水生植物组合净化受污染河道研究

李秀芳，王 龙，聂煜东，徐宇峰

(1. 徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140；2. 重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123； 3. 重庆工商大学，重庆 400067；4. 河北工程大学，河北 邯郸 056038)

城市河道是城市生态环境的重要组成部分，在城市防洪排涝、生态维持、景观改善、小气候调节、及生态用水等方面有着不可替代的作用。但近年来，随着城市化进程的加剧，部分生活污水、工农业废水及受污染雨水未达标排河现象越加严重，众多城市景观水体均已出现不同程度的污染，同时，景观水体流速慢，复氧能力差、自净能力有限，易导致藻类大量繁殖，破坏水体生态平衡，进一步加剧了城市水体富营养化程度[1]。

水体富营养化是城市景观河道所普遍面临的关键问题[2,3]。而治理水体富营养化的核心在于控制水体中氮磷等营养盐浓度，防止藻类产生“水华”或“湖靛”现象[4]。植物修复技术是一项针对受污染河道的生态型修复技术，具有效果好、投资省及二次污染低等特点，适用于河道的大规模修复。近年来，利用植物修复原理建立的生态浮床、植物塘、人工湿地等水陆生植物修复技术已在治理富营养化水体方面取得了一定的进展和突破[5-7]。

通过对以往的研究分析可以发现，不同植物对营养盐的降解效果差异较大，即，同一植物对水体中某一类营养盐去除效果较好，而对其他营养盐的去除效果相对较差，这说明单一植物类型很难对水体中所有营养盐类均有较好的降解效果[8-11]。因此，基于植物类型及其对营养盐的降解率，对植物进行合理的搭配组合，并注重植物组合的生长时效及生态功能，可使植物修复技术对污染物质有更为高效恒久的降解能力。本研究基于前期筛选的三种滏阳河原生水生植物，通过对三种植物的两两结合，构建出狐尾藻组、金鱼藻组、篦齿眼子菜组、狐尾藻-篦齿眼子菜组、狐尾藻-金鱼藻组及金鱼藻-篦齿眼子菜组6种植物栽培形式，通过对富营养化水体的修复实验，分析六组植物的净化效能，应用层次分析法(AHP)建立综合评估模式，评价并确定植物的最佳组合模式。以期为营造具有高效恒久自净能力的生态水景提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 实验设计

表1 沉水植株组合基本情况表 丛

1.2 采样与测试

1.3 层次分析法

层次分析法(AHP)是一种定性和定量相结合的多准则决策分析方法，旨在构建受多因素影响的决策过程。它通过数学方法将决策规划过程中的非系统性问题变换为系统化的层次结构来进行解析，其处理结果更具客观性、准确性和有效性。本文基于对AHP 的污染物去除综合评价模型对植物组合的性能进行了评估。

2 结果与讨论

2.1 实验期间水温及DO的变化

实验期间，水温及DO变化如图1所示。水温变化区间为28.2～34.3 ℃以保证水体中微生物活性较强。各植物组中DO含量均较高，维持在5.5 mg/L以上，这主要是由于实验采用水桶模拟，水深较浅，水体天然富氧能力较高，因此对照组也显现出较高的DO浓度。

图1 实验期间水温及DO的变化

2.2 水生植物对水体中污染物的去除效果

图2 不同沉水植株组对-N的去除效果

图3 不同沉水植株组对TN的去除效果

2.2.2 水生植物对水体中TN的去除效果

横向对比植物组1～6，按照对TN最终去除能力大小进行排序：组6(88.66%)>组5(88.22%)>组2(84.73%)>组4(84.16%)>组1(81.45%)>组3(75.34%)>对照(49.98%)。可以看出，植物组合较植物单体对TN的去除能力更好，3组植物组合对TN的平均去除率为87.02%，而三组植物单体对TN的平均去除率仅为80.51%，同时，从去除率最高的前三项植物组分析，分别为金鱼藻-篦齿眼子菜组、狐尾藻-金鱼藻组及金鱼藻组，说明金鱼藻对TN去除效果较好，从去除率最高及最低的二项植物组分析，分别为金鱼藻-篦齿眼子菜组及篦齿眼子菜组，说明篦齿眼子菜与金鱼藻组合更适宜降解水体中的TN。

