水禾和粉绿狐尾藻对生活污水净化效果研究

秦启文， 赵 昕， 周守标,

(1安徽师范大学 环境科学与工程学院，安徽 芜湖 241000；2安徽省水土污染治理与修复工程实验室，安徽 芜湖 241000)

引言

生活污水是居民日常生活中所排出的废水，主要来源于公共建筑和居住建筑。随着人口增长和社会发展，由于建设和规划的缺陷，排入湖泊、各大小河流的生活污水日益增多[1]。如何有效降低水体中各形态的氮、磷含量，控制水质恶化，已经成为一项重要的研究课题。

沉水植物通气组织发达且植物体各部分都能吸收水分和养料，并在维持湖泊的清水稳态中起到了重要的作用[2]。贾一非等在探究狐尾藻对园林水景污染水体的净化规律时发现，狐尾藻对水体总氮和总磷的去除率分别达到49.54%和75.13%，净化效果较好[3]。水生漂浮植物极具观赏性、繁殖数度较快且易于打捞，在水体净化中同样被广泛应用，最具代表性的漂浮植物为凤眼莲[4]。利用水生植物对污染水体的治理通常采取多种水生植物，利用多种植物配置方法既可以提高水生生态系统的生物多样性，又可以增强水体的观赏性[5]。本文选取粉绿狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)作为水生沉水植物，选取水禾(Hygroryzaaristata)作为水生漂浮植物，采用两种植物单独培养、混合培养方式，探究其对生活污水的净化效果和配置可行性，以期为污水净化处理和水体生态修复提供适合的植物材料。

1 实验材料与实验设计

1.1 实验材料

供试植物粉绿狐尾藻和水禾均采自安徽省芜湖市安徽师范大学花津河，选取无枯黄叶、生长健壮的健康植株，将两种植物用自来水洗净放置于装有自来水的PVC桶中7d，进行适应性培养。

供试生活污水取自安徽省芜湖市城南污水处理厂，选用污水处理厂未经处理的生活污水初级水，pH为7.88，其它理化性质如表1所示。参照“地表水环境标准”(GB3838—2002)，生活污水的各项检测指标均超出地表Ⅴ类水标准。

表1 受试水体理化性质

1.2 实验设计

在PVC桶中(桶口直径27cm，高36cm)分别装15L生活污水，取自来水驯化后的水禾与粉绿狐尾藻健康、生长旺盛植株，对植物进行修剪称重后，放入生活污水中进行水培，实验共设置4种处理：对照组(不放入植物)、单独培养水禾(水禾100g)、单独培养粉绿狐尾藻(粉绿狐尾藻100g)、混合培养水禾和粉绿狐尾藻(水禾50g+粉绿狐尾藻50g)。每个处理设置三个重复，并将其置于温度为22℃(通过空调控制)，通风条件良好，光暗周期14∶10(光照14h，黑暗10h)、光合光子强度为400 μmol·m-2·s-1，培养过程中每天用蒸馏水补充水量以弥补蒸腾、蒸发的水分。

1.3 指标测定

在试验期间，每隔5d测定植物体的生物量(鲜重)和平均根长(cm)。

水体指标测定：

水体总氮(TN)含量采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定。

水体总磷(TP)含量采用钼酸铵分光光度法测定。

水体氨氮含量采用纳氏试剂比色法测定。

水体正磷酸盐含量采用磷钼蓝-抗坏血酸分光光度法测定。

水体化学需氧量(CODCr)采用重铬酸钾消解-分光光度法测定。

采用pH计测定水体pH。

采用溶解氧测定仪测定水体溶解氧(DO)浓度。

1.4 统计学分析

实验数据采用Excel 2010进行分类归总。采用软件SPSS(statistical product and service solutions)20.0对实验数据数据进行最小显著差测试(least significant difference,LSD)，显著水平P<0.05，采用Sigmaplot 14.0对处理后的数据进行作图。

2 结果与分析

2.1 水禾和粉绿狐尾藻生物量变化

如表2所示，单独培养水禾和粉绿狐尾藻在生活污水中均能够正常生长，随着实验时间的增长生物量不断提高，在35d达到最大值，在随后的40d和45d生物量有所下降。三种处理生物量的排序为：粉绿狐尾藻>水禾>混合培养，三种培养的生物量存在显著性差异(P<0.05)。如表3所示，在混合种植条件下水禾的生物量随处理时间增长反而有下降趋势；粉绿狐尾藻生物量随处理时间增长明显上升。在培养初期生物量相同的情况下，培养45d后，水禾生物量占混合培养总生物量的21.17%，粉绿狐尾藻占混合培养总生物量78.83%。实验表明，在混合培养中，粉绿狐尾藻的生长显著高于水禾。

