3种处理方式对玉滩水库水体中氮磷去除效果比较

刘晓祥　聂敏芳

摘 要：锁磷剂和沉水植物常用于水质净化和生态修复工程。试验通过采用锁磷剂、沉水植物以及锁磷剂+沉水植物的方式研究玉滩水库水体氮磷去除效果。结果表明，锁磷剂试验中，浓度为2.00 mg/L的锁磷剂对总磷的去除效果最好，达到了76.9%。各种浓度的锁磷剂对总氮的去除效果不明显。4种沉水植物试验中，马来眼子菜对总磷的去除率最高，轮叶黑藻对总氮的去除率最高。锁磷剂+沉水植物试验中，4种浓度的锁磷剂结合沉水植物的方式对总磷的去除效果均比较好，其中浓度为2.00 mg/L锁磷剂+轮叶黑藻的方式对总磷的去除效果最好，去除率达到84.6%，而4种结合方式对总氮的去除主要是依靠沉水植物轮叶黑藻，锁磷剂对总氮去除几乎没有效果。

关键词：锁磷剂;沉水植物;氮磷;去除效果;玉滩水库

中图法分类号：X832                                           文献标志码：A

1  研究背景

良好的生态环境是人类社会持续发展的基础。随着我国经济的快速发展，工业、农业和生活污染物排放量逐年增加，水环境问题日益受到重视。

玉滩水库位于重庆市大足区珠溪镇境内，是一座以灌溉为主，兼顾城镇居民及工业供水等综合利用的大（2）型水库。玉滩水库流域共涉及大足区和荣昌区的珠溪、龙水、沙坝、邮亭、昌元、双河、广顺、安富、双路等26个镇（街道），流域面积2 114 km2，水域面积23.97 km2。由于受上游工业企业污染以及周边农业面源污染的影响，从2016到2019年，玉滩水库库区水体总磷和总氮含量超过地表水湖库标准Ⅲ类，主要集中在每年的1—3月份。为了促进玉滩水库水质改善，缓解大足区、荣昌区和双桥经济开发区农业灌溉和生活用水严重缺乏的现状，提高该地区农业灌溉保证率和改善城乡居民供水条件，玉滩水库水质治理已迫在眉睫。目前，虽然大量的研究者采用除磷剂、沉水植物、人工浮岛等方式去除水体中的营养元素，但针对玉滩水库的水质提升少有研究。本文通过比较采用锁磷剂、沉水植物以及锁磷剂+沉水植物的方式去除水体中的营养元素效果，选择合适的方式治理玉滩水库中的氮、磷元素，改善玉滩水库水源水质，保障饮水安全。

2  材料和测定方法

2.1  试验材料

供试植物选择4种沉水植物分别为轮叶黑藻、苦草、马来眼子菜、金鱼藻。

除磷剂选择PHOSLOCK锁磷剂。

2.2  试验设计

（1）于5个2.5 L玻璃容器（分别编号为空白、1#、2#、3#、4#）中各加入1 L玉滩库心原水，然后在1#、2#、3#、4#容器中分别添加浓度为1.00、2.00、5.00、10.0 mg/L的锁磷剂并摇匀。待锁磷剂自然沉降1、3、5、10 d后，在试验容器上层取样，测定总磷、总氮浓度。

（2）于4个2.5 L玻璃容器中（分别编号为5#、6#、7#、8#）各加入1 L玉滩库心原水，然后将生长状态良好的轮叶黑藻、苦草、金鱼藻和马来眼子菜成熟植株清洗干凈后于每个容器内种植2株，待4种植物生长1、3、5、10 d后，在试验容器上层取样，测定总磷浓度、总氮浓度。

（3）于4个2.5 L玻璃容器中（分别编号为9#、10#、11#、12#）各加入1 L玉滩库心原水，然后将生长状态良好的沉水植物（结合前面试验确定轮叶黑藻、苦草、金鱼藻和马来眼子菜中去除总磷总氮效果最好的）成熟植株清洗干净后于每个容器内种植2株并分别同时添加浓度分别为1.00、2.00、5.00、10.0 mg/L的锁磷剂。隔1、3、5、10 d后，在试验容器上层取样，测定总磷浓度、总氮浓度。

