释放大量氧气，在试验中期DO上升缓慢是由于水生植物生长缓慢，向水体释放氧气较少，试验后期DO趋于稳定或者下降，是由于水生植物生长停滞，趋于衰败造成的。

图4 水生植物及其组合高浓度磷处理下水体溶解氧DO变化

图5 水生植物及其组合中浓度磷处理下水体溶解氧DO变化

2.4 单一水生植物对水质总磷去除效果研究

2.4.1 单一水生植物对高浓度总磷去除效果 从图7可知，6种单一水生植物在高浓度磷处理下水样中总磷含量随处理时间的延长呈波动变化，试验第1 d，所有水样总磷浓度配置为2.0 mg/L，处理80 d，6种单一水生植物水样总磷均下降，均比空白水样低。试验前20 d，金鱼藻、大薸、凤眼莲水样中去除总磷速度较快，总磷去除率分别为82.4%，78.6%，94.4%。20～40 d，除金鱼藻外，其他水生植物水样中总磷含量仍然下降，40 d后，穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸、凤眼莲总磷去除率分别为27.5%，60%，49.3%，94%，95.9%。

40～80 d，除金鱼藻、穗花狐尾藻两种水生植物水样总磷含量些许下降，其他水生植物水样总磷含量均上升。80 d后，金鱼藻和穗花狐尾藻的总磷去除率分别是85%，38.5%。说明6种水生植物在前20 d处理含磷水样效果最好，而后水样总磷含量上升是由于水生植物衰败腐烂分解，释放磷元素。6种单一水生植物在高浓度磷处理下，总磷吸收能力由强至弱排列顺序为：凤眼莲>大薸>金鱼藻>美人蕉>菖蒲>穗花狐尾藻。其中凤眼莲、大薸、金鱼藻适应能力较强，去除总磷速度较快。

图6 水生植物及其组合低浓度磷处理下水体溶解氧DO变化

图7 单一水生植物高浓度磷处理下对TP的去除效果

2.4.2 单一水生植物对中浓度总磷去除效果 从图8可知，6种单一水生植物在中浓度磷处理下水样中总磷含量随处理时间的延长呈波动变化，试验第1 d，所有水样总磷浓度配置为0.5 mg/L，处理80 d，6种单一水生植物水样总磷均下降，均比空白水样低。试验前20 d，金鱼藻、大薸水样中去除总磷速度较快，总磷去除率分别为80.4%，90.4%。20～40 d，除金鱼藻外，其他水生植物水样中总磷含量仍然下降，40 d后，穗花狐尾藻、美人蕉、菖蒲、大薸、凤眼莲总磷去除率分别为34.2%，57.4%，71.4%，91.2%，93.4%。40～80 d，除金鱼藻水样总磷含量些许下降，其他水生植物水样总磷含量均上升，80 d后，金鱼藻总磷去除率为93%。其中大薸去除总磷速度最快，第20 d由总磷含量0.5 mg/L减少到0.048 mg/L，对总磷的去除率为90.4%。其次去除总磷速度较快的水生植物是金鱼藻。在20～40 d,凤眼莲去除总磷效果较明显，对总磷的去除率为93.4%。6种单一水生植物在中浓度磷处理下，总磷吸收能力由强至弱排列顺序为：凤眼莲>金鱼藻>大薸>菖蒲>美人蕉>穗花狐尾藻。水生植物水样中磷先升高后降低的现象可能与水中藻类的滋生和水生植物衰败分解有关。

图8 单一水生植物中浓度磷处理下对TP的去除效果

2.4.3 单一水生植物对低浓度总磷去除效果 从图9可知，6种单一水生植物在低浓度磷处理下水样中总磷含量随处理时间的延长呈波动变化，试验第1 d，所有水样总磷浓度配置为0.1 mg/L，处理80 d，6种单一水生植物水样总磷部分下降，部分升高且高于空白水样。试验前20 d，6种水生植物水样总磷含量均下降，其中大薸水样中去除总磷速度最快，总磷去除率为81.3%。20～40 d，除金鱼藻、穗花狐尾藻、凤眼莲外，其他水生植物水样中总磷含量都呈现上升趋势。40～80 d，除金鱼藻、凤眼莲外，其他水生植物水样中总磷含量都呈现上升趋势。第80 d，金鱼藻水样总磷去除率达到最高为91.1%。6种单一水生植物在低浓度磷处理下，总磷吸收能力由强至弱排列顺序为：金鱼藻>凤眼莲>大薸>美人蕉>穗花狐尾藻>菖蒲。

