混合式植物生态岛对河道污水净化效果研究_郭晖.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：基金项目：河南省高等学校青年骨干教师培养计划（编号：）；全国大学生创新创业训练项目（编号：）作者简介：郭晖（），男，博士研究生，副教授，研究方向为生态环境修复。混合式植物生态岛对河道污水净化效果研究混合式植物生态岛对河道污水净化效果研究郭 晖，周 慧，庄静静，杜 航，张 强（新乡学院 生命科学与基础医学学院，河南 新乡 ）摘要：选择种水生植物（凤眼蓝、慈姑、水生美人蕉、千屈菜、垂花水竹芋），以未种植植物为对照，研究了水生植物混合种植对富营养化水体 、和的净化效果。结果表明：未种植物的对照组对水体污染物的去除效果不佳，而种植水生植物的各处理组均显示出较为明显的去除效果，其中组合（凤眼蓝慈姑水生美人蕉）表现最为突出，其不但能在富营养化水体中得以良好生长，而且对水体中 、和 的去除率最大，分别为 、和 。因此，提出了从植物生长特性和生态效应等方面综合考量，在水体富营养化的植物修复中可优先考虑凤眼蓝慈姑水生美人蕉这一植物组合配置，该组合具有生长良好、水体污染物去除率较高等优点，是一种适宜的浮床系统植物组合形式。关键词：水生植物；生态岛；污水净化；富营养化中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（，）：，（），（），：；引言随着社会经济和工业生产的快速发展，大量工业废水和生活污水未经处理或处理不当排入水体，水体中氮、磷等无机营养物质含量过多，造成了水体富营养化，不但对人类环境产生了不良影响，而且直接影响到了饮用水源的水质，严重危害人体健康。近年来，水体富营养化已经成为一个日趋严重的全球环境问题，引起了世界各国的广泛重视。、等是常用的评价水体污染的重要指标，能够有效反映出水体的污染程度。治理水体富营养化的方法有很多，主要有物理方法、化学方法和生物方法等。其中，水生植物作为生物方法中的常规技术，具有高效、低成本、自我更新和稳定性强等优点，是处理富营养化水体的一种有效手段，。水生植物的种类较多，目前水生植物的选择存在一定DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.007郭晖，等：混合式植物生态岛对河道污水净化效果研究环境与安全盲目性，若选择不当不仅会导致植物长势不佳甚至植株死亡，还会带来水体净化效率低等问题。此外，许多研究表明，相对于水生植物单独种植，不同生活型的水生植物进行混合种植能够优势互补，发挥其最大的净化潜力。因此如何筛选出一些既能良好生长又能高效净化水体的水生植物组合，使其充分发挥净化水体的有效作用，具有较大的理论和现实意义。材料与方法 供试植物试验所用的种水生植物分别为种挺水植物和种浮水植物。其中，挺水植物依次是慈姑（）、水 生 美 人 蕉（）、千屈菜（）和垂花水竹芋（），浮水植物是凤眼蓝（），以上种水生植物均取自新乡市附近的池塘。供试植物的相关特征见表。表供试植物特征种名科名属名形态特征慈姑泽泻科慈姑属多年生直立水生草本。有纤匐枝，叶具长柄，叶形变化大。花状总序，花朵为一轮，单性，瘦果斜倒卵形，长约水生美人蕉芸香科花椒属叶片大，阔椭圆形，叶色为黄绿相间的花叶及紫色叶。顶生总状花序有 朵左右。花色有红、黄、粉色等多种颜色千屈菜千屈菜科千屈菜属多年生草本，根茎横卧于地下，粗壮；茎直立，多分枝，全株青绿色，略被粗毛或密被绒毛，枝通常具棱垂花水竹芋竹芋科垂花水竹芋属多年生草本植物，叶互生，叶片卵形，叶色青绿，叶缘紫色，上被白粉，叶片长 ，宽 ，具较长叶柄凤眼蓝雨久花科凤眼蓝属浮水草本，高 。须根发达，棕黑色，长达 。茎极短，具长匍匐枝，匍匐枝淡绿色或带紫色，与母株分离后长成新植物 水生植物的组合和栽培水生植物的组合：本试验共设置个处理组，包括组合（凤眼蓝慈姑水生美人蕉）、组合（凤眼蓝水生美人蕉千屈菜）、组合（凤眼蓝千屈菜垂花水竹芋）、组合（慈姑水生美人蕉千屈菜）、组合（水生美人蕉千屈菜垂花水竹芋）。