傳統(tǒng)的生活污水處理工藝在農(nóng)村應(yīng)用存在建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本太高的問(wèn)題，農(nóng)村散戶生活污水通常僅經(jīng)過(guò)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(yú)塘、河流、湖泊等，對(duì)自然水體的水質(zhì)造成嚴(yán)重威脅[1-2]，面源污染風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重。針對(duì)農(nóng)村散戶生活污水量差異大、污染源相對(duì)分散、可生化性好、污染物濃度較高等特點(diǎn)[3]，利用農(nóng)戶周邊魚(yú)塘、農(nóng)田構(gòu)建濕地，使污染物進(jìn)一步降解后再進(jìn)入自然水體的植物修復(fù)技術(shù)，具有效果好、投資運(yùn)行成本低、景觀效果好、能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值等優(yōu)點(diǎn)，成為分散農(nóng)村生活污水治理的首選工藝之一[4]。這類濕地的凈化機(jī)理是依靠植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化學(xué)作用[5]共同對(duì)污水進(jìn)行凈化處理，其運(yùn)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[6-9]，主要是比較不同植物對(duì)不同污染程度水體的修復(fù)效果，由于各研究的實(shí)驗(yàn)條件、植物品種、進(jìn)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(jì)與施工單位選擇凈化能力強(qiáng)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(fù)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、CODC(r化學(xué)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[10-11]，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(duì)污染物的去除效果，通過(guò)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(fù)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(jiàn)的29 種水生植物為材料，植物品種見(jiàn)表1。

　　1.2 試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)于2017 年7—9 月在中南林業(yè)科技大學(xué)苗圃內(nèi)進(jìn)行，選取處于生長(zhǎng)旺盛期的植物，用長(zhǎng)×寬×高=0.80 m×0.70 m×0.80 m 的粗陶水缸進(jìn)行露天避雨缸栽試驗(yàn)，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(wú)植物對(duì)照，每個(gè)處理設(shè)置 3 個(gè)重復(fù)。基質(zhì)為細(xì)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(lái)水培育水生植物 10 d，待植物正常生長(zhǎng)后一次性加入中南林業(yè)科技大學(xué)校區(qū)化糞池出水，模擬農(nóng)村散戶生活污水，最終實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)過(guò)程中，每隔15 d 對(duì)實(shí)驗(yàn)缸中水質(zhì)進(jìn)行采樣分析，每次采水樣 100 mL，試驗(yàn)周期為 75 d。試驗(yàn)中用靜置 1 d的自來(lái)水每5 d 補(bǔ)充因蒸發(fā)蒸騰及試驗(yàn)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(guò)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(jì)測(cè)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(yīng)植物效應(yīng)=(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(duì)照組污染物濃度。

　　(3)隸屬函數(shù)值計(jì)算方法

　　式中：Zij 為i 植物j 指標(biāo)的去污隸屬函數(shù)值;Xij 為i 植物j 指標(biāo)的測(cè)定值;Xi min和Xi max分別為各植物同一指標(biāo)值的最小值和最大值。

　　1.3 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(yàn) 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(shì)，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(zhǎng)狀況及適宜性的一個(gè)重要指標(biāo)，結(jié)果表明以上植物均能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的污水環(huán)境，具有很好的耐污能力。

　　2.2 水生植物對(duì)TN 的去除效果

　　由29 種水生植物對(duì)TN 的去除效果(表2)可以看出，不同水力停留時(shí)間(HRT)時(shí) TN 的凈化效果具有顯著差異性(P<0.05)，但試驗(yàn)中后期HRT 對(duì)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(shí)鳳眼蓮凈化能力明顯優(yōu)于其他植物。15 d 后芡實(shí)和菱的凈化能力遜于其他植物。75 d 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，29 種植物凈化TN 的植物效應(yīng)為6.21%~26.66%，花葉蘆竹、香蒲、美人蕉、蘆葦對(duì)TN 的凈化具有顯著優(yōu)勢(shì)(P<0.05)，凈化能力較強(qiáng)。

　　2.3 水生植物對(duì)NH3-N 的去除效果

　　由 29 種水生植物對(duì)NH3-N 的去除效果(表 3)可以看出，不同 HRT 時(shí)NH3-N 的凈化效果具有顯著差異性(P<0.05)，在試驗(yàn)60 d 后HRT 對(duì)德國(guó)鳶尾、馬蹄蓮、睡蓮、菱、狐尾藻、輪葉黑藻、伊樂(lè)藻的去除效果影響不顯著。HRT 在30 d 和45 d 時(shí)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(shí)和菱在試驗(yàn)中凈化能力遜于其他植物。 75 d 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，29 種植物凈化NH3-N 的植物效應(yīng)為 7.03%~23.92%，蘆葦對(duì) NH3-N 的凈化具有顯著優(yōu)勢(shì)(P<0.05)，凈化能力較強(qiáng)。

　　2.4 水生植物對(duì)TP 的去除效果

　　由29 種水生植物對(duì)TP 的去除效果(表4)可以看出，不同 HRT 時(shí)TP 的凈化效果具有顯著差異性(P<0.05)，在試驗(yàn)中后期HRT 對(duì)菖蒲、花葉蘆竹、茭草、美人蕉、鳳眼蓮、蘆葦?shù)娜コ�效果影響不顯著。HRT 在 30 d 和 45 d 時(shí)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(yú)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(yàn)結(jié)束時(shí)，29 種植物凈化TP 的植物效應(yīng)為 17.40%~28.13%。香蒲、蘆葦對(duì) TP 的凈化具有顯著優(yōu)勢(shì)(P<0.05)，凈化能力較強(qiáng)。