图9 单一水生植物低浓度磷处理下对TP的去除效果

2.5 组合水生植物对水质总磷去除效果研究

2.5.1 组合水生植物对高浓度总磷去除效果 从图10可知，8种组合水生植物在高浓度磷处理下水样中总磷含量随处理时间的延长呈波动变化，试验第1 d，所有水样总磷浓度配置为2.0 mg/L，处理第80 d，除B5：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸和B6：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲两种组合外，其余6种组合水生植物水样总磷含量均比空白水样低。试验前20 d，B1：金鱼藻+美人蕉+大薸；B2：金鱼藻+美人蕉+凤眼莲；B3：金鱼藻+菖蒲+大薸；B4：金鱼藻+菖蒲+凤眼莲；B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸；B8：穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲等6种组合方式水样总磷含量下降速度较快，其他2种水生植物组合方式水样总磷含量下降缓慢。20 d后，B1：金鱼藻+美人蕉+大薸总磷去除率达到最高为92.8%，B5：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸总磷去除率达到最高为47.8%。20～40 d，除B1：金鱼藻+美人蕉+大薸和B5：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸组合外，其他水生植物水样中总磷含量仍然下降，但下降速度缓慢。40d后，B2，B3，B4，B6和B8总磷去除率分别为93%，91.4%，96%，16.7%，95.9%。40～80 d，除B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸水样总磷含量些许下降，其他水生植物水样总磷含量均上升。80 d后，B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸总磷去除率为94.2%。说明8种组合水生植物在前20 d处理含磷水样效果最好，而后水样总磷含量上升是由于水生植物衰败腐烂分解，释放磷元素。8种组合水生植物在高浓度磷处理下，总磷吸收能力由强至弱排列顺序为：B4>B8>B7>B2>B1>B3>B5>B6。

图10 组合水生植物高浓度磷处理下对TP的去除效果

2.5.2 组合水生植物对中浓度总磷去除效果 从图11可知，8种组合水生植物在中浓度磷处理下水样中总磷含量随处理时间的延长呈波动变化，试验第1 d，所有水样总磷浓度配置为0.5 mg/L，处理第80 d，8种组合水生植物水样总磷浓度部分低于0.5 mg/L，部分高于0.5 mg/L。试验前20d，除B6：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲组合水生植物水样总磷含量下降速度较为缓慢外，其他组合水生植物水样总磷含量下降速度较快。20 d后，B1，B3和B5总磷去除率达到最高为89.5%、91.1%和84.3%。20～40 d，除B1：金鱼藻+美人蕉+大薸；B3：金鱼藻+菖蒲+大薸；B5：穗花狐尾藻+美人蕉+大薸3种组合水生植物水样总磷含量上升外，其他组合水生植物水样总磷含量仍持续下降，但下降速度缓慢。40 d后，B2，B4和B6总磷去除率达到最高为86.2%，95.1%和35.7%。40～80d，除B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸和B8：穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲两种组合水样总磷含量上下波动外，其余6种组合水生植物水样总磷含量都持续上升，且部分组合水生植物水样总磷含量超过0.5 mg/L。80 d后，B7和B8总磷去除率分别是96.2%和98.8%。8种组合水生植物在中浓度磷处理下，总磷吸收能力由强至弱排列顺序为：B8>B7>B4>B3>B1>B2>B5>B6。

