周 雪 李兆欣 顧永鋼，3 黃炳彬 劉 操#

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100048； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

3種沉水植物對再生水水質(zhì)維護效果的比較*

周 雪1，2李兆欣1顧永鋼1，3黃炳彬1劉 操1#

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100048； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

為了防止再生水利用時出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，選用苦草(Vallisnerianatans(Lour.)Hara)、金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)和穗狀狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)3種沉水植物，配合投加鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)和橢圓背角無齒蚌(Anadontawoodianaelliptica)，對再生水水質(zhì)進行維護，對比不同組合對再生水的凈化和保持效果。結(jié)果表明：金魚藻能較好維護再生水的水質(zhì)穩(wěn)定，實驗中后期COD、氨氮分別在30、0.4mg/L以下，而且金魚藻可較好地抑制浮游植物的生長，葉綠素a基本都小于葉綠素a水華閾值(40μg/L)，同時鰱魚和橢圓背角無齒蚌的投加能完善生態(tài)系統(tǒng)，并維護再生水pH的穩(wěn)定。

再生水 沉水植物 金魚藻 水質(zhì)維護

隨著社會的快速發(fā)展，水資源短缺形勢越發(fā)嚴(yán)峻，再生水成為城市景觀用水的重要補給水源，得到廣泛利用。但是，由于再生水中部分污染物的濃度遠(yuǎn)高于天然水體，水體自凈能力較差，使得再生水補水型景觀水體的水質(zhì)難以維持穩(wěn)定。關(guān)于再生水回用于景觀水體后引起的水質(zhì)變化及維持水質(zhì)穩(wěn)定的措施，也越來越多的得到研究[1-4]。其中，利用水生植物，抑制藻類生長，維護水體生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，被廣泛研究[5]。對水生植物的研究多集中于沉水植物，作為初級生產(chǎn)者，其在以再生水為水源的景觀生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控中具有重要地位[6]。

沉水植物以其特有的生態(tài)和景觀功能及易于人工操作等優(yōu)點，在凈化水質(zhì)和修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)方面受到普遍關(guān)注，并開展了大量的研究[7-9]。多數(shù)研究模擬再生水的水質(zhì)條件，自配實驗用水，之后引入沉水植物，測試水體污染物的濃度變化情況，以得出凈水效果最佳的沉水植物。但在指導(dǎo)實際工程應(yīng)用時，存在地域應(yīng)用限制和修復(fù)維護效果不佳等現(xiàn)象。

在實驗過程中，本研究保持實驗用水氮磷濃度恒定，利用水生生物——沉水植物、鰱魚和河蚌修復(fù)維持再生水，以求得適用于北京地區(qū)的再生水水體維護生物組合，為北京再生水補水型城市河湖的生態(tài)修復(fù)，提供應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水生生物

對沉水植物進行篩選，以適應(yīng)性好、成活率高、對氮磷富集效果好、光合效率高、美觀、具有一定經(jīng)濟價值為標(biāo)準(zhǔn)進行選擇[10]。選擇較多應(yīng)用于北方地區(qū)水體生態(tài)修復(fù)中的3種沉水植物[11-13]，包括苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)、金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)和穗狀狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)。實驗所用沉水植物購自北京市懷柔區(qū)某園藝場，在自來水中馴養(yǎng)5 d后使用。

對水生動物進行篩選，以能夠維持水質(zhì)、吞食浮游動植物、控制水體水華等為標(biāo)準(zhǔn)進行選擇。選擇鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)和橢圓背角無齒蚌(Anadontawoodianaelliptica)作為實驗用水生動物，均購自北京市順義區(qū)某魚塘。

1.2 實驗用水

實驗用水取自北京某再生水廠的再生水出水，其處理工藝為A2/O+膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝。

1.3 實驗方法

實驗在北京市順義區(qū)某再生水廠室外進行，搭建防雨棚，放置有機玻璃實驗裝置，實驗裝置如圖1所示。有機玻璃裝置尺寸為1.0 m×1.0 m×1.5 m，加水量為1.2 m3。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

