圖1 水生植物濾床工藝流程圖 Fig. 1 Flow chart ofhydrophyte filter bed |
當(dāng)前，淡水水體富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重，水華現(xiàn)象頻繁發(fā)生，優(yōu)勢藍(lán)藻釋放的微囊藻**(microcystin,MC)尤其影響著居民的飲水**。MC具有明顯的肝毒性，被發(fā)現(xiàn)是*強(qiáng)的大田海綿酸型腫瘤促進(jìn)劑[1-2]。對于淡水富營養(yǎng)化、藻**污染的控制以及飲用水水源水中藻**的有效去除，是當(dāng)前迫切需要重視的焦點問題。各種藻**處理方法對藻**去除效果報道不一，而且往往受副產(chǎn)物、實際操作性、經(jīng)濟(jì)可行性等因素制約，對于藻**去除仍沒有一致公認(rèn)的切實可行的方法。研究經(jīng)濟(jì)、實用、高效的藻**去除方法，對于改善我國富營養(yǎng)化水體水質(zhì)及居民健康防護(hù)有著重要意義。
人工濕地作為一種生態(tài)處理系統(tǒng)，已有近半個世紀(jì)的發(fā)展歷史。近年來，其應(yīng)用范圍被擴(kuò)展到處理富營養(yǎng)化淡水水體領(lǐng)域[3]。有研究[4]利用兩套上行流-下行流人工濕地對MC質(zhì)量濃度為0.117μg/L原水進(jìn)行處理，去除率分別為68.5%和34.6%，并認(rèn)為**的降解作用可能是藻**去除的主要機(jī)制。本研究采用的水生植物濾床(hydrophytefilter bed，簡稱HFB)是一種新型的人工濕地系統(tǒng)，以水生植物為核心，水生動物及微生物共生，不填充任何介質(zhì)，實現(xiàn)物理過濾和生物處理相結(jié)合，具有工藝簡單、運行管理方便、水力負(fù)荷大、投資低、生態(tài)環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)收益顯著等特點[5]。
圖2 植物栽培水路單元示意圖 Fig. 2 Schematicdiagram of unit channel for plantation |
作者對HFB去除氮、磷營養(yǎng)元素已進(jìn)行了比較深入的研究[6-7]。本文以中試規(guī)模的HFB為依托，考察其對微囊藻**的去除特性，并研究了植物組合方式、水力負(fù)荷等對藻**去除效果的影響。
1 材料與方法
1.1 試驗設(shè)施
試驗設(shè)施建于太湖西岸湖濱，總占地1900m2，植物種植面積1420m2。水生植物濾床用磚石混凝土建造，內(nèi)部不填充基質(zhì)。首端為進(jìn)水配水渠，末端為出水集水渠，中部是植物栽培區(qū)，如圖1所示。
栽培區(qū)采用三級串聯(lián)的形式，級間池底標(biāo)高順?biāo)鞣较蛑鸺壗档?/span>15cm；每級又分隔成21條栽培水路，水路是水生植物濾床的基本單元，為矩形淺池，長、寬、深分別為15 m、1.5m和0.3m，如圖2所示。水深通過活動堰板調(diào)節(jié)。河水經(jīng)泵提升至配水渠，再經(jīng)過PVC管以重力流方式進(jìn)入各條水路，出水匯集至出水渠后返回河流。試驗采用連續(xù)進(jìn)水方式，有效水深為10 cm。
1.2 試驗水源
試驗原水取自太湖流域宜溧河水系的陳東港，該段緊臨陳東港入湖口，夏秋季節(jié)藍(lán)藻頻發(fā)。
1.3 試驗植物及種植方法
不同單元的第Ⅰ級分別種植空心菜(Ipomoea aquatica)、睡蓮(Nymphaeatetragona)和茭白(Zizanialatifolia)；第Ⅱ、Ⅲ級均種植空心菜，形成前后不同植物組合方式的三套HFB系統(tǒng)：即全程種空心菜（簡稱K-HFB系統(tǒng)）、“睡蓮—空心菜”組合（簡稱S-HFB系統(tǒng)）、“茭白—空心菜”組合（簡稱J-HFB系統(tǒng)）。同時設(shè)置空白對照組（C組），即種植槽中不種植任何植物。本文試驗內(nèi)容在7—10月份開展，其間水溫為23℃~32℃。
1.4 檢測項目及方法
1.4.1 微囊藻**檢測方法
采用高效液相色譜(HPLC)法:
1)水樣預(yù)處理。胞內(nèi)胞外總藻**TMC(TMC-RR，TMC-LR)檢測水樣：取500mL水樣按5%的體積比加入冰醋酸，混勻過夜，用whatmanGF/C玻璃纖維膜過濾，濾液備用。胞外藻**EMC(EMC-RR，EMC-LR)檢測水樣:取1L水樣直接用whatmanGF/C玻璃纖維膜過濾，濾液備用。胞內(nèi)藻**IMC(EMC-RR，EMC-LR)＝TMC－EMC。
