植物组合对模拟养殖场高浓度废水的净化效果_梁玉婷.pdf

摘要：为了构建生态结构稳定、具有一定景观效果且吸收水体氮磷元素能力强的水生植物组合，在前期试验的基础上，选取去除氮磷效果好的 3 种生活型水生植物卡开芦（D）、矮生美人蕉（E）和绿叶美人蕉铁十字（F），分别与 5 种共有植物（穗花狐尾藻、金鱼藻、凤眼蓝、千屈菜、三白草）配置成 3 个植物组合，2019 年 6 月 24 日7 月 29 日在武汉市园林科学研究院大棚内开展不同植物组合处理对模拟养殖场高浓度废水的净化效果试验。通过监测各植物的生长状况，比较不同植物群落人工浮岛对水体总氮(TN)和总磷(TP）的去除效果以及水体溶解氧含量（DO）、pH 值和电导率（EC）的变化，筛选出净化效果最优的植物组合。结果表明：3 种植物组合处理的人工浮岛均对水体 TN 具有较好的去除效果，试验结束时对水体的 TN 去除率为 68.01%96.81%、TP 去除率为-38.60%48.22%，其中组合 F 对 TN 和 TP 的去除率最高，分别为 96.81%和 48.22%，而组合 E 对水体 TP 无去除效果；可以使水体的 DO 和 EC 降低，pH 值升高。除沉水植物外，其他植物在浮岛组合中均可以正常生长。在实际应用中，可以选择种植穗花狐尾藻、金鱼藻、凤眼蓝、千屈菜、三白草和绿叶美人蕉铁十字（组合 F）的人工浮岛，能达到有效去除富营养化水体 TN 和 TP 的目的。关键词：水生植物；养殖废水；总氮；总磷；去除率中图分类号：X52；Q948文献标识码：A文章编号：1008-1631（2022）06-0095-06收稿日期：2022-04-20基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目（17DZ1202801）；武汉市园林和林业局科研项目“园林植物对武汉市典型景观污染水体修复研究”（武园林发 2018 28 ）作者简介：梁玉婷（1984-），女，山西大同人，工程师，硕士，主要从事湿地修复、植物育种研究。通讯作者：王朴（1984-），男，湖北荆州人，高级工程师，硕士，主要 从 事 园 林 植 物 营 养 吸 收 与 利 用 研 究。E-mail：。Purification Effect of Plant Combination on High Concentration Wastewater from Simulated Aquaculture FarmLIANG Yu-ting1，KANG Kai-li1，YU Jing-ya1，WANG Pu1*，WANG Shu-feng2（1.Wuhan Institute of Landscape Architecture，Wuhan 430000，China；2.Qingshan District Landscape Service Teamof Wuhan，Wuhan 430000，China）Abstract：In order to build a combination of aquatic plants with stable ecological structure，certain landscapeeffect and strong ability to absorb nitrogen and phosphorus in the water body，on the basis of previous experiments，three life forms aquatic plants with good nitrogen and phosphorus removal effects，including Phragmiteskarka（D），dwarf canna（E）and green leaf canna iron cross（F），were selected to be configured into threeplant combinations with five common plants（Myriophyllum spicata，Ceratophyllum demersum，Eichhornia crassipes，Lythrum salicaria and Saururus chinensis），respectively，from June 24 to July 29，2019，the purificationeffect experiment of different plant combination treatments on high concentration wastewater from simulated