沉水植物對(duì)污水處理廠尾水水質(zhì)凈化效果研究

沉水植物對(duì)污水處理廠尾水水質(zhì)凈化效果研究

現(xiàn)在，進(jìn)入湖泊的河流尤其是城市河流的富營(yíng)養(yǎng)化是世界上最常見(jiàn)的環(huán)境問(wèn)題之一。利用水生植物簡(jiǎn)單、高效、低代價(jià)的特點(diǎn)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體已得到國(guó)內(nèi)外廣泛共識(shí),對(duì)其研究和應(yīng)用也日益增多,并取得大量研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。沉水植物在水生生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的生態(tài)功能,吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽,減少水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽再釋放以及通過(guò)與藻類進(jìn)行資源競(jìng)爭(zhēng),分泌化感物質(zhì)抑制藻類生長(zhǎng)繁殖。因此,富營(yíng)養(yǎng)化水體中沉水植物的恢復(fù)與重建已成為環(huán)境領(lǐng)域和水生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。國(guó)內(nèi)外多年來(lái)已經(jīng)積累了一些利用沉水植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)和河道水體的研究,本研究在前人研究的基礎(chǔ)上,選取滇池流域常見(jiàn)的五種沉水植物,室外模擬其在靜態(tài)條件下對(duì)污水處理廠尾水的凈化效果,為構(gòu)建不同植物配置的綜合型人工修復(fù)河道的凈化系統(tǒng)包括植物篩選、底質(zhì)構(gòu)建等方面提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。1材料和方法1.1非材料種的養(yǎng)殖本研究所選沉水植物包括浮葉眼子菜(Potamogetonnatans)、金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum)、馬來(lái)眼子菜(Potamogetonmalaianus)、苦草(Vallisnerisspiralis)、菹草(PotamogetoncrispusLinn),均為滇池流域常見(jiàn)種類,實(shí)驗(yàn)前馴養(yǎng)10d。1.2不同種沉水植物對(duì)污水廠尾水的凈化能力實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置設(shè)在昆明市第五污水處理廠內(nèi)空地上的大棚內(nèi),沉水植物實(shí)驗(yàn)裝置為ppc材料制作,長(zhǎng)1200mm×寬1000mm×高1000mm,每個(gè)裝置裝底質(zhì)(污水廠活性污泥和紅壤混合物)17cm厚,分別種植90株單一沉水植物,然后向裝置中加入污水廠尾水(一級(jí)A標(biāo))70L,比較研究在靜態(tài)條件下不同種沉水植物對(duì)污水廠尾水的進(jìn)一步凈化能力。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后,分別在處理時(shí)間第1、2、11、18、25、50d上午9:00-10:00現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體的水下照度、透明度、DO,同時(shí)采集水樣,在實(shí)驗(yàn)室盡快分析總氮、氨氮、總磷、COD;同時(shí)采集植物樣以及底質(zhì),測(cè)定植物的生物學(xué)指標(biāo)、葉片葉綠素a、b含量和底質(zhì)的全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)(數(shù)據(jù)在另一論文中整理)。1.3最小顯著性差異法lsd水體水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)用3次重復(fù)的平均值,最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)處理使用Excel2003,統(tǒng)計(jì)分析使用軟件SPSS13.0。2結(jié)果與討論2.1浮水植物對(duì)藻類的影響在實(shí)驗(yàn)初期各沉水植物生長(zhǎng)良好,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),各沉水植物表現(xiàn)不盡相同,這可能與各種沉水植物的生長(zhǎng)特性及其吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能力的差異有關(guān)。