不同类型水生植物组合去除氮磷效果探索

引言

水体富营养化是目前最突出的水环境问题之一,富营养化水体的修复通常有物理、化学等方法,但传统方法等净水方式存在成本高、耗时长、易造成二次污染等缺陷。

水生植物在水生态系统物质、能量循环中具有重要作用,农业面源污染,城市污水处理,以及富营养水体治理中普遍采用水生植物修复技术,具有投资省、见效快、极少再次污染、管理维护方便的优势,并可以同时兼顾生态效益与经济利益。

目前大多数研究选择单一水生植物，但开展单一水生植物净化模拟试验具有其自身局限性,自然界中极少孤立的单植物生态环境,单一的净化环境现实中难以存在,多植物系统更贴近自然生态环境。本研究选取常见且具有一定观赏或经济价值的水生植物,在室外自然光温条件下进行更贴近自然环境的水生植物组合净水试验,研究不同水生植物组合对氮磷去除效果,水环境生态修复工程提供理论依据。

实验设计

本次实验设置低、中、高三种氮磷浓度,每种浓度观测池各3个,TN、TP设置浓度分别为20mg/L和10mg/L、11.5mg/L和6mg/L、2mg/L和0.5mg/L,当地常见浮萍、茭白、金鱼藻、黄花鸢尾、睡莲5种水生植物,分别组成“挺水+浮漂”、“挺水+浮叶”、“挺水+沉水”3种植物组合，另设置中茭白池、浮萍池、金鱼藻池、睡莲池、黄花鸢尾单种池各一个,总共14个观测池。

每月1号、16号采样,至实验结束,共取9次水样,9组数据。取最后一次水样,测定TN、TP值。连根拔出所有水生植物,洗净根部泥土,阴干,分类称取所有水生植物生物量,试验完成。

初始氮磷浓度实测值

结果与分析

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金鱼藻+黄花鸢尾组合对TN、TP去除效果

金鱼藻+黄花鸢尾组合在三个浓度下去除效果有一定差别,中低浓度下去除效果相差不大,TN、TP去除量仅相差0.12、0.17mg/L,高浓度下金鱼藻于5月上旬死亡,且无野生金鱼藻生长,TN、TP去除效果较差为所有植物组合中去除效果最差,金鱼藻+黄花鸢尾三个浓度TN、TP去除量之间具有一定差异但不显著。

低浓度下金鱼藻+黄花鸢尾TP去除率达到92.78%,为所有植物TP去除率中最高值,这是因为一方面黄花鸢尾除磷效果较好,另一方面金鱼藻为沉水植物,扎根于底泥后可削弱水面空气流动的干扰,有利于磷元素沉降,茎叶亦可吸收部分磷元素,加上该池水体初始磷浓度较低,使得该池去TP去除率最高。

中浓度下金鱼藻+黄花鸢尾TN、TP去除效果略微上升0.、0.mg/L,总生物量也较低浓度高g。

高浓度下虽去除效果较差,但黄花鸢尾生物量较高达g,为黄花鸢尾生物量最高值,说明黄花鸢尾在较高氮磷浓度下生长更好。

由下图可知,7月中旬前中浓度下TN、TP去除量低于中浓度,8月16日中浓度去除效果高于低浓度,可能是7~8月中浓度下水生植生物量增加较快,对水体中氮磷需求较大所致。

2睡莲+黄花鸢尾组合对TN、TP去除效果

睡莲+黄花鸢尾组合低、中、高浓度下TN、TP降低0.mg/L和0.mg/L、1.mg/L和0.mg/L、1.mg/L和0.mg/L,中、低浓度下睡莲+黄花鸢尾组合与金鱼藻+黄花鸢尾组合去除特点类似,三个浓度下TN与TP去除效果无显著性差异。(如下图)。

3浮萍+茭白组合对TN、TP去除效果

浮萍+茭白在三个浓度下去除效果去除效果差别较大,TN、TP去除效果为中浓度(3.、0.mg/L)高浓度(1.、0.mg/L)低浓度(1.、0.mg/L),可以看出,中等浓度水体中TN去除远高于其他两个浓度,比高浓度和低浓度分别高出1.、1.mg/L,高浓度与中浓度TN去除具有显著性差异(P0.05),而TP去除量在中浓度水体中比低浓度和高浓度高0.、0.mg/L,各浓度之间TP去除相差较小,未达到显著差异。

三个浓度下浮萍+茭白组合去除效果均很好,因自身独特的优势:

(1)试验检测的氮磷为可溶性氮磷,浮萍为浮漂植物,体积小,数量多,分株速度快,根系直接深入水中吸收水中氮磷;

