高效净化氮磷污水的湿地水生植物筛选与组合

J.LakeSci.(湖泊科学),2008,20(6):[e-mail]©2008byJournalofLakeSciences高效净化氮磷污水的湿地水生植物筛选与组合*韩潇源1,宋志文2,李培英3(1:中国海洋大学,青岛266100)(2:青岛理工大学,青岛266033)(3:国家海洋环境监测中心,大连116023)摘要:采用人工配制污水为实验用水进行室内水培实验,研究10种人工湿地中常见水生植物对氨氮和总磷的同化吸收能力,筛选出净化效果好的植物,构建植物组合,以单一植物为对照,研究植物组合对于提高氨氮、总磷净化效果的作用.结果表明:不同植物对氨氮、总磷的去除能力差别较大.千屈菜(Lythrumsalicaria)、菖蒲(Acoruscalamus)、美人蕉(Cannindica)、达香蒲(Typhadavidiana)对氨氮净化效果较好,初始浓度29.69mg/L、15d后,去除率96.6%、98.6%、87.7%、95.1%.美人蕉、凤眼莲(Eichhorniacrssipes)、千屈菜、石菖蒲(Acorustartarinowii)对TP净化效果较好,初始浓度4.44mg/L、15d后,去除率99.0%、54.6%、69.9%、36.7%.千屈菜与石菖蒲的组合能同时提高氨氮与总磷的净化效果;美人蕉与千屈菜的组合、菖蒲与美人蕉的组合、菖蒲与千屈菜的组合、美人蕉与石菖蒲的组合能提高总磷的净化效果.组合实验结果表明,适当的水生植物组合能提高氨氮与总磷的净化效果.关键词:人工湿地;水生植物;筛选;组合;氮;磷;净化效果SelectionandassemblyofmacrophytespeciesinconstructedwetlandforpurificationofNandPinwastewaterHANXiaoyuan1,SONGZhiwen2&LIPeiying3(1:OceanUniversityofChina,Qingdao266100,P.R.China)(2:QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,P.R.China)(3:NationalMarineEnvironmentalMonitoringCenter,Dalian116023,P.R.China)Abstract:Forselectingmacrophytespeciesinconstructedwetland,theabilitiestoremoveNH4+-NandTPintheartificialsewageof10macrophytespecieswereinvestigatedbythemanipulativeindoorexperiment.Macrophytespecieswhichhadstrongerpurificationeffectwereselected,then,assembliesweredesignedtocomparewiththesingleones.Theresultsshowedthattheabilitiesofdifferentmacrophytespeciestoremovenitrogenandphosphorouscontrastsharplywithoneanother.Lythrumsalicaria,Acoruscalamus,Cannindica,TyphadavidianahadstrongerabilitytoremoveNH4+-N,whentreatedfor15days,withanoriginalconcentrationof29.69mg/L,theremovalrateswere96.6%,98.6%,87.7%,95.1%respectively.Cannindica,Eichhorniacrssipes,Lythrumsalicaria,AcorustartarinowiihadstrongerabilitytoremoveTP,whentreatedfor15days,withanoriginalconcentrationof4.44mg/L,theremovalrateswere99.0%,54.6%,69.9%,36.7%,respectively.InrespectoftheremovalratesofNH4+-NandTP,theassemblyofLythrumsalicariaandAcorustartarinowii(54.2%,-32.6%)didbetterthanLythrumsalicaria(28.7%,-41.5%,),whichindicatedthattheassemblycouldimprovepurificationeffectofNH4+-NandTPsimultaneously.TheassemblyofLythrumsalicariaandCannindica,theassemblyofAcoruscalamusandCannindica,theassemblyofAcoruscalamusandLythrumsalicaria,theassemblyofCannindicaandAcorustartarinowii,alltheassemblieshadstrongerremovalabilitiesofTPthanthesingleones.Theresultsoftheinvestigationintoselectionandassemblyofaquaticmacrophytespeciessuggestedthat,properassembliescouldimprovethepurificationeffectofNH4+-NandTPinwastewaterincomparisonwiththesingleones.