污水净化过程中水生植物去氮功能研究

2017-05-30 07:48:13 2

  污水的排放已经成为农村、城市、河流、湖泊等面临的主要环境问题,严重制约了城镇经济的发展.污水中含有大量的氮、磷等营养元素,是导致河流、湖泊富营养化的主要来源.水体富营养化会导致水质退化,降低生物多样性,使脆弱的水生态系统遭到严重破坏,是湖泊等天然水体面临的主要环境问题,已经引起世界各国的广泛关注.

  在污水种植合适的水生植物,通过水生植物生长吸收而去除水体氮,既环保又生态,可以减轻对水生态系统稳定性的影响,被认为是传统污染水体修复的替代措施之一.粉绿狐尾藻是多年生挺水或沉水草本植物,由于其适应环境能力强,生长速度很快,被认为是世界上最重要的水生植物之一.除具观赏性外,粉绿狐尾藻对污水具有较强的净化能力,能够忍受水体中较高的氮浓度,且不易造成生物入侵,被称为“净水精灵”,可作为净化污水的先锋植物.粉绿狐尾藻吸收积累的氮在水体总去除氮中占有较大的比例,同时既能够直接改善水体环境,又能够增强硝化和反硝化的除氮作用,还能够产生化感物质抑制藻类的生长.本文采用盆栽试验,研究粉绿狐尾藻对不同氮浓度污水的去除氮效果,明确污水氮浓度对粉绿狐尾藻去氮能力的影响,以期为城市污水修复、净化提供依据和技术.

  1 材料与方法 1.1 试验材料

  试验材料为粉绿狐尾藻,由中国科学院亚热带农业生态研究所提供.供试水体和底泥取自华中农业大学南湖污水池,试验前测定水体和底泥的基础数值见表 1.

  

  表 1 水体和底泥的理化性质

  1.2 试验处理

  试验采用高40 cm,桶口直径为35 cm的PVC桶,每个塑料桶水的体积为15L,底泥重量为5 kg,厚度约为5 cm.低氮浓度处理,用纯水进行稀释;高氮浓度处理,用NH4NO3补充;用KH2PO4调节磷含量一致,为1.59 mg·L-1.共设7个总氮水平处理: 2、5、10、20、100、200和400 mg·L-1.粉绿狐尾藻用清水驯化一周,选取生长旺盛,大小一致的粉绿狐尾藻剪取(20±1) cm长的茎,每个处理植株生物量为(100±2) g,每个处理重复4次.每天定时用纯水补充蒸发水量以保证体积恒定.试验从2015年12月1日至2016年1月5日,期间温度范围为-4~14℃,平均温度为5℃.

  1.3 取样与测试

  试验期间每隔7d测定粉绿狐尾藻的生物量、水体总氮、氨氮、硝态氮、溶氧量、pH;35d收获后,将植株分为水上部分、水下部分、侧根、节,测定不同部位的氮含量.总氮采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定;氨氮用纳氏试剂比色法测定;硝态氮用紫外分光光度法测定;溶解氧和pH用德国WTW生产的Multi 3430 SET多参数三通道测试仪进行测定;植物体内的总氮用浓硫酸-双氧水消化半微量蒸馏法测定;底泥中总氮用凯氏蒸馏法测定.

  1.4 数据分析

  采用Excel 2013软件统计数据,Sigmaplot 10.0绘制图表,采用SPSS 18.0软件对试验数据进行方差分析和显著性分析.