aquaculture farm was carried out in the greenhouse of Wuhan Academy of Landscape Sciences.By monitoring thegrowth status of various plants，comparing the removal effects of artificial floating islands of different plant communities on total nitrogen（TN）and total phosphorus（TP）in water and the changes of dissolved oxygencontent（DO），pH value and electrical conductivity（EC）in water，the plant combination with the bestpurification effect was selected.The results showedthat the artificial floatingislandstreatedbythreekinds of plants had good removal effect on TN inwater body.At the end of the experiment，the removal rate of TN in water body was 68.01%-96.81%，梁玉婷1，康凯丽1，于静亚1，王朴1*，王书峰2（1.武汉市园林科学研究院，湖北武汉430000；2.武汉市青山区园林绿化服务队，湖北武汉430000）植物组合对模拟养殖场高浓度废水的净化效果DOI：10.12148/hbnykx.20220107河北农业科学，2022，26（6）：95-100Journal of Hebei Agricultural Sciences编辑杜晓东河北农业科学2022 年近年来，我国水产养殖业发展取得了显著成绩，水产养殖产量占水产品总产量的比重达 75%以上，但由于未有效处理好生产与生态和生活之间的关系，致使超容量、超规划养殖现象存在，造成质量安全和环境破坏等问题1。随着集约化养殖业的迅速发展，畜禽养殖污染物产生量增多，成为继工业污染和生活污染后的第三大污染源。养殖水体日益富营养化，对周边水域环境和生态系统也构成了严重威胁2，3。养殖废水富营养化涉及的 2 种营养元素是氮（N）和磷（P）4。目前养殖场废水的处理方法较多，但存在受季节影响大、占地面积广、运行复杂、成本高等问题。大量研究表明，利用水生植物对富营养化的养殖废水进行养分削减具有显著效果和良好的经济价值57。马旻等8在亚热带气候条件下研究了凤眼莲、轮叶黑藻、香根草和水蕹菜 4 种水生植物对水产养殖废水的净化效果，结果显示，凤眼莲组处理的水体总磷（TP）去除率在第 7 天就达到 92.67，明显高于其他植物组，但总氮（TN）的去除效果稍逊于其他植物组。大多数学者认为，不同生活型水生植物物种合理镶嵌组合形成的水生植物群落，氮磷除去率较单一生活型水生植物更高，且净化效果更为稳定9，10。Lauchlan 等11在构建的湿地中利用 4 种湿生植物对 2 种氮和磷水平的土壤渗出液进行养分去除，结果表明，种植植物较未种植处理在降低土壤渗滤液 TN 和 TP 浓度时更有效；不同物种在降低氮和磷浓度潜力方面的效应不同，但不能确定植物混合组合较单一品种处理更有效。该观点在高浓度氮磷条件下是否依然适用尚不明了。在前期试验的基础上，研究不同景观效果水生植物组合对模拟养殖场废水中氮磷的去除效果以及其他水体指标的影响，明确植物组合在高浓度氮磷中的适应性以及对氮磷的移除能力，旨为当地水生植物应用与景观营造以及养殖场废水净化和治理提供科学依据。1材料与方法1.1试验材料1.1.1水生植物试验水 生植物种类有千 屈菜（Lythrum salicaria）、三白草（Saururus chinensis）、凤眼蓝（Eichhornia crassipes）、绿叶美人蕉铁十字（C.Xgeneralis Bailey“Tieshizi”）、矮生美人 蕉（CannaglaucaTaney）、卡开芦（Phragmites karka）、穗花狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum），除穗花狐尾藻和金鱼藻购于武汉秀水生态工程有限公司外，其他植物均为 2019年6 月 18 日采自武汉市园林科学研究院水生品种池。同一物种的株高等情况基本一致。