氮磷比对铜钱草浮床处理富营养化水体的影响

2023-08-14胡淑恒张择瑞谢霄云

合肥工业大学学报（自然科学版） 2023年7期

刘鑫, 胡淑恒, 张择瑞, 谢霄云

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009; 2.合肥工业大学机械工程学院,安徽合肥 230009)

生态浮床技术对富营养化水体的处理效果与富营养水体中氮磷比密切相关[8],已有相关研究多集中于植物种类的筛选,添加曝气、强化菌等辅助手段,比较不同季节处理效果,以及研究植物根系作用等方面[9-10],而对具有观赏兼药用功能的植物铜钱草净化污水、在不同氮磷比水体中的生长情况和各污染指标净化效果的研究很少。本文采用铜钱草浮床处理氮磷比不同的营养水体,研究在相同外部条件下不同氮磷比对植物生长情况和各污染指标净化效果的影响,从而为改善富营养化水体、恢复湖泊及其他类似水体健康生态系统提供技术支持和科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验装置由水箱、生态浮床和浮床植物铜钱草组成。试验使用自行设计组装的生态浮床,材料为聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)管(管径为3 cm)等;浮床长、宽分别为60、40 cm;截断的PVC管用弯头和PVC胶连接,形成框架,用棉线将铁丝网固定在框架的上下两面,将2层框架垂直固定在一起形成浮床,用于培育浮床植物。该浮床优点为结构简单、材料环保,不蔽阳光,不影响植物生长和水体的大气复氧等。试验水箱采用无臭无毒、稳定性好的白色聚乙烯材料,容积为200 L。试验所用浮床植物为铜钱草,其适应环境能力强,繁殖迅速,为优良的装饰植物,具有观赏价值,能吸附有毒物质,如甲醛等,亦可入药利人[11]。

试验用水按照文献[12]劣Ⅴ类水中各富营养化质量浓度指标进行配制。取合肥工业大学校园内斛兵塘湖水与自来水按一定比例混合,并加入一定量的氯化铵、磷酸二氢钾、葡萄糖等配制成富营养化水[13];湖水中ρ(NH4+-N)=0.24 mg/L,ρTP=0.11 mg/L,且含有一定量的微量元素和微生物。该水体中,ρTP=(1.50±0.13) mg/L,ρ叶绿素a=(1.18±0.11) μg/L,ρTOC=(51.87±1.54) mg/L。本文选取 7～10号水箱作为研究对象,7号水箱为对照组。

7～10号水箱ρ(NH4+-N)分别为12.48、12.59、21.22、30.65 mg/L,电导率分别为321、327、420、516 μS/cm。试验前、后3个水箱内植物生长状况及对照组状况如图1所示。试验后期铜钱草生长茂盛,植被覆盖率明显增加,污染指标净化效果显著。

1.2 试验方法

试验自2019年10月1日至11月25日,历时55 d。试验地点位于合肥工业大学纬地楼一楼环形天井,通风透气且光照充足,试验装置上用透明PVC雨棚遮挡,水箱中不易落入灰尘和雨水,因此试验结果受外部条件影响较小。在试验地点依次平行放置4个同一规格水箱并编号(其中7号水箱不种植植物,为对照组,氮磷比为9.33),将160 L添加各营养元素的污水混合均匀,按照比例分别加入4个水箱,将洗净、晾干且质量均为500 g的铜钱草均匀种植在8～10号水箱内相同尺寸的生态浮床上,且8～10号水箱初始水质氮磷比分别为7.58、15.96、24.17。将浮床植物铜钱草在同一水质中预培养7 d,使其适应水中生存,然后开始试验。根据污染物质降解情况定期(前3 d每天取样1次,3～13 d每2 d取样1次,13～40 d每3 d取样1次)、定时(中午12:00)、定量(200 mL)取样,对水中各指标进行监测。

本试验需要测定TOC、TP、电导率、叶绿素a等参数,试验仪器包括分光光度计、TOC分析仪、水质测量仪等检测仪器,以及各种称量和干燥等所用常规玻璃仪器。各参数采用《水和废水监测分析方法》[14]中的方法测定。TOC、总氮(total nitrogen,TN)使用德国耶拿multi N/C总有机碳分析仪测定,叶绿素a、电导率采用YSI ProDSS 多参数水质测量仪测定,植株质量使用电子秤称量。数据应用Origin 9.1和MATLAB等软件进行处理和分析。

