不同水生植物对水体中氮磷吸收去除效果的试验

苏小东，李 艳，原金海，贾 云

(1.重庆科技学院化学化工学院，重庆 401331;2.西藏自治区水文水资源勘测局，西藏拉萨 850000)

随着人民生活水平的提高，小城镇氮磷含量较高的生活污水排放量逐年增加，因此需要采取有力的措施净化受污染水体。目前，国内外利用水生植物净化生活污水的研究已取得了一些成果，并证实利用水生植物既能治理水体污染，又能避免二次污染［1-5］。研究温和气温生长的水生植物净化水体的研究较多，而对于在极端气温下水生植物净化水体的研究则较少。另外在极端气温时水生植物会枯萎甚至死亡，不仅不能净化水体，反而会产生新的污染。三峡库区上游重庆地区在夏季气温比较高，因此需要筛选适应当地气候条件且在极端气温下也能高效脱氮除磷的水生植物，从而建立一个完整的净化生活污水的水生植物体系，避免因极端气温导致水体水质出现明显波动。

利用实验室人工模拟三峡库区气候条件，对狐尾藻、水蕴草、轮叶黑藻、长叶久冠和铜线草等5种水生植物在污水中去除总氮(TN)和总磷(TP)的效果进行了系统研究，分析了它们对水体中氮磷的去除效果差异，从中比选出能适应三峡库区山地集镇气候条件并能高效净化水质的水生植物。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

狐尾藻、水蕴草、轮叶黑藻、长叶久冠和铜线草均采自重庆地区的河流和池塘中。

1.2 试验测定方法

为了避免微生物对水体中的氮磷去除效果的影响，本试验所用水体均采用高温灭菌，使用灭菌水对植物进行清洗。

检测的水质指标及其方法:TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定;TP采用钥锑抗分光光度法测定［6］。每个指标重复测定3次，取平均值作为测试结果。

植物选取及质量称量:选取健壮植株，清洗并去除腐根烂叶，用滤纸吸去植物表面的水分，生长于模拟水体中的植物移出水体，用滤纸吸干水分后于天平上称取精确到0.1 g，不同时间不同植物的质量如表1所示。试验温度为35～42℃。

表1 试验周期中植物的质量变化Tab.1 Weight of Plants during Experimental Period

2 试验结果与讨论

2.1 不同水生植物对总氮的去除效果

5种水生植物分别在试验系统中生长一定时间后进行测定，结果如图1所示。由图1可知铜线草、水蕴草、轮叶黑藻、长叶久冠和狐尾藻对总氮的去除率分别为48%、69%、62%、49%和62%。当生长时间进一步延长达到24 d时，水生植物对总氮的去除率几乎能达到90%，其值分别达到95%、95%、92%、88%和96.70%。由此可知除氮能力大小顺序为水蕴草＞狐尾藻＞轮叶黑藻＞铜线草＞长叶久冠。

图1 5种水生植物12和24 d的总氮去除率Fig.1 Removal Rates of Total Nitrogen of 5 Hydrophytes in 12 Days and 24 Days

同时试验了低浓度氮含量的条件下对氮的去除率，试验结果如图2所示。由图2可知对低浓度氮去除能力的顺序为狐尾藻＞铜线草＞水蕴草＞轮叶黑藻＞长叶久冠。在生态系统中，TN主要源于原水中的有机物和系统内部生长的微生物及其释放产物。TN包括NH3-N和NO3-N，主要通过挥发、生物硝化/反硝化、生物同化吸收3种机制去除，水生植物和微生物都可以作为硝化菌的有效载体，促进水体中硝化作用的增长［7］。研究发现水体中总氮的去除率与植物质量之间呈线性关系，其中狐尾藻重量与水体中总氮的去除率之间的相关系数达到0.958，水蕴草和轮叶黑藻也能达到0.9左右，且在移栽初期也有很好的相关性，说明这3种水生植物的适应性非常好。而长叶久冠在移栽初期呈现负增长，这是由于在移栽初期根部的叶片枯萎死去，在称量时是去除死叶称量所得质量，这说明其适应性相对较差，但适应6 d后其植物质量与水体中的总氮去除率呈正相关关系，其相关系数可达0.998。而铜线草虽然在吸收生成，但是其与总氮的去除率无正相关关系。这说明在该试验条件下，在微生物含量较小的情况下，水体中总氮的去除主要依靠生物同化吸收，其吸收效果与生长速度呈正相关关系(如图3所示)。综上，几种水生植物对水体中总氮的去除效果由大到小的顺序为水蕴草＞狐尾藻＞轮叶黑藻＞铜线草＞长叶久冠。铜线草对高温天气的适应性相对较差，而水蕴草的适应性最好，狐尾藻的适应性也较好且在低氮浓度下对氮的吸收也是最好的。