比較五種沉水植物,苦草生長(zhǎng)最好,馬來(lái)眼子菜和金魚(yú)藻其次,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),水體出現(xiàn)了不同程度的藻類,存在藻類與沉水植物的生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)。研究表明,苦草、金魚(yú)藻具有一定的克藻作用,在苦草生長(zhǎng)的地方,浮游生物、細(xì)菌和絲狀藻的生物量顯著降低;鮮啟明等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)4種沉水植物抑藻現(xiàn)象研究發(fā)現(xiàn):金魚(yú)藻、微齒眼子菜及苦草的種植水具有較強(qiáng)的克藻作用,尤以金魚(yú)藻最顯著;而伊樂(lè)藻幾乎沒(méi)有克藻作用。處理到20d左右,浮葉眼子菜葉片上開(kāi)始出現(xiàn)壞死斑點(diǎn),25d后壞死斑點(diǎn)逐漸擴(kuò)大、增多,莖桿也出現(xiàn)斑點(diǎn),35d后腐爛死亡?？梢?jiàn),植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的后期成熟植物的收割、資源化利用及運(yùn)行管理顯得尤為重要。2.2水體水質(zhì)變化2.2.1不同處理水體率分布隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,各處理水體COD含量逐漸降低,至25d達(dá)到平衡(圖1),各沉水植物對(duì)COD的去除率由高到低依次為:苦草>馬來(lái)眼子菜>金魚(yú)藻>浮葉眼子菜>菹草。從圖1可見(jiàn),隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),水體COD先降低后升高再降低的趨勢(shì)。至處理后期出現(xiàn)了藻類,水下照度和透明度降低,進(jìn)而對(duì)植物光合作用產(chǎn)生影響,光照不足,導(dǎo)致葉綠色含量的降低,致使細(xì)胞活性下降,植物的腐敗加劇,致使COD的含量持續(xù)上升。2.2.2浮葉眼子菜對(duì)氨氮的去除作用隨著研究的進(jìn)行,各水體總氮含量逐漸降低,至25d達(dá)到平衡(圖2),各沉水植物對(duì)總氮的去除率由高到低依次為:金魚(yú)藻>菹草>苦草>馬來(lái)眼子菜>浮葉眼子菜。金魚(yú)藻、菹草、苦草的DO水平較高,較高的DO促進(jìn)了硝化作用的進(jìn)行,進(jìn)而通過(guò)反硝化作用將氮從水體中去除。浮葉眼子菜和馬來(lái)眼子菜對(duì)總氮的去除率低于對(duì)照,這是由于這兩種沉水植物在生長(zhǎng)過(guò)程中,葉片腐爛現(xiàn)象嚴(yán)重,使其對(duì)氮去除作用小于釋放。氨氮在實(shí)驗(yàn)前25d,表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì),之后除浮葉眼子菜外,各處理水體氨氮含量又有所增加(圖3)。各沉水植物對(duì)氨氮的去除率類似于總氮,由高到低依次為:金魚(yú)藻>菹草>馬來(lái)眼子菜>苦草>浮葉眼子菜。研究表明水體中總氮的去除方式包括氨氮揮發(fā)、生物吸收、硝化反硝化、死生物量的沉降和淤泥層的積聚。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)水體總氮去除的主要方式則為沉水植物吸收、氨氮揮發(fā)和硝化反硝化作用。沉水植物根系及莖葉均能夠直接吸收水體中的氮。本研究表明,沉水植物對(duì)氮直接吸收的最大量?jī)H占水體總氮的1.23%。所以,沉水植物的直接吸收對(duì)水體氮的去除貢獻(xiàn)比較微弱。沉水植物對(duì)氮的去除過(guò)程中,細(xì)菌的降解作用占主導(dǎo)地位,氧化塘內(nèi)平均DO含量達(dá)到6mg/L足以維持硝化作用的進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)水體的最高DO可達(dá)17.2mg/L,因此較強(qiáng)的氧化環(huán)境有助于硝化作用的進(jìn)行,硝化作用產(chǎn)生的硝氮進(jìn)而通過(guò)反硝化作用產(chǎn)生的N2或N2O而去除。另外,沉水植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐爛分解,若沉水植物分解嚴(yán)重,將增加水體的氮磷含量,影響對(duì)氮磷的去除率。因此,本實(shí)驗(yàn)中有少量螺出現(xiàn)的種植金魚(yú)藻的水體對(duì)氮的去除效果最好。2.2.3對(duì)總磷的去除隨著時(shí)間的延長(zhǎng),水體中的總磷先升高,至18d達(dá)到最高值,之后有降低,到25d達(dá)到平衡,在第50d水體的總磷含量又有所升高(圖4),這是由于沉水植物老葉脫落、腐爛分解,且出現(xiàn)斷枝所致。各沉水植物對(duì)總磷的去除率由高到低依次為:馬來(lái)眼子菜>金魚(yú)藻>苦草>菹草>浮葉眼子菜。研究表明,水體的強(qiáng)氧化性有利于磷的化學(xué)沉淀及沉降吸附。種植馬來(lái)眼子菜、苦草和金魚(yú)藻水體的DO水平較高,因此對(duì)總磷的去除率最高。研究表明,總磷主要通過(guò)化學(xué)沉淀、藻類細(xì)菌的合成代謝、水生植物的吸收去除,微生物同化作用對(duì)TP的去除率為50%~60%,植物吸收為1%~3%,其余為物理作用、化學(xué)吸附和沉淀作用。