（4）于1个2.5 L玻璃容器中加入1 L玉滩库心原水，隔1、3、5、10 d后，在试验容器上层取样，测定总磷浓度、总氮浓度。和（1）、（2）、（3）中试验结果做对比。

2.3  测定方法

水质总磷：钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）;水质总氮：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）;水质氨氮：纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）;水质高锰酸盐指数：高锰酸盐指数的测定（GB 11892—1989）;水质化学需氧量：重铬酸盐法（HJ 828—2017）。

3  结果与分析

3.1  2020年玉滩水库库心水质变化

玉滩水库库心断面为重庆市42个国控站点之一，其水质目标是《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准（湖、库）。2016—2019年大足区大规模投入资金进行水污染治理，玉滩水库水质逐年改善，到2019年年平均值达到了Ⅲ类标准，但是仍然不能稳定达标，控制指标是总磷。

为了确认玉滩水库的特征污染因子，全项目分析了2020年玉滩水库库心断面的水质，水质类别月变化如表1所示。玉滩水库库心断面全年符合Ⅲ类标准。其中9个月水质为优良，符合Ⅲ类以上标准，比例为75.0%;1月、2月和3月水质为中度污染，水质类别为Ⅴ类，比例为25.0%。

结合2016—2019年的监测数据（见表2），选择总磷、总氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮作为主要指标，2020年玉滩水库库心断面水质分析结果如图1所示。2020年1月—12月，玉滩库心断面总磷1月、2月、3月超过（湖、库）Ⅲ类标准;总氮1月、2月、3月和12月超标;高锰酸盐指数、化学需氧量和氨氮全年都不超标。总磷、总氮超标时段主要集中在1—3月份，和2016—2019年的统计数据趋势一致。

3.2  玉滩水库原水水质分析结果

基于2020年的水质分析结果，为使试验数据更具代表性，采集2021年3月份的水样作为试验用水。原水水质分析结果如表3所示。常规项目水温、pH值、高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮都满足（湖、库）Ⅲ类标准，而总磷和总氮分别超过（湖、库）Ⅲ类标准1.6倍和0.69倍。

3.3  锁磷剂吸附试验

研究表明，多数水体富营养化的控制因素是磷，除磷对防治水体富营养化至为重要[1]。通过文献调研可知，化学药剂（铝盐、铁盐、钙化物、复合盐等）除磷反应速度快，药剂成本低，但会产生二次污染，过量的金属离子会对水体动植物产生不良反应且不能从根本上去除磷营养。传统吸附法（金属氧化物吸附类材料等）除磷相较于化学除磷有着安全性优势，但是对材料的选择比较严格且吸附效率低。王秀朵等[2]的研究表明PHOSLOCK锁磷剂对水体富营养化河道、湖、库水体的除磷效果显著。PHOSLOCK锁磷剂的通用名称为镧改性膨润土（LMB），主要由镧稀土与钠基膨润土为原料通过特殊的生产工艺制备而成。PHOSLOCK锁磷剂中的镧含量约为（5±0.25）%。利用膨润土结构中的镧与磷酸根一对一螯合，形成稳定的磷酸镧稀土矿（La3++PO43-→LaPO4↓），无二次污染。因此，本研究中采用了PHOSLOCK锁磷剂。PHOSLOCK锁磷剂的分子结构如图2所示。

