近年来, 水体污染和富营养化现象严重, 河流、湖泊生态修复已成为政府部门、学术界和社会公众共同关心的资源与环境问题之一^{[1, 2]}, 其又以村镇生活污水和农业污水的非点源污染为主要污染源, 因此在污染源头原位收集并消减污染物是河流湖泊治理的主要途径之一^{[3, 4]}.经过改良的稳定塘都以生态可持续发展为目标, 提高了综合利用价值.沉水植物稳定塘就是一种代表性的污水处理处置系统, 由沉水植物、浮游生物、细菌、沉积物和水体组成, 使得污染物在生物相和非生物相中互相迁移转化, 最终达到净化水体的目的, 现已广泛用于河流的治理.

沉水植物作为水生系统的初级生产者之一, 能够吸收营养盐和吸附水体物质沉降, 通过化感作用抑制藻类生长, 提高水体透明度、增加水体溶氧和固持沉积物, 改善水体光照及生态环境^[5~7].任文君等^[8]研究了篦齿眼子菜、马来眼子菜、金鱼藻和黑藻白洋淀富营养化水体的净化效果, 黑藻的除磷效果最佳, 金鱼藻的除氮效果最优, 王丽卿等^[9]的研究则显示马来眼子菜和穗状狐尾藻对淀山湖氮磷去除效果最优.另外, 污水的物质组成亦会影响沉水植物的净化效果, 其中碳氮比就是一项反映污水碳氮平衡特征的重要指标：污水碳氮比表征了反应中可被利用的碳源量, 对污水的氮素移除和N₂O排放具有关键的影响作用^[10], 段婧婧等^[11]通过对水芹浮床外加碳源, 研究显示外加碳源可提高浮床对营养盐的去除率; Xia等^[12]发现SCBR反应器的进水碳氮比影响氨氧化细菌和亚硝化细菌数量进而影响氮的去除效率; 赵永军等^[13]发现菖蒲湿地在C/N为2.5:1时的TN去除率最高, 而香蒲湿地在C/N为5:1时对COD和总磷的去除效果最佳.目前国内外开展的沉水植物净化水体的研究多为单一条件下某类沉水植物对水体污染物的去除效果, 关于不同种沉水植物组合搭配后对污水净化效果的研究鲜见报道, 与单种植物构建的稳定塘相比, 不同类植物的组合稳定塘是增强还是减弱了净化效果？碳氮比条件改变又将如何影响沉水植物塘的污染物去除效果？

因此, 本文选择常见的3种沉水植物种类, 研究不同植物配置方式的稳定塘的净水效果; 同时, 探讨碳氮比对其去除效果的影响, 以获得特定植物配置条件下的最优的碳氮比参数, 以期为实际工程中运用沉水植物塘进行污水处理时提供参考.

实验选用3种水体常见沉水植物用于实验：苦草(Vallisneris spiralis)、轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)、穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum), 植株均购于水族馆.植物投入自来水中适应3 d后, 选择生长情况较好、茎叶保存齐全且性状较为统一的株体用于实验, 实验前进行植物的清洗、量长及称重.实验所用基质底泥取自巢湖入湖口南淝河湿地处的氧化塘, 使用前将底泥过20目筛.实验用水采用人工配水^[14], 这是由于模拟实验中进水浓度需进行较精确的控制, 且实验用水量较大.碳源由葡萄糖提供, 氮源由硝酸钾和氯化铵提供, 磷由磷酸二氢钾提供, 由于采用自来水配置, 因此未添加微量元素.

实验场地选择在开阔的室外空地上, 以符合实际温度和光照, 并做防雨措施.实验装置主体为100 L不透明高强度塑料箱.

将预培养后的苦草、轮叶黑藻、穗花狐尾藻(株长均值分别为15、25、25 cm)单独种植于填装有1 kg底泥的花盆中, 每盆种植约10 g的植物, 初始植物盖度20%~30%不等, 按照表 1的7种组合方式(A1~A7)放置在实验箱中, 设置3组重复, 另设1组对照(CK)只放置底泥, 无植物.装置中加入约60 L的模拟废水, 废水配置参数见表 2.实验时长为15 d, 隔日采集水样测定理化指标, 每日向装置中添加补充因采样和蒸发失去的水分.