因此,在開(kāi)始階段,底質(zhì)中的含磷化合物或有機(jī)物不斷釋放出?？赡苡捎谒w中溶氧較少,好氧微生物作用受抑制,水生植物對(duì)磷的去除率低,所以水體中的磷含量一直上升。在天然富營(yíng)養(yǎng)化條件下,磷元素多因其易于沉積而成為浮游植物生長(zhǎng)的限制因子,也成為難以去除的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。水生植物對(duì)去除磷素發(fā)揮重要作用,一方面水生植物通過(guò)同化作用去除磷,即通過(guò)植物根系吸收可溶性活性磷(SRP),合成核酸、核苷酸、磷脂及糖磷酸酯等植物細(xì)胞組成;另一方面,水生植物表面為聚磷菌等微生物提供附著空間。沉水植物的莖、葉和表皮都與根一樣具有吸收作用,且皮層細(xì)胞含有葉綠素,有進(jìn)行光合作用的功能。這種結(jié)構(gòu)對(duì)水體中不同污染物,尤其是氮、磷等具有良好的吸收作用。本研究表明,在處理第25天,生長(zhǎng)狀況較好的馬來(lái)眼子菜、金魚(yú)藻和苦草對(duì)總磷的去除率較高,這可能是通過(guò)莖、葉和表皮的吸收。2.2.4苦草對(duì)水體空間的影響光照是影響植物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子之一,它為植物進(jìn)行光合作用提供能源,控制植物的生存、生長(zhǎng)和分布。沉水植物的生存依賴于水環(huán)境中的光因子。從圖5可見(jiàn),隨著水下深度的增加,水下照度降低;隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),水下照度也呈下降趨勢(shì)。表面照度變化率由高至今依次為:浮葉眼子菜>金魚(yú)藻>菹草>馬來(lái)眼子菜>苦草;水下60cm處水下照度變由高至今依次為:苦草>菹草>浮葉眼子菜>馬來(lái)眼子菜>金魚(yú)藻,總體來(lái)說(shuō),種植苦草的水體水質(zhì)較好,即苦草對(duì)于水體水質(zhì)的凈化能力最強(qiáng),水體透明度最好。苦草能減少水體中的正磷酸鹽、溶解有機(jī)碳和總的懸浮物,增加水體透明度。在處理第10天水質(zhì)均較好,各層的透光率較高;第25、50天與第10天相比各水層的透光率均顯著下降。光照不足會(huì)影響植物的生長(zhǎng),甚至導(dǎo)致植物的死亡,進(jìn)而對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響。由植物葉綠素a/b的比值來(lái)看,苦草為陰性植物,而其他均為陽(yáng)性植物,除苦草能在弱光下生長(zhǎng),其他植物生長(zhǎng)所需的光照較強(qiáng)。沉水植物水體水下照度直接影響沉水植物的光合作用,通過(guò)光合作用消耗水體中CO2,甚至HCO3-游離出的CO2,而沉水植物及細(xì)菌的呼吸作用所釋放的CO2相比其消耗量甚微,因此水體中的部分氨氮會(huì)以氣態(tài)形式脫離水體。3選擇種植沉水植物滇池流域常見(jiàn)的5種沉水植物均有一定能力去除水體中總磷、總氮、氨氮、COD,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),水體中的多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在不同程度上達(dá)到平衡,可能是由于在處理后期沉水植物葉片的腐爛分解提高了水體氮磷和COD的含量,因此沉水植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體時(shí)對(duì)其的收割管理等顯得尤為重要,可見(jiàn)通過(guò)沉水植物修復(fù)污染水體具有一定的有限性。綜合水體水質(zhì)、沉水植物的多個(gè)指標(biāo),苦草、金魚(yú)藻和馬來(lái)眼子菜在各方面表現(xiàn)能力均較強(qiáng),可作為滇池流域河道水體修復(fù)優(yōu)先選用的物種。根據(jù)本研究結(jié)果,以污水廠活性污泥和紅壤混合物作為底質(zhì),除苦草和馬來(lái)眼子菜外,在靜態(tài)條件下單一種沉水植物在污水廠尾水中很難存活下來(lái),作為構(gòu)建富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)方案還需進(jìn)一步研究。具體結(jié)論如下:(1)隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,各水體COD含量逐漸降低,至25d達(dá)到平衡,各沉水植物對(duì)COD的去除率由高到低依次為:苦草>馬來(lái)眼子菜>金魚(yú)藻>浮葉眼子菜>菹草。(2)隨著研究的進(jìn)行,各水體總氮含量逐漸降低,至25d達(dá)到平衡,各沉水植物對(duì)總氮的去除率由高到低依次為:金魚(yú)藻>菹草>苦草>馬來(lái)眼子菜>浮葉眼子菜。(3)隨著時(shí)間的延長(zhǎng),水體中的總磷先升高,至18d達(dá)到最高值,之后有降低,在第50d水體的總磷含量又有所升高,各沉水植物對(duì)總磷的去除率由高到低依次為:馬來(lái)眼子菜>金魚(yú)藻>苦草>菹草>浮葉眼子菜。(4)隨著水下深度的增加,水下照度