陈景荣, 王立志

山东省水土保持与环境保育重点实验室, 临沂大学资源环境学院, 临沂 276000

云蒙湖前置库浅水生态净化区植物对水质净化特征分析

陈景荣, 王立志*

山东省水土保持与环境保育重点实验室, 临沂大学资源环境学院, 临沂 276000

原位监测云蒙湖前置库系统浅水生态净化区进出水总磷(TP)、溶解性活性磷(SRP)、总氮(TN)、硝态氮氨氮及主要环境因子pH、溶解氧(DO)和氧化还原电位(Eh)及生物量的动态变化, 并分析了生物量及环境因子和各形态氮磷净化率之间的关系。结果表明： 浅水生态净化区对水中氮磷的净化效率存在夏高冬低的季节性变化规律。总氮和总磷夏季净化率平均在28.11%—43.42%, 31.00%—48.00%之间, 冬季净化率平均在19.02%—26.36%, 21.52%—28.57%之间。植物生长将氮磷富集于体内是对水体净化的一个主要原因, 夏季植物旺盛生长冬季植物衰亡是浅水生态净化区净化效率季节性变化的主要影响因素。水生植物对环境因子 pH 、DO 和 Eh的改变量与各形态氮磷的净化率呈不同程度的相关, 表明浅水生态净化区水生植物通过对环境因子DO、pH和 Eh的提高来增加底泥对水中氮磷的吸附效率。

前置库; 净化; 环境因子

前置库是指利用水库存在的从上游到下游的水质浓度变化梯度特点, 根据水库形态, 将水库分为一个或者若干个子库与主库相连, 通过延长水力停留时间, 促进水中泥沙及营养盐的沉降, 同时利用子库中大型水生植物、藻类等进一步吸收、吸附、拦截营养盐, 从而降低进入下一级子库或者主库水中的营养盐含量, 抑制主库中藻类过渡繁殖, 减缓富营养化进程, 改善水质[1-2]。

一般的前置库通常由3部分构成, 即沉降系统、导流系统和强化净化系统。沉降系统其主要机理是利用水源地的涧河入库口, 加以适当改造, 在引入全部或部分地表径流的同时, 通过泥沙及污染物颗粒的自然伴随沉淀至底, 结合系统内的水生植物有效吸收去除底部沉淀物中的营养物质, 从而达到初步净化水体水质的效果。导流系统一般为山溪性河道, 以防止前置库系统暴溢, 超过设计暴雨强度的径流通过导流系统。强化净化系统由砾石、植物滤床, 浅水净化区, 深水净化区和岸边湿地等构成[3]。

前置库浅水净化区是前置库系统对水体氮磷等污染物去除的重要环节, 一般布设挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物等, 并引入耐污能力较强的土著微生物等从而达到对水体净化的目的。前置库浅水净化区处理污水过程中, 基质、植物和微生物三者相互联系, 并形成一个共生系统, 利用基质—微生物—植物的物理、化学和生物的三重协同作用, 通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物的降解等来实现对污水的深度净化和处理。

本研究以山东临沂市饮用水源地云蒙湖前置库系统为例, 通过探讨前置库周年对污水氮磷的净化效果, 分析净化效率和环境因子及生物量变化之间的关系, 为水源地控制水体污染提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 云蒙湖前置库浅水生态净化区位置

山东云蒙湖(岸堤水库)前置库位于其主要入库支流东汶河下游(图1)。东汶河发源于蒙阴县常路镇石门村, 控制流域面积762 km2, 主要支流有桃墟河等18 条, 干流长10 km[3]。在东汶河下游处即是蒙阴县城, 由于县城位于云蒙湖流域, 所以大量的污水经过东汶河进入云蒙湖, 从而导致了对湖水的污染。在东汶河入库口布设前置库系统, 以消减河水对库区水体的污染。

前置库系统以东汶河地势自上而下依次设置为一级沉降区、二级沉降区、三级沉降区、砾石滤床、浅水生态净化区和深水生态净化区。一级沉降区、二级沉降区、三级沉降区长度分别为1600、2200和2400 m, 面积分别为0.304、0.286和0.600 km2, 砾石滤床和浅水生态净化区, 长度分别为2500和2300 m,其面积分别为0.500和0.489 km2。