2 试验结果与讨论

2.1 试验过程描述

试验天气以多云为主,试验期间气温变化情况如图2所示,最高气温为26 ℃,最低气温为-3 ℃,气温温差大。

图2 试验期间气温变化情况

试验期内植物组水箱中铜钱草存活率均为100%,对水面的覆盖率均有所增加,试验前、后铜钱草质量变化见表1所列。试验第2 天,对照组7号水箱、植物组8号、9号水箱水质呈略微乳白色;在第6 天,对照组7号水箱内壁有少量绿色藻类附着,而8～10号水箱在第13天左右有藻类产生。试验结束后,测得8～10号水箱中铜钱草质量分别增加185、225、200 g,质量增加比例分别为37%、45%、40%,由此可见氮磷比为15.96的9号水箱中水质更适宜铜钱草生长,植物更茂盛,增殖更突出。

表1 试验前、后8～10号水箱铜钱草质量变化对比

2.2 叶绿素a的变化与分析

藻类是水生生物的重要组成部分,影响水生态系统的结构和功能,具有维系系统的重要作用[15],但水体中藻类过多易引起水体富营养化,使水中溶解氧减少,水生态失衡。叶绿素a是表征藻类的重要指标,4个水箱中ρ叶绿素a变化曲线如图3所示。

图3 4个水箱中叶绿素a的质量浓度变化曲线

试验开始时,4个水箱内ρ叶绿素a在1.2 μg/L左右,对照组7号水箱自试验开始至第27 天持续升高至555.8 μg/L,随后下降;试验前期植物组ρ叶绿素a一直处于较低水平,上升缓慢,第16 天后植物组ρ叶绿素a差异较明显,第27 天均达到较大值,随后缓慢降低;氮磷比较大的植物组ρ叶绿素a反而较小,试验结束时8～10号水箱ρ叶绿素a分别为75.3、21.9、39.7 μg/L。

试验初期,对照组水箱营养充足,经过调整期后藻类大量繁殖,但水箱内营养物质和空间有限,试验第27 天藻类数量达到最大且ρ叶绿素a也达到最大值;随后藻类繁殖量少于死亡量,藻密度下降,叶绿素a减少,死亡的藻类经分解将营养物质释放回水体,导致藻类生长和叶绿素a的细微波动。植物组水箱内铜钱草与藻类物种竞争,铜钱草根系发达、生长较快,能获得较多的营养物质,铜钱草植株对阳光的遮蔽作用也能限制藻类的生长[16],此外植物可能会分泌一些克藻物质限制藻类生长或杀死藻类[17],因此植物组藻密度一直处于较低水平。植物组藻类数量与铜钱草质量成反比,铜钱草质量增加越多,对营养元素利用越多,植株越大,对阳光的遮蔽作用越强,ρ叶绿素a越低。8号水箱中氮元素有限,不能充分满足铜钱草生长需要;10号水箱中氮元素过多,也限制铜钱草生长;9号水箱较适宜铜钱草生长,其氮磷比15.96为该试验条件下最佳氮磷比。

2.3 微生物群落情况分析

2.3.1 OTU样本分布韦恩图和聚类树

试验结束对2组水样进行宏基因组分类测序,共检测到15 101个操作分类单元(operational taxonomic unit,OTU),其中对照组7号水箱4 960个,植物组8～10号水箱OTU分别为3 676、3 626、2 839个,4个水箱特有OTU分别为4 200、2 699、2 697、2 281个。OTU 样本分布韦恩图如图4所示。由图4可知,对照组7号水箱和植物组8号水箱共有OTU最多为543个,植物组9号与10号水箱共有OTU最少为361个。

4个水箱基于OTU的样本聚类树如图5所示。图5中,同一颜色的树枝表示来源于同一组,树枝的长度代表样本间的距离,越相似的样本会越靠近,可见9号、10号水箱样本相似性强,对照组7号水箱与其他水箱样本的相似性最弱。

