(1.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽楠棲藝境規(guī)劃咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，特別是水環(huán)境問題，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民身體健康具有重要影響。城鎮(zhèn)化的發(fā)展必然帶來城市景觀水體及水質(zhì)的惡化，探討具有高效經(jīng)濟(jì)的環(huán)境水修復(fù)處理工藝是現(xiàn)階段乃至今后的研究重點(diǎn)[1-3]。

傳統(tǒng)的污水處理工藝包括人工濕地、蚯蚓微生物生態(tài)濾池以及生態(tài)浮床等，其具有占地面積大、景觀效果差、自凈能力低、易受污染等缺點(diǎn)，若管理不當(dāng)甚至?xí)纬伤w富營(yíng)養(yǎng)化和黑臭現(xiàn)象，失去水體原有的作用，已不能滿足當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要[4-6]。生物膜是一種高效率的處理工藝，是比較成熟和經(jīng)濟(jì)的手段之一，已在水環(huán)境治理中逐步推廣使用[7]。以往對(duì)于生物膜技術(shù)的研究主要集中于生物膜的材料性能方面，即采用何種材料的生物膜處理效果更佳，但是卻忽略了景觀水生植物的作用，即弱化了或者忽視了景觀水生植物的凈化性能[8-12]。

本文旨在將生物膜技術(shù)與景觀水生植物相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)處理效率高、占地面積小、不易被污染的水環(huán)境修復(fù)系統(tǒng)(景觀-生物膜系統(tǒng))，探討不同水生植物在此系統(tǒng)中發(fā)揮的功能與作用，最終實(shí)現(xiàn)水環(huán)境修復(fù)與生態(tài)效果的和諧統(tǒng)一。

1 試驗(yàn)概況

1.1 景觀-生物膜系統(tǒng)的構(gòu)建

試驗(yàn)過程中主要使用的設(shè)備包括太陽能電池板、蓄電池、定時(shí)裝置、曝氣泵、圍隔防水布、電控箱、氣體流量計(jì)、溶氧儀、便攜式濁度儀、浮游植物熒光儀、綜合采樣器、電子天平、塞氏盤等。試驗(yàn)原理為：利用太陽能生態(tài)浮床技術(shù)，將生物濾料層以及景觀植物置于浮床中，定期向系統(tǒng)中曝氣，然后采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP，采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測(cè)定TN，并定期對(duì)系統(tǒng)各種植株生長(zhǎng)情況進(jìn)行測(cè)定。構(gòu)建的景觀-生物膜系統(tǒng)主要包括陶粒生物濾料層、生物膜層、空氣擴(kuò)散裝置、氣體流量計(jì)、儲(chǔ)水箱以及景觀生物等，系統(tǒng)裝置示意見圖1。

圖1 景觀-生物膜系統(tǒng)示意

1.2 試驗(yàn)條件

考慮到系統(tǒng)的適用性和植物對(duì)污染物的去除能力以及景觀效果等，選擇常見的美人蕉、鳶尾和海壽3種水生植物作為本次對(duì)比試驗(yàn)分析對(duì)象。在野外采集水生植物后，將泥土洗凈，然后帶回室內(nèi)在自來水中馴養(yǎng)3d，各種植物均選擇大小、高度基本一致的植株移入培養(yǎng)容器內(nèi)，在同等進(jìn)水條件下，定期(每5d測(cè)一次)對(duì)氮磷及植株生長(zhǎng)狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)進(jìn)水的初始水質(zhì)情況見表1。

表1 系統(tǒng)初始水質(zhì)設(shè)定

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水生植物成長(zhǎng)情況

試驗(yàn)期間不同植物高度和根系長(zhǎng)度的情況見圖2。從圖2可以看出：美人蕉、鳶尾和海壽3種植物的初始高度分別為11.4cm、16.0cm和17.2cm，經(jīng)60d試驗(yàn)后，高度分別達(dá)到了59.0cm、42.5cm和38.0cm，植株的平均生長(zhǎng)率分別為0.79cm/d、0.44cm/d和0.35cm/d，高度和平均生長(zhǎng)率的對(duì)比情況均為：美人蕉>鳶尾>海壽；美人蕉、鳶尾和海壽3種植物根系的初始長(zhǎng)度分別為5.0cm、6.5cm和7.0cm，經(jīng)60d試驗(yàn)后，根系長(zhǎng)度分別達(dá)到了40.0cm、17.2cm和36.4cm，根系平均生長(zhǎng)率分別為0.58cm/d、0.18cm/d和0.49cm/d，根系長(zhǎng)度和平均生長(zhǎng)率的對(duì)比情況均為：美人蕉>海壽>鳶尾。從總體上來講：美人蕉的根系發(fā)達(dá)，枝葉茂盛，其適應(yīng)生長(zhǎng)的能力最強(qiáng)；海壽雖然枝葉生長(zhǎng)較慢，但其根系較為發(fā)達(dá)；鳶尾適應(yīng)生長(zhǎng)的能力居中，3種植物均能在試驗(yàn)期后達(dá)到成株高度。