表2 水禾和粉绿狐尾藻在生活污水中单培与混培生物量变化

表3 混合培养条件下水禾和粉绿狐尾藻各自的生物量变化

单独与混合培养水禾和粉绿狐尾藻根长变化如表4所示。单独培养水禾的根随处理时间增长而不断生长，30d根长达到最大平均值3.1cm后不再继续生长；单独培养粉绿狐尾藻的根随处理时间增长而不断生长，35d达到最大平均值8.6cm后不再继续生长；同等条件下水禾的根生长速率(0.51cm/5d)显著小于粉绿狐尾藻(1.23cm/5d)。在混合培养条件下，水禾和粉绿狐尾藻根长都是培养35d达到最大平均值分别为1.8cm和7.4cm，比单独培养的根长短，具有显著性差异(P<0.05)，表明两种植物在混合培养条件下根的生长受到一定的抑制作用。

表4 水禾和粉绿狐尾藻在生活污水中单培和混培根长变化

2.2 水禾和粉绿狐尾藻对生活污水氮的去除效果

2.2.1 植物在污水中对总氮的去除效果 水禾和粉绿狐尾藻对生活污水总氮的去除效果如图1和表5所示。单独培养水禾和粉绿狐尾藻生活污水总氮浓度随时间增长整体呈下降趋势。其中，单独培养水禾在15～25d总氮浓度略有上升，随后持续下降；单独培养粉绿狐尾藻在15～20d总氮浓度同样有所上升，随后持续下降。在培养45d时，单独培养的水禾和粉绿狐尾藻对总氮的去除率分别为43.04%和78.77%。混合培养生活污水总氮浓度随时间增长持续下降，并于45d去除率达到67.29%。生活污水总氮净化效果为：粉绿狐尾藻>混合培养>水禾。

表5 水禾和粉绿狐尾藻处理生活污水总氮去除速率

图1 水禾和粉绿狐尾藻处理生活污水总氮浓度变化

2.2.2 水禾和粉绿狐尾藻对生活污水氨氮去除效果 水禾和粉绿狐尾藻对生活污水氨氮的去除效果如图2和表6所示。0～5d水禾和粉绿狐尾藻单独培养和混合培养氨氮浓度有所上升，5～20d所有处理的氨氮浓度都呈现急剧下降趋势，随后稳定在1.00mg·L-1左右。水禾、粉绿狐尾藻单独培养和混合培养的氨氮去除率均很高，分别为98.28%、98.18%和98.28%，三者氨氮的去除率差异不显著。

图2 水禾和粉绿狐尾藻处理生活污水氨氮浓度变化

表6 水禾和粉绿狐尾藻处理生活污水氨氮去除速率

2.3 水禾和粉绿狐尾藻对植物在生活污水中对磷的去除效果

2.3.1 水禾和粉绿狐尾藻对植物在生活污水中对总磷的去除效果 水禾和粉绿狐尾藻对生活污水总磷的去除效果如图3和表7所示。水禾和粉绿狐尾藻单独培养和混合培养处理总磷浓度都总体呈现下降趋势，其中单独培养水禾和混合培养处理组在25d较20d总磷的浓度略有上升；水禾、粉绿狐尾藻单独培养和混合培养的总氮去除率均在25d达到最大值，分别为51.81%、94.57%和82.97%，处理效率为：粉绿狐尾藻>水禾>混合培养，三种处理存在显著性差异(P<0.05)。水禾、粉绿狐尾藻单独培养和混合培养总磷的去除速率均出现两个峰值，其中水禾总磷去除速率在0～20d波动较大，20～45d后随时间增长而逐渐下降；粉绿狐尾藻总磷去除速率在0～10d逐渐上升并达到最大，在35d时去除速率突然升高，随后下降；混合培养总磷去除速率初始值较高，在15～35d去除速率逐渐增高并达到最大值，随后逐渐下降。

表7 水禾和粉绿狐尾藻处理生活污水总磷去除速率

图3 水禾和粉绿狐尾藻处理生活污水总磷浓度变化

2.3.2 植物在生活污水中对正磷酸盐的去除效果 水禾和粉绿狐尾藻对生活污水正磷酸盐的去除效果如图4和表8所示。水禾单独培养处理生活污水在5～10d正磷酸盐浓度有所上升，然后随处理时间的增长而减少，在35d正磷酸盐去除率达到最大值，为62.23%。粉绿狐尾藻单独培养和混合培养处理的正磷酸盐浓度随时间增长而逐渐下降，两者均在45d去除率达到最大值，分别为95.28%和87.98%。由此可见，粉绿狐尾藻单独培养对生活污水正磷酸盐的去除率最高，与另外两种处理有显著性差异(P<0.05)。