2)水樣中MC的富集純化。向預(yù)處理過的SupelcoC18固相萃取(SPE)柱中通入預(yù)處理后的水樣，過柱流量不超過5mL·min-1；然后依次用40mL去離子水、20mL10%甲醇、20mL20%甲醇淋洗吸附了MC的SPE柱，以盡量除去MC之外的雜質(zhì)。C18SPE柱預(yù)處理采用5mL甲醇清洗2次后用20mL去離子水清洗2次。
3)MC的洗脫與定容。用5mL含0.1%三氟乙酸(TFA)的甲醇分3次洗脫SPE柱，將MC洗脫溶出于5mL帶刻度的錐底管中；將錐底管置于45℃的水浴鍋中，吹入凈化的空氣(經(jīng)2層0.22μm濾膜過濾)，直至蒸發(fā)至約0.2mL，用含0.1%TFA的甲醇定容至0.4mL；將定容后的樣品用0.45μm濾膜過濾，濾液裝入樣品瓶中，-20℃保存待測。
4)HPLC檢測。采用Agilent1100高效液相色譜儀。色譜柱：ZORBAXSB-C18柱(Agilent,5μm，4.6mm×150mm)。流動相：甲醇及0.05%TFA水溶液進(jìn)行梯度洗脫，流量為1mL·min-1，波長為238nm，加樣量為20μL，柱溫40℃。標(biāo)樣為MC-RR，MC-LR(日本和光純藥工業(yè)株式會社)，分子量分別為1038.21，995.17。
所用藥劑除甲醇為色譜純以外，其余均為分析純。
1.4.2 其他項目的檢測方法
常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的檢測方法見表1。
表1 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)檢測方法 Table 1 Determiningmethods for ordinary water quality index 分析項目 | 測定方法 | 高錳酸鹽指數(shù)(CODMn) | 酸性高錳酸鉀滴定法 | 總氮(TN) | 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法 | 總磷(TP) | 鉬酸銨分光光度法 | 葉綠素-a(Chl-a) | 丙酮雙色分光光度法 |
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2 結(jié)果與分析
2004年7—10月期間，進(jìn)水水樣中藻**主要類型為MC-RR和MC-LR，存在形態(tài)表現(xiàn)為胞內(nèi)藻**（IMC）多于胞外藻**（EMC）。不同取樣時間進(jìn)水中總MC-RR、總MC-LR的質(zhì)量濃度情況見圖3。其質(zhì)量濃度以7月底水華大暴發(fā)時*高，胞內(nèi)胞外總藻**達(dá)9.7864 μg·L-1，近10倍衛(wèi)生限值質(zhì)量濃度。本文下文主要以MC-RR、MC-LR兩種不同類型藻**之和MCs（MCs＝MC-RR＋MC-LR）作為藻**去除效果評價指標(biāo)。
圖3 不同采樣時間進(jìn)水中總藻**質(zhì)量濃度 Fig. 3 Totalmicrocystin concentration of raw water in differentsampling days |
2.1 K-HFB系統(tǒng)對MCs的去除效果
在水力負(fù)荷2.5m3·m-2·d-1條件下，K-HFB系統(tǒng)對微囊藻**（MCs）去除結(jié)果如圖4所示。
圖4 空心菜植物濾床對MCs的去除效果 Fig. 4 Removal effectof MCs by HFB planted with Ipomoea aquatica |
TMCs（TMCs＝TMC-RR＋TMC-LR）去除率在36.5%~75.8%之間，平均去除率為59.4%，不同時間組間有顯著性差異（方差分析，p<0.05），8月上旬去除率*高，平均達(dá)72.5%；EMCs（EMCs＝EMC-RR＋EMC-LR）平均去除率為50.0%，9月*高，達(dá)61.8%，組間差異有顯著性（方差分析，p<0.05）；IMCs（IMCs＝IMC-RR＋IMC-LR）平均去除率為63.9%，組間差異無顯著性。IMC去除率顯著高于EMC（t檢驗，p<0.05）。
圖6 不同植物組合濾床EMCs去除率比較 Fig. 6 Comparison ofremoval rates for EMCs by HFB systems withdifferent plants arrangement |
空白對照組的藻**去除效果如表2所示。出水中藻**質(zhì)量濃度大多數(shù)情況下顯著高于進(jìn)水，出現(xiàn)負(fù)去除現(xiàn)象。尤其胞內(nèi)藻**出水質(zhì)量濃度增長較多，出現(xiàn)了幾倍甚至幾十倍的增長，分析其主要原因為：含有藍(lán)藻的原水進(jìn)入空白種植槽后，由于不存在其他植物與其競爭，使其可充分利用富營養(yǎng)化水體中的氮、磷營養(yǎng)源以及光源，進(jìn)行光合作用，惡性繁殖，導(dǎo)致槽內(nèi)的藻細(xì)胞數(shù)顯著增加，從而使得出水中胞內(nèi)藻**異常增加。