表 1 (Table 1)

表 1 植物配置实验组设计 Table 1 Details of the submerged macrophyte combinations 序号 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 植物配置 6盆苦草 6盆狐尾藻 6盆轮叶黑藻 3盆苦草3盆黑藻 3盆苦草3盆狐尾藻 3盆狐尾藻3盆黑藻 2盆苦草2盆狐尾藻2盆黑藻

表 1 植物配置实验组设计 Table 1 Details of the submerged macrophyte combinations

表 2 (Table 2)

表 2 植物配置实验所用人工废水配置情况/mg·L-1 Table 2 Concentration of pollutants in the experiment/mg·L-1 项目 高锰酸盐指数 氨氮 硝氮 总氮 磷酸盐 总磷 范围 45.10~52.60 4.5~5.60 4.10~5.30 10.10~11.00 0.33~0.42 0.37~0.47 均值 48.00 5.10 4.70 10.80 0.35 0.40

表 2 植物配置实验所用人工废水配置情况/mg·L-1 Table 2 Concentration of pollutants in the experiment/mg·L-1

每日测定水体理化指标：水体水温、溶解氧(DO)、pH、氧化还原电位使用YSI水质仪测量; 用100 mL塑料瓶取水样, 及时送回实验室分析测定总氮(TN)、溶解态总氮(DTN)、总磷(TP)、溶解态总磷(DTP)、高锰酸盐指数、氨氮(NH₄⁺-N)、硝氮(NO₃^--N)和溶解性磷酸盐(PO₄^3--P)的浓度. TN、TP和高锰酸盐指数使用原水测定, 其余指标使用0.45 μm的醋酸纤维滤膜过滤后的水样测定, 水样预处理及分析测定方法均采用相应国家标准方法进行^[15].

本研究的数据在Microsoft Office Excel 2016中完成; 数据的统计分析使用IBM SPSS 22.0软件, 其中显著性检验采用t检验方法, 方差分析采用F检验方法; 最后使用SigmaPlot 12.5作图.

实验初始时, 各组塘内可见明显悬浮物, 这是运行初期系统受进水扰动导致底泥再悬浮; 第3 d时, 穗花狐尾藻组、苦黑狐组和对照组水体依旧浑浊[图 1(a)], TN含量高于初始值, 其余5组浊度有所下降; 第5 d时, 苦狐组和苦黑狐组中的苦草长势不良, 苦草组植物长势优良, 长度略有增加, 苦黑组苦草生长正常, 轮叶黑藻生长更优[图 1(b)]; 第7 d时, 苦草组和苦黑组水体清澈[图 1(c)], 狐尾藻组依然浑浊, 各组合中的轮叶黑藻长势均优良, 有分蘖, 新叶长出, 苦狐组中苦草生长较之前更差, 穗花狐尾藻生长较好, 黑狐组中穗花狐尾藻靠近根部位置叶片发黄凋落, 黑藻长势良好; 第9 d时, 穗花狐尾藻组、轮叶黑藻组、狐黑组、苦黑狐组水色略发黄, 其余澄清透明; 第11 d时, 各组水体均已澄清, 各组植物有不同程度的凋落, 只有轮叶黑藻有明显较长新枝长出, 分枝能力最强[图 1(d)], 实验结束时观察到苦草根部长出较多的不定根.

图 1

Fig. 1

图 1 苦草黑藻组植物生长状况 Fig. 1 Growth status of the group of Vallisneris spiralis and Hydrilla verticillata

