扶詠梅　劉盼　郭一飛　顧效綱　劉彪　郭佳　賀攀

摘要：為了研究由不同水生植物與仿生植物構(gòu)建的組合型生態(tài)浮床對水中污染物的去除效果，將風(fēng)車草、再力花、美人蕉、梭魚草、菖蒲與仿生植物組合構(gòu)建成生態(tài)浮床，分析幾種組合型生態(tài)浮床對水中污染物的去除效果。結(jié)果表明，各處理系統(tǒng)（5種水生植物+仿生植物）對水中氨態(tài)氮（NH+4-N）、硝態(tài)氮（NO-3-N）、亞硝態(tài)氮（NO-2-N）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）具有很好的去除效果，平均去除率分別達(dá)到93.12%、88.10%、100.00%、95.00%、30.00%，明顯高于空白對照組，略優(yōu)于仿生植物對照組，可見合理的植物+仿生植物組合系統(tǒng)可以實現(xiàn)對污染水體的強(qiáng)化凈化，同時可以有效抵抗植物衰亡對系統(tǒng)帶來的沖擊，確保復(fù)合系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮床;仿生植物;強(qiáng)化凈化;去除效果

中圖分類號：X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）07-0285-05隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境問題日益突出，尤其是以水體黑臭和水體富營養(yǎng)化為代表的水環(huán)境問題。截至2017年，全國有黑臭水體2 100個，水體面積達(dá)1 484.727 km2，24.6%的重點湖泊呈富營養(yǎng)狀態(tài)。黑臭水體及水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象導(dǎo)致水體的自凈功能嚴(yán)重退化，不僅對河流水質(zhì)產(chǎn)生了較大影響，還會影響周邊的水環(huán)境和人文景觀，甚至?xí)ㄟ^給水系統(tǒng)危害人類健康[1]。

為了解決水體富營養(yǎng)化問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多技術(shù)，主要有物理化學(xué)法、生物法和生態(tài)法等[2]。改善水體富營養(yǎng)化采用的具體方式主要有控源截污、內(nèi)源治理、疏?；钏⑷斯こ溲?、穩(wěn)定塘[3-4]等。這些方法在應(yīng)用過程中存在工程量大、成本高、水體污染防治受地域限制、污染易反彈等缺點，生態(tài)浮床由于具有安全、經(jīng)濟(jì)、實用、系統(tǒng)化、可實現(xiàn)原位修復(fù)、凈化效果好等諸多優(yōu)點[5]，近年來受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。多項研究結(jié)果表明，浮床植物主要通過植物的吸收作用及根系微生物的降解來去除污染物，從而改善水質(zhì)，但是對于污染嚴(yán)重的河道，植物地上部分往往生長旺盛，地下部分短小，影響了根系微生物附著，從而影響了水質(zhì)凈化效果，這是限制該項技術(shù)應(yīng)用的主要障礙。仿生植物的出現(xiàn)很好地解決了這一瓶頸問題，其原理是通過各種纖維填料模仿植物根系，為微生物的附著提供充足的空間，可以促進(jìn)微生物聚集、繁殖、生長、代謝，從而提高了污染物的去除效果，實現(xiàn)水質(zhì)凈化的目的[1-2]。汪松美等采用空心菜浮床+仿生植物系統(tǒng)研究重污染河道的污染物去除情況，結(jié)果表明，空心菜浮床+仿生植物復(fù)合系統(tǒng)相比于單獨的空心菜浮床，總氮（TN）、氨態(tài)氮（NH+4-N）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）的去除率分別提高了28.50%、20.03%、33.43%、18.02%;通過野外掛膜和室內(nèi)控制試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值為7～8、初始氨氮濃度為20 mg/L時，仿生植物系統(tǒng)具有較高的氨氮去除效能[6]。戴謹(jǐn)微等研究了復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)對污水廠尾水的凈化效能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在合適的水力停留時間（HRT）下，復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)對NH+4-N、TN、TP的去除率分別達(dá)到98.69%、20.56%、91.80%[7]，可見復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)在水體凈化方面具有可行性和高效性。