图4 不同沉水植株组对TP的去除效果

2.2.3 水生植物对水体中TP的去除效果

各植物组对TP的去除效果如图4所示。各植物组及对照组所处理的水体中，TP浓度的下降趋势与TN等有较大差异。在0～20 d内，各植物组1～6及对照组对TP的去除效果明显，迅速由最初的22.27 mg/L，分别降低至0.29、0.26、0.28、0.18、0.17及0.21 mg/L，去除速率高于对照组(0.44 mg/L)，随后，在20～60 d，植物组2～6对TP的去除效果有较大波动，而植物组1及对照组对TP的去除效果继续保持稳定但略有下降。赵兴云等[22]认为环境中磷的存在形态主要有聚磷酸盐、磷酸盐及有机磷酸盐等，其中易被植物吸收的磷的主要形态为H2PO-4及HPO2-4，其他形态磷则难以被植物吸收。因此磷的去除途径主要包括植株吸收、吸附沉淀及微生物吸收三部分。实验前期水体中TP的去除可能是磷酸盐的沉降及植物吸附作用所致，而后期磷的缓慢下降可能是PAOs菌不稳定的吸释作用[23-25]。至60 d实验结束，各植物组水体中TP浓度分别降低至0.26、0.17、0.21、0.19、0.17及0.19 mg/L，去除率达47.35%、64.54%、58.23%、61.82%、64.01%及60.53%，远高于对照组(24.86%)(P<0.05)。

横向对比各植物组1～6，按照对TP最终去除能力大小进行排序：组2(64.54%)>组5(64.01%)>组4(61.82%)>组6(60.53%)>组3(58.23%)>组1(47.35%)>对照(24.86%)。可以看出，植物组合较植物单体对TP的去除能力更好，3组植物组合对TP的平均去除率为62.12%，而三组植物单体对TP的平均去除率仅为52.71%。

图5 不同沉水植株组对CODMn的去除效果

2.2.4 水生植物对水体中CODMn的去除效果

各植物组对CODMn的去除效果如图5所示。各植物组及对照组所处理的水体中CODMn浓度降低明显。至60 d实验结束，各植物组水体中CODMn浓度分别降低至10.97、11.39、9.61、9.80、10.24及9.97 mg/L，去除率达59.95%、58.43%、64.93%、64.23%、62.63%及63.63%，远高于对照组(47.35%)(P<0.05)。

横向对比植物组1～6，按照对CODMn最终去除能力大小进行排序：组3(64.93%)>组6(63.63%)>组5(62.63%)>组1(59.95%)>组2(58.43%)>对照(47.35%)。可以看出，植物组合较植物单体对CODMn的去除能力更好，3组植物组合对CODMn的平均去除率为63.40%，而三组植物单体对CODMn的平均去除率仅为61.11%，植物组合与植物单体对CODMn的去除能力差异不大。这主要是因为CODMn的降解主要依靠异养微生物完成[26]，异养微生物受温度、溶解氧浓度及CODMn自身性质影响较大。整个实验过程，28.2～34.3 ℃可保证水体中微生物活性较强。各植物组中DO含量均较高，平均维持在5.5 mg/L以上。同时各植物组系统中，植物释放的氧气可促进好氧菌的生长，进一步提升了体系中CODMn去除效率[27,28]。实验后期，随着易降解CODMn的殆尽，实验各组对CODMn的去除均进入平台期，因此其差别不大。

图6 不同沉水植株组对水体中叶绿素的抑制效果

2.2.5 水生植物对水体中叶绿素的去除效果

各植物组对水体中叶绿素的改善效果如图6所示。各植物组及对照组所处理的水体中叶绿素相对降低明显。至60 d实验结束，各植物组水体中叶绿素浓度分别降低至24.79、22.18、20.96、18.09、17.65及17.58 μg/L，远低于对照组(44.58 μg/L)(P<0.05)。

