净水技术|高校优秀论文：冷季型禾草吸收氮磷营养盐的动力学特性
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4种冷季型禾草吸收氮磷营养盐的动力学特性
巩佳佳1,2，吕锡武1,2，杨子萱1,2，程方奎1,2
（1. 东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2. 东南大学无锡太湖水环境工程研究中心，江苏无锡 214000）
针对分散式农村生活污水处理，本着节能减排和资源化利用原则，东南大学经多年研究提出了较为成熟且在太湖流域广泛应用的“厌氧反应器-缺氧池-跌水充氧接触氧化单元-人工湿地”新型生物生态组合处理技术。其中生物单元通过开发具有较高氮磷吸收能力和适于种植经济型作物的新型潜流人工湿地，简易高效地降解有机物，充分实现氮、磷资源化。人工湿地对氮磷的去除主要是通过基质、植物和微生物间的物理、化学和生物作用完成的。研究表明，植物作为人工湿地的组成部分，在富集氮、磷方面起着非常重要的作用，湿地水生植物可以有效地富集氮、磷，从而治理、调节和抑制水体富营养化，目前人工湿地植物主要为水生植物、湿生植物和旱生植物。人工湿地采用人为控制，与自然湿地相比污水处理效果较好，但长期以来发现人工湿地系统在长期运行过程中会难以避免地存在填料淤堵、冬季水生植物停止生长导致净化能力下降等问题。对此，可以在不同季节采用冷季型或暖季型禾草物种，以适应不同季节的气温变化，从而提高冬季的处理能力，改善景观。禾草具有生长周期短、可选种类多、根部繁密等优势，如进行冷暖季节禾草套种，可实现湿地植物快速换茬，从而减少湿地植物空窗期。另外太湖流域具有禾草型草坪大规模培育产业，经济效益显著，如尝试应用禾草型湿地并产生经济效益，能够很大程度上改善农村污水处理的成本控制问题，调动农村应用的积极性。而将禾草作为人工湿地植物的研究鲜有报道，一般冷季禾草可选种类较少，而冬季是湿地一年四季中污染物去除的限制性季节，因此本试验选取冷季型禾草作为研究对象。
根系养分离子吸收动力学为植物元素吸收的研究提供了可量化的手段，20世纪50年代初开创并发展的米氏（Miehaelis-Menten）学说解释了植物根系对离子吸收的原理，从而提供了湿地植物鉴定和筛选的依据。近年来，动力学研究主要应用于水稻、棉花等作物及水芹、茭白、再力花、美人蕉、黄菖蒲等水生植物，但是目前尚未发现有关禾草对氮磷营养盐的吸收动力学特性研究。因此，本文选取四种冷季型禾草开展对氮、磷的吸收动力学特性研究，初步探究禾草作为人工湿地植物的可行性。
1 材料与方法
1.1 供试材料与培养方法
试验选取黑麦草（ryegrass）、剪股颖（Agrostis）、早熟禾（bluegrass）、高羊茅（tall fescue）四种冷季型禾草作为研究对象，禾草种子均来自于无锡新区农贸市场。
四种冷季型禾草种子经1/1 000高锰酸钾溶液消毒、清水浸泡后，均匀撒播在0.3 cm厚的无纺土工布，在光照培养箱中进行萌发（相对湿度为70%，温度为(25±1) ℃，光照强度为10 000 Lux）。待种子发芽、根系穿透无纺土工布后，在方形塑料盒内注入0.1 mmol/L硫酸钙溶液进行24 h饥饿培养。
1.2 试验方法
依据经过“厌氧反应器-缺氧池-跌水充氧接触氧化单元”生物单元处理后的出水水质（即生态系统进水水质，如表1所示），配制PO43--P浓度为4 mg/L（KH2PO4配制）、NO3--N浓度为20 mg/L（硝酸钾配制）、NH4+-N浓度为15 mg/L（氯化铵配制）的营养液，以0.1 mmol/L硫酸钙溶液为支持电解质，将生长成型的四种禾草同土工布一起移入装有1 L营养液的1.5 L塑料格子中，塑料格子捆绑皮筋，将土工布衬托在方盒子边缘，保证禾草根部始终与水接触，每组设置3个重复和1个空白对照，试验在相对湿度为70%、温度为(20±1) ℃、光照强度为3 000 Lux的人工气候培养箱中进行，分别在0、0.5、1、2、4、6、8、10、20、24、28、32、44、48、52、56、68、72、84、96 h时取样，每次取样2 mL，并补充2 mL去离子水。全部取样结束后立即取出植株并剪下根部，用吸水纸吸干根表面附着的水分后称鲜重记录，并在105 ℃下杀青0.5 h、80 ℃下烘干至恒重后称干重记录。以取样时间为横坐标、氮磷营养盐浓度为纵坐标绘制吸收曲线图，采用米氏动力学方程处理数据，求出Imax（最大吸收速率）和Km（米氏常数，即植株吸收离子速率降到一半时溶液中离子的浓度）。