图1 云蒙湖前置库位置Fig. 1 The sketch map of Yunmeng Lake shallow ecological purification area

浅水生态净化区长900 m, 水力停留时间为60 h、平均水深0.8 m。主要水生植物为香蒲(Typha orientalis)和芦苇(Phragmites australis), 挺水植物是该区的优势种, 分布面积达80%,同时伴有少量沉水植物穗花狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、菹草(Potamogeton crispus)、黑藻(Hydrilla verticillata)等。

1.2 东汶河水温及水量

东汶河是一条典型的中国北方季节性河流, 随季节的变化其水量和水温变化较大, 而且作为一条城市周边河流, 其水质也受沿岸生产和生活等活动的影响。东汶河水量、水温的变化情况如图2所示。东汶河流经蒙阴县城区, 雨季主要集中在 6—8月,此时, 河道内的流量较大, 而其它季节降水很少,河道内流量较小。东汶河水温变化趋势和水量类似,自4月份开始水温从10℃开始迅速升高, 到8月水温升高至 30℃, 7—9月份河流水温最高, 维持在25—30℃之间, 随着时间的推移水温在10月份开始迅速下降至 15℃左右, 12月下旬到来年 1月下旬,河道内出现结冰。

1.3 样品采集及分析方法

在前置库浅水生态净化区进水和出水口分别采集水体样品, 水样采用手工采集的方式, 每次采集水面以下15, 30和50 cm处的等体积水(200 mL)混匀, 进水和出水口分别采集平行样品三个,样品采集间隔为60 d。采集样品时同步采用YSI(美国)测定环境因子物理指标(pH、DO、Eh)。水样采集后立即放入加冰的保温箱进行保存, 24 h内对样品进行化学指标的分析。TP浓度测定采用过硫酸钾氧化法, SRP浓度的测定： 将水样预先过0.45 μm孔径的醋酸纤维滤膜, 而后用钼-锑-钪比色法。TN浓度测定采用过硫酸钾氧化法, NO3-_N采用肼还原法比色法, NH4+-N水杨酸钠比色法。水体氮磷各指标采用意大利希思迪(Systea)连续流动分析仪分析。在采集水样的期间同步采集植物样品, 并对植物做生态样方调查, 计算植物生物量, 将采集的植物体洗净后进行烘干处理, 带烘干至恒重后对其进行称量, 以确定植物的生物量。

2 结果与分析

2.1 浅水生态净化区对磷的净化效果周年变化

浅水生态净化区进水TP含量在4和8月份相对较高, 在0.09 mg·L-1左右(图3)。8月份以后随着时间的推移, TP含量呈下降趋势, 到12月份至次年2月, 进水TP在0.05—0.06 mg·L-1之间。6月进水TP呈降低趋势, 因此进水TP含量呈4、8月份较高, 其余月份较低的双峰趋势变化。SRP的进水变化和TP略有不同, SRP的含量全年呈单峰趋势变化, 在8月份达到最高(0.068 mg·L-1), 12月至次年的2月SRP的含量相对较低, 保持在0.05 mg·L-1左右(图3)。浅水生态净化区出水TP和SRP的变化趋势与进水类似, 出水TP呈双峰趋势变化, 出水SRP呈单峰趋势变化。

图2 东汶河水温、流量的逐月变化情况Fig. 2 Monthly discharge and temperature of Dongwen Lake

图3 云蒙湖浅水生态净化区对TP和SRP的净化效果Fig. 3 The removal efficiencies of TP and SRP of Yunmeng Lake shallow ecological purification area

浅水生态净化区, 对水体TP的净化效率在6、8和 10月份相对较高, 分别为 42.59%, 31.00%和48.00%, 在2、4和12月相对较低, 分别为21.82%,26.76%和22.00%(图3)。对水中SRP的净化在6月份最高, 为 40.43%(图 3), 其余月份相对较低, 在17.65%—28.57%之间波动, 但波动相对较小。因此,浅水生态净化区对磷的净化具有明显的季节性, 呈现出夏高冬低的规律。