  2 结果与分析 2.1 粉绿狐尾藻生长与污水氮浓度的关系

  粉绿狐尾藻的生物量随污水氮浓度的变化因时间而不同(图 1).在21 d以前,粉绿狐尾藻的生物量随氮浓度升高到20 mg·L-1达到最大,氮浓度100~400 mg·L-1则有所下降;21~35 d时,粉绿狐尾藻的生物量随氮浓度升高到200 mg·L-1达到最大,氮浓度400 mg·L-1则有所下降.粉绿狐尾藻生物量的增长率(表 2),在14 d以前,以低氮浓度2~20 mg·L-1污水较高;14~21 d,处理间粉绿狐尾藻生物量增长率没有明显规律;21~35 d的增长率以高氮浓度100~400 mg·L-1污水较高,约为低氮浓度污水的1.5~2倍,且以200 mg·L-1最高.由此说明,前3周在氮浓度不高于20 mg·L-1即低氮浓度污水粉绿狐尾藻生长最好,4~5周则以高氮浓度200 mg·L-1的污水生长最好.低氮浓度处理试验初期,底泥可能能够根据粉绿狐尾藻生长需要向水体供给氮,后期底泥氮的释放受到抑制;试验初期高氮浓度处理抑制粉绿狐尾藻生长,随后氮浓度降低,生长加快,处理更高氮浓度污水可能需要更多时间.

 

图 1 不同氮浓度污水对粉绿狐尾藻生物量的影响

  

  表 2 不同氮浓度污水对粉绿狐尾藻生物量增长速率的影响/g·d-1

  2.2 粉绿狐尾藻氮吸收积累及分配与污水氮浓度的关系

  粉绿狐尾藻节、侧根、水上部分、水下部分和整株氮含量随污水氮浓度升高明显增加(表 3),但低氮浓度处理间大都无显著差异,氮浓度升高到100 mg·L-1氮含量显著增加并随氮浓度升高继续增加.粉绿狐尾藻各部位氮含量之比因氮浓度升高而变化,在低氮浓度污水中,水上部分氮含量(质量分数) 为2.88%~3.11%、平均为2.97%,水下部分氮含量为2.39%~2.79%、平均为2.62%,侧根氮含量1.45%~2.18%、平均为1.75%,节氮含量3.67%~4.81%、平均为4.26%,水上部分/水下部分、节/侧根分别为1.13、2.43.在高氮浓度100~400 mg·L-1污水中,水上部分氮含量为4.75%~6.51%、平均5.68%,水下部分氮含量为5.31%~6.27%、平均为5.19%,侧根氮为7.92%~9.31%、平均8.80%,节氮含量7.14%~11.26%、平均9.52%,水上部分/水下部分、节/侧根分别为1.09、1.08.由此说明,在低氮浓度污水中,粉绿狐尾藻体内氮含量因氮浓度变化不大,但有“上高下低”趋势,即能够将由水体吸收的氮转运到水上部分;在高氮浓度污水中,粉绿狐尾藻体内氮含量随氮浓度而升高而部位间差异小、梯度不大,呈现均匀分布,粉绿狐尾藻侧根既吸收氮也储存氮.无论氮浓度高低,节氮含量始终最高,可能是粉绿狐尾藻氮储存和分配的关键部位.

 

  表 3 不同氮浓度污水对粉绿狐尾藻不同部位氮含量的影响1)

  粉绿狐尾藻氮积累量和单位干物质量氮积累速率随污水氮浓度的升高而增加(图 2),但低氮浓度处理间基本无显著差异,氮积累量为0.34~0.51 g,氮积累速率为0.53~0.68 mg·(g·d)-1;高氮浓度氮积累量为0.67~0.93 g,积累速率为0.96~1.59 mg·(g·d)-1;高氮浓度处理粉绿狐尾藻氮积累量和单位干物质氮积累速率显著高于低氮浓度处理;粉绿狐尾藻氮积累量和单位干物质氮积累速率随氮浓度升高而增加,至100 mg·L-1、200 mg·L-1均达到显著水平,但200 mg·L-1和400 mg·L-1间无显著差异.污水氮浓度由20 mg·L-1到100 mg·L-1、200 mg·L-1时,粉绿狐尾藻氮积累量和单位干物质量氮积累速率呈梯度增加,预示着氮吸收转化能力显著提升,氮转化机制发生突变.

