隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，污水處理廠建設(shè)的不斷增加，大量工業(yè)、生活污水經(jīng)過污水處理廠處理后排入周邊水體。目前，我國大部分污水處理廠尾水都實現(xiàn)了達標排放，但是仍存在部分污水處理廠尾水不達標的問題，這些未達標尾水含有一定量的氮磷等營養(yǎng)元素，排放到河流、湖泊等水體后增加氮磷負荷，造成水體富營養(yǎng)化，帶來嚴重的環(huán)境問題。

　　水生植物凈化污水具有環(huán)保生態(tài)、經(jīng)濟高效的特點，被認為是傳統(tǒng)水體修復的替代措施之一。近年來利用水生植物凈化污水的研究得到了廣泛的關(guān)注。植物可以通過不同途徑直接或間接地達到去除水體營養(yǎng)鹽的目的。研究認為植物在人工濕地中主要起著以下作用：直接吸收利用污水中可利用態(tài)的營養(yǎng)物質(zhì)、吸附和富集重金屬和有毒有害物質(zhì)，錯綜復雜的根系為微生物吸附生長提供更大的表面積，植物對氧具有輸送、釋放和擴散作用，可以將氧輸送到根部周圍的區(qū)域，在根部形成好氧厭氧區(qū)域，為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣。不同植物對水體營養(yǎng)鹽去除效果不同。徐寸發(fā)等研究了水葫蘆、輪葉黑藻和香蒲對滇池富營養(yǎng)化水體的改善效果，水葫蘆對總氮的去除率最高(86.87%)，輪葉黑藻去除率最低(78.58%)，張瑞斌研究認為挺水植物旱傘草和沉水植物金魚藻的綜合凈化效能較強。生物量也是影響植物凈化效果的重要因素，吳建強等認為不同植物對氮磷的吸收能力主要受生物量的差異影響，劉福興等研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)浮床總覆蓋度越高，去除效果越好;但是關(guān)于生物量對凈化效果影響的研究結(jié)果存在差異，CHEN等對2種不同種植密度的寬葉香蒲的凈化效果進行研究，發(fā)現(xiàn)植物密度對總氮的凈化效果無顯著影響;宋超等研究發(fā)現(xiàn)，過高的種植密度反而不會帶來明顯的凈化效果，因此，關(guān)于生物量對凈化效果的影響仍需要進一步的研究。

　　創(chuàng)設(shè)合適的水體環(huán)境有利于氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)物質(zhì)的去除，不同類型植物對水體環(huán)境的影響存在差異[17-19]，生物量也會影響水體環(huán)境;因此，對不同類型植物和生物量進行研究，根據(jù)不同類型植物和生物量對水體環(huán)境的影響，篩選有利于污染物去除的植物，可以為處理污水處理廠尾水等低污染水體、進一步削減氮磷負荷提供理論依據(jù)。

　　1 材料與方法

　　1.1 材料

　　實驗選取3種不同植物，分別為粉綠狐尾藻、空心菜和苦草凈化污水處理廠模擬尾水。粉綠狐尾藻采自南京師范大學仙林校區(qū)三用河(32°06'09.20″N，118°54'30.35″E)�？招牟送ㄟ^購買幼苗在溫室內(nèi)置于尼龍網(wǎng)上進行水培15 d�？嗖莶捎檬覂�(nèi)培育，選擇大小相似的植株進行培養(yǎng)。實驗基質(zhì)選取太湖淤泥，采回后充分混勻，保持每個實驗組添加的淤泥相同，排除底泥中營養(yǎng)鹽對水生植物凈化效果的影響。實驗水體根據(jù)前期對江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)污水處理廠尾水氮磷濃度的監(jiān)測模擬配制而成。

