不同pH下水葫芦净化生活污水研究

陈海松，张海群，吴洪炜，

(安庆师范大学资源环境学院，安徽安庆246133)

人类活动向水体中排放了大量的营养物质，超过了水体的自我净化能力，引起了严重的富营养化现象。我国的巢湖、鄱阳湖、太湖[1]和滇池[2]等内陆湖泊均受到了富营养化污染。对于富营养化水体的治理有多种措施[3]，如泥沙疏浚[6]和植物恢复[5]。虽然河底沉积物的疏浚和沉积物固化能取得不错的效果，但是人力物力花费巨大，还有可能造成二次污染。利用植物进行原位修复受污染的水体，具有投资少、高效率、绿色安全等优点[6]。其中，水葫芦在不同类型污染水体均表现出良好的净化效果[7]，在高浓度氮环境中，水葫芦比其他植物表现出更好的富集效果[8]，此外，水葫芦加快了湖泊底泥中的氮磷营养盐的释放速率[9]。张迎颖等研究了不同碱度下水葫芦的净化效果[10]，本文通过设置不同酸碱度进一步探究水葫芦在不同pH下的生长状态及其对水体的净化效果，从而为更好地利用水葫芦修复富营养化水体提供依据与参考。

1 实验

1.1 试剂及仪器

(1)试剂。优级纯：硝酸钾、氯化铵；化学纯：硫酸肼、六次甲基四胺、过硫酸钾、氢氧化钠、浓盐酸、浓硫酸、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、磷酸二氢钾、硫酸银、硫酸汞、重铬酸钾、硫酸亚铁铵、七水合硫酸亚铁、1，10-菲绕啉、氢氧化钾、碘化钾、二氧化汞、酒石酸钾钠。

(2)仪器。电子天平、紫外分光光度计、电炉、医用手提式蒸气消毒器、冰箱、带有24号标准磨口的250 mL锥形瓶的全玻璃回流装置。

1.2 实验方法及过程

实验开始前，选取生长状态良好且一致的水葫芦幼苗，用自来水洗净根系备用。向1、2、3、4、5、6号实验缸中倒入等量的采自校园内的生活污水，并标记好水位刻度线，待生活污水静置两天后从1、2、3、4、5、6号实验缸中各取上层生活污水1 000 mL观察测定初始生活污水的pH、浊度、TN、TP、COD、NH4+-N。然后用盐酸和氢氧化钠调节实验缸中水体pH，1、2、3、4、5、6号实验缸水体分别设置pH为4、6、7、8、9、10，并加自来水至水位刻度线处。最后将之前洗净的水葫芦均匀平铺在缸中，为保证水葫芦在试验期间有足够的生长空间，每个水缸里投放30株，阴雨天用篷布遮挡，对于蒸发和植物蒸腾作用引起的水体积的减少，适当补充一些自来水，并将水体pH调至初始值。定期观察水葫芦的生长状态和测定水体中各指标含量变化情况。实验缸里水葫芦如出现死亡，尽快捞出。pH采用pH计，浊度采用分光光度法，TN采用过硫酸钾-紫外分光光度法，TP采用钼酸铵分光度法，COD采用重铬酸钾法，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法。水葫芦的日均生长率的计算公式为[ln(Wt)-ln(W0)]/t，其中，Wt为时间t时水葫芦的鲜重，W0为试验初始水葫芦的鲜重，t为试验持续天数。

2 结果与讨论

2.1 初始水体水质状况

实验采集污水来自学校化粪池上层清水，测定水体中的各项指标数值（如表1），参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）符合污水排放标准，部分指标甚至达到一级排放标准，但是这部分污水还未进行任何处理，直接排放到校园内湖中，造成内湖水体污染。

表1 生活污水各指标初始均值

2.2 实验用生活污水中各种理化指标测定

2.2.1 水葫芦对富营养化水体浊度的去除率

测定各实验缸水体中浊度的变化，如图1所示。结果表明，水葫芦在6种不同pH梯度下，对水体中浊度均具有良好的净化效果。随着培养天数的增加，各实验缸里水体的浊度含量呈下降趋势，水体浊度下降速率也在放缓，各实验缸里的水葫芦对水体浊度的去除率分别为97.16%、98.78%、96.37%、94.81%、97.03%、98.92%，水体浊度达到正常水质标准。由此可知，水体pH对水葫芦去除水体浊度影响不明显。