  

图 2 不同氮浓度污水粉绿狐尾藻氮积累量和单位干物质量氮积累速率

  2.3 粉绿狐尾藻去除氮与污水氮浓度的关系 2.3.1 粉绿狐尾藻去除总氮与污水氮浓度的关系

  不同氮浓度污水总氮浓度随粉绿狐尾藻处理时间增长而逐渐降低(表 4).粉绿狐尾藻处理7 d,低氮浓度污水总氮的去除率达到75.0%~92.5%、平均为86.8%,高氮浓度污水总氮去除率只有14.2%~32.7%、平均为25.1%;35d时,低氮浓度处理总氮的去除率达79.5%~96.1%、平均为90.8%,高氮浓度处理总氮去除率为48.1%~76.5%、平均为65.4%.粉绿狐尾藻对不同氮浓度污水总氮的去除速率随时间下降(表 5).低氮浓度污水,粉绿狐尾藻在0~7 d对总氮去除速率最高且随氮浓度升高而增加;7 d后,去除速率几乎为零.高氮浓度污水,粉绿狐尾藻对总氮去除速率在0~7 d和14~21 d出现两个高峰且均随氮浓度升高而提高,但在第二个高峰时3个处理的去除速率依次为2.49、7.28和14.80 mg·(L·d)-1,去除率为第一个高峰的2倍多.综上所述,低氮浓度的污水,粉绿狐尾藻处理7 d就能够去除总氮75%~90%,达到较强的去除效果;高氮浓度污水,粉绿狐尾藻处理21 d能够去除总氮40%~60%,随后氮去除速率显著下降.

  

  表 4 不同氮浓度污水总氮浓度随粉绿狐尾藻处理时间的变化/mg·L-1

  

  表 5 粉绿狐尾藻对不同氮浓度污水总氮的去除速率/mg·(L·d)-1

  2.3.2 粉绿狐尾藻去除氨氮与污水氮浓度的关系

  不同氮浓度污水氨氮浓度随粉绿狐尾藻处理时间增长而逐渐降低(表 6).粉绿狐尾藻处理7d,低氮浓度污水氨氮去除率为92.4%~98.8%、接近100%,高氮浓度污水氨氮去除率只有33.5%~69.2%、平均为52.9%;35 d时,氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的污水氨氮去除率分别为99.6%和99.3%、近100%,氮浓度400 mg·L-1的污水氨氮的去除率仅为60.2%.粉绿狐尾藻对不同氮浓度污水氨氮的去除速率随时间呈下降趋势(表 7).在0~7 d,粉绿狐尾藻对氨氮的去除速率最高且随污水氮和氨氮浓度升高而增加;氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的污水分别在第2周和第4周后氨氮的去除速率显著下降,而氮浓度400 mg·L-1的污水在28~35 d仍有相对较高的氨氮去除速率.由此说明,对氮浓度不高于20 mg·L-1的低氮浓度污水,粉绿狐尾藻处理7 d就能够去除90%以上氨氮且去除速率显著下降;对氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的污水,粉绿狐尾藻分别处理2和4周能够去除氨氮90%以上且去除速率显著下降;但对氮浓度400 mg·L-1的污水,处理5周只能去除60%的氨氮.

  

  表 6 不同氮浓度污水氨氮浓度随粉绿狐尾藻处理时间的变化/mg·L-1

 

  表 7 粉绿狐尾藻对不同氮浓度污水氨氮的去除速率/mg·(L·d)-1

  2.3.3 粉绿狐尾藻去除硝态氮与污水氮浓度的关系

  低氮浓度污水硝态氮浓度低,粉绿狐尾藻处理后变化不大(表 8和表 9).高氮浓度污水硝态氮去除速率随氮浓度升高而增加、随时间而下降(表 9),但第2周后去除速率显著下降且变化不大,氮浓度100、200、400 mg·L-1的污水在0~14 d硝态氮去除率分别为27.2%、46.3%、35.6%;35 d时,硝态氮去除率分别为40.6%、54.3%和43.8%,均显著低于氨氮去除率.因此,低氮浓度处理硝态氮含量低,粉绿狐尾藻处理后作用不显著,去除的总氮主要为氨氮;高氮浓度处理,粉绿狐尾藻处理2周硝态氮去除速率显著下降、去除率为27.2%~46.3%,即使处理5周去除率也只有40.6%~54.3%,去除能力和速率显著低于氨氮.