　　1.2 實驗處理

　　實驗采用高63 cm，桶口直徑50 cm的PVC桶。每個塑料桶水的體積為80 L，底層鋪設(shè)5 cm左右的淤泥，實驗模擬的尾水配置方法為：硝氮用KNO3配制，稱取4.62 g，氨氮用NH4Cl配制，稱取0.62 g，總磷用KH2PO4配制，稱取0.35 g，溶解后倒入80 L的水中，濃度如表1所示。3種水生植物用自來水馴化2周后，選取生長旺盛、大小相似的植株進行尾水凈化實驗。每個植物設(shè)4個生物量水平處理組(表2),每種植物生物量均按照質(zhì)量比為1:2:3:4進行配置。每個處理重復3次，定期用自來水補充蒸發(fā)水量以保證體積恒定。實驗在南京師范大學生態(tài)修復平臺溫室內(nèi)進行，實驗從2017年6月7日至7月6日，平均溫度為27 ℃。

　　表1 污水處理廠模擬尾水初始氮磷濃度

　　表2 3種水生植物初始生物量

　　1.3 取樣與測試

　　實驗期內(nèi)采樣8次，在實驗的第0、2、5、10、15、20、25、30天采集水樣，測定總氮、總磷、氨氮、硝氮、亞硝氮、DO、pH，同時測定植物生物量等指標。生物量的測定方法是將水生植物從實驗桶中取出，用吸水紙吸干水分后稱重。如遇有水生植物破敗、死亡情況，及時撈出，不計入生物量。總氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-1989)測定，總磷用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-1989)測定，硝態(tài)氮用Auto Analyzer 3 連續(xù)流動分析儀(德國Bran Luebbe公司)測定;DO和pH用美國HACH生產(chǎn)的HQ30d便攜式溶氧、pH測試儀進行測定。采用Excel 2016統(tǒng)計數(shù)據(jù)，Origin 9.0軟件繪制圖表，采用SPSS17.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，采用Two-way ANOVA進行方差分析。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 3種水生植物的生長特征

　　各組植物均表現(xiàn)出初期生物量增加較快，后期增加有所放緩。苦草和粉綠狐尾藻生物量隨時間呈不斷增加趨勢�？招牟颂幚斫M生物量初期上升速度較快，葉片快速生長，在實驗第15天，空心菜各生物量處理組(B1~B4)分別增加了3.6、1.9、1.5、1.4倍，高生物量處理組在實驗初期便覆蓋了整個生長區(qū)域，但是生物量達到峰值后，開始不斷下降，可能是生物量限制了植物的生長，造成植物葉片衰亡，長勢減弱(圖1)�？招牟�(B1)處理組在實驗周期內(nèi)持續(xù)生長，但是后期長勢減緩，說明其生長也受到了生物量的影響�？嗖萆�物量在實驗周期內(nèi)葉長和生物量持續(xù)增加，但是增加量較小，可能是苦草經(jīng)過前期培養(yǎng)，逐漸達到生長穩(wěn)定期。高粉綠狐尾藻生物量處理組隨著時間增加，生物量達到了4種水生植物全生長周期的最大生物量，為1 398.20 g。

　　圖1 3種水生植物生物量變化

　　2.2 3種水生植物對尾水溶解氧和pH的影響

　　不同植物對水體溶解氧含量影響存在差異，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物水體DO平均值分別為10.47、3.30和2.89 mg·L−1�？嗖菟�體DO濃度最高，空心菜水體DO最低�？嗖菘梢燥@著提高水體溶解氧含量，其他2種植物由于覆蓋在水面，DO含量顯著低于苦草水體。苦草DO初期增加較快，由6 mg·L−1快速增加10 mg·L−1以上，而另外2種植物DO則隨時間不斷下降(圖2)。生物量對水體DO濃度存在影響，苦草和粉綠狐尾藻DO濃度均隨生物量增加，呈下降趨勢�？招牟怂�體DO濃度受植物生長狀況影響，不同生物量處理組變化趨勢存在差異。最低生物量處理組(B1)在整個凈化周期內(nèi)均呈現(xiàn)上升趨勢，植物覆蓋度不斷增加，到實驗結(jié)束已基本覆蓋全部水面。而其DO隨生物量增加，呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢，另外3個空心菜處理組，在實驗后期均表現(xiàn)出一定的密度脅迫，植物有所衰敗�？瞻讓φ赵谡麄�實驗周期內(nèi)呈現(xiàn)初期快速上升，后期不斷下降，苦草溶解氧基本均大于空白對照，空心菜和粉綠狐尾藻水體DO濃度顯著低于空白對照。對溶解氧含量進行方差分析，結(jié)果表明，第5、15和30天，水體溶解氧受植物類型影響極顯著(P≤0.01)，生物量對溶解氧含量影響較小。