图4 水禾和粉绿狐尾藻处理生活污水正磷酸盐浓度变化

表8 水禾和粉绿狐尾藻处理生活污水正磷酸盐去除速率

2.4 水禾和粉绿狐尾藻对植物在生活污水中对CODCr的影响去除效果

水禾和粉绿狐尾藻对生活污水CODCr去除效果如表9所示。从去除率上看，粉绿狐尾藻>混合种植>水禾，各处理之间存在显著性差异(P<0.05)。

表9 水禾和粉绿狐尾藻对生活污水CODCr影响

2.5 水禾和粉绿狐尾藻对植物在生活污水中对溶解氧(DO)和pH的影响

水禾和粉绿狐尾藻对生活污水DO浓度影响如表10所示。各处理组的DO浓度相较于初始值均有所上升。水禾、粉绿狐尾藻单独培养和混合培养处理的水DO浓度在0～25d均表现为随时间增长而上升，且都在25d达到最大值分别为6.06mg·L-1、6.48mg·L-1和6.34mg·L-1，随后皆有所下降。45d时各处理DO值为：混合培养>水禾>粉绿狐尾藻。粉绿狐尾藻单独培养DO在0～15d、25～35d较其它处理高，但40～45d时DO值较其它处理低，可能由于粉绿狐尾藻生长较快导致DO值下降。

表10 水禾和粉绿狐尾藻对生活污水溶解氧浓度影响

图5所示为水禾和粉绿狐尾藻对生活污水pH的影响。水禾单独培养对生活污水的pH随时间增长而趋于中性；粉绿狐尾藻单独培养生活污水的pH值随处理时间增长逐渐下降，在35 ～ 45d由弱碱性转为弱酸性。混合培养的生活污水pH值同样表现出随时间增长而下降，并于40 ～ 45d由弱碱性转化为弱酸性。

图5 水禾和粉绿狐尾藻对生活污水pH影响

3 讨论

实验表明，水禾和粉绿狐尾藻在供试生活污水中均能正常生长，粉绿狐尾藻生物量和根长在两种培养模式下均高于水禾，混合培养模式中水禾生物量减少，表明两者的种间竞争使水禾生物量和根长减少，这可能与两者不同的植物类型有关，粉绿狐尾藻作为沉水植物相较于水禾根系更加发达、生长速度较快[6]。因此，在混合培养中，粉绿狐尾藻根茎叶的快速延伸抑制了漂浮植物水禾光合作用强度和营养物质吸收，导致水禾衰亡。

水禾和粉绿狐尾藻在两种培养模式下都能有效的去除供试的生活污水中的总氮、总磷、氨氮、正磷酸盐和CODCr。粉绿狐尾藻单独培养对生活污水净化效果显著强于其他的处理。在没有植物生长的自然条件下水体氮、磷元素去除主要有吸附、沉积、生物硝化、反硝化和微生物吸收等过程[7]，因此，实验中对照组虽然没有植物进行处理，氮、磷营养物质浓度均下降。氮磷有机物经过微生物各种反应转化为无机营养物质，如含氮有机物经过氨化和胺化过程转化为氨氮。0 ～ 15d对照组中氨氮浓度逐渐升高，表明水体氨化作用快且微生物对氨氮吸收和自然挥发速率慢。以植物处理污染水体，一方面其生长过程中会吸收水体中氮、磷无机盐和小分子有机物质[8]，水生植物生物量大，对这些物质吸收比微生物更迅速；另一方面，植物根系由于输送氧气，周边形成良好的好氧环境，有利于微生物繁衍和滋生，加剧营养物质有机态和无机态间相互转化速度[9]，植物根系释放出多种物质同样可以促进营养物质形态转化[10]，无机、有机态营养物质在相互转化间不断被植物和微生物吸收利用。因此，有植物培养的处理比照组净水效果更好。

多种植物搭配可以提高水生生态系统的生物多样性，近年来的水体修复工程中也同样运用了多种植物。吕家展等[11]在探究生态浮岛种植水生植物水质改善效果时利用鸢尾、美人蕉、风车草等五种植物建立生态浮岛，并比较了各植物单独培养和两两混合时对水体净化效果。发现混合培养相对于两种植物单独培养对于营养因子的去除效果位于单独种植的两种植物之间，该实验结果与文献报道一致。混合培养净水效果强于单独培养水禾却弱于单独培养粉绿狐尾藻，可能是水禾和狐尾藻之间存在竞争关系，导致两者的生长情况及净水能力都受到限制，其具体机理有待进一步研究，说明在对水体的净化过程中水禾和粉绿狐尾藻不是最佳组合[12]。

4 结论

(1)单独培养水禾和粉绿狐尾藻在生活污水中均能正常生长，且粉绿狐尾藻生长最好，生物量最高；混合培养水禾生物量减少，生长受抑制，两种植物间存在竞争关系。

(2)实验中粉绿狐尾藻对生活污水净化效果最好，混合培养和单独培养水禾效果次之，净水效果差异显著。单独培养狐尾藻对生活污水净化效果比混合培养好，说明这二者可能不是最佳的植物组合。因此还需进一步对不同植物搭配进行富养化水体净化效果研究，从而筛选出更多高效的植物及净水植物配置，为受损水体修复生态工程及生态河道建设提供理论依据。