植物组合对模拟养殖场高浓度废水的净化效果

梁玉婷，康凯丽，于静亚，王朴*，王书峰

（1.武汉市园林科学研究院，湖北 武汉 430000；2.武汉市青山区园林绿化服务队，湖北 武汉 430000）

近年来，我国水产养殖业发展取得了显著成绩，水产养殖产量占水产品总产量的比重达75%以上，但由于未有效处理好生产与生态和生活之间的关系，致使超容量、超规划养殖现象存在，造成质量安全和环境破坏等问题[1]。随着集约化养殖业的迅速发展，畜禽养殖污染物产生量增多，成为继工业污染和生活污染后的第三大污染源。养殖水体日益富营养化，对周边水域环境和生态系统也构成了严重威胁[2，3]。

养殖废水富营养化涉及的2种营养元素是氮（N）和磷（P）[4]。目前养殖场废水的处理方法较多，但存在受季节影响大、占地面积广、运行复杂、成本高等问题。大量研究表明，利用水生植物对富营养化的养殖废水进行养分削减具有显著效果和良好的经济价值[5～7]。马旻等[8]在亚热带气候条件下研究了凤眼莲、轮叶黑藻、香根草和水蕹菜4种水生植物对水产养殖废水的净化效果，结果显示，凤眼莲组处理的水体总磷（TP）去除率在第7天就达到92.67%，明显高于其他植物组，但总氮（TN）的去除效果稍逊于其他植物组。大多数学者认为，不同生活型水生植物物种合理镶嵌组合形成的水生植物群落，氮磷除去率较单一生活型水生植物更高，且净化效果更为稳定[9，10]。Lauchlan等[11]在构建的湿地中利用4种湿生植物对2种氮和磷水平的土壤渗出液进行养分去除，结果表明，种植植物较未种植处理在降低土壤渗滤液TN和TP浓度时更有效；不同物种在降低氮和磷浓度潜力方面的效应不同，但不能确定植物混合组合较单一品种处理更有效。该观点在高浓度氮磷条件下是否依然适用尚不明了。在前期试验的基础上，研究不同景观效果水生植物组合对模拟养殖场废水中氮磷的去除效果以及其他水体指标的影响，明确植物组合在高浓度氮磷中的适应性以及对氮磷的移除能力，旨为当地水生植物应用与景观营造以及养殖场废水净化和治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 水生植物 试验水生植物种类有千屈菜（Lythrum salicaria）、三白草（Saururus chinensis）、凤眼蓝（Eichhornia crassipes）、绿叶美人蕉铁十字（C.Xgeneralis Bailey“Tieshizi”）、矮生美人蕉（Canna glauca‘Taney’）、卡开芦（Phragmites karka）、穗花狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum），除穗花狐尾藻和金鱼藻购于武汉秀水生态工程有限公司外，其他植物均为2019年6月18日采自武汉市园林科学研究院水生品种池。同一物种的株高等情况基本一致。

1.1.2 养殖场废水 用硝酸钾和磷酸二氢钾配制TN为104.93～127.25 mg/L、TP为49.34～59.2 mg/L的溶液，模拟养殖场产生的高浓度废水。该污水pH值8.12，DO（溶解氧含量）为9.52 mg/L，EC（电导率）为2 315μS/cm。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验植物组合设卡开芦组合（D）、矮生美人蕉组合（E）、绿叶美人蕉铁十字组合（F）3个处理，每个组合处理均由6种植物组成，其中共有植物为穗花狐尾藻、金鱼藻、凤眼蓝、千屈菜和三白草（表1）。用大桶作为容器，内设不同植物群落的人工浮岛。每个容器的人工浮岛有千屈菜（株高51～56 cm）10株，鲜重2400g；三白草（株高60～65cm）5株，鲜重510 g；凤眼蓝（株高33 cm）3～4株，鲜重210 g；矮生美人蕉（株高79 cm）2～3株，鲜重120 g；绿叶美人蕉铁十字（株高79 cm）2～3株，鲜重120 g；卡开芦（株高79 cm）2～3株，鲜重120 g；金鱼藻（株高50 cm）和穗花狐尾藻（株高50 cm）各6株，鲜重均为30 g。千屈菜、三白草、凤眼蓝、试验组合的不同植物（卡开芦、矮生美人蕉、绿叶美人蕉铁十字）、穗花狐尾藻、金鱼藻的鲜重比为80∶17∶7∶4∶1∶1。将配置好的植物组合先种植在装有自来水的大桶内缓苗7 d，然后（2019年6月24日）种植在盛有50 L污水的塑料白桶内；以不种植植物的污水样品为对照（CK）。每处理均3次重复。试验于2019年6月24日开始，7月29日结束，共持续35 d。