不同植物配置的稳定塘水质变化如图 2所示.对8组数据进行单因素方差检验, 结果表明8个实验组的TN、TP浓度分布差异均显著(P < 0.01), 即植物配置对稳定塘营养盐的去除具有显著影响.实验初始, 由于大量有机物分解消耗氧气, 塘内DO迅速降低到低于2 mg·L^-1的水平[图 2(d)], 除苦草组外, TN和TP的去除率基本上为负值(图 2), 可能是由于塘内底泥向水体释放氮磷, 而苦草组初始就对TN有去除效果说明苦草对固持底泥、沉降悬浮物有良好作用.第5 d开始, 透明度逐渐升高, 微生物的活性增强数量增加, 去除率稳定上升[图 2(a)].随着停留时间增加, 大多数实验组的TN浓度逐渐降低[图 2(a)], 第7 d时, 苦草组和苦黑组已完全澄清, 苦黑组对TN去除效果最优, 去除率达到21.93%, 其他实验组由于水体浑浊或种间竞争等原因造成去除率为负(穗花狐尾藻组为-12.72%)或较低(6.28%~14.55%).而第7 d时, 穗花狐尾藻组的悬浮物才基本得以沉降, TN开始降低, 其余实验组对TN的去除趋于平衡, 这时高锰酸盐指数含量降低到一定水平[图 2(c)], 造成碳源不足或者剩余的大分子有机物不易被分解利用, 硝化反硝化反应速率减缓, 氮素的去除主要依靠植物吸收无机态氮.第11 d之后, 植物的落叶有腐烂分解的现象, 释放氮磷营养盐, 除轮叶黑藻组和穗花狐尾藻组外, 其余实验组的TN浓度较前一天反升高[图 2(a)].

图 2

Fig. 2

图 2 植物配置对总氮、总磷、高锰酸盐指数的去除效果及溶解氧浓度变化 Fig. 2 Effect of submerged macrophyte combinations on the removal of TN, TP, permanganate index and the concentration of DO in water

实验初始, TP表现出和总氮相同的规律, 底泥再悬浮造成向上覆水磷的释放, 除苦草组外水体TP浓度均高于初始浓度[图 2(b)].从第3 d开始, 各组TP浓度有不同程度的降低, 主要是化学吸附和沉降的作用, 同时植物生长吸收固定了部分磷素[图 2(b)].从第7 d开始, 水体DO持续升高, 达到2 mg·L^-1左右, 好氧环境促进了磷的沉降和吸附^[16], 去除率逐渐升高.黑藻组和苦黑组的TP去除率在第9 d达到最大, 分别达32.45%和26.18%, 并且在之后去除率趋于稳定[图 2(b)].第9 d以后, 穗花狐尾藻组、苦狐组、狐黑组、苦狐黑组的TP去除率持续降低, 甚至高于初始值, 可能是由于底泥悬浮物未完全沉降继而覆盖到植物叶片表面造成植物生长不良, 凋落腐烂分解的残体向水体释放了磷素.

实验结束时, TN去除率由高到低顺序为：苦黑组(32.71%)>轮叶黑藻组(26.85%)>苦狐组(26.2%)>苦草组(23.28%)>空白组(16.4%)>穗花狐尾藻组(12.16%)>狐黑组(10.88%)>苦狐黑组(9.55%), TP去除率由高到低顺序为：轮叶黑藻组(24.97%)>苦草组(22.64%)>苦黑组(22.13%)>空白组(14.21%)>苦狐组(-3.2%)>苦狐组(-6.86%)>狐尾藻组(-30.55%)>苦狐黑组(-47.89%).综合起来, 苦黑组对于TN和TP的平均去除率为27.12%, 在7组植物配置中最高, 因此苦黑组对于污水营养盐的去除效果最佳.

采用第一阶段实验中得到的最优植物组合(苦草、黑藻)模拟沉水植物塘, 设置实验组：B1、B2、B3, 对应3个碳氮比(以高锰酸盐指数和TN浓度的比值表征C/N)梯度, 装置均放置3盆苦草和3盆轮叶黑藻(10 g·pot^-1), 装置中加入约60 L的模拟废水, 废水配置参数见表 3.设置3组重复.实验总时长为13 d, 隔日采集水样分析理化指标, 每日向装置中添加因采样和蒸发失去的水分.

