沉水植物组合对受污染河水的净化与维护效果

王佳 顾永钢 王昊 李兆欣 许多

摘 要：針对受污染河道水体水质净化和长效维护需求，开展黑藻+金鱼藻、穗状狐尾藻+伊乐藻、马来眼子菜+篦齿眼子菜、水盾草+苦草4种沉水植物组合方式的河道水体净化与维护效果研究，结果表明：马来眼子菜+篦齿眼子菜组合对受污染河道的修复效果最佳；对受污染河水的复氧及叶绿素a的削减，沉水植物均表现为促进作用；沉水植物组合的水体净化效果马来眼子菜+篦齿眼子菜组合>黑藻+金鱼藻组合>水盾草组合+苦草>穗状狐尾藻+伊乐藻组合，各植物组合差异不显著；沉水植物组合对受污染河水的净化效果主要受水体营养盐含量影响，不同沉水植物组合方式均有利于河道再生水水质的提升；经沉水植物处理后，COD、氨氮等主要指标可达地表水Ⅳ类水标准。

关键词：受污染河水；沉水植物组合；水质净化；

中图分类号：TV62；X824 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.021

引用格式：王佳，顾永钢，王昊，等.沉水植物组合对受污染河水的净化与维护效果[J].人民黄河，2022，44（1）：100-105.

PurificationandMaintenanceEffectofSubmergedPlantCombinationonPollutedRiver

WANGJia1，2，GUYonggang1，WANGHao2，LIZhaoxin1，XUDuo1，2

（1.BeijingInstituteofWaterScienceandTechnology，Beijing100048，China；2.SchoolofArchitectureEngineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063210，China）

Abstract：Inthisexperiment，XiaozhongRiver，atypicalreclaimedwatersupplementchannelinTongzhouareawaschosenastheexperimen talwatersource.Foursubmergedplantcombinationsofhydrillaverticillata+ceratophyllumdemersum，myriophyllumspicatum+elodea canadensismichx，potamogetonwrightiimorong+potamogetonpectinatusandcabombacarolinianaA.gray+vallisnerianatans（lour.）hara wereselectedtoinvestigatethepurificationandmaintenanceeffectsofdifferentcombinationsonreclaimedwaterundersimulatedriverwater. Theresultsshowthatprolongingtheresidencetimeandreducingtheamountoftreatedwaterarebeneficialtotheremovalofpollutants.Atthe sametime，thecombinationofmyriophyllumspicatum+elodeacanadensismichxisthebestforthepollutedwater.Theeffectsofsubmerged plantsonreoxygenationandchlorophyll aremovalonreclaimedwaterarepromoted.Comprehensiveanalysisshowsthatmyriophyllumspica tum+elodeacanadensismichx>hydrillaverticillata+ceratophyllumdemersum>potamogetonwrightiimorong+potamogetonpectinatus>cabombacarolinianaA.gray+vallisnerianatans（lour.）hara.However，thereisnosignificantdifferenceamongtheplantcombinations.At thesametime，thepurificationeffectofsubmergedplantcombinationonpollutedriverwaterisregulatedbythenutrientcontentofwater.In general，eachcombinationmodeisconducivetotheimprovementofriverregenerationwaterquality.Aftertreatment，chemicaloxygende mand（COD），ammonianitrogen（NH3-N）andotherindicatorscanreachtoclassIVwaterqualitystandardofsurfacewaterenviron ment.

Keywords：pollutedriverwater；submergedplantcombination；waterqualitymaintenance

1 材料與方法

1.1 试验植物

试验植物的选择需要兼顾适应能力、净化效果以及经济效益等。试验选择生长良好，具有良好净化能力的沉水植物组合，包括穗状狐尾藻与伊乐藻组合（HY）、马来眼子菜与篦齿眼子菜组合（MB）、水盾草与苦草组合（SK）、黑藻与金鱼藻组合（HJ）。在试验开始前对沉水植物进行驯养，通过自来水驯养7d，确保沉水植物生理状态稳定。

