Study on the purification ability of 29 aquatic plants to rural domestic sewage

Abstract

为筛选出对农村散户生活污水出水净化效果好的水生植物，以29种常见水生植物为材料，对模拟农村生活污水出水进行净化能力比较，并将不同植物对污染物的去除能力进行聚类分析。结果表明，有植物处理对污染物的去除率明显高于无植物对照，水力停留时间（HRT）对净化效果具有显著影响，水生植物在早期对污染物净化速率快。有植物处理对TN（总氮）的净化率比无植物对照组提高6.21%~26.66%，对NH₃-N（氨氮）、TP（总磷）、COD_Cr（化学需氧量）、SS（悬浮固体）的净化率分别提高7.03%~23.92%、17.40%~28.13%、7.47%~18.62%、8.90%~13.00%。其中凤眼莲在试验前期对TN、NH₃-N、TP净化具有一定优势，但试验后期对污染物净化能力与其他植物基本无差异，芦苇和香蒲在试验后期对TP净化效果较好。根据筛选指标的平均隶属函数值对29种植物进行聚类分析，可将植物分为高、中、低净化能力植物三大类：高净化能力植物为芦苇、凤眼莲、香蒲、花叶芦竹、美人蕉；中等净化能力植物为旱伞草、马蹄莲、大薸、睡莲、槐叶萍、伊乐藻、满江红、水葱、苦草、菖蒲、金鱼藻、千屈菜、荷花、萍蓬草、梭鱼草、茭草、狐尾藻、再力花、菹草、轮叶黑藻、德国鸢尾、芡实、黄菖蒲；低净化能力植物为菱。研究表明，挺水植物芦苇、香蒲、花叶芦竹、美人蕉，浮叶植物睡莲，漂浮植物凤眼莲，沉水植物伊乐藻、苦草对农村生活污水出水具有较高的净化能力，适合用于农村散户生活污水的植物修复治理中。凤眼莲属于外来入侵物种，在工程应用中需要采取一定控养措施，防止其对原有生态系统造成危害。

In order to screen aquatic plants for the effective purification of rural retail sewage water, 29 common aquatic plants were tested to compare their removal capacity for total nitrogen (TN), ammonia nitrogen (NH₃-N), total phosphorus (TP), chemical oxygen demand (COD_Cr), and suspended solid (SS)in a septic tank effluent system. The removal ability of different plants on pollutants was determined and clustering analysis was conducted. The results showed that the removal rate of pollutants in control without plant was significantly lower than that of plant treatment. Treatment time significantly affected the purification efficiency of all pollutants. In the early stage of the experiment, the purification rate of pollutants by aquatic plants was fast. At the end of the 75-day experiment, the purification rate of TN was 6.21%~26.66% higher than that of the non-plant control, the purification rate of NH₃-N, TP, CODCr, and SS was increased by 7.03%~23.92%, 17.40%~28.13%, 7.47%~18.62%, and 8.90%~13.00%, respectively. Eichhornia crassipes had certain advantages in the purification rate of TN, NH₃-N, and TP in the early stage of experiment, indicating that the purification of these pollutants was obviously affected by Eichhornia crassipes in a short period of time. However, the purifying ability of Eichhornia crassipes in the late stage of the experiment was similar to that of other plants. Phragmites australis and Typha orientials had better TP purification effects in the later experiment. According to the average subordinate function value of screening index, 29 species of plants were clustered and classified into three categories:high purifying ability plants including Phragmites australis, Eichhornia crassipes, Typha orientials, Arundo donax, and Canna indica

medium purifying ability plants such as Cyperus alternifolius, Zantedeschia aethiopica, Pistia stratiotes, Nymphaea L., Salvinia natans, Elodea nuttallii, Azolla imbricata, Scirpus validus, Vallisneria natans, Acorus calamus, Ceratophyllum demersum, Lythrum salicaria, Nelumbo nucifera, Nuphar pumilum, Pontederia cordata, Zizania caduciflora, Myriophyllum verticillatum, Thalia dealbata, Potamogeton crispus, Hydrilla verticillata, Iris germanica, Euryale ferox, and Iris pseudacorus