表1 生态系统进水水质
1.3 测定项目及方法
PO43--P浓度的测定采用《水质总磷的测定 钼酸铵分光光度法》（GB 11893—1989）；NH4+-N浓度的测定采用《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》（HJ 535—2009）；NO3--N浓度的测定用《水质 硝酸盐氮的测定 紫外分光光度法》（HJ/T 346—2007）。重复测定3次取平均值，用Excel和Origin软件进行数据处理。
2 结果与分析
2.1 4种禾草吸收PO43--P的动力学特征
图1表示的是溶液中H2PO4-的浓度与吸收时间的关系，结果表明随着吸收时间的延长，溶液中PO43--P的浓度逐渐降低，在70 h左右浓度降至最低，之后浓度开始升高。植物对PO43--P的吸收动力学参数如表2所示，根据Cacco等提出的用Imax和Km值评价植物对污染水体中养分的适应性理论可知，Imax值越大表示植物对某种离子的吸收潜力越大，1/Km表示植物根系吸收系统的亲和力，Km值越小，则说明植物对某种离子的亲和能力越强。四种禾草吸收PO43--P的最大速率Imax介于48.86~99.37 μg/(g·h)之间，四种禾草Imax的排列顺序为：黑麦草>高羊茅>早熟禾>剪股颖；亲和力常数Km介于2.173 6~3.155 1 mg/L，四种禾草Km的排列顺序为：剪股颖>高羊茅>早熟禾>黑麦草。由此可知，黑麦草具有最大的Imax和最小的Km，因此可适应含任何PO43--P浓度污水的处理；早熟禾和高羊茅的Imax和Km相对较小，适合于低PO43--P浓度污水的处理；剪股颖具有较低的Imax和较大的Km，说明剪股颖对H2PO4-的吸收能力弱。经过生物单元处理后的生活污水具有含磷浓度较低的特点，适于采用种植了黑麦草、早熟禾和高羊茅的人工湿地来进行生态处理。
图1 4种冷季型禾草对PO43--P吸收的动力学曲线
表2 4种冷季型禾草吸收PO43--P的动力学参数
试验研究的四种冷季型禾草对PO43--P的吸收动力学与其他植物存在差异。韩璐瑶等的研究结果表明，生菜、金花菜、空心菜、雪里蕻、芋头和和韭菜对PO43--P的吸收动力学，其Imax和Km分别为28.21、36.61、81.21、20.36、3.06、74.6 μg/(g·h)和1.399 8、1.540 9、0.473 6、1.440 5、1.612 3、1.531 2 mg/L。谢静等的研究结果表明，水竹、金花菜、空心菜、雪里蕻、芋头、韭菜六种湿地植物的Imax和Km分别为32.48、39.61、79.73、23.86、3.08、73.92 μg/(g·h)和1.459 1、1.594 2、0.152 9、1.459 8、1.594 8、1.518 4 mg/L。唐艺璇等研究了美人蕉、细叶莎草和紫芋对PO43--P的吸收动力学，其Imax和Km分别为116.4、58.2、145.5 μg/(g·h)和3.559 9、5.626 0、4.772 4 mg/L。张熙灵等研究了芦苇、香蒲、藨草对H2PO4-的吸收特性，三种植物的Imax和Km分别为37.78、29.61、64.31 μg/(g·h)和6.18、6.26、6.81 mg/L。对比发现，黑麦草对PO43--P的吸收具有明显优势，这可能与黑麦草在生长期对磷元素的需求较大有关。
2.2 四种禾草吸收NO3--N的动力学特征
