4種沉水植物對再生水中氮磷的去除速率和耐受范圍

徐志嬙，劉 維，蘇振鐸，高 楊

(1 西安理工大學 西北水資源與環境生態教育部重點實驗室，陜西 西安710048；2 西北綜合勘察設計研究院，陜西 西安710003)

4種沉水植物對再生水中氮磷的去除速率和耐受范圍

徐志嬙1，劉 維2，蘇振鐸1，高 楊1

(1 西安理工大學 西北水資源與環境生態教育部重點實驗室，陜西 西安710048；2 西北綜合勘察設計研究院，陜西 西安710003)

【目的】 研究4種沉水植物對再生水中氮、磷的去除速率和耐受范圍，為以再生水作為補水的景觀水體沉水植物的選擇提供依據?！痉椒ā?以野外選取的伊樂藻(Elodeacanadensis)、羅氏輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)、菹草(Potamogetoncrispus)和金魚藻(Ceratophyllumdemersum)4種沉水植物作為供試材料，設置含不同質量濃度TN和TP的再生水，測定有這4種沉水植物的再生水體中TN和TP質量濃度的變化，構建TN和TP質量濃度與培養時間的回歸方程，并在回歸方程的基礎上，研究4種沉水植物對再生水中的氮、磷的去除規律?！窘Y果】 在有4種沉水植物的再生水體中，TN和TP質量濃度均隨著培養時間的延長呈負指數衰減變化，沉水植物的凈化能力不僅與其種類有關，而且與TN和TP初始質量濃度相關。羅氏輪葉黑藻對TN的去除能力最強，金魚藻最低；伊樂藻對TP的去除能力最強，金魚藻最小。菹草對氮素的耐受范圍較寬，金魚藻最窄；伊樂藻對磷素的耐受范圍最寬，金魚藻較窄?！窘Y論】 當再生水體中TN初始質量濃度為5～15 mg/L、TP初始質量濃度為0.5～1.5 mg/L時，羅氏輪葉黑藻和伊樂藻對氮磷營養鹽的去除速率較高，可作為維持和改善再生水景觀水體水質的先鋒植物。

沉水植物；再生水；去除速率；耐受范圍

對于水資源嚴重短缺和水污染嚴重的我國西部城市而言，再生水回用于城市景觀環境已成為污水再生利用的首選[1]，但目前我國再生水深度處理工藝普遍對氮磷的去除效果有限，加之我國《城市污水再生利用 景觀娛樂用水水質》(GB/T 18921-2002)對氮磷質量濃度要求偏低(TN≤15 mg/L、NH3-N≤5 mg/L、TP≤0.5～1.0 mg/L)，與《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中對Ⅴ類水體水質(TN≤2 mg/L、NH3-N≤2 mg/L、TP≤0.2 mg/L)相比仍有較大差距。所以，以再生水補水的景觀水體比天然湖泊更易發生富營養化問題。

研究表明，沉水植物在抑制藻類生長、促進營養物質沉積、穩定沉積物、降低水體營養鹽含量等方面起到了重要作用[2-8]。由于沉水植物的存在，其促進了再生水景觀水體中氮的降解及氧化還原分解，而磷的去除則主要通過化學沉淀及基質吸附作用[9]。在低溫條件下，沉水植物對再生水中氮磷的去除效果良好，尤其是羅氏輪葉黑藻對水中磷的凈化效果突出[10-12]；伊樂藻和輪葉黑藻對再生水水質具有良好的改善作用，可使水體中葉綠素a 的質量濃度維持在20 μg/L左右，對藻類生長具有較好的抑制作用[13-14]，但有關沉水植物對再生水景觀水體營養鹽的降解速率及耐受極限濃度方面的研究還較少。本研究選取了 4 種沉水植物，通過模擬試驗和數據的回歸分析，獲得TN和TP質量濃度隨時間變化的動力學方程，以確定植物對營養鹽去除的極限質量濃度，旨在為再生水景觀水體生態治理過程中植物類型的合理選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

在野外選取伊樂藻(Elodeacanadensis)、羅氏輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)、菹草(Potamogetoncrispus)和金魚藻(Ceratophyllumdemersum)等4種沉水植物，并在試驗場塑料桶(底部直徑×高=40 cm×72 cm)中培養15 d，在培養期間向水中加入微生物抑制劑C16H18NaN3O4S (MERCK)100 mg/L以排除微生物的影響[15]。從中挑選長度一致的健壯植株移植到5 mm厚的無機玻璃缸(長×寬×高=50 cm×40 cm×50 cm)中。在每個玻璃缸底部鋪設經人工碾磨后的7 cm厚的土壤，同時，為防止底泥懸浮，在土壤層上部鋪設2 cm厚的細沙和1 cm厚的礫石(粒徑5 mm)。