1.2 试验用水

选择再生水补水河道小中河作为试验用水，将化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、叶绿素a、DO、水温等7个指标作为检测指标，探究不同沉水植物组合的水质维护效果。河水水质变化情况见表1。

1.3 试验方法

试验地点设置在通州小中河试验基地，试验水源直接抽取小中河原水。试验水槽上部架设不锈钢管，沉水植物种植在花盆内，花盆通过线绳固定在不锈钢管上并自然下垂，保持沉水植物悬浮在水中。每根钢管固定10盆植物，每盆种植2～3株植物，种植密度为30株/m2。装置尺寸为2.0m×1.0m×1.0m。根据小中河水流情况，水深设置为0.4、0.6、0.8m，根据不同的补水周期，停留时间设置为1、3、5d，研究不同水深及停留时间条件下河道水质情况，探究不同状态下的水质提升效果。

1.4 测定指标及检测方法

试验自2019年7月开始至9月结束，共设置4个组合，测定的指标包括总氮、氨氮、总磷、化学需氧量和溶解氧等，其中TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，NH3-N采用纳氏分光光度法测定，总磷采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，COD采用酸性高锰酸钾法测定。同时利用YSI多功能水质分析仪检测水体叶绿素a、水温、DO的变化。

对检测结果进行权值归一化计算，对影响水质净化效果的环境因子进行主成分分析，DO、叶绿素a及常规指标的变化曲线采用Origin2018绘制。

2 结果与讨论

2.1 不同处理单元溶解氧含量变化情况

水体中溶解氧含量与水质密切相关。试验过程中沉水植物组合溶解氧含量每7d进行一组检测，对检测指标进行两次平行测定，求均值并绘制溶解氧含量变化过程线，见图1。不同处理单元对水体溶解氧含量影响有明显差异，但溶解氧含量总体呈上升趋势。水体溶解氧含量高于此水温下的饱和溶解氧含量时，水体中沉水植物光合作用产生氧气，导致水体氧含量上升。其中复氧能力SK>HJ>MB>HY。沉水植物在生长过程中，通过光合作用将氧气从植物上部送至根茎，经释放和扩散，根系周围表现为好氧环境，使水中DO含量升高[9-10]。复氧能力的变化在一定程度上体现了植物的生长状况。试验后期水体中出现鱼苗，说明不同沉水植物组合对受污染河道的生态修复有一定促进作用。

2.2 不同处理单元叶绿素a含量变化情况

叶绿素a含量一定程度上可以反映水体初级生产力情况，是衡量水体富营养化程度的重要指标。试验过程中叶绿素a含量变化情况见图2。不同沉水植物组合方式限制了水体叶绿素a含量的提升。试验初期，随着水温的升高藻类生长速率加快，此时水体内藻类含量迅速增加，藻类密度达到峰值之后，受沉水植物的抑藻作用，叶绿素a含量显著下降。姜小玉等[11]研究发现，穗状狐尾藻、苦草、金鱼藻等水生植物均有抑藻效果。试验中不同沉水植物组合对受污染河水藻类的生长均产生抑制作用，其抑藻能力为HJ>HY>MB>SK。其原因可能是，金鱼藻与黑藻繁殖速度快，水面覆盖度高，对于光照以及水体中营养物质的吸收较藻类更具优势，从而抑制藻类生长；金鱼藻及穗状狐尾藻可以分泌化感物质，化感物质可以起到抑制受污染河水藻类生长的作用。金鱼藻借助假根与底泥相连接，通过根上部释放的化感物质加强对受污染河水藻类的调控，改善受污染河水水质。

2.3 不同处理单元温度变化情况

北方地区不同时段气温变化幅度较大，水温影响沉水植物的生理状态及其对污染物的净化效果，试验水温变化情况见图3。温度是影响沉水植物净化能力的重要环境因子，每种植物生长都有其最适宜温度，水温的变化直接影响不同组合方式的净化效果。文明等[12]研究发现，黑藻具有优异的耐高温性能，在42℃仍可正常发育。在同一温度下，不同沉水植物水质净化效果不同。过高的水温会对植物的生长代谢造成不可逆的损害，影响其竞争力[13]。试验初期，受水温影响，植物生长代谢迅速；试验末期，水温降低，但仍处于沉水植物生长的适宜温度。试验期间，水温整体处于沉水植物适宜的生长范围内，水温变化未对沉水植物的生长造成损害。