图2 5种植物低浓度氮水体中总氮的12 d去除率Fig.2 Removal Rates of Total Nitrogen of 5 Hydrophytes Containing Low Concentration of Nitrogen in 12 Days

图3 总氮去除率与植物体质量的相关性Fig.3 Correlation between Removal Rate of Total Nitrogen and Weight of Hydrophytes

2.2 不同水生植物对总磷的去除效果

水体中总磷(TP)主要通过化学沉淀、藻类细菌的合成代谢和水生植物的吸收3种方式去除［8］。采用合成水体，植物体洗净后植于水体中，避免化学沉淀和藻类细菌的合成代谢对磷的去除作用，然后筛选出对磷有好的吸收作用的植物。由图4可知植物生长12 d对总磷的去除效果由大到小的顺序为狐尾藻=水蕴草＞轮叶黑藻＞长叶久冠＞铜线草，而植物生长24 d对总磷的去除率均大于60%，去除效果的顺序为狐尾藻＞长叶久冠＞水蕴草＞轮叶黑藻＞铜线草，其中狐尾藻对TP的去除率最大，其值能达到90%以上。研究中发现选取的5种水生植物对低浓度磷的12 d去除率均能达到50%以上(如图5所示)，其中狐尾藻和长叶久冠对低浓度磷的12 d去除率能达到80%以上。对植物的生长过程进行了追踪，发现水体中总磷的去除效果和植物的生长速度有直接的正相关关系，其中狐尾藻和轮叶黑藻对总磷的去除效果和植物质量的相关系数达到0.9以上(如图6所示)。这也表明在该试验条件下植物的生长吸收是总磷去除的主要方式。同时从图中总磷的去除率变化和植物生长情况发现狐尾藻、水蕴草和轮叶黑藻对环境的适应性更快更好，长叶久冠适应性相对较弱。在移栽初期根部的叶片枯萎死去，去除死叶后称量，结果使得生长前期磷的去除率与植物质量相关性差，但长叶久冠在12～24 d生长期间对总磷的去除效果和植物质量的相关系数可达0.95，铜线草对该试验条件下的环境适应性最差。综上，几种水生植物对水体中总磷的去除效果的顺序为狐尾藻＞水蕴草＞长叶久冠＞轮叶黑藻＞铜线草。

图4 5种水生植物对总磷的去除效果Fig.4 Removal Rate of TP of 5 Hydrophytes in 12 Days and 24 Days

图5 5种植物低浓度磷水体中总磷的12天去除率Fig.5 Removal Rate of TP of 5 Hydrophytes Containing Low Concentration of TP in 12 Days

图6 总磷去除率与植物体重量的相关性Fig.6 Correlation between TP Removal Rate and Weight of Hydrophytes

3 结论

在模拟试验条件下研究了5种水生植物对水体中氮磷的吸收去除效果。结果表明狐尾藻、水蕴草、长叶久冠、轮叶黑藻和铜线草24 d的氮去除率均能达到85%以上，对磷的去除率能达到65%以上。其中狐尾藻和水蕴草对氮磷均有较好的吸收去除效果，且能适应三峡地区的夏季高温天气，而长叶久冠和铜线草的环境适应性相对较差，因此推荐在三峡地区生态污水处理中选择狐尾藻、水蕴草和轮叶黑藻。

［1］蒋鑫焱，翟建平，黄蕾，等.不同水生植物富集氮磷能力的试验研究［J］.环境保护科学，2006(6):13-16.

［2］沈瑾，王三反，孙连鹏.水生植物对铜污染废水的净化能力［J］.净水技术，2013，32(2):70-73.

［3］吴小慧，张勇，何岩，等.污染水体净化与生态修复中水生植物光合、呼吸特性研究进展［J］.净水技术，2009，28(6):5-7，25.

［4］李明传.水环境生态修复国内外研究进展［J］.中国水利，2007(11):25-27.

［5］王兴民，许秋瑾，邢晓丽，等.水生高等植物对湖泊生态系统的影响［J］.山东科学，2007(2):29-32.

［6］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法［M］.第4版.北京:中国环境科学出版社，2002.

［7］KIM Y，KIM W.Role of water hyacinths and their roots for reducing algal concentration in the effluent from waste stabilization ponds［J］.Water Research，2000，34(13):3285-3294.

［8］黄亚，傅以钢，赵建夫.富营养化水体水生植物修复机理的研究进展［J］.农业环境科学学报，2005(24):378-383.