图11 组合水生植物中浓度磷处理下对TP的去除效果

2.5.3 组合水生植物对低浓度总磷去除效果 从图12可知，8种组合水生植物在低浓度磷处理下水样中总磷含量随处理时间的延长呈波动变化，试验第1d，所有水样总磷浓度配置为0.1 mg/L，处理第80 d，8种组合水生植物水样总磷浓度部分低于0.1 mg/L，部分高于0.1 mg/L。试验前20 d，8种组合水生植物水样总磷含量均不同程度下降，下降速度快慢依次为：B8>B7>B4>B3>B5>B6>B2>B1。20 d后，B1，B2和B5总磷去除率达到最高为3.5%，5.8%和51.9%。20～40 d，B3：金鱼藻+菖蒲+大薸；B4：金鱼藻+菖蒲+凤眼莲；B6：穗花狐尾藻+美人蕉+凤眼莲；B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸等组合水生植物水样总磷含量持续下降，其他组合水生植物水样总磷含量不同程度上升。40 d后,B3、B4和B6总磷去除率达到最高为60.7%，72.9%和67.9%。40～80 d，除B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸和B8：穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲两种组合水样总磷含量上下波动外，其余6种组合水生植物水样总磷含量都持续上升，且第80 d总磷含量都超过0.1 mg/L。80 d后，B7和B8总磷去除率为94.3%和81.7%。

图12 组合水生植物低浓度磷处理下对TP的去除效果

以上现象说明低浓度磷处理的水样后期水生植物对磷的吸收去除效果不明显，且水生植物衰败分解对水质影响明显，造成水质污染。整个过程中，B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸水生植物组合对总磷的去除率最高为94.3%。8种组合水生植物在低浓度磷处理下，总磷吸收能力由强至弱排列顺序为：B7>B8>B4>B6>B3>B5>B2>B1。

3 讨 论

通过对6种水生植物及其组合试验期间水体pH值的监测试验发现，随着试验时间的延长，所有处理水体pH值呈上升趋势。试验模拟污水初始pH值呈现中性或弱酸性，随着试验的进行，试验后期水体pH上升呈现弱碱性。pH值是水体环境指示因子之一，多数研究表明，植物的存在对水体酸碱度具有调节作用，但在本研究中，无植物的对照组水体pH值变化趋势与有水生植物的较为接近，这说明水生植物的存在对调节水体pH值调节作用不大，另外可能是由于水体中存在酸碱缓冲体系发挥了酸碱调节功能。另外，通过对6种水生植物及其组合试验期间水体DO的监测试验发现，试验初期水体DO急剧上升，中期水体DO上升缓慢，上升幅度不大，后期水体DO趋于稳定，部分呈现下降趋势。试验初期DO上升是由于水生植物生长旺盛，向水体释放大量氧气，试验中期DO上升缓慢是由于水生植物生长缓慢，向水体释放氧气较少，试验后期DO趋于稳定或者下降，是由水生植物生长停滞，趋于衰败造成的。结果表明，水中DO的大小与水生植物的生长状况直接相关。

在利用水生植物净化污染水体的过程中，可以通过水生植物同化将水体中的污染物转移到水生植物体内，水生植物吸收的磷元素再通过收获、处置、进一步利用从而达到将一部分过量的磷从污水中去除的目的。

本试验研究发现，通过对6种单一水生植物和8种组合水生植物对总磷去除效果的比较，在高、中浓度磷水体中，组合水生植物对总磷的去除效果优于单一水生植物。在低浓度磷水体中单一水生植物对总磷的去除优于组合水生植物。大多数水生植物组合净化方法比单一水生植物净化污染水体的效果更佳，正如刘足根等[21]研究证实不同生活型的水生植物的合理组合配置比单一生活型的水生植物氮磷去除率更高，且净化效果更为稳定。说明本试验与刘足根等研究结果相一致。但是，本试验中的低浓度磷含量的水体中，组合水生植物TP净化效果相比较于单一水生植物，净化效果不甚理想且无显著性差异，这与王春景等[22]的试验结果相似，他们研究发现菰+水菖蒲混合种植体系对富营养化水体的净化效果与单独种植体系也无显著性差异。因此，水生植物配置种植是否比单一种植更能有效地净化污水需要深入探讨和研究。