圖2 不同水生植物和生物量對污水溶解氧含量的影響

　　不同植物處理水體pH有所不同，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物水體pH平均值分別為8.94、7.46和7.30。pH變化與DO相似，苦草水體pH顯著高于其他2種植物�？嗖菟�體pH開始時快速上升，20 d上升到最高，各組pH均高于9.68，粉綠狐尾藻和空心菜水體pH均隨時間呈現(xiàn)波動上升的趨勢(圖3)。水體pH受生物量影響，但整體差異不顯著�？嗖菟�體pH隨生物量增加呈下降趨勢。最高空心菜生物量處理組(B4)在實驗初期pH低于最低空心菜生物量處理組(B1)，后期高于最低空心菜生物量處理組�？瞻讓φ誴H呈先升高、后降低的趨勢。苦草水體pH大于空白對照，粉綠狐尾藻和空心菜處理組水體均低于空白對照。對pH進行方差分析，結(jié)果表明，第5、15和30天，受植物類型影響顯著(P≤0.05)，生物量對pH影響較小。

　圖3 不同水生植物和生物量對污水pH的影響

　　2.3 3種水生植物對氮的去除效果

　　2.3.1 總氮的去除效果

　　實驗結(jié)果表明，除苦草外，其他2種水生植物凈化效果均高于空白對照。總體上，3種水生植物對TN均具有較好的去除效果�？嗖荨⒎劬G狐尾藻、空心菜3種植物對水體TN去除效果存在差異，對水體TN去除率(30 d)平均值分別為95.28%、92.58%和81.98%。粉綠狐尾藻對水體TN凈化效果最好，苦草凈化效果最差。粉綠狐尾藻和空心菜水體TN在前15 d下降較快，15 d以后，水體TN濃度逐漸達到平衡，之后保持穩(wěn)定在較低水平(圖4)。生物量對植物凈化效果存在影響，在第0～15天，粉綠狐尾藻TN濃度與種植密度呈現(xiàn)良好的負相關(guān)關(guān)系(R=−0.989，P<0.05);第15天后，種植密度對總氮的去除已無明顯差異，苦草生物量對TN去除效果影響不顯著。空心菜水體TN凈化效果受植物生長情況影響，最低生物量處理組(B1)凈化效果最好，其他生物量處理組后期出現(xiàn)葉片凋亡，導致凈化效果低于最低生物量處理組，各生物量處理組最終凈化效果無顯著差異。苦草處理組TN在凈化周期內(nèi)持續(xù)勻速降低，高生物量處理并未表現(xiàn)出高去除效果。方差分析結(jié)果表明，30 d去除效果，受植物類型影響顯著(P<0.05)，生物量對凈化效果影響較小。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖4 不同水生植物和生物量對總氮凈化效果的影響