图1 水葫芦对富营养化水体浊度的去除情况

2.2.2 水葫芦对富营养化水体TN的去除率

由图2可知，培养28天之后，水葫芦对总氮的净化效果显著，各实验缸里水葫芦对总氮的去除率分别为97.17%、96.40%、95.90%、91.18%、86.92%、93.49%，实验结果符合预期，经处理后的污水，达到正常水质标准。在酸性条件下，水葫芦对总氮的去除效果优于中性和碱性条件下，这与展巨宏等的研究结果一致[11]。在培养初期，中性条件下的水葫芦降解总氮的速率最快，随着培养天数的增加，酸性和碱性条件下的水葫芦对总氮的降解速率加快。

2.2.3 水葫芦对富营养化水体TP的去除率

由图3可知，培养28天，水葫芦对水中总磷具有很好的净化效果，水体中总磷含量呈下降趋势，各实验缸里总磷去除率分别为92.15%、92.15%、95.35%、94.00%、92.03%、92.61%。在中性条件下，水葫芦对总磷的去除率最高，达到了95.35%；在酸性和碱性条件下，水葫芦对总磷的去除效果相对减弱，但仍有很高的去除率。每次采集水样测定时，测得酸性水体的pH较初始值变大，碱性水体的pH较初始值变小，这可能与水葫芦在生长过程中，会释放某些物质，来调节周围环境中的pH，从而更好地生长。

2.2.4 水葫芦对富营养化水体COD的去除率

由图4可知，培养28天之后，水葫芦对COD有一定的去除效果。各实验缸里水葫芦对COD去除率分别为19.01%、1.01%、34.01%、1.01%、45.01%、10.91%，且在不同pH条件下，水葫芦对水体中COD去除率有较大差异。在中性和中低碱度条件下，水葫芦对COD的去除率最高能达45.01%。这可能是因为在中性和中低碱度条件下，水葫芦能够正常生长，且水中的氢氧根对COD的降解有促进作用；在高碱度条件和酸性条件下，可能是水葫芦根部生长受到比较明显的抑制，对COD的去除效果相对较差。

2.2.5 水葫芦对富营养化水体NH4+-N的去除率

由图5可知，培养28天后，水中氨氮呈明显的下降趋势，说明水葫芦对于水中氨氮具有很强的去除能力。各实验缸里水葫芦对NH4+-N去除率 分 别 为 95.48%、92.96%、96.57%、93.28%、95.73%、94.04%。在中性条件下，水葫芦对氨氮的去除率最高，达到了96.57%；在酸性和碱性条件下，水葫芦对水中氨氮的去除能力相对减弱，可能是在酸性和碱性条件下水葫芦的生长受到一定的抑制；总的来说，在不同pH下，水葫芦均能够正常生长，水葫芦对氨氮的去除率相差不大。

图2 水葫芦对富营养化水体TN的去除情况

图3 水葫芦对富营养化水体TP的去除情况

图4 水葫芦对富营养化水体COD的去除情况

2.3 实验缸中水葫芦的生长状况

2.3.1 培养前后水葫芦生物量对比

分别测定了实验前后各实验缸中水葫芦的鲜重，整个实验过程中水葫芦长势良好，实验结束时，各实验缸中水葫芦鲜重分别是初始鲜重的1.77、2.02、2.11、1.84、1.67、1.52倍，如表2所示。

2.3.2 水葫芦不同生长阶段对比图

图6中（1）～（4）分别是水体pH为固定值的水葫芦在不同生长阶段的对比图。水葫芦刚投放时，植株较小；培养15天后，水葫芦数量开始扩增；继续培养到21天左右，水葫芦数量再次扩增，此时生长状态达到最佳，叶片呈现嫩绿色；培养28天以后，水缸中营养物质消耗殆尽，再加上水葫芦数量较之前明显增多，水葫芦生长明显受到环境抑制，叶片开始枯黄，部分植株死亡。

2.3.3 不同碱度下水葫芦生长对比图

图7是pH分别为8、9、10环境下水葫芦的生长图，由图可知，在本实验中，碱度越高，水葫芦生长受到的抑制越明显，叶片发黄的现象越明显，部分植株出现死亡的现象。

表2 实验培养前后水葫芦生长情况

图6 水葫芦不同生长阶段对比图

3 结论

综上所述，在不同pH梯度下，水葫芦均能正常生长，对水体中浊度、总氮、总磷、氨氮都具有很好的净化效果。在中性条件下，水葫芦对总氮、氨氮表现出更好地去除效果；在酸性条件下，水葫芦对总氮表现出更好的去除效果。水葫芦在不同pH条件下对COD的去除效果有着较大的差异。在偏酸性、偏中性和偏低碱度条件下，水葫芦生长良好，叶片呈绿色状态；在高碱度条件下，水葫芦叶片偏黄，碱度越高，水葫芦叶片发黄现象越明显，部分植株出现死亡现象。

图7 水葫芦的生长图