本试验结果发现，6种水生植物及其组合处理前期水体总磷含量均快速下降，这可能是由于试验前期水体养分充足，环境温度适宜，水生植物生长较快，对磷营养元素吸收较快，这与高岩等[23]研究的不同生长阶段的凤眼莲净化不同程度富营养化水体的结果相一致。同时也与郑足红等[24]研究的结果相一致，郑足红研究得出水生植物生长初期表现出较高的TP去除效果，生长后期TP去除率增幅逐渐缓慢，这与试验后期水生植物本身对氮磷需求量减少以及氮磷在植物体内再次分配有关联[25]。

通过试验研究发现，6种水生植物及其组合对污水TP的去除效果优于对照组，其中一部分是水生植物作为营养物质吸收来维持自身生长发育；另一部分可能是污水中微生物将其中有机物分解转化为无机物[26]。在对照组中，尽管不存在水生植物吸收作用，水体中TP浓度也有稍微下降，这可能是微生物作用导致下降，表明水体本身存在一定的自净能力[27]。

4 结 论

经过80 d的静态水培模拟试验，结果表明，菖蒲、美人蕉、大薸、凤眼莲、金鱼藻、穗花狐尾藻等水生植物及其组合对污水中的TP具有一定的净化能力。

(1) 通过6种水生植物及其组合的高、中、低3种浓度的含磷污水的净化效果比较分析得出总磷浓度越高的水样水生植物净化效果越好。说明水生植物对总磷的吸收作用明显。供试的6种水生植物及其组合对污水中的TP的去除率高于对照组。

(2) 从6种水生植物及其组合总磷去除趋势的比较可以看出，去除污水中总磷较快的时间段是处理前期，处理后期总磷去除缓慢，最后衰败期总磷含量逐渐上升。

(3) 从单一水生植物对TP去除效果可以看出，6种单一水生植物在3种浓度梯度磷含量的水样中去除TP效果大小顺序大致相同，局部差异。其中凤眼莲在高浓度和中浓度磷水体中TP去除效果最好，去除率分别为95.9%，93.4%。金鱼藻在低浓度磷水体中TP去除效果最好，去除率为91.1%。

(4) 从组合水生植物对TP去除效果可以看出，高浓度磷水体中B4：金鱼藻+菖蒲+凤眼莲的水生植物组合对水体中TP去除效果最好，去除率为96.0%。中浓度磷水体中B8：穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲水生植物组合TP去除效果最好，去除率为98.8%。低浓度磷水体中B7：穗花狐尾藻+菖蒲+大薸水生植物组合TP去除效果最好，去除率为94.3%。

单一种植处理时，凤眼莲对污水的TP的去除具有较大的应用潜力。而穗花狐尾藻+菖蒲+凤眼莲水生植物组合为中浓度污水TP净化效果最优组合模式。另外，生长衰亡期水生植物大量衰败分解，释放磷元素，致使水体总磷浓度上升，污染水体。建议在水生植物生长旺季将水生植物迁移出水体，以防造成水体二次污染。通过合理的掌握收割时间，有利于最大化去除污水中的污染物，是一种可供选择的生态修复辅助措施。

本试验高、中、低浓度磷污水的设置参考城镇污水处理厂污染物排放和湖泊富营养化等级中总磷浓度，这对以后城市生活污水和湖泊富营养化的生物治理提供了一定的参考。本次试验研究的结果可以为湖泊和河道污染水体、城市黑臭水体的生物治理提供一定的选择依据，还可以为生态浮床的设计提供模型参考，对水生态环境的治理具有重要实践意义。但水生植物治理水体污染在实际应用中需要注意以下几点：①掌握水生植物生长阶段吸收营养盐时间节点，防止水生植物自身降解造成二次污染；②预防少数水生植物由于生长旺盛，大面积生长繁殖，超过水体负荷，影响其他水体动植物生长。然而通过对这6种水生植物的单一及组合试验，为后续设计生态浮床的设计形式以及水生植物组合方式的最优化提供模型参考，使生态浮床应用于湖泊和河道污染水体、城市黑臭水体治理，实现此项研究的实际价值。