  

  表 8 不同氮浓度污水硝态氮浓度随粉绿狐尾藻处理时间的变化/mg·L-1

 

  表 9 粉绿狐尾藻对不同氮浓度污水硝态氮的去除速率/mg·(L·d)-1

  2.4 粉绿狐尾藻对不同氮浓度污水底泥氮含量的影响

  试验底泥全氮含量为3.61 g·kg-1.粉绿狐尾藻处理35 d,氮浓度2~20 mg·L-1的污水底泥全氮含量为2.96~3.12g·kg-1、平均为3.05 g·kg-1,下降15.5%;氮浓度100 mg·L-1污水底泥全氮含量为3.69 g·kg-1,无显著变化;氮浓度200 mg·L-1、400 mg·L-1污水底泥全氮含量分别为3.82 g·kg-1、4.01 g·kg-1,分别提高了5.8%、11.1%,底泥氮增加量分别占水体去除氮17.2%、24.4%(表 10).由此说明,低氮浓度污水,粉绿狐尾藻不仅能够去除水体中的氮还能利用底泥中的氮,且积累的氮远高于水体去除的氮,植物吸收积累的氮主要来自底泥;100 mg·L-1污水底泥全氮没有显著变化,保持基本平衡;而氮浓度200 mg·L-1、400 mg·L-1污水底泥能够吸附固定水体氮而提高底泥氮含量,但粉绿狐尾藻积累氮显著高于底泥固定氮.

  

  表 10 粉绿狐尾藻处理35 d对不同氮浓度污水底泥全氮含量的影响

  2.5 粉绿狐尾藻对不同氮浓度污水溶解氧和pH的影响

  污水溶解氧浓度随水体氮浓度和粉绿狐尾藻处理时间而有所变化(表 11).首先,总体而言,污水溶解氧浓度随水体氮浓度升高有下降趋势,氮浓度2~20 mg·L-1的污水溶解氧浓度平均为10.64 mg·L-1,100~400 mg·L-1的污水溶解氧浓度平均为10.38 mg·L-1,较低氮浓度平均低0.26 mg·L-1.其次溶解氧浓度随粉绿狐尾藻处理时间呈先升后降趋势,在14 d达到最高,0~35 d各处理溶解氧平均浓度依次为9.14、10.53、11.28、11.23、10.01、10.98 mg·L-1.由此说明,污水溶解氧浓度随水体氮浓度提高而有所下降,可能不利于粉绿狐尾藻生长;在0~14 d,污水溶解氧浓度随粉绿狐尾藻处理时间增加而增加,预示着粉绿狐尾藻能够快速提高水体溶解氧浓度促进植株生长与代谢.

  

  表 11 粉绿狐尾藻处理对不同氮浓度污水溶解氧浓度影响1)/mg·L-1

  污水pH随氮浓度和粉绿狐尾藻处理时间而有所变化(表 12). 2~20 mg·L-1的低氮浓度污水pH随水体氮浓度升高和粉绿狐尾藻处理时间增加整体呈上升趋势,但均在7.1~7.6之间,呈微碱性,这与水体氨氮被大量去除有关;100~400 mg·L-1的高氮浓度污水pH随粉绿狐尾藻处理时间增加呈下降趋势,但pH值均在6.5~7.6之间,可能是因为粉绿狐尾藻生长过程中向水体中释放了某些酸性物质.因此,试验期间所有处理水体pH < 7.6,未达到氨挥发的条件之一的pH>8.0,氨挥发可忽略.