1.1.2养殖场废水用硝酸钾和磷酸二氢钾配制 TN 为104.93127.25 mg/L、TP 为 49.3459.2 mg/L 的溶液，模拟养殖场产生的高浓度废水。该污水pH 值8.12，DO（溶解氧含量）为9.52 mg/L，EC（电导率）为2 315 S/cm。1.2试验方法1.2.1试验设计试验植物组合设卡开芦组合（D）、矮生美人蕉组合（E）、绿叶美人蕉铁十字组合（F）3个处理，每个组合处理均由 6 种植物组成，其中共有植物为穗花狐尾藻、金鱼藻、凤眼蓝、千屈菜和三白草（表 1）。用大桶作为容器，内设不同植物群落的人工浮岛。每个容器的人工浮岛有千屈菜（株高 5156 cm）10 株，鲜重 2400g；三白草（株高 6065cm）5 株，鲜重 510 g；凤眼蓝（株高 33 cm）34 株，鲜重 210 g；矮生美人蕉（株高 79 cm）23 株，鲜重 120 g；绿叶美人蕉铁十字（株高 79 cm）23 株，鲜重 120 g；卡and the removal rate of TP in water body was-38.60%-48.22%.Among them，the combination F had thehighest removal rate of TN and TP，96.81%and 48.22%respectively，while the combination E had no removaleffect on TP in water body.It can reduce DO and EC of water body and increase pH value.Except submergedplants，other plants can grow normally in the floating island combination.In practical application，artificialfloating islands can be planted with M.spicata，C.demersum，E.crassipes，L.salicaria，S.chinensis andgreen leaf canna iron cross（combination F），which can effectively remove TN and TP in eutrophic water.Key words：Aquatic plants；Aquaculture wastewater；Total nitrogen；Total phosphorus；Removal rate表 1试验设计的植物组合类型Table 1Types of plant combinations for experimental design不同植物卡开芦矮生美人蕉绿叶美人蕉铁十字组合名称DEF共有植物穗花狐尾藻、金鱼藻、凤眼蓝、千屈菜、三白草96第 6 期开芦（株高 79 cm）23 株，鲜重 120 g；金鱼藻（株高 50 cm）和穗花狐尾藻（株高 50 cm）各 6 株，鲜重均为 30 g。千屈菜、三白草、凤眼蓝、试验组合的不同植物（卡开芦、矮生美人蕉、绿叶美人蕉铁十字）、穗花狐尾藻、金鱼藻的鲜重比为 80 17 7 4 1 1。将配置好的植物组合先种植在装有自来水的大桶内缓苗 7 d，然后（2019 年 6 月 24 日）种植在盛有 50 L污水的塑料白桶内；以不种植植物的污水样品为对照（CK）。每处理均 3 次重复。试验于 2019 年 6 月 24 日开始，7 月 29 日结束，共持续 35 d。1.2.2测定项目与方法1.2.2.1水体理化指标。分别在试验第 0（开始）、7、14、21、28 和 35 天采集水样，每次均采集 500 mL，采用常规检测方法测定水体的 TN、TP、pH 值、DO和 EC。其中，TN 测定采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度计法；TP 测定采用钼酸铵分光光度法12；pH 值利用 Metler PHS-25C pH 计直接测定；EC 采用 Metler测定；DO 采用 Hach HQ30D 现场直接测定。试验期间，用纯水补充蒸发和采样所消耗的水分，保持容器中的水位不变。根据公式，计算水体的 TN 或 TP 去除率（WR）：WR=（WC1-WC2）/WC1100%式中，WC1为试验开始时水体的 TN（或 TP）；WC2为试验结束时水体的 TN（或 TP）。1.2.2.2植物鲜重指标。分别在试验开始（第 0 天）和结束（第 35 天）时，将水生植物取出，用吸水纸吸干表面水分后，测定各种植物的鲜重。