常見水生植物對城市河道水質凈化影響試驗研究

李純潔

(鄭州市水利建筑勘測設計院，河南 鄭州 450006)

我國現代化建設快速發展，帶來了嚴重的水環境污染問題。經過國家大力治理，地表水環境已經大為改善。生態環境部發布的《2018中國生態環境狀況公報》指出，2018年全國地表水劣Ⅴ類比例已經下降到6.7%，長江、黃河、淮河等流域干流水質已經達到優秀標準。但支流水質仍停留在輕度污染程度，其中部分城市河段污染嚴重。與自然河道相比，城市河道流量、流速均較低，自凈能力差，而又承載了城市排污功能，亟須進行水環境修復和改善。除了水源注入等工程措施外，水生植物修復技術也是改善水環境行之有效的手段。

水體修復技術包括生物修復技術和工程修復技術，其中利用水生植物構建生物凈化系統，具有成本低廉、處理效果明顯、環境適應強、發展潛力大等優勢，是最佳的生態修復措施[1]。因此，人們對各種水生植物對不同類型的污水凈化進行了大量研究，以期為流域生態治理提供合適的水生植物資源[2-6]。

本文選擇3種本土水生植物，研究其凈化能力和凈化機理，確定各項因素在污水凈化中的貢獻。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選擇的3種華中、華北地區常見的水生植物為水芹、石龍芮和沼生蔊菜，均為本地土著物種，大量生長在潮濕環境和近水水域，其生物特征見表1。

表1 試驗植物的生物特征

這3種植物環境適應能力較強，生物量大，在多數生長地區已經歸化，在使用中不存在生態風險，同時植物習性接近，能夠大量共生，具有較好的景觀效果。在環境、景觀價值基礎上，這3種植物還具有一定的食用和藥用價值[6-8]，可帶來一定經濟效益。

試驗植物采自鄭州市賈魯河河道淺水區，為長勢良好、大小均勻的植株，試驗前均經過清水馴養，并洗凈晾干。水樣取自賈魯河，基本水質數據見表2。

表2 水樣水質參數

1.2 試驗方法

試驗在鄭州市賈魯河綜合治理建設管理局試驗地進行，為室外模擬水培試驗，在自然環境中持續進行38天。整個試驗期間氣溫介于10～24℃之間，平均氣溫18℃，天氣以晴天為主，光照充分。

植物種植在12L泡沫箱內，水量10L。每種植物均設置3個平行組次，同時將3種植物兩兩組合，每種組合也設置3個平行組次。每個試驗組次使用1個泡沫箱，選取的植株大小一致，總生物量均為200g，植物根部浸泡在水樣中，覆蓋基本相同的水面面積?？傮w設置1個空白對照組次，泡沫箱中僅放入水樣，并對水面進行遮蓋，使得水樣受光面積與其他試驗箱相當。

試驗開始的第3天進行初次取樣測定，以后每7天進行1次取樣，取樣均于早晨6∶30進行，每個試驗箱均取水樣100mL，取樣前用蒸餾水補水使水位穩定在10L。

水樣處理效果以水樣處理前后的TP、TN指標表征，其中TP采用《鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)測定，TN采用《堿性過硫酸鉀消減-紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測定，所有測試在24h之內完成。

TN、TP去除率計算如下：

(1)

(2)

式中：c0為水樣初始TN、TP濃度(見表2)；ci為第i次取樣測定的TN、TP濃度；ci′為第i次對照水樣測定的TN、TP濃度；η為植物的總去除率；η′為對照水樣的去除率。

水樣自凈化作用帶來的兩者之差反映了植物的實際去除效果。

2 試驗結果與分析

2.1 植物生長態勢

試驗周期內，3種植物與植物組合生長態勢良好，試驗結束時生物量見表3。

表3 試驗結束時植物的生物量

與初始200g生物量相比，植物生長較快，生物量顯著增加，按大小排列為石龍芮>水芹>沼生蔊菜。石龍芮和水芹的分蘗不斷增多，長出新的葉片，生物量增加很快，而沼生蔊菜莖稈生長較快，新生葉片較小，導致其生物量增加最少。植物組合的生物量介于兩種植物之間，更偏向于生長較快的植物。

根據試驗期間的觀察，植物生長主要發生在試驗開始至20天左右，隨后生長趨勢明顯放緩，試驗后期甚至觀察到一定程度的腐敗現象，部分植株還出現了蟲害，說明這3種植物為歸化植物，不會發生過度瘋長的現象。