實驗周期為2015年8月1日至10月1日。實驗組設(shè)置：(1)空白組，即只添加再生水；(2)單一沉水植物組，即在空白組上分別投加苦草、金魚藻和穗狀狐尾藻；(3)生態(tài)組，即在單一沉水植物組上加入鰱魚和橢圓背角無齒蚌。沉水植物方式：選取大小一致、生長狀況良好的植株，增加配重將其壓入實驗裝置底部。沉水植物的種植量為50株，總鮮質(zhì)量為(250±25) g，鰱魚的投加量為(300±5) g，橢圓背角無齒蚌投加量為3只，每只(420±20) g。

實驗期間，蒸發(fā)水量用再生水補充，并用NaNO3和KH2PO4調(diào)節(jié)實驗用水的TN和TP濃度，使其保持穩(wěn)定。實驗過程中不斷加入的氮磷元素，可模擬真實環(huán)境中氮磷污染物進入水體的過程，并且能得到實驗過程中水生生物系統(tǒng)消耗利用的氮磷元素總量，為工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

通過測定水質(zhì)指標(biāo)濃度的變化，評價沉水植物對水質(zhì)的保持效果。測定指標(biāo)主要有TN、氨氮、TP、COD、pH、水溫、葉綠素a。水質(zhì)指標(biāo)測試方法參照文獻[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生水水質(zhì)

測試了實驗用水初始水質(zhì)，結(jié)果如表1所示。目前，北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11890—2012)一級A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：TN≤15 mg/L，TP≤0.5 mg/L。因此，調(diào)節(jié)實驗用水的TN和TP濃度，使TN、TP分別穩(wěn)定在15、0.5 mg/L左右。

2.2 沉水植物生長狀況

實驗過程中，定期測定了沉水植物的生長長度，比較了不同實驗組沉水植物的生長狀況，結(jié)果如圖2所示。穗狀狐尾藻在移植后未能適應(yīng)再生水環(huán)境，未能正常生長；苦草在移植初期未能正常生長，生長適應(yīng)期過后正常生長，其中單一苦草組中苦草從30 cm左右逐漸生長到40 cm左右，苦草生態(tài)組中苦草從30 cm左右逐漸生長到50 cm左右；金魚藻對再生水環(huán)境的適應(yīng)較好，實驗期間生長狀況良好，且單一金魚藻組中的金魚藻在實驗初期生長較迅速，單一金魚藻組和金魚藻生態(tài)組的金魚藻均從50 cm左右逐漸生長到70 cm左右?？梢姡诖嗽偕h(huán)境中，苦草和金魚藻能較快適應(yīng)，并正常生長，可用于此再生水體的水質(zhì)維護，而穗狀狐尾藻未能正常生長，在再生水體的水質(zhì)維護中，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。

表1 實驗用水初始水質(zhì)指標(biāo)平均值

圖2 沉水植物生長情況Fig.2 Growth of submerged plants

實驗后期，水溫從最初的28 ℃左右下降到18 ℃左右，隨著水溫的降低，沉水植物生長速度變慢，并逐漸停滯，之后出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，實驗結(jié)束。由于沉水植物死亡腐爛后，會向水體釋放污染物，對水體水質(zhì)造成污染，因此實際工程應(yīng)用中，為防止沉水植物死亡腐爛對水體造成二次污染，可在10月初進行收割，以此施加生態(tài)管理有利于水體水質(zhì)的維護。

2.3 氮磷元素投加量對比

由圖3可知，投加苦草的實驗組中，氮磷元素的消耗量最高，其中單一苦草組的氮、磷元素投加量達(dá)到17.04、1.500 g，苦草生態(tài)組的氮、磷元素投加量分別為12.18、1.572 g；投加金魚藻和穗狀狐尾藻的實驗組，氮磷元素的消耗量相似；空白組出現(xiàn)氮磷元素消耗的情況，可能的原因是水體中浮游植物的生長，利用了水體中的氮磷元素。因此，比較了各實驗組的浮游植物的細(xì)胞密度，結(jié)果如圖4所示。空白組浮游植物的細(xì)胞密度明顯高于其他實驗組，空白組浮游植物的生長消耗了水中的氮磷元素。同時，投加水生生物，對水中的浮游植物有較好的抑制作用。