图4 4个水箱中微生物OTU样本分布韦恩图

图5 4个水箱基于OTU的样本聚类树

2.3.2 微生物群落多样性分析

通过单样品的多样性分析 (Alpha多样性) 可以反映微生物群落的丰度和多样性,用稀疏性曲线和一系列统计学分析指数可预估环境群落中物种的丰富度和多样性。

4个水箱中微生物的多样性指数见表2所列。

表2 4个水箱中微生物多样性指数统计结果

4个水箱的覆盖率均在95%以上,满足样品微生物多样性分析的需要,可代表样本的真实情况。表征群落分布丰度的Chao指数和基于丰度的覆盖率估计(abundance-based coverage estimator,ACE)指数的数值越大,表明菌群的丰度越高,因此对照组7号水箱丰度相对较大。从表征群落分布多样性的Shannon指数和Simpson指数看,Shannon指数值越大,说明群落多样性越高,而Simpson指数值越大,说明群落多样性越低,因此8号水箱群落多样性最大,对照组7号水箱多样性最小。这是水箱内各污染物质量浓度水平和藻类生长共同作用的结果,一般情况下群落的多样性会与水体中营养水平成正比,但藻类的生长会造成水体细菌多样性的改变[18]。

采用Shannon指数来比较测序数据量不同的样本中物种的丰度,植物组水箱在反应初期和稳定时期,测序得出的物种总数量均高于对照组水箱,且反应稳定时期测序得出的物种总数量均高于反应初期。

2.3.3 属水平上样本相对丰度和群落结构

利用blastn软件将OTU序列与对应数据库进行比对,筛选出OTU序列的最佳比对结果,对结果进行过滤,默认满足相似度大于90%且覆盖率大于90%的序列被用来后续分类,不满足条件的序列被归为未归类(unclassified)。属水平上4个水箱样本14个主要序列数目和相对丰度见表3所列。由表3可知:对照组7号水箱属水平上相对丰度较高的属为Janthinobacterium、Pseudomonas,分别占53.15%、26.95%;植物组有多个共同属,包括Novosphingobium、Mucilaginibacter、Simplicispira、Sideroxydans、Limnobacter等,相对丰度较高且相似性较强。因此,相对于对照组,植物组水箱的微生物群落属水平上样本相对丰度更高,群落结构更复杂,8～10号水箱中优势属与水质有密切联系[19],微生物种类多样性更多,有利于富营养化的处理。

表3 属水平上4个水箱样本14个主要序列数目和相对丰度

2.4 主要水质指标情况分析

2.4.1 TP的净化效果

TP是衡量水质状况的关键, 4个水箱不同氮磷比下溶解性磷去除效果曲线如图6所示。

图6 4个水箱不同氮磷比下溶解性磷去除效果曲线

4个水箱内ρTP的初始值都在1.42 mg/L左右;试验初始的6 d, 7～10号水箱的ρTP分别迅速降低68.55%、73.07%、74.73%、76.24%,分别下降至0.45、0.40、0.37、0.34 mg/L;随后对照组7号水箱ρTP出现显著上升,恢复到接近初始ρTP后,在此水平内波动,且波动范围较大;植物组水箱ρTP总体以缓慢速率下降且波动较小,试验结束时植物组8～10号水箱ρTP分别下降至0.10、0.05、0.03 mg/L,分别降低93.24%、96.45%、97.88%,其中9号和10号水箱的ρTP下降速率略快,下降趋势基本一致。