表 3 (Table 3)

表 3 碳氮比实验所用人工废水配置情况/mg·L-1 Table 3 Concentration of pollutants in the experiment with different C/N ratios/mg·L-1 项目 高锰酸盐指数 氨氮 硝氮 总氮 磷酸盐 总磷 碳氮比 B1 28.68 4.95 5.19 10.14 0.80 0.97 1.89 B2 63.4 5.58 5.11 10.69 0.85 1.10 5.93 B3 97.48 5.07 5.00 10.06 0.81 1.00 12.09

表 3 碳氮比实验所用人工废水配置情况/mg·L-1 Table 3 Concentration of pollutants in the experiment with different C/N ratios/mg·L-1

实验初始, 3个实验组的TN浓度均有下降[图 3(a)], B2、B3组的去除率已超过60%, B1组达到53%.这是通过化学吸附, 将氮素固定在沉积物表层, 使污染物得以大幅削减, 同时沉水植物光合作用消耗水中CO₂, 导致pH值升高^[17], OH^-与NH₄⁺结合, 使NH₄⁺-N以NH₃的形式吹脱, NH₄⁺-N浓度急剧下降[图 3(c)].第3 d时, 3组水面均出现了白色油膜状物质, 水体呈半透明浑浊状, 同时伴随着DO浓度低的特征, 其中3组实验组水体浑浊程度为B3>B2>B1, 判断白色物质可能为生物膜^[11], 这种现象的出现影响了沉水植物的生长和光合放氧作用, 同时NH₄⁺-N和有机物等还原性物质持续耗氧, 水体DO的继续下降, 制造了缺氧的水下环境, 此时有利于NO₃^--N和NO₂^--N的反硝化过程, 使得水体中NO₃^--N到第5 d时去除率已达90%以上[图 3(d)].但是缺氧环境加剧了底泥中NH₄⁺-N的释放^[18], 各实验组NH₄⁺-N浓度大幅度升高[图 3(c)].第7 d时, 植物生长状况表现出差异性, B1组植物生长最优, B3组最差, 考虑是高浓度的碳源和水体浑浊对植物生长造成胁迫, B3组甚至出现叶片凋落现象, 其分解腐烂亦造成NH₄⁺-N含量升高[图 3(c)].第9 d时, 塘内还原性物质已逐渐减少, 白色物质消失, 水草光合放氧提供氧气, 水体逐渐转化为氧化性, 亚硝化、硝化细菌的活性增强^[19], NH₄⁺-N浓度逐渐降低并趋于稳定, 最终B2组出水NH₄⁺-N浓度最低, 而B1组由于碳源不足减慢了反应速率, B3组由于碳源过剩耗氧, 造成缺氧而致反应不完全[图 3(c)].通过Pearson相关性分析, 得到DTN与NH₄⁺-N变化呈显著正相关(r=0.84, n=21, P < 0.001), 表明氮素的去除主要受氨氮降解进程的限制.不同形态氮的去除效果显示[图 3(c)和3(d)], NO₃^--N的去除较完全, 均达70%以上[图 3(d)].实验结束时, TN去除率由高到低的顺序为：B2(81.34%)>B1(68.94%)>B3(61.48%), B2组(碳氮比=5.93)对氮的去除效果最优.

图 3

Fig. 3

图 3 不同碳氮比下苦草黑藻植物塘对总氮、溶解性总氮、氨氮、硝氮的去除效果 Fig. 3 Effect of different C/N ratios on the removal of TN, DTN, NH4+-N, and NO3--N from water

实验初期, 磷元素浓度迅速下降, 这是由于最初碳源充足, 且塘内DO浓度高[图 4(d)], 聚磷菌在好氧条件下吸收磷, 并以多聚磷酸盐的形式蓄积在体内^[11], TP浓度迅速降低[图 4(a)], B1、B2组的去除率超过60%, B3组达33.81%, DTP浓度去除率高于总磷去除率[图 4(b)], 说明PO₄^3--P被吸附到颗粒物表面被固定.第5 d时, 伴随着有机物等还原性物质的降解, 塘内缺氧, 聚磷菌在缺氧环境下利用碳源释磷, 导致水体PO₄^3--P的浓度持续上升[图 4(c)], 和第3 d相比, B3组浓度升高最多, 由0.02 mg·L^-1升高至0.49 mg·L^-1, 说明B3组的底泥磷释放最剧烈, 这是由于B3组添加的碳源过多, 是3组中水体还原性最强的^[20].第9 d时, B1、B2组随着水中还原性物质的减少和植物释放氧气, 水体DO逐渐升高[图 4(d)], 聚磷菌重新吸收磷, B1、B2组的TP浓度降至0.36 mg·L^-1、0.32mg·L^-1, 去除率达65.67%、67.87%.实验结束时, TP去除率由高到低的顺序为：B1(69%)>B2(68.26%)>B3(26.13%), 因此B1组(C/N=1.89)对磷的去除效果最优.

