傳統(tǒng)的生活污水處理工藝在農(nóng)村應用存在建設(shè)與運營成本太高的問題，農(nóng)村散戶生活污水通常僅經(jīng)過三格化糞池或者四格凈化池（三格化糞池+人工濕地）處理后，排入溝渠匯入附近的魚塘、河流、湖泊等，對自然水體的水質(zhì)造成嚴重威脅，面源污染風險嚴重。針對農(nóng)村散戶生活污水量差異大、污染源相對分散、可生化性好、污染物濃度較高等特點，利用農(nóng)戶周邊魚塘、農(nóng)田構(gòu)建濕地，使污染物進一步降解后再進入自然水體的植物修復技術(shù)，具有效果好、投資運行成本低、景觀效果好、能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟價值等優(yōu)點，成為分散農(nóng)村生活污水治理的首選工藝之一。這類濕地的凈化機理是依靠植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化學作用共同對污水進行凈化處理，其運行效果的關(guān)鍵因素是植物類型。目 前，關(guān)于水生植物凈化能力的研究很多，主要是比較不同植物對不同污染程度水體的修復效果，由于各研究的實驗條件、植物品種、進水濃度等存在差異，植物在污水處理系統(tǒng)中去污能力不同，給設(shè)計與施工單位選擇凈化能力強的植物造成困難。因而篩選出具有顯著去污特性的水生植物，成為植物修復技術(shù)的關(guān)鍵之一。

據(jù)調(diào)查，農(nóng)村散戶生活污水中主要污染物出水濃度為 TN（總氮）27.6~159.3 mg·L^-1、TP（總磷）1.58~18.16 mg·L^-1、CODCr（化學需氧量）80.9~313.2 mg·L^-1、NH3 - N（氨 氮）21.3~148.9 mg · L^-1、SS（懸 浮 固 體）151.0~685.0 mg·L^-1，本研究在設(shè)定的模擬化農(nóng)村散戶生活污水出水濃度下，比較 29 種水生植物凈化系統(tǒng)對污染物的去除效果，通過聚類分析篩選出一批凈化效果好的水生植物，為農(nóng)村分散生活污水面源污染水生態(tài)修復提供技術(shù)參考與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以常見的29種水生植物為材料，植物品種見表1。

?1.2 試驗方法

試驗于2017年7—9月在中南林業(yè)科技大學苗圃內(nèi)進行，選取處于生長旺盛期的植物，用長×寬×高= 0.80 m×0.70 m×0.80 m的粗陶水缸進行露天避雨缸栽試驗，每缸種植的同類植物初始生物量大致保持一致，并設(shè)置無植物對照，每個處理設(shè)置 3 個重復。基質(zhì)為細砂，深度為 25.00 cm。在自然光照、避雨條件下用靜置 1 d 的自來水培育水生植物 10 d，待植物正常生長后一次性加入中南林業(yè)科技大學校區(qū)化糞池出水，模擬農(nóng)村散戶生活污水，最終實驗水體 TN 為31.76~31.97 mg·L^-1，TP 為 3.89~3.94 mg·L^-1，CODCr為178.87~178.98 mg·L^-1，NH3-N 為 23.58~23.69 mg·L^-1，SS為166.65~166.77 mg·L^-1，pH為6.96~7.01。生長過程中，每隔 15 d對實驗缸中水質(zhì)進行采樣分析，每次采水樣 100 mL，試驗周期為 75 d。試驗中用靜置 1 d的自來水每5 d補充因蒸發(fā)蒸騰及試驗采樣損耗的水分。每缸水深始終保持在50 cm。?

1.3 分析方法

TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）；TP 采用鉬酸銨分光光度法（HJ 671—2013）；CODCr采用重鉻酸鹽法（HJ 828—2017）；NH3-N 采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）；SS采用重量法（GB 11901—1989）；pH采用酸度計測量。?

（1）生物量變化量=種植 75 d生物量-種植 0 d生物量

（2）污水中污染物去除植物效應

植物效應=（C0-C-C′）/C0×100%

式中：C0為污染物初始濃度；C為污染物最終濃度；C′為對照組污染物濃度。?

（3）隸屬函數(shù)值計算方法

若指標與植物去污能力負相關(guān)，計算方法為：

式中：Z_ij為i植物j指標的去污隸屬函數(shù)值；X_ij為i植物j指標的測定值；X_{i min}和X_{i max}分別為各植物同一指標值的最小值和最大值。?

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用 SPSS 19.0。?