2.2 浅水生态净化区对氮的净化效果周年变化

浅水生态净化区进水TN、NO3-_N和NH4+-N均呈单峰趋势变化, 在8月份达到最大值。TN、NO3-_N和NH4+-N浓度分别为14.21、13.17和3.09 mg·L-1(图 4), 由于该时段处于汛期, 水体浑浊度度偏高,同时水体中有一些难以消解的物质导致 TN的测定含量偏低。8月份以后随着时间的推移, 各形态氮含量均呈下降趋势, TN、NO3-_N和NH4+-N含量在4月出现最低值(TN 10.88 mg·L-1、NO3-_N 9.30 mg·L-1、NH4+-N 1.08 mg·L-1)。

浅水生态净化区对TN的净化效率在6、8和10月份相对较高, 分别为43.42%, 32.00%和28.11%。在2、4和12月相对较低, 分别为26.36%、18.52%和19.02%(图4)。浅水生态净化区对TN的净化效率和TP的类似, 均是在6、8和10月份相对较高, 在其他月份相对较低, 这和植物的快速生长有着直接的关系。浅水生态净化区对NO3-_N和NH4+-N净化效果表明, 在6和8月份中浅水生态净化区对NO3-_N的净化效率相对较高, 分别为31.44%和30.78%, 在其他月份相对较低(图4)。在6月份浅水生态净化区对NH4+-N的净化效率相对较高, 为50.15%。

图4 云蒙湖浅水生态净化区对TN、和的净化效果Fig. 4 The removal efficiencies of TN,ndof Yunmeng Lake per-reservoir system shallow ecological purification area

3 讨论

3.1 植物对前置库净化效果的影响

浅水生态净化区对水中磷的净化, 一方面是以磷酸盐沉降并固结在基质上的形式去除, 另一方面是溶解性活性磷磷被植物吸收, 植物在生长过程中可以吸收水和基质中的大量营养盐以满足自身生长的需要[4], 同时, 水生植物发达的根系吸附颗粒固体污染物后, 成为微生物活动频繁的场所, 对颗粒污染物可进行降解和利用, 最终达到净化水质的作用[5-6]。

磷是植物的必需元素, 污水中的无机磷在植物的吸收和同化作用下, 被合成 ATP等有机成分,促进植物生长, 植物的吸收作用对于浅水生态净化区磷的净化具有重要的影响[7-8]。植物在生长过程中将磷富集在植物体内, 从而将磷从水迁移到植物体内。

云蒙湖前置库两种典型水生植物芦苇和香蒲不同部位磷含量分析表明, 芦苇和香蒲在生长过程中植物体内磷含量呈逐渐升高趋势(图5a,b)。其中芦苇叶中磷含量较高(3.5—4.0 g·kg-1), 而茎和根及地下茎中磷含量相对较低, 茎中磷含量为1.7—2.1 g·kg-1,根及地下茎中磷含量0.8—1.0 g·kg-1。香蒲叶、地下茎和根中磷含量无显著差异(P＞0.05), 含量均在 3.7—4.2 g·kg-1之间。到12月份芦苇和香蒲生物量分别为1543和1455 g·m-2, 在研究区对磷富集的总量分别为0.33和0.61t(图6), 因此, 植物将大量的磷富集于植物体内, 从而对水质起到了净化的作用。

由于水生植物具有一定的生长周期, 在水生植物旺盛生长期对污水磷的净化效率相对较大, 而在水生植物衰亡休眠期对污水磷的净化效率相对较小。在本研究中6、8和10月份是植物的快速生长期, 所以对水体TP的净化效率相对较高, 而在冬季12、2和4月份由于植物衰亡休眠生长缓慢, 导致了对水体磷的净化效率降低。在冬季浅水生态净化区对污水磷的净化主要是基质对水中磷的吸附作用。在北方冬季是河流的枯水期, 水量相对较小, 污水中磷的总量相对较小; 对冬季对衰亡的芦苇、香蒲等大型水生植物的收割, 使得衰亡和分解的水生植物向水体释放磷的总量得到控制, 这是浅水生态净化区在冬季对磷的净化效率仍然为正的一个重要原因。6月份由于气温的升高, 是浅水生态净化区水生植物的快速生长期, 植物的快速生长吸收了污水中大量的SRP, 从而导致了对SRP的净化效率的升高。