and low purifying ability species Trapa bispinosa. Results showed that emerged plant (Phragmites australis, Typha orientalis, Arundo donax, Canna indica), floating-leaved plant (Nymphaea L.), floating plant (Eichhornia crassipes), and submerged plant (Elodea nuttallii and Vallisneria natans)were suitable for phytoremediation and treatment of rural domestic sewage. Eichhornia crassipes was an invasive alien species, certain control measures need to be taken to prevent damage to the original ecosystem in engineering application.

传统的生活污水处理工艺在农村应用存在建设与运营成本太高的问题，农村散户生活污水通常仅经过三格化粪池或者四格净化池（三格化粪池+人工湿地）处理后，排入沟渠汇入附近的鱼塘、河流、湖泊等，对自然水体的水质造成严重威胁^[1-2]，面源污染风险严重。针对农村散户生活污水量差异大、污染源相对分散、可生化性好、污染物浓度较高等特点^[3]，利用农户周边鱼塘、农田构建湿地，使污染物进一步降解后再进入自然水体的植物修复技术，具有效果好、投资运行成本低、景观效果好、能产生一定的经济价值等优点，成为分散农村生活污水治理的首选工艺之一^[4]。这类湿地的净化机理是依靠植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化学作用^[5]共同对污水进行净化处理，其运行效果的关键因素是植物类型。目前，关于水生植物净化能力的研究很多^[6-9]，主要是比较不同植物对不同污染程度水体的修复效果，由于各研究的实验条件、植物品种、进水浓度等存在差异，植物在污水处理系统中去污能力不同，给设计与施工单位选择净化能力强的植物造成困难。因而筛选出具有显著去污特性的水生植物，成为植物修复技术的关键之一。

据调查，农村散户生活污水中主要污染物出水浓度为TN（总氮）27.6~159.3 mg·L^-1、TP（总磷）1.58~ 18.16 mg·L^-1、COD_Cr（化学需氧量）80.9~313.2 mg·L^-1、NH₃ - N（氨氮）21.3~148.9 mg · L^-1、SS（悬浮固体）151.0~685.0 mg·L^-1[10-11]，本研究在设定的模拟化农村散户生活污水出水浓度下，比较29种水生植物净化系统对污染物的去除效果，通过聚类分析筛选出一批净化效果好的水生植物，为农村分散生活污水面源污染水生态修复提供技术参考与理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以常见的29种水生植物为材料，植物品种见表 1。

表 1 Table 1

表 1 实验水生植物品种 Table 1 Species of experimental aquatic plant

表 1 实验水生植物品种 Table 1 Species of experimental aquatic plant

1.2 试验方法

试验于2017年7—9月在中南林业科技大学苗圃内进行，选取处于生长旺盛期的植物，用长×宽×高 = 0.80 m×0.70 m×0.80 m的粗陶水缸进行露天避雨缸栽试验，每缸种植的同类植物初始生物量大致保持一致，并设置无植物对照，每个处理设置3个重复。基质为细砂，深度为25.00 cm。在自然光照、避雨条件下用静置1 d的自来水培育水生植物10 d，待植物正常生长后一次性加入中南林业科技大学校区化粪池出水，模拟农村散户生活污水，最终实验水体TN为31.76~31.97 mg·L^-1，TP为3.89~3.94 mg·L^-1，COD_Cr为178.87~178.98 mg·L^-1，NH₃-N为23.58~23.69 mg·L^-1，SS为166.65~166.77 mg·L^-1，pH为6.96~7.01。生长过程中，每隔15 d对实验缸中水质进行采样分析，每次采水样100 mL，试验周期为75 d。试验中用静置1 d的自来水每5 d补充因蒸发蒸腾及试验采样损耗的水分。每缸水深始终保持在50 cm。