2 結(jié)果與分析

2.1 水生植物生物量變化量

試驗 75 d 后水生植物生物量變化量（圖 1）在每缸125.40~1 212.30 g之間，平均值為508.90 g。其中，美人蕉、蘆葦、鳳眼蓮生物量變化量具有顯著性優(yōu)勢，水蔥、再力花、花葉蘆竹、香蒲、茭草、萍蓬草、大 薸、旱傘草的生物量變化量大于29種植物的平均值。生物量變化量是衡量植物生長狀況及適宜性的一個重要指標，結(jié)果表明以上植物均能適應實驗中的污水環(huán)境，具有很好的耐污能力。

?2.2 水生植物對TN的去除效果

由29種水生植物對TN的去除效果（表2）可以看出，不同水力停留時間（HRT）時 TN 的凈化效果具有顯著差異性（P<0.05），但試驗中后期HRT對菖蒲、馬蹄蓮、鳳眼蓮、菱以及所有沉水植物的去除效果影響不顯著。HRT在 30 d和 45 d時鳳眼蓮凈化能力明顯優(yōu)于其他植物。15 d后芡實和菱的凈化能力遜于其他植物。75 d實驗結(jié)束時，29種植物凈化TN的植物效應為6.21%~26.66%，花葉蘆竹、香蒲、美人蕉、蘆葦對TN的凈化具有顯著優(yōu)勢（P<0.05），凈化能力較強。? ??

2.3 水生植物對NH3-N的去除效果

由 29 種水生植物對 NH3-N 的去除效果（表 3）可以看出，不同 HRT 時 NH3-N 的凈化效果具有顯著差異性（P<0.05），在試驗 60 d后 HRT對德國鳶尾、馬蹄蓮、睡蓮、菱、狐尾藻、輪葉黑藻、伊樂藻的去除效果影響不顯著。HRT在 30 d和 45 d時鳳眼蓮的凈化能力優(yōu)于其他28種植物，凈化速率較快，45 d后凈化能力減弱。芡實和菱在試驗中凈化能力遜于其他植物。75 d 試驗結(jié)束時，29 種植物凈化 NH3-N 的植物效應為 7.03%~23.92%，蘆葦對 NH3-N 的凈化具有顯著優(yōu)勢（P<0.05），凈化能力較強。

2.4 水生植物對TP的去除效果

由29種水生植物對TP的去除效果（表4）可以看出，不同 HRT 時 TP 的凈化效果具有顯著差異性（P< 0.05），在試驗中后期HRT對菖蒲、花葉蘆竹、茭草、美人蕉、鳳眼蓮、蘆葦?shù)娜コЧ绊懖伙@著。HRT在30 d 和 45 d 時鳳眼蓮的凈化能力優(yōu)于其他 28 種植物，凈化速率較快，45 d后凈化能力減弱。香蒲、蘆葦在45 d后凈化能力優(yōu)于其他植物，金魚藻、輪葉黑藻、萍蓬草在60 d前凈化能力遜于其他植物，之后凈化能力提高。75 d 試驗結(jié)束時，29 種植物凈化 TP 的植物效應為 17.40%~28.13%。香蒲、蘆葦對 TP 的凈化具有顯著優(yōu)勢（P<0.05），凈化能力較強。?

2.5 水生植物對CODCr的去除效果

由29種水生植物對CODCr的去除效果（表5）可以看出，不同HRT時CODCr的凈化效果具有顯著差異性（P<0.05）。鳳眼蓮凈化能力優(yōu)于其他 28 種植物，凈化速率較快。HRT在 30 d和 45 d時槐葉萍的凈化能力較強，后期凈化能力減弱。茭草在 45 d 和 60 d 凈化能力遜于其他植物，之后凈化能力提高。75 d試驗結(jié)束時，29 種植物凈化 CODCr的植物效應為 7.47%~18.62%，鳳眼蓮對 CODCr 的凈化具有顯著優(yōu)勢（P< 0.05），凈化能力較好。?

2.6 水生植物對SS的去除效果

由 29種水生植物對 SS的去除效果（表 6）可以看出，不同 HRT 時 SS 的凈化效果具有顯著差異性（P< 0.05）。蘆葦 30 d后凈化能力優(yōu)于其他 28種植物，凈化速率較快。HRT在 15 d和 30 d時德國鳶尾凈化能力較弱，HRT在 30 d和 45 d時芡實凈化能力較弱，后期凈化能力增強。75 d 試驗結(jié)束時，29 種植物凈化SS 的植物效應為 8.90%~13.00%。蘆葦對 SS 的凈化具有顯著優(yōu)勢（P<0.05），凈化能力較好。

2.7 水生植物生物量變化量與各污染物凈化率相關(guān)性分析

對四類水生植物生物量變化量與四類水生植物對5種污染物的植物效應進行相關(guān)性分析（表7），挺水植物生物量變化量與挺水植物對SS的植物效應呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），漂浮植物生物量變化量與漂浮植物對 TN、CODCr 的植物效應呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P< 0.05），結(jié)果表明，挺水植物對SS的凈化能力，漂浮植物對TN、CODCr的凈化能力受生物量變化量的影響較大。?