1.2 試驗方法

當沉水植物種植1周后，從2012-07開始進行為期45 d的試驗。為準確地研究沉水植物對再生水中氮、磷的降解規律，試驗有針對性地設置了不同質量濃度TP值，分別是:TP=0.1～0.3 mg/L (西安市某以再生水作為補水的景觀水體TP實測值)[13]， TP=0.5 mg/L (《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》(GB/T 18921-2002)中對湖泊類和水景類水體中TP質量濃度要求臨界值)，TP=1.0 mg/L (《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》中對河道類水體中TP質量濃度要求臨界值)，TP=1.5 mg/L (《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002) 中對一級B類水體中TP質量濃度要求臨界值)。

同時按照對應的相關標準，分別選擇15和20 mg/L TN及景觀水體實測TN質量濃度作為TN的初始質量濃度。根據所確定的TN、TP質量濃度，試驗過程中的氮磷比控制在 10∶1～50∶1。在每種沉水植物中均設置8個初始營養鹽質量濃度(最后以實際測定值計算)，每組試驗設置3個平行樣。

每隔3 d取樣監測1次，TN質量濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP質量濃度采用鉬酸銨分光光度法測定。每次取樣時，以自來水補充蒸發、蒸騰作用所損耗的水量。7月試驗溫度25.1～30.3 ℃，平均溫度27.56 ℃；8月試驗溫度19.6～29.7 ℃，平均溫度24.77 ℃。

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2003軟件對數據進行處理和繪圖，采用PASW Statistics 18進行單因素方差分析，采用單側t檢驗法對組間數據進行差異顯著性分析及雙變量相關性分析。

2 結果與分析

2.1 4種沉水植物體系的TN-t曲線

利用試驗獲得的數據，對不同沉水植物下水體中TN、TP質量濃度與培養時間關系進行回歸分析，可得出每種沉水植物對TN、TP質量濃度降解的回歸方程：

y=ae-bt(a>0，b>0)。

(1)

式中：y為水體中的TN或TP質量濃度， mg/L；t為培養時間，d；a、b為反映各植物凈化能力的系數，其中b值的大小反映各植物物種去除氮、磷能力的差異，b值越大，植物去除氮、磷能力越強[16]。

根據試驗所得數據，利用公式(1)分別對羅氏輪葉黑藻、伊樂藻、菹草、金魚藻等4種沉水植物體系中TN質量濃度與培養時間(t)關系進行回歸分析，可得到4種沉水植物的TN-t回歸方程式。再分別對4種沉水植物體系TN-t回歸方程中的系數a和b與TN初始質量濃度關系進行回歸分析，可得到系數a、b與TN初始質量濃度之間的相關性分布曲線(圖1～4)。由圖1～4可見，4種植物體系中的a均隨TN初始質量濃度的增大而呈線性增加，而b隨TN初始質量濃度的增加而呈二次多項式(拋物線函數)分布。

圖1 羅氏輪葉黑藻植物體系中TN-t回歸方程系數a、b值與TN初始質量濃度(C0)的相關性Fig.1 Correlation of TN-t regression equation coefficients a or b and TN initial concentration (C0) for Hydrilla verticillata

圖2 伊樂藻植物體系中TN-t回歸方程系數a、b值與TN初始質量濃度(C0)的相關性
Fig.2 Correlation of TN-tregression equation coefficientaorband TN initial concentration (C0) forElodeacanadensis

由圖1～4還可以看出，系數a、b值與水體TN初始質量濃度間均存在顯著的相關性，根據公式(1)和圖1～4中的回歸式，可分別求出4種沉水植物體系的TN-t回歸方程表達式(表1)。

圖3 菹草植物體系中TN-t回歸方程系數a、b值與TN初始質量濃度(C0)的相關性Fig.3 Correlation of TN-t regression equation coefficient a or b and TN initial concentration (C0) for Potamogeton crispus

圖4 金魚藻植物體系中TN-t回歸方程系數a、b值與TN初始質量濃度(C0)的相關性Fig.4 Correlation of TN-t regression equation coefficient a or b and TN initial concentration (C0) for Ceratophyllum demersum

表1 4種沉水植物體系的TN-t回歸方程表達式Table 1 TN-t regression equations of 4 submerged plants

注：y為水體中TN質量濃度，C0為水體中TN初始質量濃度，t為培養時間。

Note:y,C0andtdenote total nitrogen (TN),TN initial concentration of water system and time,respectively.