水生 植 物 的 栽 培：利 用 大 型 塑 料 箱（）进行水生植物的种植，每箱注入污水，塑料箱底部放入 厚的砾石，植株根系通过海绵条加以固定，保证植株根系浸泡在污水中。每个塑料箱设置一个处理组，每个处理设置个重复，并设置对照处理（不种植任何植物），对照组每箱也注入污水，自然蒸发水量用蒸馏水来补。试验设计试验用水：水样采自新乡市赵定河河道污水。试验方法：于 年月日至 月日在新乡学院校内实验实训中心一楼大厅开展试验。相同条件下每种处理均设个平行样，共 个处理组。另外，取不放植物的污水溶液作为对照组，对照组同时也设个平行样。将植物取来后，在室外自然光照条件下用自来水驯养 之后，小心地用去离子水清洗根系，然后于 年月日分别植入每个容器中，每个容器内放置种水生植物，每种植物的数量比例为，培养 后采集水样进行各指标的测定。结果测定：试验开始后分别于 年月 日，年月 日，年月日，年月 日，年月 日，年月 日和 年 月日取试验桶中的水样，分别测化学需氧量（），总磷（），总氮（）和氨态氮（）的质量浓度，试验周期为。其中，含量采用重铬酸钾氧化消解光度法测定，含量采用钼酸铵分光光度法测定，含量采用过硫酸钾氧化 定氮仪法测定，含量采用纳氏试剂比色法进行测定，植物的株高使用卷尺直接测量。数据分析和图表绘制利用 软件进行试验数据分析，并进行图表绘制。结果与分析 植物高度的变化表为种水生植物在培养期和试验期内植物平均高度的变化。可以看出，试验期结束后，种挺水植物株高的增加幅度表现不一，其中水生美人蕉和垂花水竹芋株高的增加幅度最大，分别是 和 。慈姑和千屈菜次之，增加幅度分别是 和 。年 月绿 色 科 技（）第 期表培养期和试验期内植物平均高度的变化 植物名称培养期月日月 日试验期月 日月 日月日月 日月 日月 日 月日水生美人蕉 垂花水竹芋 凤眼蓝漂浮植物不计高度慈姑 千屈菜 水体 的变化图为不同植物组合对水体 的去除效果。结果显示，与对照相比，各处理组水体中的 浓度均有较大幅度的下降，试验结束后（月日），去除率由高到低依次是：凤眼蓝慈姑水生美人蕉凤眼蓝千屈菜垂花水竹芋慈姑水生美人蕉千屈菜水生美人蕉千屈菜垂花水竹芋凤眼蓝水生美人蕉千屈菜。处理结束时，以上所有处 理对水 体中 的 去除 率 依 次 为 、和 ，分别是对照组 去除率（）的 倍、倍、倍、倍和 倍。由此可见，凤眼蓝慈姑水生美人蕉植物组合的 去除效果最佳。图不同植物组合对水体 的去除效果 水体 的变化图可见，试验初期各处理组的 浓度下降较快，后期下降缓慢，去除率由高到低依次是：凤眼蓝慈姑水生美人蕉水生美人蕉千屈菜垂花水竹芋凤眼蓝千屈菜垂花水竹芋慈姑水生美人蕉千屈菜凤眼蓝水生美人蕉千屈菜。经过 的处理后，它们对 的去除率分别 、和 。由此可见，凤眼蓝慈姑水生美人蕉植物组合的 去除效果最佳。水体 的变化图可知，随着处理时间的延长，各处理组浓度均不同程度地下降，且均低于对照组。与 变化规律一致，去除率由高到低依次为：凤眼蓝慈姑水生美人蕉水生美人蕉千屈菜垂花水竹芋凤眼蓝千屈菜垂花水竹芋慈姑水生美人蕉千屈菜凤眼蓝水生美人蕉千屈菜，以上处理对 的去除率依次是 、和 。经过 的处理后，所有处理组中的 浓度从初始的 降至 。图不同植物组合对水体 的去除效果图不同植物组合对水体 的去除效果 水体 的变化由图可以看出，与对照组相比，所有处理组的郭晖，等：混合式植物生态岛对河道污水净化效果研究环境与安全 浓度均不同程度地降低，去除率由高到低依次是：凤眼蓝慈姑水生美人蕉凤眼蓝水生美人蕉千屈菜凤眼蓝千屈菜垂花水竹芋慈姑水生美人蕉千屈菜水生美人蕉千屈 菜 垂 花 水 竹 芋，去 除 率 依 次 是 、和 。试 验 结 束后，所有处理组 的最终浓度均在 以上，高于正常水质的氨氮水平（），说明仍处于较高水平，可见本研究中的所有水生植物组合对 的净化能力是有限的。图不同植物组合对水体的去除效果 讨论水生植物具有不同于陆生植物的独特优点，如生长速度快、生长周期短、生物量大以及吸收水体、等污染元素的能力较强，因此水生植物在污水治理中具有很好的自然优势，。