圖2 試驗(yàn)期間不同水生植物生長(zhǎng)指標(biāo)變化情況對(duì)比

圖3 試驗(yàn)期間不同水生植物生物量變化情況對(duì)比

對(duì)3種水生植物的生物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)比情況見圖3。從圖3中可以看出，美人蕉的生物量在試驗(yàn)期內(nèi)呈三階段變化特征，即0～20d的適應(yīng)生長(zhǎng)期，20～45d的快速生長(zhǎng)期以及45～60d的緩慢生長(zhǎng)期，這主要是因?yàn)槊廊私毒哂袎K狀莖，在快速生長(zhǎng)期里隨著時(shí)間推移，美人蕉的根莖會(huì)萌發(fā)新芽從而長(zhǎng)出新的植株，故而生物量會(huì)大大增加；鳶尾和海壽的前期(0～15d)生物量生長(zhǎng)較快，表明兩者在前期對(duì)水體的適應(yīng)力要強(qiáng)于美人蕉，但是隨著美人蕉根系的生長(zhǎng)，其適應(yīng)能力逐漸增強(qiáng)并反超鳶尾和海壽，15～60d試驗(yàn)過程中，鳶尾和海壽的生物量呈緩慢生長(zhǎng)趨勢(shì)且生長(zhǎng)率基本相同。

2.2 N、P的去除(吸收)情況

圖4 不同植物生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)N、P的吸收情況

水體中TN的去除主要是通過植物吸收、根系周圍硝化、微生物降解以及反硝化作用等實(shí)現(xiàn)的，即主要是由水生植物和微生物兩者的協(xié)同作用進(jìn)行降解。水生植物可為微生物提供充分的好氧環(huán)境，同時(shí)分泌一些激素使得好氧微生物不斷進(jìn)行新陳代謝，而在根系其他地方，則為厭氧微生物提供充分的生存條件，進(jìn)而促進(jìn)濃度降解，因此植物的根系越發(fā)達(dá)，越粗密，TN的去除效果越好。試驗(yàn)中不同植物對(duì)TN的吸收對(duì)比情況見圖4(a)。從圖4(a)中可以看出，TN濃度隨著植物生長(zhǎng)期的增加呈冪函數(shù)型降低，而空白對(duì)照組的TN濃度變化幅度很小，主要是因?yàn)樵谥参锷L(zhǎng)前期，其生物量總體增長(zhǎng)較快，對(duì)N元素的需求量較多，而空白組主要依靠藻類和微生物自身的降解作用(將有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)物)，因而TN濃度下降較慢；在相同初始TN濃度下，經(jīng)過60d試驗(yàn)期后，美人蕉、鳶尾、海壽以及空白組對(duì)TN分別去除3.03mg/L、2.55mg/L、2.66mg/L和1.05mg/L，去除率分別達(dá)到59.4%、47.8%、50.0%以及21.6%，對(duì)TN的去除率對(duì)比情況為：美人蕉>海壽>鳶尾>空白組。

水體中P元素主要以磷酸鹽、聚磷酸鹽以及有機(jī)磷等形式存在，TP的去除主要通過植物根系以及微生物的礦化吸收(有機(jī)磷)，同理，周圍根系越發(fā)達(dá)，TP的去除效果越好。不同植物對(duì)TP的吸收對(duì)比情況見圖4(b)，從圖4(b)中可以看出，在相同的TP初始濃度下，美人蕉、鳶尾、海壽以及空白組對(duì)TP分別去除0.570mg/L、0.480mg/L、0.390mg/L和0.155mg/L，去除率分別達(dá)到了54.3%、45.7%、37.1%和14.8%，對(duì)TP的去除率對(duì)比情況為：美人蕉>鳶尾>海壽>空白組。

2.3 植物生長(zhǎng)與去除率關(guān)系

不同水生植物生物量與N、P濃度變化的關(guān)系見圖5。從圖5中可以看出，N、P元素隨生物量的增加呈逐漸減小趨勢(shì)，但不同植物表現(xiàn)有所不同；美人蕉在生物量20g之前，濃度呈快速減小趨勢(shì)，說明此階段植物的生長(zhǎng)需要很多N、P元素，大于20g之后，濃度變化基本與x軸平行，即減小幅度很小，這表明后期植物生物量的增加與N、P的去除率關(guān)系不大，也說明除了植物吸收之外，還有其他因素對(duì)N、P起著去除作用；而鳶尾和海壽則表現(xiàn)為三階段變化特征，即“緩慢降低—快速降低—緩慢降低”；海壽快速降低區(qū)位于30～36g，而鳶尾快速降低區(qū)位于42～46g，因此不同水生植物在修復(fù)水環(huán)境的過程中發(fā)揮作用的最佳時(shí)段是不同的，應(yīng)在景觀-生物膜設(shè)計(jì)中予以重視。

圖5 植物生長(zhǎng)與元素去除的關(guān)系

3 結(jié) 論

a.相同水體環(huán)境下，美人蕉的適應(yīng)生長(zhǎng)的能力最佳，美人蕉的生物量隨運(yùn)行時(shí)間呈“適應(yīng)生長(zhǎng)、快速生長(zhǎng)、緩慢生長(zhǎng)”三階段變化特征，而鳶尾和海壽則呈“快速增加、緩慢增加”兩階段變化特征。

b.在N元素去除能力方面：美人蕉>海壽>鳶尾>空白組，而在P元素去除能力方面：美人蕉>鳶尾>海壽>空白組，美人蕉對(duì)于N、P的去除率分別達(dá)到了59.4%和54.3%。

c.不同水生植物生物量與元素去除的關(guān)系各有差異，美人蕉呈“快速降低、緩慢降低”兩階段特征，而鳶尾和海壽則呈“緩慢降低、快速降低、緩慢降低”三階段變化特征。

d.綜合實(shí)驗(yàn)成果，美人蕉在三種水生植物中最適宜作為景觀-生物膜的植物品種，其具有去除N、P元素效率高，去除時(shí)間短等特點(diǎn)。由于時(shí)間和精力有限，本文僅對(duì)N、P元素的去除進(jìn)行了說明，其他指標(biāo)的試驗(yàn)研究將在今后繼續(xù)開展。