2.4 再生水氨氮變化對比

水體氨氮主要通過生物同化吸收和微生物的硝化與反硝化作用、揮發(fā)等機制去除，各種去除機制都直接或間接受植物和浮游植物的影響[15]。對比了各實驗組的氨氮變化，結(jié)果如圖5所示。

沉水植物的投加，使得水體氨氮快速降低，之后氨氮能維持在0.1～0.8 mg/L，其中單一金魚藻組對水體氨氮的維護效果最好，保持在0.3 mg/L左右，金魚藻生態(tài)組的氨氮基本維持在0.4 mg/L以下，后期出現(xiàn)急增現(xiàn)象，原因是植物出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，植物體中的蛋白質(zhì)被微生物分解后產(chǎn)生氨基酸，隨后氨基酸再進一步分解成氨氮[16]。單一金魚藻組和金魚藻生態(tài)組對水體氨氮有較好的維護效果，是由于金魚藻為微生物提供了良好的附著基質(zhì)和棲息場所，而且金魚藻光合作用產(chǎn)生的O2也促進了氨氮的硝化去除?？瞻捉M出現(xiàn)氨氮降低的原因是水體浮游植物的大量生長，消耗了水中的氨氮。

圖3 氮磷元素投加量對比Fig.3 Comparison of nitrogen and phosphorus adding quantity

2.5 再生水COD變化對比

對比了不同實驗組COD的變化情況，結(jié)果如圖6所示。在實驗初期，水體中COD均出現(xiàn)快速下降又回升的現(xiàn)象，其原因是由于投加的水生生物存在吸附作用，被吸附的有機物并沒有去除，因此之后出現(xiàn)了COD的回升；而空白組COD出現(xiàn)波動現(xiàn)象可能是再生水中的浮游生物生長吸收部分COD，之后存在浮游生物死亡并產(chǎn)生釋放，總體上空白組COD穩(wěn)定在37 mg/L左右。

圖4 浮游植物的細(xì)胞密度對比Fig.4 Comparison of phytoplankton cell density

圖5 再生水氨氮變化情況Fig.5 Ammonia nitrogen concentration changes of reclaimed water

圖6 再生水COD變化情況Fig.6 COD concentration changes of reclaimed water

投加金魚藻的實驗組，水體COD能維持在相對低的水平。單一金魚藻實驗組隨著實驗的進行，COD總體呈現(xiàn)降低趨勢，且在實驗中后期COD≤30 mg/L；金魚藻生態(tài)組的COD能維持在30 mg/L左右。投加苦草和穗狀狐尾藻的實驗組，對COD的去除效果不佳，COD波動明顯，部分采樣時間甚至超過空白組，原因是部分沉水植物腐爛而導(dǎo)致COD升高，且實驗組會出現(xiàn)已沉淀物質(zhì)再懸浮現(xiàn)象[17]，引起水體COD的上升。單一沉水植物組的COD總體低于生態(tài)組的原因是底棲軟體動物排泄物釋放、積累影響到實驗水質(zhì)[18]，致使生態(tài)組水體COD升高。

2.6 再生水葉綠素a變化對比

隨著再生水水溫的增高，葉綠素a會出現(xiàn)升高現(xiàn)象，并易發(fā)生水華，文獻[19]得到葉綠素a的水華閾值為40 μg/L。在實驗過程中，葉綠素a的變化情況如圖7所示。