1.3 分析方法

TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636— 2012）；TP采用钼酸铵分光光度法（HJ 671—2013）；COD_Cr采用重铬酸盐法（HJ 828—2017）；NH₃-N采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）；SS采用重量法（GB 11901—1989）；pH采用酸度计测量。

（1）生物量变化量 = 种植75 d生物量-种植0 d生物量

（2）污水中污染物去除植物效应

式中：C₀为污染物初始浓度；C为污染物最终浓度；C′ 为对照组污染物浓度。

（3）隶属函数值计算方法^[12]

若指标与植物去污能力负相关，计算方法为：

式中：Z_ij为i植物j指标的去污隶属函数值；X_ij为i植物j指标的测定值；X_imin和X_imax分别为各植物同一指标值的最小值和最大值。

1.4 数据分析

数据分析采用SPSS 19.0。

2 结果与分析

2.1 水生植物生物量变化量

试验75 d后水生植物生物量变化量（图 1）在每缸125.40~1 212.30 g之间，平均值为508.90 g。其中，美人蕉、芦苇、凤眼莲生物量变化量具有显著性优势，水葱、再力花、花叶芦竹、香蒲、茭草、萍蓬草、大薸、旱伞草的生物量变化量大于29种植物的平均值。生物量变化量是衡量植物生长状况及适宜性的一个重要指标，结果表明以上植物均能适应实验中的污水环境，具有很好的耐污能力。

不同小写字母表示差异显著（P < 0.05） Different lowercase letters indicate significant difference(P < 0.05) 图 1 水生植物生物量变化量（0~75 d） Figure 1 Changes of aquatic plant biomass(0~75 d)

2.2 水生植物对TN的去除效果

由29种水生植物对TN的去除效果（表 2）可以看出，不同水力停留时间（HRT）时TN的净化效果具有显著差异性（P < 0.05），但试验中后期HRT对菖蒲、马蹄莲、凤眼莲、菱以及所有沉水植物的去除效果影响不显著。HRT在30 d和45 d时凤眼莲净化能力明显优于其他植物。15 d后芡实和菱的净化能力逊于其他植物。75 d实验结束时，29种植物净化TN的植物效应为6.21%~26.66%，花叶芦竹、香蒲、美人蕉、芦苇对TN的净化具有显著优势（P < 0.05），净化能力较强。

表 2 Table 2

表 2 29种水生植物对TN的净化能力比较 Table 2 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on TN

表 2 29种水生植物对TN的净化能力比较 Table 2 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on TN

2.3 水生植物对NH₃-N的去除效果

由29种水生植物对NH₃-N的去除效果（表 3）可以看出，不同HRT时NH₃-N的净化效果具有显著差异性（P < 0.05），在试验60 d后HRT对德国鸢尾、马蹄莲、睡莲、菱、狐尾藻、轮叶黑藻、伊乐藻的去除效果影响不显著。HRT在30 d和45 d时凤眼莲的净化能力优于其他28种植物，净化速率较快，45 d后净化能力减弱。芡实和菱在试验中净化能力逊于其他植物。75 d试验结束时，29种植物净化NH₃-N的植物效应为7.03%~23.92%，芦苇对NH₃-N的净化具有显著优势（P < 0.05），净化能力较强。

表 3 Table 3

表 3 29种水生植物对NH₃-N的净化能力比较 Table 3 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on NH₃-N

表 3 29种水生植物对NH₃-N的净化能力比较 Table 3 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on NH₃-N