图2表示的是溶液中NO3--N的浓度与吸收时间的关系，从图中可以看出随着吸收时间的延长，溶液中NO3--N的浓度逐渐降低，植物对NO3--N的吸收逐渐减慢，一段时间后溶液中NO3--N的浓度开始升高，与植物吸收H2PO4-呈现类似的吸收规律。黑麦草、剪股颖、早熟禾、高羊茅分别在70、50、65、80 h对溶液中的NO3--N吸收量达到最大。植物对NO3--N的吸收动力学参数如表3所示，四种禾草吸收NO3--N的最大速率Imax介于89.47~111.29 μg/(g·h)，四种禾草Imax的排列顺序为：黑麦草>高羊茅>早熟禾>剪股颖，其中高羊茅、黑麦草与早熟禾的Imax无显著性差异（P>0.05）；亲和力常数Km介于10.486 8~12.603 9 mg/L，不同禾草Km的排列顺序为：剪股颖>早熟禾>高羊茅>黑麦草。
图2 4种冷季型禾草对NO3--N吸收的动力学曲线
表3 4种冷季型禾草吸收NO3--N的动力学参数
韩璐瑶等对六种水生植物根系对NO3--N吸收的动力学特性进行了分析，得出生菜、金花菜、空心菜、雪里蕻、芋头和韭菜的Imax和Km分别为261.29、261.97、818.29、395.22、22.03、429 μg/(g·h)和16.242 3、15.965 8、15.102 7、15.895 0、16.6287 、16.717 6 mg/L。谢静等的研究结果表明，水竹、金花菜、空心菜、雪里蕻、芋头、韭菜六种湿地植物的Imax和Km分别为262.39、216、713.41、366.62、27.08、394.07 μg/(g·h)和15.453 9、15.372 2、15.050 1、15.138 3、16.476 8、16.837 7 mg/L。檀香逸等的研究结果表明，观音竹、龟背竹、发财树、栀子花、白掌、红掌、绿萝和吊兰对NO3--N的吸收动力学，其Imax和Km分别为407.692、188.668、443.007、100.571、430.228、70.873、306.420、89.613 μg/(g·h)和17.550、17.198、17.714、17.338、18.465、18.567、18.358、18.827 mg/L。由此可知，本试验研究的四种冷季型禾草对NO3--N的吸收与蔬菜型湿地植物和水培观赏性植物相比没有显著效果，不宜用来处理含较高NO3--N浓度的污水。因此在工程实践中，应根据污水特征来选择合适的植物配置，对于NO3--N浓度较高的污水，可在人工湿地搭配种植水生蔬菜和观赏性植物对NO3--N进行去除。
2.3 4种禾草对NH4+-N吸收的动力学
韩璐瑶等的研究结果表明，生菜、金花菜、空心菜、雪里蕻、芋头和和韭菜的Imax和Km分别为162.71、331.81、706.82、183.38、23.49、246.23 μg/(g·h)和10.281 8、11.356 7、8.036 7、13.567 8、12.693 8、10.691 8 mg/L，水生植物因其长而密集的根，对NH4+-N的吸收具有优势。
图3 4种冷季型禾草对NH4+-N吸收的动力学曲线
表4 4种冷季型禾草对NH4+-N吸收的动力学参数
3 结论
（1）通过对四种冷季型禾草吸收氮、磷的最大吸收速率Imax和亲和力常数Km的比较可知，所选四种冷季型禾草对氮、磷的吸收特性存在一定的差异：黑麦草适合用于修复任何NH4+-N、PO43--P浓度的污水；早熟禾和高羊茅适合用于修复低PO43--P浓度、高NH4+-N浓度的废水；剪股颖对氮磷的吸收效果不好，不适于用作湿地植物。
（2）四种禾草对NO3--N的吸收与传统湿地植物相比无显著效果，黑麦草对PO43--P的吸收与传统湿地植物相比具有优势。在水体修复中，可以选择传统湿地植物来修复含氮浓度较高的污水，选择黑麦草修复含磷浓度较高的污水。
（3）离子动力学试验的研究结果可为人工湿地植物的选取和搭配提供参考，冷季型禾草对氮磷有一定的吸收作用，在实际污水处理工程中，可将禾草纳入湿地植物的选择范围之内。