表1 试验设计的植物组合类型Table 1 Types of plant combinations for experimental design

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 水体理化指标。分别在试验第0（开始）、7、14、21、28和35天采集水样，每次均采集500 mL，采用常规检测方法测定水体的TN、TP、pH值、DO和EC。其中，TN测定采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度计法；TP测定采用钼酸铵分光光度法[12]；pH值利用Metler PHS-25CpH计直接测定；EC采用Metler测定；DO采用Hach HQ30D现场直接测定。试验期间，用纯水补充蒸发和采样所消耗的水分，保持容器中的水位不变。

根据公式，计算水体的TN或TP去除率（WR）：

式中，WC1为试验开始时水体的TN（或TP）；WC2为试验结束时水体的TN（或TP）。

1.2.2.2 植物鲜重指标。分别在试验开始（第0天）和结束（第35天）时，将水生植物取出，用吸水纸吸干表面水分后，测定各种植物的鲜重。根据公式，计算相对增重率：

式中，Wt、W0分别为试验结束和试验开始时的植物鲜重。

1.2.3 数据统计分析 利用SPSS 20.0软件进行数据统计分析：采用单因素方差分析方法，分析各组合处理的植物生长指标和氮磷去除率；采用邓肯氏复极差测验法（Duncan’s multiple range test），检验处理组间的差异；采用双因素方差分析方法，分析植物的相对生长速率和生物量积累以及水体的TN和TP变化率。

2 结果与分析

2.1 不同植物组合对污水TP的去除效果

试验结束后与试验开始时相比，除组合E外，其他2个组合处理和CK均对污水TP有一定的去除效果（图1）。组合D、组合F和CK虽然在去除过程中TP有一定的高低起伏变化，但总体呈下降趋势，试验结束时三者TP差异不显著但均显著＜组合E处理，去除率分别为47.99%、48.22%和48.80%。组合E处理在试验开始后TP始终处于较高水平，最终TP去除率为-38.60%，对TP无去除效果。可以看出，组合D和F处理的污水TP去除效果与CK相当，其中组合F的去除效果最好；组合E处理对污水TP无去除效果，不宜采用。

图1 不同植物组合处理对污水总磷含量的影响Fig.1 Effects of different plant combinations on total P content in sewage

2.2 不同植物组合对污水TN的去除效果

试验结束后与试验开始时相比，所有处理均对污水TN有一定的去除效果（图2）。但去除过程中，植物组合处理的TN变化趋势与CK略有不同。3个组合处理的TN在试验开始后28 d内基本呈先降低后升高的变化，之后极速下降，试验结束时TN去除率达到68.01%～96.81%，TN均显著＜CK，组合间差异较大，其中组合F的TN最低，已降至7.13 mg/L，与组合D差异不显著，但二者均显著＜组合E处理。组合E在试验开始后TN一直处于最高水平，但试验28 d后降速快于CK，最终，TN去除率显著＞CK，而＜其他2个组合处理。CK的污水TN在试验期内总体呈下降趋势，但降幅＜3个组合处理。可以看出，植物组合可显著去除污水中的TN，其中组合F的去除效果最好。

图2 不同植物组合处理对污水总氮含量的影响Fig.2 Effects of different plant combinations on total N content in sewage