2.2 4種沉水植物體系的TP-t曲線

同樣利用公式(1)分別對4種沉水植物體系中的TP質量濃度與培養時間(t)關系進行回歸分析，可得到沉水植物的TP-t回歸方程式，再分別對回歸方程式中的系數a、b與TP初始質量濃度進行回歸分析，可得到系數a、b與TP初始質量濃度的相關分布曲線(圖5～8)。由圖5～8可以看出，在4種沉水植物體系中，a、b值分別與水體TP初始質量濃度密切相關，且a隨TP初始質量濃度的增大而呈線性增加，b隨TP初始質量濃度的增加而呈二次多項式(拋物線函數)分布。若設TP初始質量濃度為C0′，根據公式(1)，可分別得出4種沉水植物體系的TP-t回歸方程表達式(表2)。

2.3 4種沉水植物體系耐營養鹽質量濃度的確定

2.3.1 耐氮素質量濃度的確定 由前述可知，在沉水植物降解水體氮素的曲線回歸方程中，b值的大小不僅反映了沉水植物對氮素去除速率的大小，同時還與沉水植物類型有關。由于b值與TN初始質量濃度呈二次多項式(拋物線函數)分布，拋物線必然存在一個極值點，可用bmax表示。bmax的大小可反映沉水植物去除水體中TN的最大速率，拋物線的跨度大小反映沉水植物耐TN質量濃度的范圍。據此可確定出不同沉水植物去除水體中TN的最大速率和耐TN質量濃度的范圍。

圖5 羅氏輪葉黑藻植物體系TP-t回歸方程系數a、b值與TP初始質量濃度的相關性 Fig.5 Correlation of TP-t regression equation coefficient a or b and TP initial concentration for Hydrilla verticillata

圖6 伊樂藻植物體系TP-t回歸方程系數a、b值與TP初始質量濃度的相關性Fig.6 Correlation of TP-t regression equation coefficient a or b and TP initial concentrationfor Elodea canadensis

圖7 菹草植物體系TP-t回歸方程系數a、b值與TP初始質量濃度的相關性Fig.7 Correlation of TP-t regression equation coefficient a or b and TP initial concentration for Potamogeton crispus

根據羅氏輪葉黑藻、伊樂藻、菹草和金魚藻等4種沉水植物TN-t回歸方程，采用二次多項式函數對b值與TN初始質量濃度關系做圖，結果見圖9。由圖9可知，當TN的初始質量濃度(C0)達一定值時，沉水植物對TN存在一個最大去除速率，可用bmax表示。當TN的初始質量濃度(C0)為10.76 mg/L時，羅氏輪葉黑藻對TN的去除速率最大，bmax為0.150；當C0為8.75 mg/L時，伊樂藻的去除速率最大，bmax為0.113；當C0為12.00 mg/L時，菹草的去除速率最大，bmax為0.114；當C0為11.11 mg/L時，金魚藻的去除速率最大，bmax為0.084。由此可見，羅氏輪葉黑藻對TN的去除速率最高，金魚藻最低。

圖8 金魚藻植物體系TP-t回歸方程系數a、b值與TP初始質量濃度的相關性Fig.8 Correlation of TP-t regression equation coefficient a or b and TP initial concentrationfor Ceratophyllum demersum

表2 4種沉水植物體系的TP-t回歸方程表達式Table 2 TP-t regression equations of 4 submerged plants

由圖9還可知，隨著TN初始質量濃度的增加，b值呈先升高后降低的趨勢，其中當水體中TN質量濃度為5～17 mg/L時，羅氏輪葉黑藻的b值總體高于其他沉水植物，表明羅氏輪葉黑藻對TN初始質量濃度為5～17 mg/L的中等濃度富營養化水體具有較好的凈化效果，且降解速率較高；在TN初始質量濃度為0～25 mg/L的水體中，菹草對TN均具有較高的去除速率，表明其對TN的耐受范圍較寬；當TN初始質量濃度為0～8.75 mg/L時，伊樂藻對TN的降解速率較快，但當TN初始質量濃度超過8.75 mg/L時，伊樂藻對TN的降解速率迅速降低；金魚藻對TN的降解能力與其他植物相比最差，但對一定范圍質量濃度的TN有耐受能力。從對TN的耐受范圍來看，菹草耐TN質量濃度的范圍最寬，金魚藻最窄。

2.3.2 耐磷素質量濃度的確定 根據羅氏輪葉黑藻、伊樂藻、菹草和金魚藻等4種沉水植物TP-t回歸方程，采用二次多項式函數對b值與TP初始質量濃度關系做圖，結果見圖10。

圖9 4種沉水植物凈化系數b值與水體中TN初始質量濃度的關系Fig.9 Correlation of regression equation coefficient b and TN initial concentrations for submerged plants