2.4 不同处理单元营养盐变化情况

（1）不同处理单元COD的变化。COD可以反映水体受污染情况，COD数值越大，说明水体受有机物污染越严重。沉水植物组合对于COD的净化效果见图4。由图4可以看出，受污染河水经沉水植物处理后，COD含量变化明显。总体来看，各组合方式对受污染河水中的COD净化均有一定效果。对试验所得的污染物去除率进行均值计算可得，MB去除率约为28.01%，HJ约为27.85%，SK约为26.36%，HY约为 25.17%，即对COD的净化效果MB>HJ>SK>HY。MB在5d的停留时间及0.4m水深下，COD去除率达到最大值31.14%。

（2）不同处理单元总磷含量变化。磷是导致水体富营养化的重要因素之一，而磷元素的影响又大于氮元素的[14-15]。不同处理单元对总磷的净化效果见图5。由图5可以看出，河水总磷含量变化很大。沉水植物组合对于总磷的净化效果，在5d的停留时间及0.8m的水深下，MB的净化效果最好；在1d的停留时间，0.4、0.6m水深下，HJ、SK的净化效果一致；在3d的停留时间、0.8m水深下，最佳去除率组合为HJ。对比各条件下的去除率可以发现，MB在5d停留时间、0.4m水深下，对总磷的去除率可达41.94%，试验结束时，出水总磷含量为0.73mg/L，水质得到明显提升。

（3）不同处理单元氨氮含量变化。不同植物组合对受污染河水氨氮的去除效果不同。沉水植物对水体中氮元素的去除，首先是吸附水体中的氨氮，氨氮的吸收借助植物表面的膜通道完成。氨氮可以直接被植物利用，与有机酸在光照条件下经同化作用形成氨基酸[16-18]。不同水力条件下氨氮去除率见图6。由图6可以看出，在1、3d的水力停留时间下，氨氮去除率MB>HJ>SK>HY；在5d的水力停留时间下，氨氮的去除率HJ>MB>SK>HY，水深为0.4m时，HJ对氨氮的去除率为33.42%。

（4）不同处理单元总氮含量变化。总氮是引发水体富营养化的重要因素之一，过高的总氮含量会导致水体富营养化[19-20]。另外藻类会消耗水体中的溶解氧，过低的溶解氧含量会导致水生生物大量死亡。由图7可以看出，沉水植物组合对水体中TN的去除效果较明显。试验结束时，TN去除率HJ>MB>SK>HY，其中0.4m水位下，HJ组合对TN的去除率可达30.9%。

计算得出总磷、总氮、氨氮、COD的指标权重分别为0.308、0.499、0.075、0.118。不同去除率下各指标赋分标准见表2。

小中河50d水质检测结果表明，水质指标并不稳定，河道经过再生水补水后水质指标基本处于劣Ⅴ类附近。综合4个水质指标的变化可以看出，水力因素的变化明显影响沉水植物组合的净化效果。郭长强等[21]研究指出，河道水位较高时会致使污染物分布不均，影响植物净化效果。胡碧莹等[22]研究发现，不同表面流速下，植物对污染物的吸附效果不同。本试验中，各污染物指标被植物根、茎吸附，得到有效去除。总体呈现出，适度减小水深，延长处理时间，有利于污染物的去除。另外，通过每种指标的最大去除率，利用权重方法对比4种组合方式的综合评分，可以发现MB>HJ>SK>HY。即对于受污染河道水体的处理，马来眼子菜+篦齿眼子菜的效果最好。