根据公式，计算相对增重率：相对增重率（%）100（Wt-W0）/W0式中，Wt、W0分别为试验结束和试验开始时的植物鲜重。1.2.3数据统计分析利用 SPSS 20.0 软件进行数据统计分析：采用单因素方差分析方法，分析各组合处理的植物生长指标和氮磷去除率；采用邓肯氏复极差测验法（Duncan s multiple range test），检验处理组间的差异；采用双因素方差分析方法，分析植物的相对生长速率和生物量积累以及水体的 TN 和 TP 变化率。2结果与分析2.1不同植物组合对污水 TP 的去除效果试验结束后与试验开始时相比，除组合 E 外，其他 2 个组合处理和 CK 均对污水 TP 有一定的去除效果（图 1）。组合 D、组合 F 和 CK 虽然在去除过程中 TP有一定的高低起伏变化，但总体呈下降趋势，试验结束时三者 TP 差异不显著但均显著组合 E 处理，去除率分别为 47.99%、48.22%和 48.80%。组合 E 处理在试验开始后 TP 始终处于较高水平，最终 TP 去除率为-38.60%，对 TP 无去除效果。可以看出，组合 D 和F 处理的污水 TP 去除效果与 CK 相当，其中组合 F 的去除效果最好；组合 E 处理对污水 TP 无去除效果，不宜采用。2.2不同植物组合对污水 TN 的去除效果试验结束后与试验开始时相比，所有处理均对污水 TN 有一定的去除效果（图 2）。但去除过程中，植物组合处理的 TN 变化趋势与 CK 略有不同。3 个组合处理的 TN 在试验开始后 28 d 内基本呈先降低后升高的变化，之后极速下降，试验结束时 TN 去除率达到68.01%96.81%，TN 均显著CK，组合间差异较大，其中组合 F 的 TN 最低，已降至 7.13 mg/L，与组合 D1501301109070503010-10溶液 TP（mg/L）0714212835取样时间（天）CK组合 D组合 E组合 Faa abcabdbabcbabbcababaabbaaaaa*差异显著性检验结果为同一时期不同处理之间的 Duncan s 检验结果，小写英文字母不同表示处理间差异显著（p0.05）。下图同。图 1不同植物组合处理对污水总磷含量的影响Fig.1 Effects of different plant combinations ontotal P content in sewageCK组合 D组合 E组合 F180160140120100806040200溶液 TN（mg/L）bbbbabcccaabcbbbcabaaacdcddbdd0714212835取样时间（天）图 2不同植物组合处理对污水总氮含量的影响Fig.2Effects of different plant combinations ontotal N content in sewage梁玉婷等：植物组合对模拟养殖场高浓度废水的净化效果97河北农业科学2022 年差异不显著，但二者均显著组合 E 处理。组合 E 在试验开始后 TN 一直处于最高水平，但试验 28 d 后降速快于 CK，最终，TN 去除率显著CK，而其他 2 个组合处理。CK 的污水 TN 在试验期内总体呈下降趋势，但降幅3 个组合处理。可以看出，植物组合可显著去除污水中的 TN，其中组合 F 的去除效果最好。2.3不同植物组合对污水 DO、pH 值和 EC 的影响试验结束后与试验开始时相比，所有处理均对污水 DO 有一定的去除效果（图 3）。去除过程中 DO 虽然均呈降低升高降低的变化，但植物组合处理的DO 变化幅度较 CK 相对平缓，其中，试验后第 14 天时所有处理的 DO 降至最低；第 21 天时所有处理的DO 均出现回升，此时CK 的 DO 变化剧烈且指标值试验开始前；试验结束时，组合 C 的 DO 最低，与组合 E 处理差异不显著，但三者 DO 均显著CK。试验开始后，3 个组合处理的 DO 始终CK，大多数植物组合的 DO 为 45，其中组合 F 的 DO 基本维持在 5 mg/L左右。可以看出，植物组合可显著去除污水中的 DO，其中组合 D 和 E 的去除效果更好。试验结束后与试验开始时相比，除组合 E 的污水pH 值略微下降外，其他处理的污水 pH 值均有所升高，其中组合 D 和 F 处理的污水 pH 值略微升高，CK的污水 pH 值升高较多（图 4）。试验开始后所有处理的污水 pH 值总体呈升高趋势，但至试验结束时组合E 处理的污水 pH 值急剧降低，最终组合 E 处理的污水 pH 值显著CK，其他 2 个组合处理的污水 pH 值略CK。可以看出，植物组合可以使水体 pH 值升高，但试验结束时不同植物组合对水体 pH 值的改变差异较大。试验结束后与试验开始时相比，所有处理的污水EC 均有所降低（图 5）。