*我国近海海洋综合调查与评价(908)专项项目(908-01-ZH2)和国家自然科学基金项目(30670399)联合资助.2007-10-16收稿;2008-04-07收修改稿.韩潇源,女,1980年生,博士研究生;E-mail:[e-mail].(湖泊科学),2008,20(6)742Keywords:Constructedwetland;macrophyte;selection;assembly;nitrogen;phosphorus;purificationeffect随着江河湖泊等水体富营养化问题的日趋严重[1],污水的脱氮除磷日益受到人们的关注.以水生植物为核心的污水处理和富营养化水体的修复治理[2-3],具有效果好、投资少、运行成本低、易管理、景观效果好及有利于重建和恢复生态系统等优点[4-5],已成为国内外环境领域的一个研究热点.在近年来广泛应用于城市生活污水、农业面源污染及富营养化水体等[6-10]的处理的人工湿地中,水生植物占据着举足轻重的地位[11],植物可以通过自身组织吸收直接去除水体中的氮磷[12-14].能否筛选到净化效果好、耐污能力强、适应当地环境、耐寒抗热、抗病虫害能力强的植物,将直接影响到人工湿地脱氮除磷性能的发挥.国内外学者已筛选出多种能有效去除水体中氮磷的植物,如:芦苇(Phragmites)[15]、香蒲(Typha)[16-17]、菖蒲(Acorus)[18-19]、石菖蒲(Acorustartarinowii)[14]、美人蕉(Cannaindica)[16]和千屈菜(Lythrumsalicaria)[16]等.多种植物的合理搭配能产生比单一物种更好的去污效果[20]也是普遍认同的观点.然而,笔者发现,实际应用中选用两种以上植物进行组合的人工湿地并不多见[21],有关本段中提及的植物种类搭配组合后的污水净化效果尚未见相关报道.加强湿地植物的筛选和组合研究,对于充分发挥植物在湿地中的净化作用、提高湿地的净化效能具有重要的意义.本研究选取10种常见的湿地水生植物,研究其对氨氮、总磷的同化吸收能力,从中筛选出净化效果较好的植物,在此基础上构建植物组合,以单一植物为参照,研究水生植物组合对于提高人工配制污水中氨氮、总磷净化效果的作用.研究结果可为人工湿地的植物选种与组合提供参考,同时对构建高效脱氮除磷的人工湿地有一定的参考价值.1材料与方法1.1实验材料千屈菜繁殖力强,适应性好,耐旱也耐湿,耐寒性强,可露地越冬,耐瘠薄.美人蕉具肉质根状茎,根系发达,生长周期较短,生长速度快;耐污性较强.花叶美人蕉(Cannageneralis)多年生草本花卉,可耐半荫蔽.东方香蒲(Typhaorientalis)地下茎与根系发达,沼生或水生环境均能生长,较耐寒.达香蒲(Typhadavidiana)多年生水生或沼生草木.菖蒲(coruscalamus)最适宜生长温度20-25℃,对环境适应性强,耐贫瘠,耐污性好.石菖蒲具根状茎,根系发达,四季生长,生命力强,耐污性好.黄菖蒲(Irispseudacorus)又名黄花鸢尾,适应性强,耐半阴,耐旱也耐湿,耐寒性较强.芦苇(Phragmitescommunis)地下茎营养繁殖能力强,生长季节长,生长快;适应性强,耐污性好.凤眼莲(Eichhorniacrssipes)又称水葫芦,浮水草本,根系发达、生长繁殖能力旺盛、耐污能力强.1.2实验方法水培实验在青岛理工大学环境生物实验室内进行.直射及散射自然光照,保持良好通风.实验期间,气温16-28℃(平均22℃).以5000ml烧杯作为实验容器,长势良好、大小均匀的植株作为待测对象.植株直接放入烧杯内,不添加任何基质,不采取固定措施,临窗培养,尽可能保持各处理采光和通风条件的一致.实验前,用双层报纸包好烧杯侧壁,以模拟根区的弱光条件,并防止由于阳光照射使藻类过量繁殖而影响氮磷等指标的测定;将植物用自来水洗净,室温放置20-30min风干,称重,测量植物形态指标.配制人工污水(主要成分为NH4Cl、KH2PO4和自来水),测定其NH4+-N、TP、pH值、DO等指标以确定初始值.表1人工配制污水中NH4+-N、TP初始浓度(C0,mg/L)Tab.1OriginalconcentrationofNH4+-N,TPinartificalsewage(C0,mg/L)试验水样NH4+-NTP129.694.442253.9865.16357.0413.86428.373.83韩潇源等:高效净化氮磷污水的湿地水生植物筛选与组合743各项水质指标的测试采用《水与废水监测分析方法》中的标准方法:NH4+-N采用纳氏试剂光度法;TP采用过硫酸钾消解,钼锑抗分光光度法;pH值采用玻璃电极法;溶解氧采用便携式溶解氧仪法.将人工污水及筛选与组合研究所选用的实验植物放入烧杯中,同时设置不放置任何植物的空白作为对照.根据不同植物对水分吸收数量及蒸腾作用强度的不同,定期向烧杯中补充自来水并做记录,以确定水样体积的变化并防止水分减少过快而影响植物的正常生长.自实验开始计时,每隔5d测试一次各处理的NH4+-N、TP、pH值、DO等水质指标.每种处理设2个平行样,每个平行样取3个重复样.同时计算测试后的剩余水样体积;取出植物在室温下风干称重,以确定其测试后的质量.通过各种水质指标、加水体积和植物质量的测定,计算各种植物对氨氮、总磷的去除率(En)和单位质量植物去除氨氮、总磷的质量(Wn).1.3数据分析方法氨氮、总磷去除率的计算方法见公式(1)、公式(2):En=[(C0－CnKn)/C0]×100%(1)Kn=[V0＋(V1°＋V2°＋…＋Vm°)]/V0(2)单位质量植物去除氨氮、总磷质量的计算方法:Wn=(C0V0－CnVn)/[(M0＋Mn)/2](3)式中:En为第n次测样时某处理对氨氮、总磷的去除率(%),n为测