近年來的研究和實踐發(fā)現(xiàn)，復(fù)合生態(tài)浮床系統(tǒng)植物種類過于單一，而關(guān)于不同植物與其仿生植物組合而成的復(fù)合生態(tài)浮床系統(tǒng)的研究鮮有報道。鑒于此，本研究采用5種不同浮床植物與其對應(yīng)的仿生植物，通過室內(nèi)控制試驗，探討不同仿生植物復(fù)合系統(tǒng)對富營養(yǎng)化水體中NH+4-N、硝態(tài)氮（NO-3-N）、亞銷態(tài)氮（NO-2-N）、TP、CODMn等多項水質(zhì)指標(biāo)的凈化性能，以期為新型生態(tài)浮床系統(tǒng)的構(gòu)建提供有益參考，通過分析各種污染物的去除機(jī)制，還可以為富營養(yǎng)化水體的原位修復(fù)及強(qiáng)化凈化提供技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 浮床植物

本研究采用的5種浮床植物分別為風(fēng)車草、再力花、美人蕉、梭魚草、菖蒲，本試驗所用植株是由上述5種植物的根置于水中發(fā)芽生根得到的，待根部生根發(fā)芽后，再將植株移植入事先備好的盛土花盆中，置于污染河道的污水中進(jìn)行馴化培養(yǎng)。

1.2 試驗材料

制作仿生植物的原材料采用組合填料，用尼龍扎帶固定，仿生植物及輔助單元的制作方法與汪松美等的試驗方法[6]類似，野外掛膜場所為河南城建學(xué)院校內(nèi)的人工湖，掛膜周期約為180 d，待掛膜成功后，用無菌剪刀分別從對應(yīng)培養(yǎng)有仿生植物的浮床植物上剪下仿生植物樣品，用無菌袋封存，置于實驗室-20 ℃冰箱中備用。試驗用水箱規(guī)格為90 cm×60 cm×60 cm，水樣體積為110 L，用聚苯乙烯泡沫板模擬生態(tài)浮床，試驗水箱放置于實驗室靠窗位置，設(shè)置6個試驗組（5種植物與1種單獨的仿生植物）和1個空白對照組，每個處理組設(shè)3組平行，選取生長狀況良好、長勢均勻的風(fēng)車草、再力花、美人蕉、梭魚草、菖蒲野生種植株，移入試驗用塑料箱中并固定在聚苯乙烯泡沫板上。

1.3 試驗設(shè)計

試驗分為7組，分別為1號（風(fēng)車草+仿生植物）、2號（再力花+仿生植物）、3號（美人蕉+仿生植物）、4號（梭魚草+仿生植物）、5號（菖蒲+仿生植物）、6號（單獨的仿生植物）、7號（空白）。試驗用水均取自河南城建學(xué)院人工湖，將馴化培養(yǎng)于人工湖中的浮床植物及對應(yīng)的仿生植物分別移植于水箱中，在移植植物前對各水箱進(jìn)行5 min的曝氣，確保良好的溶解氧環(huán)境。分別對7組生態(tài)浮床進(jìn)行為期2個月的連續(xù)監(jiān)測試驗。分別在試驗后0、2、6、12、18、24、30、36、42、48、54、60 d取樣測定水質(zhì)情況，測試指標(biāo)有CODMn、TN、TP、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、pH值、溶解氧含量。根據(jù)各種指標(biāo)的去除率，探討植物/仿生植物體系對水體中各種污染物的去除機(jī)制。在連續(xù)監(jiān)測期間，隨著取樣的進(jìn)行，水箱中的水隨之減少，為了確保水箱中的水量均勻，實時從人工湖取水補充，蒸發(fā)水用重蒸餾水補充。

1.4 樣品的采集與分析

在試驗期間，每次按3點法虹吸取水方式從水面下20 cm處各取100 mL水，混合均勻后成1個待測樣品，隨后立即進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)的分析。待測水樣的NH+4-N濃度采用納氏試劑法測定;TN濃度采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定;TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測定;NO-3-N濃度采用酚二磺酸光度法測定;NO-2-N濃度采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定;COD采用高錳酸鹽指數(shù)法測定;pH值采用PHS-3C pH計測定;溶解氧含量、溫度采用YSI-55型溶解氧儀測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Origin 8.0進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 對水體氮素去除效果的分析