　　2.3.2 氨氮的去除效果

　　3種水生植物對氨氮去除效果存在差異，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物對水體氨氮去除率平均值(30 d)分別為95.30%、94.10%和91.27%�？嗖輰λ�體氨氮凈化效果最好，3種植物均表現(xiàn)為前期快速下降，5 d后逐漸穩(wěn)定(圖5)。凈化周期內(nèi)，各生物量處理組凈化效果無顯著差異。最低空心菜生物量處理組(B1)在10 d后，氨氮降到最低，低于其他生物量處理組，這可能是由植物生長情況變化引起的。實驗期間，空白對照水體氨氮下降顯著，效果好于空心菜，低于苦草和粉綠狐尾藻。對氨氮去除效果進行方差分析，結(jié)果表明，實驗初期(5 d)，植物類型對氨氮凈化效果影響顯著(P<0.05)，實驗末期(30 d)，植物類型和生物量對氨氮凈化效果影響較小。

圖5 不同水生植物和生物量對氨氮凈化效果的影響

　　2.3.3 硝氮的去除效果

　　硝氮的去除效果和總氮具有一致性。3種水生植物對硝氮的去除效果較好。植物對水體硝氮去除效果存在差異，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物對水體硝氮去除率(30 d)平均值分別為98.50%、98.13%和89.06%。粉綠狐尾藻對水體硝氮凈化效果最好，苦草凈化效果最差。粉綠狐尾藻和空心菜均表現(xiàn)為前期快速下降，后期逐漸穩(wěn)定，穩(wěn)定時間在第20天。苦草水體硝氮在前期差異不大，后期隨生物量增加凈化效果提高，粉綠狐尾藻前期隨生物量增加凈化效果升高，后期無顯著差異(圖6)。最低空心菜生物量處理組(B1)第10天后，硝氮低于其他生物量處理組，這與最低生物量處理組生長狀況最好有關(guān)。對硝氮去除效果進行方差分析，結(jié)果表明，實驗中期(15 d)，植物類型對去除效果影響極顯著(P<0.01)。實驗末期(30 d)，植物類型和生物量對硝氮凈化效果影響較小。

圖6 不同水生植物和生物量對硝氮凈化效果的影響

　　2.3.4 亞硝氮的含量變化

　　不同植物對水體亞硝氮含量存在顯著影響，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物水體亞硝氮含量平均值分別為60.29、54.06和30.88 μg·L−1，空心菜水體中亞硝氮含量最高，苦草亞硝氮含量最低�？招牟撕头劬G狐尾藻水體中亞硝氮含量均表現(xiàn)為，實驗初期逐漸升高，達到峰值后逐漸降低(圖7)。最高空心菜生物量(B4)水體亞硝氮含量在第5天達到峰值，為455.60 μg·L−1。粉綠狐尾藻2個高生物量處理組(B3、B4)峰值出現(xiàn)在前5 d，2個低生物量處理組(B1、B2)峰值出現(xiàn)在第10天，高生物量的峰值出現(xiàn)較低生物量的提前。苦草水體亞硝氮隨時間緩慢上升，亞硝氮隨生物量降低而升高，苦草水體亞硝氮濃度低于空白對照。

　圖7 不同水生植物和生物量對亞硝氮產(chǎn)生量的影響

　　2.4 3種水生植物對總磷的去除效果

　　實驗結(jié)果表明，不同水生植物對水體總磷去除效果不同，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物對水體總磷去除率(30 d)平均值分別為95.80%、87.17%和86.24%，水生植物對總磷的平均凈化效果均高于空白對照�？嗖輰λ�體總磷凈化效果最好，粉綠狐尾藻凈化效果最差。3種植物水體總磷濃度在前10 d下降較快，10 d以后，水體總磷濃度逐漸達到平衡(圖8)。生物量對植物總磷凈化效果存在影響，苦草水體總磷在實驗前期隨生物量增加，凈化效果升高，但不同生物量凈化效果整體差異不顯著�？招牟藘艋�效果受植物生長情況影響，最低生物量處理組(B1)凈化效果最好，處理組(B2)在實驗后期出現(xiàn)總磷濃度上升的情況，分析是由于植物殘體打撈不及時所致。方差分析結(jié)果表明，實驗初期(5 d)，植物類型對總磷凈化效果影響顯著(P<0.05)。