浅水生态净化区脱氮的途径主要包括水生植物的吸收、微生物的硝化和反硝化作用、基质的吸附和离子交换作用。由于植物需吸收无机氮作为自身的营养成分, 用于合成植物蛋白等有机氮[9], 同时植物根部附近能够形成好氧-缺氧-厌氧的微环境,有利于硝化菌和反硝化菌的共存[10], 从而增强微生物的硝化和反硝化作用, 提高污水中氮的净化效率[4, 11]。

氮也是植物生长必需的元素。氮素是叶绿素的组成成分, 氮构成蛋白质的主要成分, 对茎叶的生长和果实的发育有重要作用。云蒙湖前置库两种典型水生植物芦苇和香蒲不同部位磷含量分析表明,芦苇体内氮含量全年呈“V”型变化。在8月份呈下降趋势, 芦苇叶中氮含量相对较高(33.00—37.00 g·kg-1), 而茎和根及地下茎中氮含量相对较低, 茎中氮含量为14.00—15.00 g·kg-1, 根及地下茎中氮含量9.50—10.00 g·kg-1。香蒲叶、地下茎和根中氮含量依次降低, 分别为 27.80—30.00 g·kg-1、22.00—24.00 g·kg-1和19.00—21.00 g·kg-1(图5a,b)。到 12月份芦苇和香蒲在研究区对氮富集的总量分别为2.99和3.67 t(图6), 因此, 植物将大量的氮富集于植物体内。

图5 芦苇和香蒲不同部位氮磷含量Fig. 5 The concentrations of N and P in different part of P. australis and T. orientalis

图6 芦苇和香蒲生物量变化及富集氮磷总量Fig. 6 Biomass changes of P. australis and T. orientalis and P and N enrichment

3.2 环境因子变化与前置库净化效率关系分析

浅水生态净化区对水的净化作用不仅通过植物的吸收, 底泥的对氮磷元素的吸附也是重要的一个方面。影响“水—沉积物”界面氮磷交换的因素很多, 包括生物的(细菌活动、生物扰动等)、化学的(Eh、pH、DO、铁结合态磷含量比等)以及物理的(风浪扰动等)等因素。研究表明, DO、pH、Eh等是影响底泥中氮磷释放与吸收的主要因素。而大型水生植物, 对水环境条件DO、pH、Eh等都有重要影响。

研究表明[14-15], DO决定湖底泥界面的氧化还原状态, 厌氧条件下底泥中的氮磷向水体释放; 好氧条件下, 底泥不仅未向水体释放氮磷, 反而从水体中吸附氮磷, 呈“负释放”状态。DO升高, 随之Eh上升, 当底泥表层的Eh为正时, 沉积物表层处于氧化状态, 利于对水体中氮磷的吸收。pH值近中性范围内, 底泥对氮磷的吸附量最大。

在本研究区域, 水体 DO全年含量相对较高在7.00—12.00之间, Eh在50—140 mV之间, pH基本保持的中性范围内变化, 在6.3—8.0之间(图7)。因此, 环境因子均处于有利底泥对水中氮磷吸收的范围之内, 所以, 水生植物对环境因子的改变, 使得底泥保持对水中氮磷的吸收是浅水生态净化区对水体净化的另一重要原因。