利用植物修复技术治理水体污染具有诸如投资、运行和维护成本低，净化水体效果好，管理方便等优点，在水体净化治理等方面均产生了良好的效果，在实际生活中也得到了广泛的应用。伏桂仙等 以种浮水、沉水和挺水植物为材料，研究了不同生活型水生植物对城市河道富营养化水体的净化效果，结果表明沉水植物的净化效果最好，其次是浮水植物，最后是挺水植物，其中沉水植物中的轮叶黑藻的净化能力最强，其对水体 的去除率高达 。李斌等 以风车草、苦草、水龙、节节草、紫芋和梭鱼草等 种水生植物为研究对象，探究了其对茅洲河污染水体的净化效果，结果表明挺水植 物 紫芋 的水 质 净 化 能 力 最 好，其 对、和 的 去 除 率 分 别 为 、和 ，并能在短时间内发挥其作用。许多研究还表明，植物混合种植比单独种植能更好地利用水体空间，对水体、等营养盐的去除率高，显著提高净化效果。孙翔等 通过水培试验，探究了凤眼莲、穗花狐尾藻、水芙蓉、黄菖蒲、金鱼藻和美人蕉等种水生植物及其组合对水体中 的净化效果，结果表明每种植物及组合对 均有一定的净化效果，其中净化效果最好的单一水生植物是穗花狐尾藻（去除率 ），净化效果最好的组合是穗花狐尾藻美人蕉 水芙蓉（去除率 ）。李寒娥等 研究表明，相对于单一种植，水龙、大薸和凤眼莲种或种进行混合种植对水体 的去除能力强。庄静静等通过盆栽试验，研究了种水生植物（美人蕉、花叶芦竹、石菖蒲、水生鸢尾）在不同配置模式下的水体净化效果，结果表明混种模式（花叶芦竹石菖蒲美人蕉）对水体 的净化效果最佳。本研究结果表明，凤眼蓝慈姑水生美人蕉的植物组合表现最为突出，其不但能在富营养化水体中得以良好生长，而且对水体 、和的去除率均最高，分别为 、和 。分析原因是不同类型的水生植物（挺水植物、浮水植物、沉水植物）对营养盐的吸收和水体净化效果各不一样，甚至具体到同一类型的水生植物，它们对污水的净化效果也不尽相同，而不同类型的水生植物经过合理配置后，对、等营养盐的吸收可以形成优势互补，具备了物种多样性等优势，能有效减少病虫害的发生并长期保持稳定，因此相对于单一种植，混合种植效果较好。基于此，因时、因地制宜，对不同类型的水生植物进行合理配置可以充分利用水体空间，有效发挥其更大的净化作用。结论本研究通过对不同的水生植物进行搭配组合，探索出了水体净化的最佳组合模式，可为富营养化水体的修复提供理论基础。本研究表明凤眼蓝慈姑水生美人蕉组合不但能在富营养化水体中正常生长，而且对水体 、和 的去除率均最高，可见该植物组合对富营养化水体有较好的净化效果，尤其对 的去除效果最佳。研究结论对黄河中下游及相似气候带地区富营养化水体的植物修复具有一定的指导意义，但研究结果只是基于稳定环境中的短期试验，在实际应用中还有待于进一步地观察和验证，并且对各种水生植物的配置数量和比例等还需进行深入研究。（下转第 页）年 月绿 色 科 技（）第 期参考文献：刘晓东，张广涵，吴偲，等 基于 算法的河流突发污染事故溯源研究环境科学与技术，（）：，（）：，：，（）吴云，刘学炎，胡朝臣城市河流水生植物氮含量和氮同位素记录及其对水体氮污染的响应 ：，（），（，：），赵联芳，黄靖宇 苏州太仓市污水处理厂尾水排放河道的治理水资源保护，（）：刘彦华，周家中，吴迪，等 城市污水再生利用的原位处理与集中处理分析与实践 给水排水，（）：，孙雪梅，何琦，王萌萌污水厂尾水受纳水体水环境容量分析山东水利，（）：，汤茵琪，任心欣，孔露霆，等 城市河流系统治理策略在鹅颈水生态修复中的应用水资源保护，（）：张寿通，葛运捷，李志达，等北方农村中小河流污染综合治理与修复方案 以辽东半岛南极河为例 环境生态学，（）：刘晓玲，徐瑶瑶，宋晨，等 城市黑臭水体治理技术及措施分析环境工程学报，（）：刘奇水环境容量与水质模型研究综述中国水运：航道科技，（）：门宝辉，牛晓赟，刘灿均，等滦河承德段水环境容量计算及其初始分配 水资源保护，（）：，张万顺，李琳，彭虹，等面向水环境改善的城市河网动态水环境容量水资源保护，（）：边博，夏明芳，王志良，等 太湖流域重污染