2.4 水生植物对TP的去除效果

由29种水生植物对TP的去除效果（表 4）可以看出，不同HRT时TP的净化效果具有显著差异性（P < 0.05），在试验中后期HRT对菖蒲、花叶芦竹、茭草、美人蕉、凤眼莲、芦苇的去除效果影响不显著。HRT在30 d和45 d时凤眼莲的净化能力优于其他28种植物，净化速率较快，45 d后净化能力减弱。香蒲、芦苇在45 d后净化能力优于其他植物，金鱼藻、轮叶黑藻、萍蓬草在60 d前净化能力逊于其他植物，之后净化能力提高。75 d试验结束时，29种植物净化TP的植物效应为17.40%~28.13%。香蒲、芦苇对TP的净化具有显著优势（P < 0.05），净化能力较强。

表 4 Table 4

表 4 29种水生植物对TP的净化能力比较 Table 4 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on TP

表 4 29种水生植物对TP的净化能力比较 Table 4 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on TP

2.5 水生植物对COD_Cr的去除效果

由29种水生植物对COD_Cr的去除效果（表 5）可以看出，不同HRT时COD_Cr的净化效果具有显著差异性（P < 0.05）。凤眼莲净化能力优于其他28种植物，净化速率较快。HRT在30 d和45 d时槐叶萍的净化能力较强，后期净化能力减弱。茭草在45 d和60 d净化能力逊于其他植物，之后净化能力提高。75 d试验结束时，29种植物净化COD_Cr的植物效应为7.47%~ 18.62%，凤眼莲对COD_Cr的净化具有显著优势（P < 0.05），净化能力较好。

表 5 Table 5

表 5 29种水生植物对COD_Cr的净化能力比较 Table 5 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on COD_Cr

表 5 29种水生植物对COD_Cr的净化能力比较 Table 5 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on COD_Cr

2.6 水生植物对SS的去除效果

由29种水生植物对SS的去除效果（表 6）可以看出，不同HRT时SS的净化效果具有显著差异性（P < 0.05）。芦苇30 d后净化能力优于其他28种植物，净化速率较快。HRT在15 d和30 d时德国鸢尾净化能力较弱，HRT在30 d和45 d时芡实净化能力较弱，后期净化能力增强。75 d试验结束时，29种植物净化SS的植物效应为8.90%~13.00%。芦苇对SS的净化具有显著优势（P < 0.05），净化能力较好。

表 6 Table 6

表 6 29种水生植物对SS的净化能力比较 Table 6 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on SS

表 6 29种水生植物对SS的净化能力比较 Table 6 Comparison of the purification ability of 29 aquatic plants on SS

2.7 水生植物生物量变化量与各污染物净化率相关性分析

对四类水生植物生物量变化量与四类水生植物对5种污染物的植物效应进行相关性分析（表 7），挺水植物生物量变化量与挺水植物对SS的植物效应呈极显著正相关关系（P < 0.01），漂浮植物生物量变化量与漂浮植物对TN、COD_Cr的植物效应呈显著正相关关系（P < 0.05），结果表明，挺水植物对SS的净化能力，漂浮植物对TN、COD_Cr的净化能力受生物量变化量的影响较大。

表 7 Table 7

表 7 四类植物生物量变化量与各污染物植物效应的相关性分析 Table 7 Correlation analysis between four kinds of plant biomass changes and purification rate of various pollutants

表 7 四类植物生物量变化量与各污染物植物效应的相关性分析 Table 7 Correlation analysis between four kinds of plant biomass changes and purification rate of various pollutants

2.8 水生植物净化能力聚类分析

筛选净化能力强的水生植物品种，不仅要求其对污染物具有较高的植物效应，同时要求其净化速率也要高。因此将水生植物的生物量变化量，水生植物对TN、NH₃-N、TP、COD_Cr、SS的植物效应，以及植物净化效果达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB/T 18918—2002）一级A标准的时间作为筛选指标，得到29种水生植物筛选指标的平均隶属函数值（表 8），可比较出各植物间的净化能力强弱。挺水植物中芦苇、香蒲、花叶芦竹、美人蕉净化能力较强，浮叶植物中睡莲净化能力较强，漂浮植物中凤眼莲净化能力较强，沉水植物中伊乐藻、苦草净化能力较强。对水生植物净化能力强弱采用组间连接方法进行系统聚类分析（图 2），可将29种水生植物分为三大类：高净化能力植物为芦苇、凤眼莲、香蒲、花叶芦竹、美人蕉；中等净化能力植物为旱伞草、马蹄莲、大薸、睡莲、槐叶萍、伊乐藻、满江红、水葱、苦草、菖蒲、金鱼藻、千屈菜、荷花、萍蓬草、梭鱼草、茭草、狐尾藻、再力花、菹草、轮叶黑藻、德国鸢尾、芡实、黄菖蒲；低净化能力植物为菱。