但去除过程中不同处理的变化趋势略有不同，其中，试验开始后 14d 内，不同处理的 EC 变化不同，有升有降；但之后均稳定在 2000 左右。试验结束时，组合 E 的 EC 最低，显著组合 D处理，而与组合 F 处理和 CK 差异均不显著。可以看出，不同植物组合对污水 EC 的改变是不同的。2.4不同植物组合对植物生长状况及生物量的影响3 个组合处理中，2 种沉水植物金鱼藻和穗花狐尾藻的长势均很差，有不同程度的死亡，其中，穗花狐尾藻在组合 D 和 F 中生物量为负增长，甚至完全死亡；金鱼藻生物量在所有组合中均呈减少趋势，存活下来的个体反而表现出较好的生长态势，试验结束后不同组合处理的指标值差异不显著（表 2）。表明穗花狐尾藻和金鱼藻的生长状况受到高浓度氮磷的抑制，2 种植物不能适应环境。千屈菜、三白草、凤眼蓝在不同组合中长势略有差别，其中，千屈菜在 3 个组合图 3不同植物组合处理对污水溶解氧含量的影响Fig.3Effects of different plant combinations ondissolved oxygen content in sewageCK组合 D组合 E组合 F15131197531-1DO（mg/L）0714212835取样时间（天）abbcabcbcab abaacdcacbacdbcdbcacccbb9.08.58.07.57.06.56.0pH 值CK组合 D组合 E组合 F0714212835取样时间（天）图 4不同植物组合处理对污水 pH 值的影响Fig.4Effects of different plant combinations onpH value of sewagebccdbcaaaaab babbbabbbbaaababc图 5不同植物组合处理对污水 EC 的影响Fig.5Effects of different plant combinations onEC of sewageCK组合 D组合 E组合 F4 0003 0002 0001 0000EC（S/cm）0714212835取样时间（天）aaaaabaabcabbcbabababaabbbbababaa98第 6 期中长势均较好，其生物量在组合 E 中增加最多；三白草生物量在组合 E 中增加最多；凤眼蓝长势一般，在 3 个组合中生物量均有所增加。试验组合中不相同的植物种类，组合 E 的矮生美人蕉生物量增加最少，但与另外 2 个组合中的卡开芦和绿叶美人蕉铁十字无显著差异。3结论与讨论3.1讨论3.1.1试验前后 TN 和 TP 去除率的比较挺水植物主要吸收以硝酸盐氮形式存在的氮。本研究中植物群落以挺水植物为主，综合比较后发现植物组合形式对氮的吸收效果较好，但不同水生植物组合在不同阶段对富营养化水体的 TN 和TP 移除速率不同，这与彭婉婷等13在高浓度氮磷水体中各类水生植物在不同阶段对富营养化水体 TN 吸收速度不同的研究结果一致。整个试验过程中，植物组合的TN 去除率一直维持在较高水平，可能与群落物种的多样性以及群落间的互作有关。祝宇慧等14认为，植物根部氧气充足可以为聚磷菌生长提供良好的生存环境，从而增强磷的去除效率。陈小运等15研究发现，3 种生活型的植物组合中，1 种沉水植物1 种挺水植物组合对磷的去除效果高达96%。本研究的植物组合中挺水植物有 3 种，植物根系较多，但对 TP 的去除效果远低于预期，可能与磷浓度太高造成沉水植物腐败导致 DO 下降，根部细菌活力不够16，17有关。本研究中 TP 去除效果不太理想，具体原因值得继续探索。本研究的植物组合中，组合E（穗花狐尾藻+金鱼藻+凤眼蓝+千屈菜+三白草+矮生美人蕉）对 TP 去除效果最差，可能与矮生美人蕉对水环境适应性不强有关。相关研究表明，在适宜的氮、磷含量范围内，挺水植物对富营养化水体中污染物的净化效果随着氮、磷含量的增加而增加1820。同时，由于不同种类的植物在生长规律，对氮、磷等营养物质的需求量、需求比例和吸收饱和上限，以及植物根系对微生物生长繁殖的促进等方面存在一定差异，因此，对不同程度富营养化水体的净化能力不尽相同。本研究条件下，组合 F 的植物适应性强，适宜湿地前端种植，经过 7 d 的适应性调整后显示出极强的净化能力。3.1.2试验前后污水 DO 和 pH 值变化的原因徐寸发等21研究发现，污水在生态净化塘处理过程中DO可维持在 4.557.62 mg/L，pH 值维持在 7.348.14。这与我们的研究结果类似。水生植被的恢复，能显著改善溶解氧浓度、升高 pH 值，降低电导率，改善水质22。本试验中 DO 大幅度降低，可能是高浓度氮磷导致植物腐败消耗了一定量的氧气造成的。