圖7 再生水葉綠素a變化情況Fig.7 Chla concentration changes of reclaimed water

不同實驗組的葉綠素a變化區(qū)別較大。空白組葉綠素a峰值達(dá)到56.15 μg/L，之后由于水溫降低，葉綠素a下降。單一金魚藻組和金魚藻生態(tài)組對于再生水體的葉綠素a的維護效果較好，其中單一金魚藻組葉綠素a最高時僅為20.89 μg/L，而金魚藻生態(tài)組的葉綠素a在實驗開始時曾達(dá)到44.90 μg/L，隨后能較好地保持在30 μg/L以下。投加苦草和穗狀狐尾藻的實驗組，葉綠素a變化較大，對葉綠素a的維護效果弱于金魚藻。

金魚藻對葉綠素a有較好控制作用，一方面是通過光和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭，抑制了藻類的生長；另一方面是產(chǎn)生抑制藻類生長的化感物質(zhì)，通過化感作用抑制藻類生長[20]，進而維護了再生水水體的葉綠素a濃度。

2.7 再生水pH變化對比

對比了不同實驗組pH的變化情況，結(jié)果如圖8所示。

圖8 再生水pH變化情況Fig.8 pH changes of reclaimed water

各實驗組再生水pH均出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，再生水pH升高的原因是水生植物和浮游植物的光合作用，促進了水體pH的升高[21]。生態(tài)組的pH總體低于單一沉水植物組，原因是鰱魚和橢圓背角無齒蚌的加入，能消化吸收水體中的藻類和有機物碎屑，且水生動物的呼吸作用能釋放CO2，溶于水后使水體pH降低[22]。將沉水植物與鰱魚、橢圓背角無齒蚌組合使用，能完善生態(tài)鏈，促進生態(tài)平衡。

3 結(jié) 語

(1) 再生水中投加金魚藻，能較好維護水體的水質(zhì)穩(wěn)定，對葉綠素a有較好控制作用，并抑制再生水水體浮游植物的生長，防止水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，可應(yīng)用于北京地區(qū)再生水補水型城市河湖的生態(tài)修復(fù)，與鰱魚和橢圓背角無齒蚌組合使用，能完善生態(tài)鏈，促進生態(tài)平衡。

(2) 由于水箱模擬實驗條件與實際水體的真實情況依舊存在較大差距，在水溫保持、流速控制等方面存在局限性，因此在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)針對不同的水文水質(zhì)條件，進一步研究水生生物的具體投配方式，并配合施加生態(tài)管理，以達(dá)到水質(zhì)維護效果好、生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高的效果。

[1] 孟慶義，吳曉輝，趙立新，等.再生水回用于北京景觀水體引起的水質(zhì)變化及其改善措施[J].水資源保護，2011，27(1)：51-54.

[2] 楊永東，管運濤，陳俊，等.再生水補充景觀水體的富營養(yǎng)化研究[J].環(huán)境工程，2012，30(2)：135-139.

[3] 李娜，楊建，常江，等.不同工藝再生水補給對景觀湖水質(zhì)變化的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報，2012，6(4)：1276-1280.

[4] 范婧，周北海，張鴻濤，等.再生水補充景觀水體中藻類的生長比較[J].環(huán)境科學(xué)研究，2012，25(5)：573-578.

[5] 趙原，王彥，汪濤，等.川中丘陵區(qū)高富集氮、磷溝渠植物的篩選[J].環(huán)境污染與防治，2015，37(10)：12-16.

[6] 徐志嬙，劉維，趙潔，等.沉水植物對再生水景觀水體水質(zhì)變化的影響和凈化效果[J].水土保持學(xué)報，2012，26(2)：214-219.

[7] 潘保原，楊國亭，穆立薔，等.3種沉水植物去除水體中氮磷能力研究[J].植物研究，2015，35(1)：141-145.

[8] 何娜，張玉龍，孫占祥，等.水生植物修復(fù)氮、磷污染水體研究進展[J].環(huán)境污染與防治，2012，34(3)：73-78.

[9] 陳志超，張志勇，劉海琴，等.4種水生植物除磷效果及系統(tǒng)磷遷移規(guī)律研究[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，38(1)：107-112.