2.2 單一水生植物凈化TN、TP效果

3種水生植物對污水TN的凈化效果見圖1。在試驗前期，無論是水體自身凈化作用還是植物凈化處理都有明顯效果，TN去除率迅速升高，并于第24天達到峰值，隨后發生一定程度的下降?？瞻讓φ账畼覶N去除率最高達到55.2%，在試驗后期穩定在32.1%。

圖1 植物對TN的凈化效果

植物對TN去除率均顯著高于空白對照組，在峰值處水芹、石龍芮、沼生蔊菜去除率分別達到92.4%、98.2%和71.3%，與對照組相比提升幅度為16.1%～43.0%。試驗結束時，3種植物對TN的去除率為43.3%～54.1%，與對照組相比提升幅度穩定在11.8%～22.6%之間，這3種植物對水體TN均有明顯的凈化效果?？傮w而言，處理效果水芹>石龍芮>沼生蔊菜。試驗前期石龍芮的峰值去除率更大，但持續效果不如水芹，沼生蔊菜處理效果最低。

3種水生植物對TP的去除效果見圖2。在試驗周期內，空白對照組TP去除率迅速上升到12.0%左右，然后兩周內大致穩定，隨后又開始上升，試驗結束時達到32.7%，與水體對TN的自凈效果大致相當。

圖2 植物對TP的凈化效果

3種植物同樣對TP去除率有顯著提升，第17天達到第一個峰值，去除率最高為石龍芮的74.8%，與對照組相比提升幅度達到60.9%。從第24天開始，石龍芮、水芹、沼生蔊菜對TP的去除率與對照組相比提升幅度始終維持在47.6%～55.5%、45.3%～48.5%、19.7%～21.4%之間，處理效果是石龍芮>水芹>沼生蔊菜。試驗后期石龍芮和水芹對TP去除率達到88.2%和81.2%，沼生蔊菜稍低，為54.3%。相比之下，3種水生植物對TP去除率的提升效果優于對TN去除率的提升效果，并且沒有隨著時間的推移而降低。

2.3 水生植物組合凈化TN、TP效果

不同植物通過合理的組合，可以取長補短，保持較高且穩定的去除效果[2-5]。為了探究植物組合去污效果，試驗分別將水芹+石龍芮、水芹+沼生蔊菜、石龍芮+沼生蔊菜3種組合和單一植物TN、TP的去除率進行對比分析，見圖3、圖4。

圖3 植物組合對TN的凈化效果

圖4 植物組合對TP的凈化效果

a.植物組合與單一植物類似，TN去除率在試驗中期達到最大，峰值總去除率在89.3%～98.3%之間，在后期TN去除率開始下降。

b.水芹+石龍芮組合對TN處理效果在任何時段均優于單一植物，而水芹+沼生蔊菜或石龍芮+沼生蔊菜在試驗早期和中期高于單一沼生蔊菜，但略低于單一水芹或石龍芮，這是沼生蔊菜的處理效果偏低帶來的，說明此時植物之間相互促進作用尚未展現。

c.隨時間的增長，各種組合處理效果均優于單一植物。這說明植物之間存在相互促進作用，盡管沼生蔊菜單獨對污水處理效果不甚理想，但它能顯著加強其他植物的后期處理效果。

d. 3種組合在試驗后期對TN的去除率都能達到61.3%～65.0%，去除效率比單一植物提升10.0%以上，組合效果明顯。

e.由圖4可以看出，植物組合對TP的去除率在整個試驗周期內，不低于單一植物的處理效率。同樣，沼生蔊菜對TP去除效率不高，但它能加強其他植物的去除效果。在試驗后期，3種植物組合對TP的總去除效率穩定在79.2%～88.6%之間。

2.4 水生植物對TN、TP的去除機理

試驗數據表明，無論是單一植物還是組合植物，對TP去除效率都高于TN。TP去除率最高可達88.6%，而對TN的去除率雖然在試驗中期可高達98.3%，但隨時間的推移降低到65.0%。相關機理研究認為，TN去除的主要途徑是植物吸收、微生物硝化與反硝化過程、物理化學作用，而TP去除的主要途徑則是植物吸收、化學沉淀，但不同文獻報道的貢獻率有一定差異[9-11]。結合試驗數據，可以推測TN去除率應主要與微生物作用相關，而TP去除率主要由植物決定。