 

  表 12 粉绿狐尾藻处理对不同氮浓度污水pH的影响1)

  3 讨论 3.1 粉绿狐尾藻生长受氮浓度影响

  本研究表明,粉绿狐尾藻的生物量在处理21 d内随污水氮浓度升高到20 mg·L-1达到最大,而100~400 mg·L-1氮浓度则有所下降,21~35 d随污水氮浓度升高到200 mg·L-1达到最大而400 mg·L-1氮浓度依然有所下降;粉绿狐尾藻生物量的增长率,在14 d内以低氮浓度污水即氮浓度2~20 mg·L-1较高,14~21 d处理间没有明显规律,21~35 d以氮浓度100~400 mg·L-1的高氮浓度污水较高且约为低氮浓度污水的1.5~2倍,其中以200 mg·L-1最高.这与朱丹婷等[23]和葛芳杰等的研究结果类似,朱丹婷等利用黑藻处理氮浓度为2、4、8 mg·L-1的富营养化水体,黑藻生物量随氮浓度的升高而增加且以氮浓度8 mg·L-1处理生物量的增长最快;葛芳杰等用穗花狐尾藻处理0.875、7.0、56.0 mg·L-1氮浓度的水体,穗花狐尾藻生物量以7.0 mg·L-1水体增长最快而以56.0 mg·L-1增长最慢.综上所述,在3周内,粉绿狐尾藻以氮浓度不高于20 mg·L-1的低氮浓度污水生长较好;4~5周,则以氮浓度200 mg·L-1的高氮浓度污水生长较好;氮浓度400 mg·L-1抑制粉绿狐尾藻生长.说明初始阶段高氮浓度会对粉绿狐尾藻的生长产生一定的抑制作用,随后氮浓度降低抑制作用减弱,生物量增长加快;低氮浓度的污水为了满足粉绿狐尾藻的生长需求,底泥可能向水体释放氮但又不至于浓度过高抑制生长,后期底泥氮的释放可能受到限制导致粉绿狐尾藻生长减缓,需要进行进一步研究.

  3.2 粉绿狐尾藻去氮能力受氮浓度和形态的影响

  本文结果表明,氮浓度不高于20 mg·L-1的低氮浓度污水,由于水体氮浓度低,粉绿狐尾藻为了满足生长的需求,处理1周能够去除总氮的75%~90%、氨氮的90%以上.黄亮等利用狐尾藻等3种水生植物对氮浓度9.855 mg·L-1的污水净化35 d,狐尾藻对水体总氮的去除率达71.42%,生物相氮的富集能力最强,Fu等利用菖蒲等5种水生植物对氮浓度14 mg·L-1的污水净化14 d,总氮的去除率接近90%.氮浓度100~400 mg·L-1的污水,粉绿狐尾藻处理3周能够去除总氮40%~60%而后氮去除速率显著下降;氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的污水,粉绿狐尾藻分别处理2和4周能够去除氨氮90%以上而后去除速率显著下降;氮浓度400 mg·L-1的污水,处理5周只能去除60%的氨氮. Souza等利用绿狐尾藻处理氨氮浓度为27.44 mg·L-1的污水30 d时去除氨氮98.6%,Li等[17]利用绿狐尾藻处理合成富营养化水(氨氮浓度为200 mg·L-1)14 d和28 d时氨氮去除率分别为75.8%和87.7%.因此,粉绿狐尾藻去除污水氮能力明显受氮浓度影响,氮浓度不高于20 mg·L-1时,1周内可去除总氮的75%~90%、氨氮的90%以上;氮浓度100~400 mg·L-1时,水体氮含量高,至少2周才去除氨氮90%以上、3周才去除总氮50%左右;400 mg·L-1的高氮浓度下处理5周也只能去除60%的氨氮.