图7 云蒙湖前置库系统浅水生态净化区环境因子变化Fig. 7 Environmental factors change of Yumeng Lake

方差分析表明, 和进水相比较浅水生态净化区出水DO、pH和Eh被显著提高(P＜0.05)。因此, 浅水生态净化区能显著改变环境因子DO、pH和Eh,而环境因子的改变又和浅水生态净化区的净化效率有着重要的关系。分别用δDO、δpH和δEh表示前置库环境因子值进水和出水之差(进水-出水), 用来表示植物对环境因子的改变。对各形态氮磷净化率和生物量及环境因子之差进行相关分析, 结果表明δDO、δpH和δEh与各形态氮磷净化率均呈不同程度的负相关(表1), 表明环境因子DO、pH和Eh数值的升高, 可以提高水体各形态氮磷的净化率。生物量与各形态氮磷净化率相关性较差, 这与植物生物量的变化曲线是逻辑斯蒂曲线有关。

表1 各形态氮磷净化率和环境因子之差相关系数矩阵1)Tab. 1 Pearson correlation coefficient matrix among different nitrogen and phosphorus removal rate and the difference of environmental factors

表2 净化率和环境因子之差线性方程拟合公式系数Tab. 2 The liner equation coefficient of removal rate and difference of environmental factors

由于各形态氮磷净化率和δDO、δpH和δEh均呈不同程度的负相关, 因此, 可建立他们之间的线性函数关系式：

Rj净化率常数项; k1, k2, k3系数。

各形态氮磷与δDO、δpH和δEh拟合系数和常数项如表2所示, 拟合方程相关系数R在0.94—0.99之间, P均小于0.01, 因此, 方程拟合效果较好。

4 结论

(1) 前置库系统浅水生态净化区对水氮磷的净化效率存在夏季高冬季低的季节性变化规律, 冬季前置库对水氮磷的净化效率大于零。

(2) 浅水生态净化区对水体氮磷的净化效率季节性变化规律和水生植物的生物量季节性变化有关,植物在生长期将大量氮磷富集于植物体内, 从而起到净化的效果。

(3) 水生植物通过对环境因子DO、pH和Eh的提高来提高底泥对水中氮磷的吸附效率, 从而达到净化水质的效果。

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Water purification characteristics analysis of Yunmeng Lake pre-reservoir shallow ecological purification area

CHEN Jingrong, WANG Lizhi*
Shandong Provincial Key Laboratory of Soil Conservation and Environmental Protection, Linyi University, Linyi 276000, China

The concentrations of total phosphorus (TP), soluble active phosphorus (SRP), total nitrogen (TN), nitrate nitrogen ammonia nitrogeof Yunmeng Lake per-reservoir system shallow ecological purification area were in situ monitored. The main environmental factors including pH, dissolved oxygen (DO), redox potential (Eh) and biomass were investigated. Relationships between P and N removal rate and biomass and environmental factors were analyzed. The results indicated that the removal rate of N and P of the shallow ecological purification area increased in summer and decreased in winter. The average removal rate of TN and TP was 28.11%-43.42%, 31.00%-48.00% in summer, and 19.02%-26.36%, 21.52%-28.57% in winter. One of the main reasons of water body purification was plant enrichment. The main reason for seasonal variation of removal rate was that plant vigorously grew in summer and died in winter. The difference of pH, DO and Eh had different degree correlation with N and P removal rate. The result showed that plants in shallow ecological purification area increased N and P removal rate through increasing the value of pH, DO and Eh.

pre-reservoir; purification; environmental factors

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.021

X131.2

A

1008-8873(2016)01-136-07

2014-06-19;

2015-01-21

国家自然科学基金项目(41303061); 山东省科技攻关项目(2011GGH21704); 临沂市重大科技创新项目(201211027), 山东省水土保持与环境保育重点实验室开放基金(stkf201206); 临沂大学博士启动基金(LYDX2013BS063)

陈景荣(1991.4—), 女, 山东临沂人, 学士, 主要从事水生态研究, E-mail： chenjingrong012@163.com

*通信作者：王立志(1980—), 男, 山东临沂人, 博士, 副教授, 主要从事水环境生态修复研究, E-mail： wanglizhi@lyu.edu.cn

陈景荣, 王立志. 云蒙湖前置库浅水生态净化区植物对水质净化特征分析[J]. 生态科学, 2016, 35(1)： 136-142.

CHEN Jingrong, WANG Lizhi. Water purification characteristics analysis of Yunmeng Lake pre-reservoir shallow ecological purification area[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 136-142.