由圖1可知，1～6號組合系統(tǒng)對NH+4-N具有良好的去除效果，在試驗初期（0～6 d），NH+4-N質(zhì)量濃度急劇下降，分別由最初的1.174、0.631、1.285、0.714、0.616、0.870 mg/L降至0.053、0.043、0.103、0.007、0.020、0.154 mg/L，分別降低了1.121、0.588、1.182、0.707、0.596、0.716 mg/L，去除率分別達(dá)到95.49%、93.19%、91.98%、99.02%、96.75%、82.30%，與對照組（去除率為58.5%）之間差異明顯。在隨后的10～60 d，NH+4-N 質(zhì)量濃度均在較低的范圍內(nèi)波動，在36 d時，各復(fù)合系統(tǒng)的NH+4-N質(zhì)量濃度有略微升高，為0.09 mg/L，這可能由于氮元素的轉(zhuǎn)化是一種可逆的過程，在試驗前期，植物大量吸收NH+4-N，而在試驗后期，水中的氨氮質(zhì)量濃度過低，植物又將已吸收但未來得及供其生長的氮元素重新以NH+4-N 的形式釋放到水中。綜上可見，幾組復(fù)合系統(tǒng)對NH+4-N的去除率均呈現(xiàn)出先迅速上升后略微下降的趨勢，42 d以后，NH+4-N的質(zhì)量濃度持續(xù)降低，并維持在較低的范圍。以上結(jié)果表明，各組合系統(tǒng)在試驗前期對水體中的氨氮均有良好的去除效果，隨后在短時間內(nèi)有略微下降;后期各組合系統(tǒng)中的氨氮質(zhì)量濃度維持在較低的范圍。可見，由于仿生植物的存在，各組合系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。

硝態(tài)氮主要是由水中本來含有的NO-3-N及硝化菌通過硝化反應(yīng)生成的NO-3-N組成的， 水體中NO-3-N的去除依靠植物吸收和微生物的反硝化作用[8]。由圖2可以看出，在試驗初期（0～6 d），除空白對照組外，其他組的NO-3-N質(zhì)量濃度均有不同程度的上升，而單獨仿生植物組NO-3-N質(zhì)量濃度的上升速率要明顯小于其他復(fù)合系統(tǒng)，這可能是因為硝化作用需要消耗大量氧氣，而單獨的仿生植物缺少植物的釋氧作用，使得水中溶解氧不足，硝化作用有限[9]。各組合系統(tǒng)的NO-3-N 質(zhì)量濃度在試驗前期均有不同程度的升高，可能是由于微生物的硝化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植物的吸收與微生物的反硝化作用而造成NO-3-N質(zhì)量濃度降低，這與圖1中NH+4-N質(zhì)量濃度在試驗前期由于硝化作用迅速下降的規(guī)律一致。試驗進(jìn)行到10 d以后，NO-3-N質(zhì)量濃度開始下降，試驗進(jìn)行到30 d時，除菖蒲+仿生植物的4種組合系統(tǒng)中的NO-3-N已經(jīng)達(dá)到較低質(zhì)量濃度，維持在0.081～0.151 mg/L，對NO-3-N質(zhì)量濃度的削減量分別達(dá)到0.882、0.936、0.971、0.989 mg/L，效果明顯好于單獨的仿生植物及空白組，說明組合系統(tǒng)中植物吸收和微生物的反硝化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微生物的硝化速率，菖蒲組合系統(tǒng)及單獨仿生植物對NO-3-N質(zhì)量濃度的去除速率相對緩慢，試驗進(jìn)行到50 d時，NO-3-N質(zhì)量濃度降至檢測限以下。綜上可見，幾種組合系統(tǒng)對NO-3-N的去除效果排序為菖蒲+仿生植物>梭魚草+仿生植物>美人蕉+仿生植物>風(fēng)車草+仿生植物>再力花+仿生植物>單獨仿生植物>空白對照。

水體中的NO-2-N主要來源于天然存在的NO-2-N以及亞硝化菌的亞硝化反應(yīng)。由圖3看出，系統(tǒng)中的NO-2-N質(zhì)量濃度始終保持在較低水平，變化趨勢不明顯，在試驗初期有略微上升，這可能是由水體中亞硝化菌的亞硝化反應(yīng)造成的;6 d以后，水體中的NO-2-N質(zhì)量濃度開始下降，水中的硝化細(xì)菌將NO-2-N轉(zhuǎn)化為NO-3-N;試驗進(jìn)行到12 d以后，NO-2-N質(zhì)量濃度由最初的0.01～0.03 mg/L降低到0.003 mg/L以下（未檢測出），各組合系統(tǒng)對NO-2-N 的去除率接近100.00%。