圖8 不同水生植物和生物量對總磷去除效果的影響

　　3 討論

　　在整個實驗階段，苦草和粉綠狐尾藻的生物量隨時間呈不斷增加趨勢，且對總氮和總磷有良好的去除效果�？招牟嗽趯嶒炃捌谝脖憩F(xiàn)出上述現(xiàn)象，后期受到高密度脅迫，出現(xiàn)衰亡，生物量下降。第5、15、30天，植物類型對水體溶解氧和pH影響顯著(P<0.05)。沉水植物可以通過光合作用向水體輸送氧氣，造成苦草處理組DO顯著高于其他2種植物處理組�？招牟撕头劬G狐尾藻處理組溶解氧低于空白對照，說明和植物覆蓋比，敞水有利于復氧。另外，空白處理組有藍藻大量繁殖，藻類在光照強烈的時候，光合作用也會相對較強，向水體釋放O2，水體DO升高�？嗖菟�體pH高于其他2種植物，沉水植物通過光合作用消耗水體中CO2，甚至包括HCO3−游離出的CO2，造成苦草處理組pH前期持續(xù)升高，實驗后期，水體pH降低，原因可能是植物向水體釋放酸性物質(zhì)�？瞻滋幚斫MpH實驗初期呈上升趨勢，由于空白組缺乏植物，藻類大量繁殖，藻類在光照強烈的時候，通過光合作用向水體中釋放OH−，使水體pH增加[23]，后期藻類死亡分解，水體pH出現(xiàn)下降。

　　總氮凈化效果(30 d)受植物類型影響顯著(P<0.05)。粉綠狐尾藻對總氮凈化效果好于其他2種植物，從去除總氮角度，粉綠狐尾藻可以作為污水凈化的先鋒物種。實驗前期，粉綠狐尾藻TN濃度與種植密度呈現(xiàn)良好的負相關(guān)關(guān)系 (R=−0.989，P<0.05)�？偟�去除途徑主要是水生植物對營養(yǎng)鹽氮素的吸收和微生物的硝化-反硝化作用，以及基質(zhì)的吸附沉淀作用。生物量高時吸收能力較強，同時，更大的根表面積也為微生物附著提供了空間，有利于氮素的去除。高粉綠狐尾藻生物量處理組的凈化效果最好，而其他2種水生植物高生物量處理組凈化效果反而低，說明過高的生物量并不會帶來更好的凈化效果，這與宋超等的研究結(jié)果一致。植物的生長情況對凈化效果會產(chǎn)生影響，在空心菜處理組，低生物量生長情況最好，生物量在實驗周期內(nèi)持續(xù)升高，凈化效果后期逐漸好于其他處理組，而其他高生物量處理組則出現(xiàn)衰亡，后期凈化效果不顯著，說明最低空心菜生物量處理(B1)有利于總氮的去除�？嗖�、粉綠狐尾藻、空心菜3種植物凈化總氮最佳生物量分別為157.50、460.80和1 120.00 g。

　　水體中氨氮的去除途徑包括植物直接吸收、吸附沉淀作用、硝化反硝化以及揮發(fā)等途徑。氨氮初期(5 d)凈化效果受植物類型影響顯著(P<0.05)，不同類型植物對氨氮的凈化效果(30 d)無顯著差異�？嗖輰Π钡�的凈化效果最好，這與苦草處理組水體中較高的DO有關(guān)，氨氮在好氧環(huán)境下可以迅速轉(zhuǎn)化為低價態(tài)的亞硝氮和硝氮，因此，氨氮在實驗前2 d快速下降，而硝氮下降不明顯且有回升，這是由于氨氮向硝氮轉(zhuǎn)化造成硝氮增加的緣故。另外，苦草的吸收也是氨氮去除的重要途徑。在各植物處理組內(nèi)，生物量對凈化效果無顯著差異，低空心菜處理組氨氮凈化效果好于其他生物量處理組，這是由于低生物量處理給空心菜生長創(chuàng)造了良好的空間，在整個實驗周期，低空心菜處理組生物量持續(xù)增加，說明植物生長狀況對氨氮凈化效果有重要影響。