2.5 沉水植物受环境因子的影响分析

沉水植物组合的生长代谢受DO、水温、叶绿素a、营养盐等環境因子影响，因此对各环境因子进行主成分分析，结果见图8（PC1、PC2为主成分1、主成分2）。由图8可以看出，水盾草+苦草组合明显受COD、总磷、溶解氧含量变化的影响，而马来眼子菜+篦齿眼子菜、黑藻+金鱼藻组合则明显受水体温度与总氮含量的影响。穗状狐尾藻+伊乐藻组合抵御环境变化的稳定性较差，其容易受到环境因子的影响出现水质维护能力的变化。同时，叶绿素a常用于表征水体中浮游藻类生物量[23]，叶绿素a含量的变化限制了马来眼子菜+篦齿眼子菜组合的水质维护效果。原因是，沉水植物与藻类在水环境系统中同属于初级生产者，两者对于水体中的光能及营养盐等资源存在竞争，藻类数量的提升消耗了大量营养盐等资源，从而对沉水植物的水质维护效果造成不利影响。整体来看，沉水植物组合对于环境因子变化的响应程度不同，影响沉水植物水质维护效果的决定因素是营养盐含量。

2.6 讨 论

研究表明，不同沉水植物组合对于受污染水体都有一定净化效果。沉水植物对污染物的净化方式主要包括根系的直接吸收及根部富氧区域聚磷菌的吸收[24]。水体中氮素的去除包括植物的吸附过滤以及氨的挥发、硝化和反硝化反应等。不同沉水植物组合方式，可以相互补充对受污染水体的净化效果，有利于实现水体的完全或半完全自我循环，提升水质净化效果的同时增强水生态环境的稳定性[25]。对于受污染河水氮素的去除，金鱼藻+黑藻组合的净化效果可达30.9%，黑藻的耐污能力强且具有良好的氮素吸收能力，金鱼藻则分布广泛，成本低廉，这两者组合后起到了良好的促进作用，受污染河水氮素的去除效果良好[26]。综合考虑植物的生长及对水质的净化效果，受污染河道优选沉水植物组合为马来眼子菜+篦齿眼子菜。马来眼子菜与篦齿眼子菜均属于眼子菜科，二者具有相似的生理状态，环境适应性强，且具备一定水质净化能力，并且篦齿眼子菜具有良好的抑藻效果[27]，马来眼子菜的适应性良好，在低光照条件下仍可保持良好的水质净化能力[28]，这两种植物组合可以改善受污染河水的溶解氧含量，增强水体富氧能力，增强附着群落的反硝化作用，提升微生物对氮素、磷素的降解转化能力[29-30]。另外沉水植物对于受污染河水的水质维护受环境因子的影响，主成分分析结果显示，叶绿素a的升高会对马来眼子菜+篦齿眼子菜组合水质维护造成不利影响。

本研究中4种沉水植物组合对受污染河水的污染物去除率为18.22%～41.94%，沉水植物组合可以有效净化受污染河水。同时试验在户外岸侧进行，模拟了受污染河水的水深及水流变化，对于微污染河水的生态修复具有参考意义。

4 结 论

（1）不同沉水植物组合对于再生水补水后受污染河道的水质净化均起到促进作用，沉水植物组合净化效果明显受到水力条件的影响。总体来看，适度减少处理水量、降低水深、延长停留时间可以更好恢复受污染河道水质。综合各指标并通过权重计算发现，对于受污染河道水的净化效果马来眼子菜+篦齿眼子菜组合>黑藻+金鱼藻组合>苦草+水盾草组合>穗状狐尾藻+伊乐藻组合。

（2）沉水植物组合对于受污染河水TP、TN、NH3-N、COD均具有净化效果。处理后氨氮、COD的数值满足《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅳ类水标准。考虑到实际受污染河道河水的流动，应尽量选择水流缓慢的区域种植沉水植物，达到维护水质、提升净化效果的目的，并适度拓宽河道，加设稳定塘，种植沉水植物，促进其水质净化作用的发挥。

（3）各沉水植物组合对环境因子变化的响应不同，其中营养盐含量是影响其效果的重要因素。对于受污染河道的生态修复，搭配合理的沉水植物组合可以提升受污染河道水净化效果，抑制藻类生长，但沉水植物的长效管理方式有待进一步研究。

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