叶绿素含量在一定程度上可以反映水体中藻类丰度[29]，横向对比植物组1～6，按照对水体中叶绿素最终的抑制效果排序：组6(17.58 μg/L)>组5(17.65 μg/L)>组4(18.09 μg/L)>组3(20.96 μg/L)>组2(22.18 μg/L)>组1(24.79 μg/L)>对照(44.58 μg/L)，3组植物组合所处理的水体中叶绿素的最终平均浓度为17.78 μg/L，而三组植物单体所处理的水体中叶绿素的最终平均浓度为22.65 μg/L，植物组合较植物单体对叶绿素的去除能力更好。这主要是因为各类沉水植物分泌的化感物质不同[30]，影响的藻类各异，因此不同沉水植物组合对水体中藻类抑制效果更具广泛性。狐尾藻-金鱼藻组及金鱼藻-篦齿眼子菜组对叶绿素的抑制效果最好。

2.3 AHP对各组水生植物的综合评价

在上述不同植物体系对N、P、COD等的去除实验中，组4的TP去除效率最高，组5的TN去除效率最高，组6在其他污染指标的去除中效率最高，而植物的处理效果需要同时考虑上述所有指标的全过程去除效率，因此需要一个合理的模型对其综合去除效率进行判断。AHP方法已被国际科学界接受为处理复杂决策问题的强大灵活的多准则决策工具。模型评价指标和层次结构，如图7所示，各组污染物指数的权重对最终评估结果有重要影响。根据Saaty[31]提出的AHP理论，结合污染物造成的环境影响及Bottero M等[32]的前期研究，并综合考虑了各组污染物在富营养化诱发方面的环境影响潜值，判断各指标的相对重要性，确定出各污染物的权重(表2)。

表2 指标层各指标对总目标的总排序列

图7 综合性能评价示意图

为了获得各评价指标的无量纲化值，基于国家地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅳ类指标，并参考国家地表水环境质量标准(GHZB1-1999)，将污染参数评价权重进行归一化，公式为：

(1)

式中：ST是无量纲化值；SC表示国家地表水环境质量标准Ⅳ类水标准值；SE表示各组植物处理过程的平均值。

T=∑STWi

(2)

其次，利用公式(2)，将各组无量纲化值进行加和，其中T是综合评估分数。根据无量纲化值ST和权重Wi，通过公式(2)计算得到综合评分T，如表2所示。可以看出，组4最终得分最高，即狐尾藻+篦齿眼子菜组合的效果最好，表明其在水质净化全过程对污染物均有较好地去除效果。

表3 各植物组合在全过程对污染物去除效果的综合评价

3 结 论

(2)6种植物组植物均对TN的去除率达75%以上，同时植物组合较植物单体对TN的去除能力更好，3组植物组合对TN的平均去除率为87.02%，而三组植物单体对TN的平均去除率仅为80.51%，去除率最高的为金鱼藻-篦齿眼子菜组。

(3)6种植物组植物均对TP的去除率达47%以上，植物组合较植物单体对TP的去除能力更好，3组植物组合对TP的平均去除率为62.12%，而三组植物单体对TP的平均去除率仅为52.71%，但去除率最高的植物组为单体金鱼藻。

(4)6种植物组植物均对CODMn的去除率达58%以上，植物组合与植物单体对CODMn的去除能力差异不大，3组植物组合对TP的平均去除率为63.40%，而三组植物单体对CODMn的平均去除率为61.11%。

(5)6种植物组植物均对叶绿素有一定的抑制效果，植物组合较植物单体对叶绿素的抑制效果更好，3组植物组合所处理的水体中叶绿素的最终平均浓度为17.78 μg/L，而三组植物单体所处理的水体中叶绿素的最终平均浓度为22.65 μg/L，其中狐尾藻-金鱼藻组对叶绿素的抑制效果最好。

采用AHP法对各水生植物组合进行综合评价，发现组4最终得分最高，即狐尾藻+篦齿眼子菜组合的效果最好，表明其在水质净化全过程对污染物均有较好地去除效果。

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