　　硝氮是污水中總氮的主要成分，硝氮的去除效果與總氮具有較強的一致性，硝氮去除的主要途徑包括植物吸收、硝化反硝化等，研究認為反硝化是硝氮去除的主要途徑[28]。實驗中期(15 d)，植物類型對硝氮去除效果影響極顯著(P<0.01)。狐尾藻對硝氮的凈化效果最好，分析原因是由于狐尾藻生物量較大，對硝氮具有較強的吸收能力，另外，在粉綠狐尾藻處理組，DO濃度較低，這也為硝化反硝化創(chuàng)造了條件，促進了硝氮的去除。

　　亞硝氮是硝化反硝化的中間產(chǎn)物，亞硝氮產(chǎn)生量受植物種類影響顯著，沉水植物苦草水體亞硝氮含量顯著低于其他2種植物，這和不同植物處理下水體DO有關(guān)，苦草水體DO最高，有利于硝化反應(yīng)的充分進行，而其他2種植物處理由于較高的覆蓋度，導致DO較低，所以硝化反應(yīng)不完全，造成亞硝氮含量較高。這說明種植沉水植物可以改善水體環(huán)境，降低水體亞硝氮產(chǎn)生量。

　　研究[31]認為，人工濕地對總磷的主要去除途徑為基質(zhì)的吸附，植物吸收，以及沉淀、微生物固定等作用。實驗初期(5 d)，總磷凈化效果受植物類型影響顯著(P<0.05)。實驗中苦草對總磷的凈化效果好于其他2種植物，這和苦草處理組有較高的DO有關(guān)，水體的強氧化性有利于磷的化學沉淀及沉降吸附。因此，苦草對總磷的吸收效果最好，可以作為去除總磷的先鋒物種。較低空心菜生物量處理組總磷后期有所上升，這是由于葉片衰亡沒有及時清理，導致腐爛分解，吸收的磷又回到水體。除了高苦草生物量處理組凈化效果最好外，其他2種植物的過高的生物量并不會提高總磷的去除效果，高苦草生物量良好的凈化效果是植物吸收和化學沉淀綜合作用的結(jié)果。苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種植物凈化總磷的最佳生物量分別為157.50、609.40和590.00 g。

　　4 結(jié)論

　　1)不同植物對污水處理廠尾水凈化效果存在差異，總氮凈化效果(30 d)受植物類型影響顯著。粉綠狐尾藻對總氮和硝氮凈化效果(30 d)最好，苦草對氨氮和總磷凈化效果(30 d)最好，且苦草生長有利于降低亞硝氮的產(chǎn)生量,不同植物可以營造出不同的水體環(huán)境，可以利用這種差異，根據(jù)凈化對象選擇合適的植物，通過單獨種植或串聯(lián)的方式凈化污水，從而發(fā)揮不同植物的凈化優(yōu)勢。

　　2)實驗過程中，生物量對氮磷凈化效果影響較小，不同植物去除總氮的最佳生物量處理為空心菜 157.50 g、苦草460.80 g、粉綠狐尾藻1 120.00 g，總磷的最佳生物量處理為空心菜157.50 g、苦草609.40 g、粉綠狐尾藻590.00 g。

　　3)不同生物量處理對空心菜生長存在影響，較高的空心菜生物量處理到后期會出現(xiàn)衰敗，而低生物量處理組在實驗周期內(nèi)持續(xù)生長，植物生長情況繼而對尾水凈化效果產(chǎn)生影響，造成高生物量凈化效果低于低生物量，建議使用空心菜凈化污水時，使用低生物量處理，且在其達到最大生物量(610.00~880.00 g)之前進行收割。(來源：環(huán)境工程學報 作者：陳雙)