圖10 4種沉水植物凈化系數b值與水體中TP初始質量濃度的關系Fig.10 Correlation of regression equation coefficient b and TP initial concentrations for 4 submerged plants

由圖10可知， 4種沉水植物對TP的去除速率由高至低依次為伊樂藻>羅氏輪葉黑藻>菹草>金魚藻。從沉水植物耐TP質量濃度的范圍來看，伊樂藻耐TP質量濃度的范圍最寬，金魚藻較窄。綜上所述， 4種沉水植物中，除金魚藻去除能力較弱外，其余3種沉水植物對氮磷營養鹽均具有較好的去除能力。當水體中TN初始質量濃度為5～15 mg/L、 TP初始質量濃度為0.5～1.5 mg/L時，羅氏輪葉黑藻和伊樂藻對氮磷營養鹽的去除速率相對較高，可作為以再生水為補水的景觀水體先鋒植物。

3 結 論

1)在有羅氏輪葉黑藻、伊樂藻、菹草、金魚藻等4種沉水植物的再生水體中，TN和TP初始質量濃度(y)隨培養時間(t)的延長呈負指數衰減變化，變化規律符合動力學方程y=ae-bt的表達形式，其中a、b為反映植物凈化能力的系數。

2)沉水植物體系的TN-t和TP-t回歸方程中的凈化系數a和b值不僅與沉水植物種類有關，而且與TN、TP初始質量濃度相關。a值隨TN、TP初始質量濃度的增大而呈線性增加，而b值隨TN、TP初始質量濃度的增大而呈二次多項式(拋物線函數)分布。

3)根據沉水植物體系的b值與TN、TP初始質量濃度繪制的拋物曲線，確定了沉水植物去除水體中TN、TP的最大速率以及對TN、TP質量濃度的耐受范圍，結果表明，羅氏輪葉黑藻對TN的去除速率最高，金魚藻最低；菹草在高、中、低濃度富營養化水體中對TN均具有較快的去除速率，對TN的耐受范圍較寬，金魚藻藻較窄。伊樂藻對TP質量濃度的降解速率最大，金魚藻最??；伊樂藻對TP質量濃度的耐受范圍最寬，金魚藻較窄。當水體中TN質量濃度為5～15 mg/L、TP質量濃度為0.5～1.5 mg/L時，羅氏輪葉黑藻和伊樂藻對氮磷營養鹽的去除速率均相對較高。

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Removal and tolerance of 4 submerged plants to nitrogen and phosphorus in reclaimed water

XU Zhi-qiang1,LIU Wei2,SU Zhen-duo1,GAO Yang1

(1KeyLaboratoryofNorthwestWaterResourceandEnvironmentEcologyofMinistryofEducation,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China;2NorthwestResearchInstituteofEngineeringInvestigationandDesign,Xi’an,Shaanxi710003,China)

【Objective】 Nitrogen and phosphorus removal rates and tolerances of 4 submerged plants were studied to provide basis for selection of plants growing in landscape reservoirs supplied with reclaimed water.【Method】Hydrillaverticillata,Elodeacanadensis,PotamogetoncrispusandCeratophyllumdemersumwere planted in reclaimed water with different total nitrogen (TN) and total phosphorus(TP) concentrations.TN and TP were measured during the experiment and regression equations between concentrations of TN and TP with time were established.Then,the removal of nitrogen and phosphorus was studied.【Result】 TN and TP dissipated as the increase of plants planting time with negative exponent relationship.The capacity of plants purification is associated with not only plant species but also the TN and TP initial concentration.Hydrillaverticillatahad the highest TN removal rate in reclaimed water whileCeratophyllumdemersumIhad the lowest.Elodeacanadensishad the highest TP removal rate,whileCeratophyllumdemersumhad the lowest.Potamogetoncrispushad the widest nitrogen tolerance whileCeratophyllumdemersumhad the narrowest.Elodeacanadensishad the widest phosphorus tolerance whileCeratophyllumdemersumhad the narrowest.【Conclusion】 When TN concentration was 5-15 mg/L and TP concentration was 0.5-1.5 mg/L,HydrillaverticillataandElodeacanadensishad high removal rates and they can be chosen as pioneer plants to improve water quality of landscape lakes supplied with reclaimed water.

submerged plant;reclaimed water;removal rate;tolerance range

2014-01-20

國家自然科學基金項目(51178391)；陜西省水利科技計劃項目(2013-09)；陜西省自然科學基金項目(2012JQ7025)

徐志嬙(1969-)，女，重慶人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事水生態修復與污水處理技術研究。 E-mail：xuzhiqiang@xaut.edu.cn

時間:2015-06-30 13:47

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.08.015

X173

A

1671-9387(2015)08-0181-08

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150630.1347.015.html