水样放置时间过久，水体中的总磷会有部分自然降解，为了保证试验结果的科学可靠，试验中做了对比。发现原水总磷、总氮浓度和放置10 d后总磷、总氮浓度变化不大。

图3（a）呈现了加入4种不同浓度的锁磷剂后总磷浓度的变化情况。可以看出各种浓度的锁磷剂对原水中的总磷均有去除效果，且随着时间的增加总磷去除效果越明显。试验进行1 d后，1#、2#、3#、4#锁磷剂对总磷的去除率分别是15.4%、30.8%、30.8%、38.5%。试验进行到10 d后，1#、2#、3#、4#锁磷剂对总磷去除率分别是38.5%、76.9%、61.5%、61.5%，说明2#锁磷剂对总磷的去除效果最好。通过分析试验结果，发现4种浓度的锁磷剂对总氮几乎没有去除效果，见图3（b）。

3.4  沉水植物试验

沉水植物是湖泊生态系统的初级生产者之一，不仅能够对水体和底泥中的氮、磷和难降解有机污染物进行吸收、转化，合成自身物质，对富营养化的水体起到净化作用，还能调节水生态系统的物质循环速度，增加水体生物多样性，控制藻类生长，从而有效提高水质，改善生态环境。总氮和总磷浓度是水质监测分析中的常规检测指标，田琦等[3]的研究表明金鱼藻和马来眼子菜对总氮的去除能力较强。任文君等[4]的研究表明马来眼子菜、金鱼藻和黑藻对总磷、总氮的去除效果都比较好。金树权等[5]采用輪叶黑藻、苦草、金鱼藻、穗状狐尾藻、微齿眼子菜渊等5种乡土沉水植物为试验对象进行水质总磷和总氮的吸收研究，成果表明轮叶黑藻对总氮和总磷的去除率最高。本研究中采用轮叶黑藻、苦草、金鱼藻和马来眼子菜作为供试材料。

4种沉水植物对总磷的去除率变化趋势如图4（a）所示。试验开始1 d后，4种植物对总磷的去除率分别是23.1%、7.7%、15.4%、23.1%。当试验进行10 d后，4种植物对总磷的去除率分别是69.2%、53.8%、46.2%、76.9% 。马来眼子菜相对于其他3种沉水植物对总磷的去除率最高。4种沉水植物对总磷的去除率顺序为马来眼子菜>轮叶黑藻>苦草>金鱼藻。

4种沉水植物对总氮的去除率变化趋势如图4（b）所示，试验开始1 d后，轮叶黑藻、苦草、金鱼藻、马来眼子菜对总氮的去除率分别是8.9%、4.1%、3.6%、3.0%。试验进行5 d后，4种植物对总氮的去除率分别是53.8%、23.7%、49.7%、10.1%。试验进行10 d后，4种植物对总氮的去除率分别是55.6%、51.5%、53.3%、42.0%。可以发现，随着时间的推移，4种沉水植物对总氮的吸收效率均较好，其中轮叶黑藻相对于其他3种沉水植物对总氮的去除率最高。4种沉水植物对总氮的去除率顺序为轮叶黑藻>金鱼藻>苦草>马来眼子菜。

3.5  锁磷剂+沉水植物试验

结合沉水植物试验，选择轮叶黑藻作为供试植物。

图5（a）展示了锁磷剂+沉水植物方式对总磷的去除效果，试验进行1 d后，4种浓度的锁磷剂结合沉水植物方式对总磷的去除率分别是15.4%、30.8%、30.8%、38.5%。当试验进行3 d后，4种结合方式对总磷的去除率分别是30.8%、38.5%、53.8%、46.2%;当试验进行10 d后，4种结合方式对总磷的去除率分别是76.9%、84.6%、69.2%、69.2%。浓度为2.00 mg/L的锁磷剂+轮叶黑藻的模式对总磷的去除效果最好。对总氮的去除效果如图5（b）所示，可知4种结合方式对总氮的去除率分别是56.8%、55.0%、52.1%、53.3%，将图5（b）和图3（b）进行比较，可以发现4种结合方式对总氮的去除主要是依靠沉水植物轮叶黑藻，而锁磷剂几乎没有贡献。