图 4

Fig. 4

图 4 不同碳氮比下苦草黑藻植物塘对总磷、溶解性总磷、磷酸盐的去除效果及溶解氧浓度的变化 Fig. 4 Effect of different C/N ratios on the removal of TP, DTP, PO43--P, and the concentration of DO in water

实验初始, 由于投加的葡萄糖为低分子有机碳源, 容易被氧化分解, 易被反硝化细菌和聚磷菌利用, 所以第3 d时, 高锰酸盐指数浓度迅速下降(图 5), 在后期的运行过程中, 高锰酸盐指数缓慢下降, 最终3组的高锰酸盐指数浓度相差不大：B1(6.99 mg·L^-1)<B2(7.2 mg·L^-1)<B3(9.78mg·L^-1), B1、B2、B3在运行周期内高锰酸盐指数降解量分别为1 301.33、3 372.64、5 261.9 mg. B1组在第7 d时, 已趋于稳定, 剩余的碳源较难被微生物利用; B2组对TN、TP的去除率高于B3组, 然而投加碳源量远低于B3组, 说明B2组已经为系统提供了足够的碳源, B3组过量的碳源不仅没有促进氮磷的去除, 反而剩余的耗氧性碳源物质难以被降解造成了水体缺氧.

图 5

Fig. 5

图 5 不同碳氮比下苦草黑藻植物塘对有机物的去除效果 Fig. 5 Effect of different C/N ratios on the reduction of permanganate index in the water

上述实验结果显示, 几种沉水植物的不同组合方式中, 苦草和黑藻组的综合净水效果最佳, 这可能是由于轮叶黑藻的耐污能力强^{[21, 22]}, 生长速度快, 可快速吸收营养盐用于自身生长, 轮叶黑藻对氮、磷的去除能力优于穗状狐尾藻, 该结论与潘保原等^[23]的研究结果一致.苦草发达的根系有利于固定沉积物, 防止颗粒物质再悬浮, 提高水体透明度, 为沉水植物的生长提供充足的光照和良好的水下光环境^[24], 其根系泌氧, 改善底泥的厌氧状态, 抑制了底泥磷的释放.刘玉超等的研究表明^[25], 轮叶黑藻以吸收水体中营养物质为主, 苦草以吸收底泥中营养为主, 利用两者的协同作用可以增加沉水植物自身对氮、磷的吸收作用^[26], 提高沉水植物塘对污染物的去除效果, Han等^[27]的研究也同样表明多物种水处理系统的净水效果优于单物种.凡有穗状狐尾藻的植物组合均较浑浊, 水力停留时间达7 d以上才逐渐澄清, 较低的透明度极大地影响了沉水植物的生长和净化效果, 在实验后期对水体的去除率才逐渐上升, 需要较长的水体停留时间才能净化水质, 这在实际工程中是难以实现的.另外穗状狐尾藻有冠层位置的优势, 能够漂浮在水面上遮挡阳光, 使其他植物处于中下层位置, 使其生长受到抑制^[28], 特别是苦草, 甚至出现了叶片枯黄脱落现象.同时值得注意的是, 空白组对氮、磷均有一定去除效果, 在无植物的水体中同样也进行着硝化反硝化过程和磷沉降, 此外, 实验过程中观察到空白组有较多藻类长出, 藻类通过生长繁殖将一部分氮、磷固定在体内, 提高水体溶解氧.各实验组均未见明显藻类, 与空白组对比可知沉水植物具有抑藻效应, 表明沉水植物塘适合用于净化富营养化水体^[29].另外, 结果显示在实验周期内, TN、TP的去除率均为先增加后降低的规律, 因此并非停留时间越长越好, 需选择合适的停留时间, 并及时补充氮源, 提高微生物活性, Chen等^[14]的研究结果显示海菜花的净水效果在前4 d的去除率为正, 之后将随时间变化而下降, 水力停留时间不宜超过4 d.