3.1.3影响植物生长状况以及生物量变化的因素本研究植物组合条件下沉水植物穗花狐尾藻和金鱼藻在水体中长势不佳，可能是因为本试验溶液氮磷浓度太高所导致。李欢等23也发现，低、中营养化水平下金鱼藻的相对生长速率和累积生物量均显著高于高富营养化水平下的指标值，在高富营养化水平下金鱼藻的生长受到抑制甚至死亡；光照强度也会对金鱼藻的生长产生影响，如植株间相互遮阳等可以提高金鱼藻对高浓度氮磷的耐受性。本试验中组合 E 的沉水植物较组合 D 和 F 长势略好，可能存在其他因素的影响。前人通过模拟控制试验研究了不同水体氮磷浓度对穗花狐尾藻生长的影响，发现水体高浓度（2 mg/L）氮会抑制穗花狐尾藻柔嫩片段萌发和枝条生长，中浓度磷对穗花狐尾藻的作用与氮的作用类似，磷浓度过高（超过 0.4 mg/L）或过低（0.2 mg/L）均不利于穗花狐尾藻的生长24，25。郑足红等26将穗花狐尾藻种植在 5 个级别的养殖污水中，研究其在 TN 10.9532.054 mg/L、TP 5.0811.864 mg/L 溶液中的生长状况，结果发现，5个级别污水中穗花狐尾藻均生长良好。吴建强等27发现千屈菜在夏季开始迅速分蘖繁殖，而美人蕉在夏末秋初开始表现出更强的分蘖繁殖能力。这可能是本研究 3 个植物组合处理 TN 去除率较高的原因。本试验设计的植物组合仅 1 种挺水植物不同，分别是矮生美人蕉、绿叶美人蕉铁十字和卡开芦，这 3 种植物在水体中的长势均较好，但 3 个组合处理对 TN 和 TP 的表 2不同植物组合处理对各植物鲜重变化率的影响Table 2Effects of different plant combinations on the change rate of fresh weight of plants组合名称DEF穗花狐尾藻-53.5146.49 a0b-100.000a金鱼藻-46.1053.90 a-33.6218.46 a-35.6444.38 a共同植物千屈菜25.7181.66 b25.8113.55 b7.064.46 a三白草18.206.76 b21.3511.97 b16.117.48 ab凤眼蓝34.4238.57 a65.4828.22 a13.4135.94 a不同植物33.678.77 a6.2616.18 a38.3247.01 a*同列数据后小写英文字母不同，表示不同处理间 Duncan s 检验差异显著（p0.05）。梁玉婷等：植物组合对模拟养殖场高浓度废水的净化效果99河北农业科学2022 年去除率不同，表明不同植物组合对水质的影响不同。3.2结论不同植物组合修复氮磷富营养化水体的效果不同。植物组合对富营养化水体 TN 的去除效果均显著高于对照，但不同组合处理对 TN 的去除效果差异明显，除组合 E 的污水 pH 值略微下降外，其他处理的污水 pH 值均有所升高，试验结束时 DO 和 EC 均有不同程度的下降。试验期间，植物组合对 TN 的去除率与对照具有显著差异，组合 C 和组合 D 与对照无显著差异，且对 TN 的去除效果远好于 TP。种植穗花狐尾藻、金鱼藻、凤眼蓝、千屈菜、三白草和绿叶美人蕉铁十字（组合 F）的人工浮岛，能达到有效去除富营养化水体 TN 和 TP 的目的。参考文献：1 李学芳，姜启军.长江经济带水产养殖业绿色发展评价分析 J.中国渔业经济，2021，39（1）：81-89.2 周化民，何建国，莫福，苏永全.斑节对虾白斑综合症暴发流行与水体理化因子的关系 J.厦门大学学报（自然科学版），2001，40（3）：775-781.3 相建海.海水养殖生物病害发生与控制 M.北京：海洋出版社，2001.4 吴中华，刘昌彬，刘存仁，王金星，张红卫.中国对虾慢性亚硝酸盐和氨中毒的组织病理学研究 J.华中师范大学学报（自然科学版），1999（1）：121-124.5 Yi Q T，Hur C Y，Kim Y C.Modeling nitrogen removalin waterhyacinth ponds receiving effluent from waster stabilization ponds J.Ecological Engineering，2009，35（1）：75-84.6 冯优，陈庆锋，李金业，郭贝贝，刘婷，李磊.水生植物对不同氮磷水平养殖尾水的综合净化能力比较 J.农业环境科学学报.2020，39（10）：2397-2408.7 田如男，朱敏，孙欣欣，刘曼，程澄.不同水生植物组合对水体氮磷去除效果的模拟研究 J.北京林业大学学报，2011，33（6）：191-195.8 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