2.2 對水體中TP去除效果的分析

一般來說，浮床系統(tǒng)對磷的去除主要包括植物的吸收、沉降、攔截與基質(zhì)的吸附、微生物的固定等[6]。如圖4所示，各試驗組對TP的去除效果變化明顯。在0～36 d內(nèi)，各組合系統(tǒng)的TP質(zhì)量濃度持續(xù)下降，分別由最初的[KG*3]0.12～0.21[KG*3]mg/L降至0.006 mg/L以下，平均去除率達(dá)到95%以上，相對于初始質(zhì)量濃度，降低了0.094～0.204 mg/L。分析其原因可能有以下幾點：（1）植物根部可吸收TP，并將其轉(zhuǎn)化為自身的營養(yǎng)物質(zhì);（2）仿生植物中的聚磷菌吸收并同化了一部分TP;（3）基質(zhì)填料的特殊結(jié)構(gòu)可以吸附顆粒性磷，相比于其他組合系統(tǒng)，單獨的仿生植物對TP的去除效果只是去除速度相對緩慢，最終的去除率基本相當(dāng)，說明植物+仿生植物系統(tǒng)對水體中TP的去除主要是仿生植物起主導(dǎo)作用。在隨后的37～48 d內(nèi)，各系統(tǒng)的TP質(zhì)量濃度略微升高，其原因可能有3個方面：（1）試驗后期植物有不同程度的衰亡，影響了植物根部對TP的吸收;（2）后期水中溶解氧濃度降低，水體呈厭氧環(huán)境，可能發(fā)生了厭氧釋磷現(xiàn)象;（3）水中pH值降低，聚磷菌在厭氧條件下受pH值的影響很大，因為pH值降低后，有利于磷的釋放[10]?？傮w看出，TP濃度的變化趨勢與鄭立國等研究組合型生態(tài)浮床對水體中氮磷的吸收能力得出的結(jié)論[11]相似。

2.3 對水體中CODMn去除效果的分析

污水中的污染物是通過微生物的降解和植物根系的截留來去除的，其中微生物降解起主導(dǎo)作用。由圖5可知，各試驗組對CODMn的去除率變化趨勢一致，起初都不穩(wěn)定，60 d時，各組合系統(tǒng)對CODMn的去除率維持在30%左右，各組間的差異不明顯，單獨仿生植物與其他復(fù)合系統(tǒng)相比無明顯差異，進(jìn)一步驗證了微生物在COD去除上的主導(dǎo)作用，這與王鄭等的研究結(jié)果[12]相吻合。

2.4 其他水質(zhì)指標(biāo)的變化情況

用YSI-55型溶解氧儀對溶解氧量的測定結(jié)果顯示，試驗水中的溶解氧質(zhì)量濃度變化不大，呈逐漸降低的趨勢。試驗開始前，對每個水箱分別進(jìn)行曝氣，溶解氧質(zhì)量濃度維持在4.26～6.49 mg/L，經(jīng)過60 d的試驗，溶解氧質(zhì)量濃度降低至2.54～2.98 mg/L，此溶解氧環(huán)境不太利于反硝化脫氮的進(jìn)行，這與試驗過程中發(fā)現(xiàn)TN質(zhì)量濃度幾乎無變化的試驗結(jié)果保持一致。采用PHS-3C pH計測定試驗過程中的pH值變化，結(jié)果表明，各試驗組的pH值變化不明顯，總體呈略微下降的趨勢，這是因為試驗過程中的NH+4-N質(zhì)量濃度逐漸降低，化學(xué)平衡NH+4+H2O→NH3·H2O+H+向右移動，H+質(zhì)量濃度增加，導(dǎo)致pH值降低。

3 結(jié)論

各復(fù)合系統(tǒng)對水體中污染物有較好的處理效果，并且處理效率明顯高于仿生植物對照組和空白對照組，經(jīng)過60 d的運行，5種水生植物+仿生植物處理組對NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、TP、CODMn的平均去除率分別達(dá)到了93.12%、88.10%、100.00%、95.00%、30.00%，可見仿生植物在污染物的去除中起主導(dǎo)作用。各種浮床植物在污染物去除中的總體趨勢一致，但是不同植物在去除不同污染物的過程中有略微差異，在NH+4-N和CODMn的去除過程中，各種植物對應(yīng)的浮床系統(tǒng)去除效應(yīng)差異不明顯，但在NO-3-N、NO-2-N和TP的去除過程中，菖蒲+仿生植物的效果最好，降解速度最快，因此菖蒲+仿生植物復(fù)合系統(tǒng)可以作為復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)的首選。

植物和仿生植物的結(jié)合，不但充分發(fā)揮了水生植物和微生物各自的優(yōu)勢，可明顯提高污染物的降解效率，實現(xiàn)水中各類污染物的快速降解，且投資低、運行成本低、環(huán)境效益好，還兼具一定的景觀效果，具有很好的應(yīng)用價值。

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