[10] 黃亮，黎道豐，蔡慶華，等.不同水生植物對滇池入湖河道污水凈化效能的比較[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17(4)：1385-1389.

[11] 任文君，田在鋒，寧國輝，等.4種沉水植物對白洋淀富營養(yǎng)化水體凈化效果的研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2011，20(2)：345-352.

[12] 王瑜.穗花狐尾藻、金魚藻及圓頂珠蚌對白洋淀水質(zhì)影響：圍隔試驗[D].保定：河北大學(xué)，2011.

[13] 徐景濤.典型濕地植物對氨氮、有機污染物的耐受性及其機理研究[D].濟南：山東大學(xué)，2012.

[14] 國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[15] CHEN X，PELTIER E，STURM B S M，et al.Nitrogen removal and nitrifying and denitrifying bacteria quantification in a stormwater bioretention system[J].Water Research，2013，47(4)：1691-1700.

[16] 張菊，鄧煥廣，王東啟，等.不同溫度條件下徒駭河沉水植物腐爛對上覆水體中營養(yǎng)鹽濃度的影響[J].水資源保護，2011，27(4)：22-26.

[17] 吳紅飛，魏小飛，關(guān)保華，等.沉水植物對魚類擾動引起的沉積物再懸浮的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(4)：369-371.

[18] 盧曉明，金承翔，黃民生，等.底棲軟體動物凈化富營養(yǎng)化河水實驗研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2007，30(7)：7-9，115.

[19] 劉波，崔莉鳳，劉載文.北京市城區(qū)地表水體葉綠素a與藻密度相關(guān)性研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31(8)：29-33.

[20] 孫志偉，邱麗華，段舜山，等.化感作用抑制有害藻類生長的研究進展[J].生態(tài)科學(xué)，2015，34(6)：188-192.

[21] JOHNSON D B，HALLBERG K B.Acid mine drainage remediation options：a review[J].Science of the Total Environment，2005，338(1)：3-14.

[22] 敬小軍，閔寬洪，姜海洲，等.背角無齒蚌凈化精養(yǎng)池塘水質(zhì)試驗[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，42(4)：450-452.

編輯:黃 葦 (2016-02-29)

Comparisonofthreekindsofsubmergedplantsonthereclaimedwaterqualitymaintenance

ZHOUXue1，2，LIZhaoxin1，GUYonggang1，3，HUANGBingbin1，LIUCao1.

(1.BeijingKeyLaboratoryofWaterEnvironmentalandEcologicalTechnologyforRiverBasins，BeijingWaterScienceandTechnologyInstitute，Beijing100048;2.SchoolofEnvironment，HohaiUniversity，NanjingJiangsu210098；3.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’anShaanxi710055)

In order to prevent eutrophication coursed by the reclaimed water reuse,Vallisnerianatans(Lour.) Hara,CeratophyllumdemersumL. andMyriophyllumspicatumL. were selected,theHypophthalmichthysmolitrixandAnodontawoodianaellipticawere added as well,to maintain the reclaimed water quality. The purification and maintenance effect were compared between different experimental combinations. The results showed that the reclaimed water quality could keep stable in theCeratophyllumdemersumL. experimental group,the COD,ammonia nitrogen concentration could sustain below 30 mg/L and 0.4 mg/L respectively in the middle and later periods.CeratophyllumdemersumL. also could inhibit the growth of phytoplankton,and the chlorophyll a concentration could keep less than threshold of algal blooms (40 μg/L). Simultaneously,the ecological system was completed by the adding ofHypophthalmichthysmolitrixandAnodontawoodianaelliptica,which also maintained the pH value of reclaimed water stable.

reclaimed water; submerged plant;CeratophyllumdemersumL.; water quality maintenance

周 雪，女，1991年生，碩士研究生，研究方向為水體富營養(yǎng)化治理與生態(tài)修復(fù)。#

。

*北京市科技計劃項目(No.Z151100002115008)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.007