浮床系统对磷去除的方式主要是通过植物吸收、吸附、截留、沉淀和合成藻类物质[20]。试验初始的6 d,受水箱内壁、铜钱草根系、微生物作用及植物生长的吸附和吸收,4个水箱内ρTP迅速降低。受氮磷比的影响,营养物质多的水箱,微生物活动强烈、植物生长较快,ρTP下降稍快。对照组没有植物作用,ρTP下降主要是藻类生长繁殖的吸收,伴随着藻类生命周期,群落更替,死亡后分解,TP又释放到水体中,因此对照组ρTP出现较大波动,试验第5 天后出现较快上升,至试验结束对照组水箱内TP相比于植物组均处于较高质量浓度。植物组在试验过程中铜钱草不断生长,为了满足自身生长需要对TP持续吸收,试验第5天后至试验结束植物组水箱内ρTP波动较小,总体趋势为持续降低。氮磷比高的水箱内氮源充足,植物和微生物生长繁殖较快,ρTP下降速率较大,但植物和微生物的生长对氮元素的需求量有限,更多的营养元素未能更大程度上促进铜钱草的生长,因此9号、10号水箱内氮元素的含量虽然有差异,但第6 天后2个水箱内ρTP降解趋势和速率基本一致。8号水箱营养物质少,不能充分满足铜钱草生长需要,ρTP降解速率低于9号和10号水箱。文献[21]研究发现,在轻度污染水体中,植物对磷的去除作用占51%,本试验植物组TP主要通过铜钱草的吸收去除,对照组ρTP的波动主要是由于藻类的生命周期变化。

2.4.2 NH4+-N的净化效果

4个水箱在不同氮磷比下各个时间段NH4+-N去除效果曲线如图7所示。

图7 4个水箱不同氮磷比下NH4+-N的去除效果曲线

7～10号水箱ρ(NH4+-N)初始值分别为12.48、12.59、21.22、30.65 mg/L,试验初始4 dρ(NH4+-N)分别迅速下降7.55、6.98、9.37、8.80 mg/L,下降率分别为60.54%、55.48%、44.15%、28.72%;从第5天至第27 天,ρ(NH4+-N)缓慢上升;从第28 天至试验结束,4个水箱ρ(NH4+-N)总体呈缓慢下降趋势。对照组7号水箱和植物组8号水箱内NH4+-N质量浓度与变化趋势在试验开始后27 d内基本吻合,27 d后对照组的ρ(NH4+-N)略高于植物组。试验结束时7～10号水箱ρ(NH4+-N)分别为5.77、1.46、8.11、16.09 mg/L,下降率分别为53.77%、88.40%、61.78%、47.50%。

NH4+-N主要通过挥发作用、硝化反应、植物吸收、生成藻类、吸附等方式去除[22],试验初期主要受吸附作用影响,ρ(NH4+-N)迅速下降,随着试验的进行,NH4+-N逐渐解吸,ρ(NH4+-N)缓慢上升。试验过程中对照组7号水箱藻类逐渐爆发,微生物逐渐繁殖,藻类吸收利用和微生物硝化作用致使ρ(NH4+-N)逐渐降低,但水箱内空间和营养物质有限,藻类数量有限,因此对NH4+-N的吸收和硝化作用也有限,藻类死亡后又将NH4+-N释放到水体中,故ρ(NH4+-N)未能降低到很低水平,试验后期ρ(NH4+-N)相对稳定。植物组8号和9号水箱氮元素充足,铜钱草生长吸收利用NH4+-N,其根系周围和水体中的微生物进行着硝化作用,对NH4+-N的吸收较多且植物质量增加明显;10号水箱NH4+-N过量,营养过剩,抑制铜钱草的生长,ρ(NH4+-N)降低值小于8号和9号水箱。对照组7号水箱无植物生长,NH4+-N的降解主要是微生物的作用,ρ(NH4+-N)低于生长茂盛的植物组,微生物的降解作用显著高于植物的吸收作用。

铜钱草通过呼吸作用,经由发达的根系,形成好氧-厌氧的微环境[23],从而快速降解NH4+-N。试验后期,由于水体中多种营养素的缺乏限制了微生物的生长繁殖,而植物对氮元素的吸收能力有限,过多的氮元素会抑制植物的吸收与微生物的生长,降解速率和效果不明显。

2.4.3 NO2--N和NO3--N质量浓度的变化

4个水箱中ρ(NO2--N)的变化曲线如图8所示。

图8 4个水箱中ρ(NO2--N)的变化曲线

从图8可以看出,在整个试验阶段对照组ρ(NO2--N)一直处在较低水平,植物组则呈先非常缓慢升高后加速上升趋势,其中植物组9号、10号水箱ρ(NO2--N)上升迅速,在第34天达到最大值,随后出现较缓降低的趋势。试验结束时,7～10号水箱内ρ(NO2--N)分别为1.226、0.153、0.153、5.778 mg/L。