  进一步的结果显示,对氮浓度不高于20 mg·L-1的污水,由于水体氮浓度低,粉绿狐尾藻为了满足生长所需要的养分,既能够去除水体氮还能利用底泥氮;对氮浓度200 mg·L-1、400 mg·L-1的污水,水体氮浓度高,粉绿狐尾藻吸收积累氮占水体氮去除27.9%和48.4%,底泥增加氮占水体去除氮17.2%和24.4%,但不同氮浓度不同时间底泥氮的增加和减少量有待进一步研究.粉绿狐尾藻的吸收积累和底泥氮沉降是水体氮去除的主要途径.张树楠等利用绿狐尾藻等5种水生植物对生态沟渠进行拦截试验,证明绿狐尾藻和水生美人蕉体内氮含量最高,能够从生态沟渠中带走大量的氮;Liu等报道,对氮浓度为200 mg·L-1、400 mg·L-1的猪场废水和合成废水,粉绿狐尾藻积累氮占水体氮去除的15.9%~46.2%.分析氮浓度为20、100、200 mg·L-1的污水,粉绿狐尾藻氮积累量和单位干物质量氮的去除速率呈梯度增加.在氮浓度不高于20 mg·L-1的污水中,由于水体氮浓度较低,粉绿狐尾藻吸收积累的氮主要来自底泥,底泥氮的释放能力基本一致,体内氮含量因氮浓度变化不大,但部位间有“上高下低”趋势;在高氮浓度污水中,粉绿狐尾藻体内氮含量随氮浓度而升高而部位间差异小、梯度不大,呈现均匀分布.这些结果暗示粉绿狐尾藻氮的转化、转运机制可能因氮水平而发生变化,因为一定氮浓度范围内氮代谢相关酶受氮浓度的显著影响,但需进一步研究证实.由此说明,对氮浓度不高于20 mg·L-1的污水,粉绿狐尾藻不仅能够快速去除水体氮而且可以利用底泥氮;对氮浓度高于100 mg·L-1尤其是200 mg·L-1的污水,粉绿狐尾藻的氮转化、转运机制可能发生变化以逐步去除水体氮.

  氮浓度2~20 mg·L-1的低氮浓度污水硝态氮浓度低,粉绿狐尾藻处理后变化不大;氮浓度100~400 mg·L-1的高氮浓度污水,粉绿狐尾藻处理5周硝态氮去除率只有50%左右.因此,粉绿狐尾藻对污水氨氮的去除能力显著高于硝态氮. Jampeetong等和Dai等的研究也表明水生植物对氨氮的去除率显著高于硝态氮.水体中氮主要以氨氮、硝态氮和有机氮的形式存在,植物通常优先利用氨氮作为氮源且对氨氮的吸收速率显著高于硝态氮,这是因为植物吸收氨氮比吸收硝态氮消耗的能量少.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  4 结论

  (1) 粉绿狐尾藻的生长受氮浓度的影响.前3周以氮浓度20 mg·L-1生长最好;4~5周,则以氮浓度200 mg·L-1的污水生长最好,生物量达到最大.

  (2) 粉绿狐尾藻对氮的去除和体内氮分配受氮浓度的影响.氮浓度不高于20 mg·L-1的污水,粉绿狐尾藻既能够去除水体氮还能利用底泥氮,粉绿狐尾藻体内氮含量因氮浓度变化不大而部位间有“上高下低”趋势;氮浓度100~400 mg·L-1的污水,粉绿狐尾藻的吸收积累和底泥固定是水体氮的主要去除途径,粉绿狐尾藻体内氮含量随氮浓度而升高,但部位间差异小、呈现均匀分布.

  (3) 粉绿狐尾藻对氮的去除受氮形态的影响.粉绿狐尾藻对氨氮的去除能力显著高于硝态氮,氮浓度2~200 mg·L-1的污水氨氮的去除率能够达到90%以上.

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