表 8 Table 8

表 8 水生植物净化能力排序 Table 8 Aquatic plant purification capacity sorting

表 8 水生植物净化能力排序 Table 8 Aquatic plant purification capacity sorting

图 2 水生植物净化能力等级分类 Figure 2 The level classification of aquatic plant purification ability

3 讨论

本研究显示挺水植物中芦苇、香蒲、花叶芦竹、美人蕉净化能力较强，浮叶植物中睡莲净化能力较强，漂浮植物中凤眼莲净化能力较强，沉水植物中伊乐藻、苦草净化能力较强，这与前人对水生植物净化能力的研究结果基本一致^[13-20]。净水机理主要包括植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化学作用^[11]。水生植物对于净水效果的提升除了植物本身对污染物的吸附作用，还可以通过根系的泌氧作用促进微生物的繁殖，从而强化水生植物系统对污水的净化效果^[21]。有研究证明凤眼莲、狐尾藻等水生植物对氮、磷的去除主要依靠植物吸附作用^[22]。本研究试验结束时，无植物对照组可以净化大部分污染物成分，而各植物对污染物的去除率仅占10%~20%左右，说明微生物作用、物理化学作用是本试验污水净化的主要机理，这与杨晓波^[23]的研究结果一致，其可能原因是污水较为浑浊，沉淀物质对污水中污染物浓度有一定影响。但是植物的种植可以有效提高污染物的去除率，这主要来自于植物本身吸收、吸附作用以及根际植物提高微生物活性的作用，其总体作用即为植物效应^[21]。

本研究结果表明，挺水植物对SS的净化能力、漂浮植物对TN、COD_Cr的净化能力受生物量变化量的影响较大，挺水植物生物量变化量与挺水植物对SS的植物效应呈极显著正相关关系（P < 0.01），漂浮植物生物量变化量与漂浮植物对TN、COD_Cr的植物效应呈显著正相关关系（P < 0.05）。其原因可能是微生物作用、物理化学作用是本试验污水净化的主要机理，生物量的增加可以促进植物的吸附、吸收作用，同时生物量增加的过程中根系也在进一步生长，释放充足的氧气，为微生物提供了良好的活动场所，促进了微生物的作用。

凤眼莲对COD_Cr的去除效果具有一定优势，适用于对有机物的去除。凤眼莲在试验处理前期对TN、NH₃-N、TP净化速率具有一定优势，说明凤眼莲针对这些污染物的净化在短期内具有明显效果，但是在试验后期对污染物净化能力与其他植物无显著差异，说明凤眼莲对低浓度生活污水的净化能力无明显优势。芦苇和香蒲在试验后期对TP净化效果较好，说明芦苇和香蒲对低浓度生活污水TP的去除能力较强。试验筛选出的5种净化效果较好的水生植物当中，凤眼莲属于外来入侵物种，在工程应用中，需要采取一定控养措施^[24-25]，防止其对原有生态系统造成危害。

4 结论

（1）凤眼莲对TN、NH₃-N、TP的净化在短期内具有明显效果。芦苇和香蒲在试验后期对TP净化效果较好。

（2）挺水植物中芦苇、香蒲、花叶芦竹、美人蕉净化能力较强，浮叶植物中睡莲净化能力较强，漂浮植物中凤眼莲净化能力较强，沉水植物中伊乐藻、苦草净化能力较强。