4个水箱中ρ(NO3--N)的变化曲线如图9所示。

图9 4个水箱中ρ(NO3--N)的变化曲线

植物组ρ(NO3--N)的变化与ρ(NO2--N)相对应,植物组水箱内ρ(NO3--N)从第30天均出现快速上升,8～10号水箱内ρ(NO3--N)的上升速率依次减小,且氮磷比越小,试验结束时剩余的ρ(NO3--N)越大,试验结束时ρ(NO3--N)分别为4.35、3.03、1.52 mg/L。对照组7号水箱,试验过程中ρ(NO3--N)均处在较低水平,试验结束为0.48 mg/L。

2.4.4 TOC质量浓度的变化

4个水箱内ρTOC的变化曲线如图10所示。试验开始时,7～10号水箱ρTOC分别为51.35、52.42、51.43、50.27 mg/L;试验开始后16 d内ρTOC快速下降,且趋势基本一致,然后趋于平稳,至结束时分别为13.81、5.77、6.93、5.17 mg/L,分别下降73.11%、89.00%、86.53%、89.72%,且第16天后对照组7号水箱ρTOC高于植物组,并有相对较大波动。

图10 4个水箱内ρTOC的变化曲线

数据表明试验开始时,经适应性培养,根系发达的铜钱草迅速吸收葡糖糖,以满足自身生长需要。铜钱草发达的根系对TOC进行吸附和截留,水箱内微生物对TOC进行吸收和转化。小分子有机物被植物直接吸收利用和微生物对有机物的好氧分解,植物根系吸附、截留,以及生成藻类是浮床技术降解TOC的几种主要途径[24]。经过截留、吸附、沉降和吸收等多种途径的作用,试验初期水体内ρTOC迅速降低,在后续试验过程中TOC被逐步利用。文献[25]研究表明,植株强大、根系发达的植物泌氧能力较强,有利于好氧微生物的繁殖和有机物的消耗。由于铜钱草生长时对小分子有机物有所吸收,且根系发达,为水中微生物提供了良好的生长环境,加速微生物的生长及对有机物的降解,植物组各水箱内ρTOC持续降低,最终去除效果明显。

对照组7号水箱ρTOC较低后又升高,可能与藻类的生长代谢有关,藻类生长旺盛时,吸收利用的有机物较多,死亡后又将部分有机物释放到水体里,因此ρTOC波动较大,而植物组铜钱草持续生长,吸收有机物,致使ρTOC持续降低。

2.4.5 电导率的变化

电导率表示溶液传导电流的能力,是表征水体溶解性固体物质或盐度的重要参数,也是评价水环境健康的重要参数[26]。试验期间4个水箱内电导率的变化曲线如图11所示。

图11 4个水箱内电导率的变化曲线

试验开始时,7～10号水箱内电导率分别为321、327、420、516 μS/cm,试验开始后4 d内电导率均略有下降,随后对照组7号水箱电导率略有增加,植物组9号水箱略有降低,8号和10号水箱有微小波动,试验结束时7～10号水箱内电导率分别为354、322、370、516 μS/cm。水溶液的电导率高低相依于其内含溶质盐的浓度大小,或其他分解为电解质的化学杂质成分多少。水样本的电导率是测量水的含盐成分、含离子成分、含杂质成分等的重要指标。水越纯净,电导率越低(电阻率越高)。

试验初期4 d,由于微生物的降解和吸附、植物的吸收等,导致ρTOC、ρTP等下降,也就是水箱内离子质量浓度下降,因此电导率略有下降。随着各营养元素解吸和微生物数量增加,水箱内杂质增多,藻类产生和死亡,电导率又会出现波动。对照组7号水箱电导率的降低主要是由于吸附作用、微生物对营养素的利用和藻类的生长,藻类和微生物死亡后又会将无机盐释放到水体中,导致对照组7号水箱试验后期电导率上升。氮磷比较为合适的9号水箱,铜钱草生长较好、质量增加较多,对离子的吸收较多,电导率略有下降。