(2)根系比表面积大,为硝化与反硝化提供生发空间,提高氮类去除速率;

(3)密集根系为以氮磷为食的微生物提供生长空间,促进氮磷去除;

(4)浮萍生长过程中,加入人工干预,4~6月浮萍生长极快,铺满观测池即收割半池,客观上氮磷转移。而其余水生植物或组合,根系部分扎根于底泥中,依靠部分根系、茎干、叶柄、叶片,吸收与吸附氮磷能力有限,去除能力不如浮萍+茭白组合。

高等浓度下水生植物组合去除TN、TP过程与低浓度下类似,TN去除率总体表现为先减后增,最后逐渐减少趋势,第15、75d和d去除分别为0.52%、8.16%、10.00%。TP去除速率呈现先增后减趋势,第75d,d分别为4.45%,5.71%,TN、TP的去除皆存在较明显的时间阶段性(如下图右)。

结论与讨论

①各种水生植物组合对TN去除效果比较：浮萍+茭白（浮叶+挺水）＞组合的TN去除量与金鱼藻+黄花鸢尾（沉水+挺水）＞睡莲+黄花鸢尾（浮叶+挺水）

②各种水生植物组合对TP去除效果比较：浮萍+茭白组合（浮叶+挺水）与金鱼藻+黄花鸢尾（沉水+挺水)具有显著性差异(P0.05)。金鱼藻+黄花鸢尾（沉水+挺水)和睡莲+黄花鸢尾（浮叶+挺水）的去除差异性较小。

③不同浓度下各种水生植物组合对TN、TP去除效果比较：

浮萍+茭白（浮叶+挺水）组合中,中浓度下去除TN、TP效果最好,分别比低、高浓度高1.、0.mg/L和1.、0.mg/L。

金鱼藻+黄花鸢尾（沉水+挺水)组合中,中浓度下去除效果最好,TN、TP去除总量分别比低、高浓度高0.、0.mg/L和0.、0.mg/L。

睡莲+黄花鸢尾（浮叶+挺水）组合中,高浓度下去除效果最好,TN、TP去除量分别比中、高浓度高0.、mg/L和0.、0.mg/L。

④各组合存在的问题：

睡莲+黄花鸢尾组合池中,睡莲叶片浮于水面,易对黄花鸢尾幼苗时期造成影响,使部分幼苗其长期无法伸出水面无法发生光合作用生长缓慢或死亡,但高浓度下病、黄莲叶摘除,实际上也完成了氮磷转移。

浮萍+茭白组合池中,低浓度池中氮磷量在4~6月上旬已去除绝89%以上,虽6月份仍是浮萍生长旺季,但该池浮萍生长速度明显减缓,仅收割3~4次,可能是是池中氮磷不足,若该池补充足量氮磷,浮萍很可能会继续生长,持续消耗水体中氮磷至6月底。

金鱼藻+黄花鸢尾组合池中,中、低浓度下金鱼藻+黄花鸢尾去除效果更好,TN、TP去除量分别为1.、0.mg/L和0.、0.mg/L,5月后高浓度下仅剩黄花鸢尾,净化效果在组合中最差。

由下图可知,总体上去除氮效果较好的植物组合去磷效果也较好,TN与TP去除效果呈显著正相关(P0.05),同时又具有各自的特点。

金鱼藻+黄花鸢尾（沉水+挺水)除磷效果较好,是因为该组合黄花鸢尾生长旺盛,除磷效果较好,金鱼藻除根吸收外,茎叶也能发挥吸收吸附作用。高浓度金鱼藻+黄花鸢尾为所有植物组合去除效果最差,原因是该组合金鱼藻较早死亡,实际上与单一植物去除效果无明显差异。

氮、磷是植物生长基本物质构成,合理氮磷浓度有利于水生植物生长,过低的氮磷使水生植物缺乏物质补充。

试验中高浓度下浮萍+茭白去除效果并不如中浓度,4月21日至6月24日共收割3次,生物体生长较慢,过高的氮磷对水生植物产生氮胁迫和磷胁迫,阻碍水生植物健康生长。金鱼藻+黄花鸢尾、睡莲+黄花鸢尾在去除TN果上相差较小。

不同水生植物组合氮磷去除量

综合比较得出,TN去除效果上,浮萍+茭白、金鱼藻+黄花鸢尾在中浓度下,睡莲+黄花鸢尾在高浓度下去除效果最好。TP去除效果上,浮萍+茭白、金鱼藻+黄花鸢尾在中浓度下去除效果最好,睡莲+黄花鸢尾在高浓度下去除效果最好。