2.8 水生植物凈化能力聚類分析

篩選凈化能力強的水生植物品種，不僅要求其對污染物具有較高的植物效應，同時要求其凈化速率也要高。因此將水生植物的生物量變化量，水生植物對TN、NH3-N、TP、CODCr、SS的植物效應，以及植物凈化效果達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB/T18918—2002）一級A標準的時間作為篩選指標，得到29種水生植物篩選指標的平均隸屬函數(shù)值（表8），可比較出各植物間的凈化能力強弱。挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強，浮葉植物中睡蓮凈化能力較強，漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強，沉水植物中伊樂藻、苦草凈化能力較強。對水生植物凈化能力強弱采用組間連接方法進行系統(tǒng)聚類分析（圖 2），可將29種水生植物分為三大類：高凈化能力植物為蘆葦、鳳眼蓮、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉；中等凈化能力植物為旱傘草、馬蹄蓮、大薸、睡蓮、槐葉萍、伊樂藻、滿江紅、水蔥、苦草、菖蒲、金魚藻、千屈菜、荷花、萍蓬草、梭魚草、茭草、狐尾藻、再力花、菹草、輪葉黑藻、德國鳶尾、芡實、黃菖蒲；低凈化能力植物為菱。?

3 討論

本研究顯示挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強，浮葉植物中睡蓮凈化能力較強，漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強，沉水植物中伊樂藻、苦草凈化能力較強，這與前人對水生植物凈化能力的研究結(jié)果基本一致。凈水機理主要包括植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化學作用。

水生植物對于凈水效果的提升除了植物本身對污染物的吸附作用，還可以通過根系的泌氧作用促進微生物的繁殖，從而強化水生植物系統(tǒng)對污水的凈化效果。有研究證明鳳眼蓮、狐尾藻等水生植物對氮、磷的去除主要依靠植物吸附作用。本研究試驗結(jié)束時，無植物對照組可以凈化大部分污染物成分，而各植物對污染物的去除率僅占 10%~20% 左右，說明微生物作用、物理化學作用是本試驗污水凈化的主要機理，這與楊曉波的研究結(jié)果一致，其可能原因是污水較為渾濁，沉淀物質(zhì)對污水中污染物濃度有一定影響。但是植物的種植可以有效提高污染物的去除率，這主要來自于植物本身吸收、吸附作用以及根際植物提高微生物活性的作用，其總體作用即為植物效應。

本研究結(jié)果表明，挺水植物對SS的凈化能力、漂浮植物對TN、CODCr的凈化能力受生物量變化量的影響較大，挺水植物生物量變化量與挺水植物對 SS 的植物效應呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），漂浮植物生物量變化量與漂浮植物對TN、CODCr的植物效應呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。其原因可能是微生物作用、物理化學作用是本試驗污水凈化的主要機理，生物量的增加可以促進植物的吸附、吸收作用，同時生物量增加的過程中根系也在進一步生長，釋放充足的氧氣，為微生物提供了良好的活動場所，促進了微生物的作用。

鳳眼蓮對 CODCr的去除效果具有一定優(yōu)勢，適用于對有機物的去除。鳳眼蓮在試驗處理前期對 TN、NH3-N、TP凈化速率具有一定優(yōu)勢，說明鳳眼蓮針對這些污染物的凈化在短期內(nèi)具有明顯效果，但是在試驗后期對污染物凈化能力與其他植物無顯著差異，說明鳳眼蓮對低濃度生活污水的凈化能力無明顯優(yōu)勢。蘆葦和香蒲在試驗后期對 TP 凈化效果較好，說明蘆葦和香蒲對低濃度生活污水TP的去除能力較強。試驗篩選出的5種凈化效果較好的水生植物當中，鳳眼蓮屬于外來入侵物種，在工程應用中，需要采取一定控養(yǎng)措施，防止其對原有生態(tài)系統(tǒng)造成危害。

?4 結(jié)論

（1）鳳眼蓮對 TN、NH3-N、TP 的凈化在短期內(nèi)具有明顯效果。蘆葦和香蒲在試驗后期對TP凈化效果較好。

（2）挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強，浮葉植物中睡蓮凈化能力較強，漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強，沉水植物中伊樂藻、苦草凈化能力較強。

文章來源：農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學報