3.6  3种处理方式的总磷去除效果比较

试验进行10 d后，2#锁磷剂（浓度为2.00 mg/L）对总磷去除率达到76.9%，轮叶黑藻对总磷的去除率是69.2%，2#锁磷剂（浓度为2.00 mg/L）+轮叶黑藻对总磷的去除率达到了84.6%，表明锁磷剂+沉水植物方式去除总磷效果优于单独采用锁磷剂或沉水植物去除总磷效果。

4  结论

（1）4种浓度的锁磷剂对原水中的总磷均有去除效果，随着时间的增加，总磷去除效果越明显。试验结束时对总磷的去除率分别达到38.5%、76.9%、61.5%、61.5%。各种浓度的锁磷剂对总氮的去除效果不明显。

（2）4种沉水植物对试验水体中的氮、磷均有较高的去除率。马来眼子菜相对于其他3种沉水植物表现出对总磷最高的去除率。4种沉水植物对总磷的去除率顺序为马来眼子菜>轮叶黑藻>苦草>金鱼藻。轮叶黑藻相对于其他3种沉水植物表现出对总氮最高的去除率，4种沉水植物对总氮的去除率顺序为轮叶黑藻>金鱼藻>苦草>马来眼子菜。

（3）4种浓度的锁磷剂结合沉水植物的方式对总磷的去除效果均比较好，去除效率分别达到76.9%、84.6%、69.2%、69.2%，数据比较发现锁磷剂浓度为2.00 mg/L+轮叶黑藻的方式对总磷的去除效果最好。4种结合方式对总氮的去除率分别为56.8%、55.0%、52.1%、53.3%，效果差别较小，4种结合方式对总氮的去除主要是依靠沉水植物轮叶黑藻，而锁磷剂对总氮的去除几乎没有效果。

参考文献：

[1]赵美姿，肖羽堂，高冠道.染料中间体废水的资源化研究进展[ J].天津化工，2007，21（6）：4-7.

[2]王秀朵，张大群，刘瑶，等.锁磷剂用于富营养化水体除磷的研究[J].中国给水排水，2010，23（26）：88-90.

[3]田琦，王沛芳，欧阳萍，等.5种沉水植物对富营养化水体的净化能力研究水资源保护[J].水资源保护，2009，25（1）：14-17.

[4]任文君，田在锋，宁国辉，等.4种沉水植物对白洋淀富营养化水体净化效果的研究[J].生态环境学报，2011，20（2）：345-352.

[5]金树权，周金波，包薇红，等.5种沉水植物的氮、磷吸收和水质净化能力比较[J].环境科学，2017，38（1）：156-161.

Comparison of Effectiveness of Nitrogen and Phosphorus Removal in Yutan Reservoir among Three Methods

Liu Xiaoxiang1，Nie Minfang2

（1.Eco-environmental Monitoring Station of Dazu District，Chongqing 402360，China;2. Educational Scientific Research Institute of Tongnan District，Chongqing 402660，China）

Abstract：Phoslock and submerged macrophytes are often used in water purification and ecological restoration projects. The effectiveness of nitrogen and phosphorus removal in Yutan Reservoir by using phoslock，submerged macrophytes，and phoslock combined with submerged macrophytes was studied . The results showed that phoslock with 2.00 mg/L concentration had the best removal rate（76.9%） on total phosphorus. The removal effect of phoslock of any concentration on total nitrogen was not obvious. Among the four submerged macrophytes，Potamogeton malainus had the highest removal rate on total phosphorus and Hydrilla verticillata had the highest removal rate on total nitrogen. The removal rate on total phosphorus by combining phoslock with submerged macrophyte was good，and phoslock with 2.00 mg/L concentration combined with Hydrilla verticillata had the highest removal rate（84.6%） on total phosphorus. However，the removal of total nitrogen mainly depended on the submerged macrophyte Hydrilla verticillata，and phoslock had little effect.

Key words：phoslock;submerged macrophyte;nitrogen and phosphorus;removal effectiveness;Yutan ReservoirReservoir

收稿日期：2022-02-23

作者簡介：刘晓祥，男，工程师，硕士研究生，主要从事生态环境监测和管理研究。E-mail：15025698281@163.com