2.3 不同植物组合对污水DO、pH值和EC的影响

试验结束后与试验开始时相比，所有处理均对污水DO有一定的去除效果（图3）。去除过程中DO虽然均呈降低—升高—降低的变化，但植物组合处理的DO变化幅度较CK相对平缓，其中，试验后第14天时所有处理的DO降至最低；第21天时所有处理的DO均出现回升，此时CK的DO变化剧烈且指标值＞试验开始前；试验结束时，组合C的DO最低，与组合E处理差异不显著，但三者DO均显著＜CK。试验开始后，3个组合处理的DO始终＜CK，大多数植物组合的DO为4～5，其中组合F的DO基本维持在5 mg/L左右。可以看出，植物组合可显著去除污水中的DO，其中组合D和E的去除效果更好。

图3 不同植物组合处理对污水溶解氧含量的影响Fig.3 Effects of different plant combinations on dissolved oxygen content in sewage

试验结束后与试验开始时相比，除组合E的污水pH值略微下降外，其他处理的污水pH值均有所升高，其中组合D和F处理的污水pH值略微升高，CK的污水pH值升高较多（图4）。试验开始后所有处理的污水pH值总体呈升高趋势，但至试验结束时组合E处理的污水pH值急剧降低，最终组合E处理的污水pH值显著＜CK，其他2个组合处理的污水pH值略＞CK。可以看出，植物组合可以使水体pH值升高，但试验结束时不同植物组合对水体pH值的改变差异较大。

图4 不同植物组合处理对污水pH值的影响Fig.4 Effects of different plant combinations on pH value of sewage

试验结束后与试验开始时相比，所有处理的污水EC均有所降低（图5）。但去除过程中不同处理的变化趋势略有不同，其中，试验开始后14d内，不同处理的EC变化不同，有升有降；但之后均稳定在2000左右。试验结束时，组合E的EC最低，显著＜组合D处理，而与组合F处理和CK差异均不显著。可以看出，不同植物组合对污水EC的改变是不同的。

图5 不同植物组合处理对污水EC的影响Fig.5 Effects of different plant combinations on EC of sewage

2.4 不同植物组合对植物生长状况及生物量的影响

3个组合处理中，2种沉水植物金鱼藻和穗花狐尾藻的长势均很差，有不同程度的死亡，其中，穗花狐尾藻在组合D和F中生物量为负增长，甚至完全死亡；金鱼藻生物量在所有组合中均呈减少趋势，存活下来的个体反而表现出较好的生长态势，试验结束后不同组合处理的指标值差异不显著（表2）。表明穗花狐尾藻和金鱼藻的生长状况受到高浓度氮磷的抑制，2种植物不能适应环境。千屈菜、三白草、凤眼蓝在不同组合中长势略有差别，其中，千屈菜在3个组合中长势均较好，其生物量在组合E中增加最多；三白草生物量在组合E中增加最多；凤眼蓝长势一般，在3个组合中生物量均有所增加。试验组合中不相同的植物种类，组合E的矮生美人蕉生物量增加最少，但与另外2个组合中的卡开芦和绿叶美人蕉铁十字无显著差异。

表2 不同植物组合处理对各植物鲜重变化率的影响Table 2 Effects of different plant combinations on the change rate of fresh weight of plants

3 结论与讨论

3.1 讨论

3.1.1 试验前后TN和TP去除率的比较 挺水植物主要吸收以硝酸盐氮形式存在的氮。本研究中植物群落以挺水植物为主，综合比较后发现植物组合形式对氮的吸收效果较好，但不同水生植物组合在不同阶段对富营养化水体的TN和TP移除速率不同，这与彭婉婷等[13]在高浓度氮磷水体中各类水生植物在不同阶段对富营养化水体TN吸收速度不同的研究结果一致。整个试验过程中，植物组合的TN去除率一直维持在较高水平，可能与群落物种的多样性以及群落间的互作有关。