為了驗證本試驗中TN、TP的去除機理，進行了第二次靜水試驗，試驗周期為14天，試驗過程中對微生物進行了滅菌處理，通過物料平衡的方法計算了各因素的貢獻。

考慮到試驗目標，滅菌方法不能對植物產生傷害，最終選擇了氯霉素滅菌法。試驗工作方式與第一次靜水試驗相同，水芹、石龍芮以及它們的組合，各設置了兩個加藥組次和兩個不加藥組次(由于沼生蔊菜處理效率偏低，試驗中未作其機理研究)，同時設置1個加藥空白組次和1個不加藥空白組次。所有加藥組次按照30mg/L的投加量加入氯霉素，每周投加1次，投加后2天取樣，根據《食品微生物學檢驗 菌落總數測定》(GB 4789.2—2016)，采用平板計數法測定菌落總數，試驗在48h內完成。

試驗結果顯示，未投加氯霉素的水樣菌落總數量級104/mL，而投加氯霉素后，菌落總數小于102/mL，滅菌效果良好，符合試驗要求。

試驗結束時，統一采樣測定各組次的TN和TP，數據見表4。氯霉素中含有氮元素，這部分在計算TN時已經扣除。

表4 各組次對TN、TP的去除率 單位：%

TN、TP的總去除率由4個部分組成：物理化學作用、微生物作用、植物-微生物協同作用、植物自身作用。各部分貢獻確定方法如下：

a.物理化學作用：即表4中加藥空白的TN、TP去除率數據。

b.微生物作用：表4中不加藥空白與加藥空白的TN、TP去除率之差，這一項表征天然水樣微生物的貢獻。

c.植物-微生物協同作用：表4中不加藥植物與加藥植物的TN、TP去除率之差，再減去微生物作用。本數據表征由于植物存在而導致的微生物貢獻增加量。

d.植物自身作用：按表4中加藥植物與加藥空白的TN、TP去除率之差分別計算出每種植物的各類作用的貢獻值，見圖5。

圖5 不同植物對TN、TP的去除貢獻

對于TN去除率而言，物理化學作用的貢獻值為18.0%，微生物的貢獻值為16.9%，植物-微生物協同作用處于6.2%～17.5%之間，植物自身貢獻值處于11.7%～15.4%之間。盡管石龍芮的自身處理效果高于水芹，但水芹的植物-微生物協同作用貢獻更大，使總的處理效率水芹優于石龍芮。而植物組合發揮了二者的優勢，同時具有較大植物-微生物協同作用和植物自身貢獻。

對于TP去除率而言，物理化學作用和微生物的貢獻值較低，只有5.5%和7.6%，而植物-微生物協同作用和植物自身提供主要貢獻值達到了20.7%～32.1%，并且均為水芹<石龍芮<組合。

總體而言，對于TN主要貢獻為微生物(含植物-微生物協同)，基本提供了總去除率的一半，而物理化學作用占比也達到近1/3，相比之下，植物自身的貢獻占比不到1/4。對于TP主要貢獻為植物(含植物-微生物協同)，合計占總去除率的4/5，而單獨微生物和物理化學作用占比很低。

試驗結果驗證了之前的推測。在第一次靜水試驗中，TN去除率出現先升后降的現象，與微生物生長期匹配。而TP去除率則隨著植物生長而持續提高。

3 結 語

石龍芮、水芹和沼生蔊菜及其組合的靜水試驗數據表明，3種植物具有較好的TN、TP去除效果，石龍芮和水芹的處理效果更好，而沼生蔊菜能顯著加強前兩者的處理效果，獲得組合優勢。試驗條件下，植物組合在中期對TN達到最高去除效果，后期有所下降，試驗結束時穩定在61.3%～65.0%，而對TP去除率穩定提升，達到79.2%～88.6%。從試驗結果可以看出，這3種植物對賈魯河低污染水體的凈化效果明顯，適合對河道水系進行生物修復。

滅菌對比試驗表明，對TN而言，主要貢獻來自于微生物和物理化學作用；而對TP而言，主要貢獻來自于植物吸收、吸附等。

根據試驗結果，在賈魯河綜合治理工程中，嘗試以水芹、石龍芮和沼生蔊菜組合為基本配置，在濕地、湖泊及兩岸淺水區進行大范圍種植。目前河道水生態環境已得到大幅度改善，監測斷面水質均已達到地表Ⅲ類標準，尤其是大量種植水生植被的濕地、湖泊等區域，TN和TP明顯低于其他河段，基本實現了水生態修復的目標。

由此可見，上述3種水生植物對低污染城市河道水質改善能起到積極作用。所選的3種水生植物在華中、華南地區分布廣泛，利用它們結合工程措施進行城市低污染水體的生物修復，能在達到水體生態治理效果的前提下，降低工程成本，同時帶來一定經濟效益，為城市河湖通過水生植物改善水質提供了可借鑒的試驗依據和實際經驗。