　　2.5 水生植物對(duì)CODCr的去除效果

　　由29 種水生植物對(duì)CODCr的去除效果(表5)可以看出，不同HRT 時(shí)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(shí)槐葉萍的凈化能力較強(qiáng)，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(yàn)結(jié)束時(shí)，29 種植物凈化CODCr 的植物效應(yīng)為 7.47%~18.62%，鳳眼蓮對(duì) CODCr 的凈化具有顯著優(yōu)勢(shì)(P<0.05)，凈化能力較好。

　　2.6 水生植物對(duì)SS 的去除效果

　　由29 種水生植物對(duì)SS 的去除效果(表6)可以看出，不同 HRT 時(shí)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(shí)德國(guó)鳶尾凈化能力較弱，HRT 在30 d 和45 d 時(shí)芡實(shí)凈化能力較弱，后期凈化能力增強(qiáng)。75 d 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，29 種植物凈化SS 的植物效應(yīng)為 8.90%~13.00%。蘆葦對(duì)SS 的凈化具有顯著優(yōu)勢(shì)(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(duì)四類水生植物生物量變化量與四類水生植物對(duì)5 種污染物的植物效應(yīng)進(jìn)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(duì)SS的植物效應(yīng)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(duì)TN、CODCr 的植物效應(yīng)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，結(jié)果表明，挺水植物對(duì)SS 的凈化能力，漂浮植物對(duì)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(qiáng)的水生植物品種，不僅要求其對(duì)污染物具有較高的植物效應(yīng)，同時(shí)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(duì)TN、NH3-N、TP、CODCr、SS 的植物效應(yīng)，以及植物凈化效果達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T18918—2002)一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間作為篩選指標(biāo)，得到29 種水生植物篩選指標(biāo)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(qiáng)弱。挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強(qiáng)，浮葉植物中睡蓮凈化能力較強(qiáng)，漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強(qiáng)，沉水植物中伊樂(lè)藻、苦草凈化能力較強(qiáng)。對(duì)水生植物凈化能力強(qiáng)弱采用組間連接方法進(jìn)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(lè)藻、滿江紅、水蔥、苦草、菖蒲、金魚(yú)藻、千屈菜、荷花、萍蓬草、梭魚(yú)草、茭草、狐尾藻、再力花、菹草、輪葉黑藻、德國(guó)鳶尾、芡實(shí)、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(qiáng)，浮葉植物中睡蓮凈化能力較強(qiáng)，漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強(qiáng)，沉水植物中伊樂(lè)藻、苦草凈化能力較強(qiáng)，這與前人對(duì)水生植物凈化能力的研究結(jié)果基本一致[13-20]。凈水機(jī)理主要包括植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化學(xué)作用[11]。水生植物對(duì)于凈水效果的提升除了植物本身對(duì)污染物的吸附作用，還可以通過(guò)根系的泌氧作用促進(jìn)微生物的繁殖，從而強(qiáng)化水生植物系統(tǒng)對(duì)污水的凈化效果[21]。有研究證明鳳眼蓮、狐尾藻等水生植物對(duì)氮、磷的去除主要依靠植物吸附作用[22]。本研究試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，無(wú)植物對(duì)照組可以凈化大部分污染物成分，而各植物對(duì)污染物的去除率僅占 10%~20% 左右，說(shuō)明微生物作用、物理化學(xué)作用是本試驗(yàn)污水凈化的主要機(jī)理，這與楊曉波[23]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(duì)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(lái)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(yīng)[21]。

　　本研究結(jié)果表明，挺水植物對(duì)SS 的凈化能力、漂浮植物對(duì)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(duì) SS 的植物效應(yīng)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(duì)TN、CODCr 的植物效應(yīng)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(xué)作用是本試驗(yàn)污水凈化的主要機(jī)理，生物量的增加可以促進(jìn)植物的吸附、吸收作用，同時(shí)生物量增加的過(guò)程中根系也在進(jìn)一步生長(zhǎng)，釋放充足的氧氣，為微生物提供了良好的活動(dòng)場(chǎng)所，促進(jìn)了微生物的作用。

　　鳳眼蓮對(duì)CODCr的去除效果具有一定優(yōu)勢(shì)，適用于對(duì)有機(jī)物的去除。鳳眼蓮在試驗(yàn)處理前期對(duì)TN、NH3-N、TP 凈化速率具有一定優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明鳳眼蓮針對(duì)這些污染物的凈化在短期內(nèi)具有明顯效果，但是在試驗(yàn)后期對(duì)污染物凈化能力與其他植物無(wú)顯著差異，說(shuō)明鳳眼蓮對(duì)低濃度生活污水的凈化能力無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。蘆葦和香蒲在試驗(yàn)后期對(duì)TP 凈化效果較好，說(shuō)明蘆葦和香蒲對(duì)低濃度生活污水TP 的去除能力較強(qiáng)。試驗(yàn)篩選出的5 種凈化效果較好的水生植物當(dāng)中，鳳眼蓮屬于外來(lái)入侵物種，在工程應(yīng)用中，需要采取一定控養(yǎng)措施[24-25]，防止其對(duì)原有生態(tài)系統(tǒng)造成危害。

　　4 結(jié)論

　　(1)鳳眼蓮對(duì) 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(yàn)后期對(duì)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(qiáng)，浮葉植物中睡蓮凈化能力較強(qiáng)，漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強(qiáng)，沉水植物中伊樂(lè)藻、苦草凈化能力較強(qiáng)。（來(lái)源：中南林業(yè)科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）