祝宇慧等[14]认为，植物根部氧气充足可以为聚磷菌生长提供良好的生存环境，从而增强磷的去除效率。陈小运等[15]研究发现，3种生活型的植物组合中，1种沉水植物+1种挺水植物组合对磷的去除效果高达96%。本研究的植物组合中挺水植物有3种，植物根系较多，但对TP的去除效果远低于预期，可能与磷浓度太高造成沉水植物腐败导致DO下降，根部细菌活力不够[16，17]有关。本研究中TP去除效果不太理想，具体原因值得继续探索。本研究的植物组合中，组合E（穗花狐尾藻+金鱼藻+凤眼蓝+千屈菜+三白草+矮生美人蕉）对TP去除效果最差，可能与矮生美人蕉对水环境适应性不强有关。相关研究表明，在适宜的氮、磷含量范围内，挺水植物对富营养化水体中污染物的净化效果随着氮、磷含量的增加而增加[18～20]。同时，由于不同种类的植物在生长规律，对氮、磷等营养物质的需求量、需求比例和吸收饱和上限，以及植物根系对微生物生长繁殖的促进等方面存在一定差异，因此，对不同程度富营养化水体的净化能力不尽相同。本研究条件下，组合F的植物适应性强，适宜湿地前端种植，经过7 d的适应性调整后显示出极强的净化能力。

3.1.2 试验前后污水DO和pH值变化的原因 徐寸发等[21]研究发现，污水在生态净化塘处理过程中DO可维持在4.55～7.62 mg/L，pH值维持在7.34～8.14。这与我们的研究结果类似。水生植被的恢复，能显著改善溶解氧浓度、升高pH值，降低电导率，改善水质[22]。本试验中DO大幅度降低，可能是高浓度氮磷导致植物腐败消耗了一定量的氧气造成的。

3.1.3 影响植物生长状况以及生物量变化的因素 本研究植物组合条件下沉水植物穗花狐尾藻和金鱼藻在水体中长势不佳，可能是因为本试验溶液氮磷浓度太高所导致。李欢等[23]也发现，低、中营养化水平下金鱼藻的相对生长速率和累积生物量均显著高于高富营养化水平下的指标值，在高富营养化水平下金鱼藻的生长受到抑制甚至死亡；光照强度也会对金鱼藻的生长产生影响，如植株间相互遮阳等可以提高金鱼藻对高浓度氮磷的耐受性。本试验中组合E的沉水植物较组合D和F长势略好，可能存在其他因素的影响。前人通过模拟控制试验研究了不同水体氮磷浓度对穗花狐尾藻生长的影响，发现水体高浓度（2 mg/L）氮会抑制穗花狐尾藻柔嫩片段萌发和枝条生长，中浓度磷对穗花狐尾藻的作用与氮的作用类似，磷浓度过高（超过0.4 mg/L）或过低（0.2 mg/L）均不利于穗花狐尾藻的生长[24，25]。郑足红等[26]将穗花狐尾藻种植在5个级别的养殖污水中，研究其在TN10.95～32.054 mg/L、TP5.08～11.864 mg/L溶液中的生长状况，结果发现，5个级别污水中穗花狐尾藻均生长良好。吴建强等[27]发现千屈菜在夏季开始迅速分蘖繁殖，而美人蕉在夏末秋初开始表现出更强的分蘖繁殖能力。这可能是本研究3个植物组合处理TN去除率较高的原因。本试验设计的植物组合仅1种挺水植物不同，分别是矮生美人蕉、绿叶美人蕉铁十字和卡开芦，这3种植物在水体中的长势均较好，但3个组合处理对TN和TP的去除率不同，表明不同植物组合对水质的影响不同。

3.2 结论

不同植物组合修复氮磷富营养化水体的效果不同。植物组合对富营养化水体TN的去除效果均显著高于对照，但不同组合处理对TN的去除效果差异明显，除组合E的污水pH值略微下降外，其他处理的污水pH值均有所升高，试验结束时DO和EC均有不同程度的下降。试验期间，植物组合对TN的去除率与对照具有显著差异，组合C和组合D与对照无显著差异，且对TN的去除效果远好于TP。种植穗花狐尾藻、金鱼藻、凤眼蓝、千屈菜、三白草和绿叶美人蕉铁十字（组合F）的人工浮岛，能达到有效去除富营养化水体TN和TP的目的。