苦草黑藻组沉水植物塘调节C/N为5.93时, 对污染物的综合去除效果最佳, 对氮、磷、有机物的去除率分别为81.34%、68.26%、88.65%.较高的C/N会造成碳源过剩, 引起水体厌氧, 抑制了亚硝化、硝化细菌的活性^[30], 而且酸性环境将会抑制氨的挥发, 不利于NH₄⁺-N的去除.高C/N制造的厌氧环境亦加速了底泥的NH₄⁺-N、PO₄^3--P释放, 从而降低了污染物去除率.系统在较低的C/N条件下运行时, 不足以为氮素的硝化反硝化过程提供必需的碳源, 限制了系统对氮的去除效果.磷在实验初始时主要通过絮凝吸附和微生物的新陈代谢的作用去除, 实验后期, 在塘内好氧和缺氧的交替环境中, 微生物反复吸、放磷, 使得磷浓度在持续动态变化中^[31].低C/N对磷的去除效果影响较好, 说明好氧的环境更有利于磷素的吸收沉降.因此, 适当的C/N可以为反应过程提供碳源, 一定数量的碳源还可分解为CO₂, 促进植物光合作用, 还可以形成在植物根区的还原态介质中形成氧化态微环境, 使有氧区域和无氧区域共同存在, 有利于充分发挥微生物降解有机污染物的作用^[13]. Pearson相关性分析显示, PO₄^3--P的去除效果与DO浓度变化呈显著负相关(r=-0.7, n=21, P < 0.001), 表明影响PO₄^3--P的去除的关键因素是水体氧化还原环境, 因此说明C/N主要是通过影响水体氧化环境来影响污染物的降解过程.本实验只研究了以葡萄糖作为碳源的情况, 在实际工程中有机物的种类和比例较为复杂, 不同碳源和C/N对沉水植物塘的综合影响需进一步深入探究.

为探究实际工程中沉水植物塘对污水的净化效果, 于2016年对巢湖入湖口的南淝河旁路湿地净化系统中的沉水植物稳定塘单元进行长期监测, 共获得有效数据6次.该稳定塘长40 m, 宽17 m, 深1.2 m, 塘内混合种植苦草和黑藻.进水TN浓度为8~15 mg·L^-1, 进水TP浓度为0.3~0.74 mg·L^-1, C/N为0.73~2.98, 不同C/N条件下的氮磷去除效果如图 6.

图 6

Fig. 6

图 6 南淝河旁路沉水植物稳定塘在不同碳氮比条件下对总氮、总磷的去除率 Fig. 6 Effect of different C/N ratios on the removal of TN and TP in the submerged macrophyte pond of the Nanfei River

结果表明, 随着C/N的改变, 氮磷去除率也表现出规律性的变化, 5月和9月的C/N分别为4.96、6.27, 这两个月的氮磷去除率也达到最高值, 约30%~40%, 在4月、6月、8月较低或较高C/N的条件下, TN去除率较5月、9月有所降低, 而TP去除率有较大幅度的降低. 2月和4月的污染物去除效果较差, 甚至出水浓度高于进水浓度是由于该地区5~10月为沉水植物生长茂盛期, 初春时节沉水植物生长暂缓甚至死亡.因此, 南淝河旁路湿地净化系统中的沉水植物稳定塘季节性的监测结果表明, 沉水植物可以显著增强稳定塘的净水效果, 并且在中等水平C/N(C/N≈5)条件下, 对污水的净化效果较优, 与上述模拟实验得到的结论相符合.

(1) 3种常见沉水植物(苦草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻)组合构建7种沉水植物塘中苦草与轮叶黑藻组合对污水的综合净化效果最佳, 对于TN的平均去除率达到32.71%, TP的平均去除率达到22.13%.

(2) 苦草和轮叶黑藻组合构建沉水植物塘中进水设置低、中、高(1.89、5.93、12.09)3个C/N梯度, 中等C/N条件下(C/N=5.93)对污水的综合净化效果最佳, 对TN、TP和高锰酸盐指数的平均去除率达到81.34%, 68.26%, 90.05%.

(3) 实验结果表明, 不同的沉水植物类型组合构建沉水植物稳定塘能取得比单种植物塘更好的去污效果, 并且C/N对于沉水植物塘的去污效果有着显著的影响, 通过投放碳源或氮源物质, 改变污水的碳氮比, 能够有效提升沉水植物塘的去污效果.