表2 空白組對藻**的去除效果 Table 2 Removal effectof MC by control system with no vegetation | TMC | EMC | IMC | MC-RR | -363.1% | 31.7% | -2040.7% | MC-LR | -224.1% | 4.8% | -280.7% | MCs | -284.2% | 18.7% | -653.8% |
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空白對照組對胞外藻**雖有一定去除效果，但去除率仍顯著低于有植物的試驗組（t檢驗，p<0.05）。與不種植物的空白組比較，HFB系統(tǒng)對于MC有顯著的去除作用，進(jìn)一步充分說明HFB系統(tǒng)中植物的存在對于MC的去除至關(guān)重要。分析其對于胞內(nèi)胞外藻**的處理作用可能的因素有：水生植物致密的根系濾網(wǎng)的物理截留，根系表面生物膜吸附固定，以及根系間隙的活性生物絮體的生物絮凝、沉淀作用[8]；同時植物根系為微生物提供了有利的生存條件、富集載體，以利于微生物對胞外藻**進(jìn)行高效降解[9]；植物根系上附著生長與水中浮游生長的原生動物、后生動物對藻類的捕食作用[10]，從而降低胞內(nèi)藻**質(zhì)量濃度。
2.2 不同植物組合方式HFB系統(tǒng)MCs處理效果
在相同水力負(fù)荷2.5m3·m-2·d-1條件下，對不同植物組合濾床濕地系統(tǒng)進(jìn)出水的TMCs、EMCs進(jìn)行采集測定，對其處理藻**效果進(jìn)行比較。結(jié)果如圖5所示。
三種植物組合的水生生物濾床對于TMCs的去除，總體上無顯著性差異(方差分析，p>0.05)。K-HFB、J-HFB、S-HFB系統(tǒng)對于胞內(nèi)胞外藻**TMCs的平均去除率分別為：61.7%、60.2%、56.1%。
圖5 不同植物組合濾床TMCs去除率比較 Fig. 5 Comparison ofremoval rates for TMCs by HFB systems withdifferent plants arrangement |
胞外藻**（EMCs）去除效果比較見圖6。K-HFB、J-HFB、S-HFB系統(tǒng)對胞外藻**總和(EMCs)的平均去除率分別為：57.3%、46.0%、46.8%。以時間、MC類型作為區(qū)組因素，進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，植物組合因素有顯著性意義，K-HFB系統(tǒng)對EMCs的去除率顯著高于其余兩系統(tǒng)（方差分析，p<0.05）。
不同植物組合的HFB系統(tǒng)，K-HFB系統(tǒng)對胞外藻**去除效果優(yōu)于J-HFB和S-HFB系統(tǒng)，但總藻**去除效果三者無顯著性差異。表明空心菜是一種效果很好的應(yīng)用于HFB處理系統(tǒng)的水生植物，另外在兼顧食用價值、觀賞價值及生物多樣性的情況下，可在流程上將一些其他水生植物套種在空心菜前，還可以避免原水中一些重金屬在蔬菜中可能的蓄積[11]。
2.3 水力負(fù)荷對藻**去除效果的影響
水力條件（水力負(fù)荷）影響試驗在5個單元種植槽中進(jìn)行，均種植空心菜(Ipomoeaaquatica)，試驗期間，每個單元槽的植物初始種植量、生長狀況相似，試驗平行進(jìn)行，以便排除進(jìn)水水質(zhì)、溫度、植物生長階段以及運行時間等因素的干擾。通過改變進(jìn)水流量得到不同水力負(fù)荷，5個試驗單元的水力負(fù)荷分別調(diào)節(jié)為1.0、3.0、4.0、5.0、6.0m3·m-2·d-1。對進(jìn)水及每個試驗單元Ⅰ級出水的TMC進(jìn)行檢測，計算去除率，結(jié)果見圖7（下頁）。
圖7 水力負(fù)荷對TMC去除效果的影響 Fig. 7 Effect ofhydraulic loading rate on TMC removal efficiency |
不同水力負(fù)荷對MC-RR、MC-LR去除率的影響規(guī)律有一定差異。水力負(fù)荷較小時，MC-RR的去除率較高，而水力負(fù)荷在中等負(fù)荷時，MC-LR的去除率較高。對于MCs而言，在1.0~6.0m3·m-2·d-1水力負(fù)荷條件下，HFB去除MCs的效果無明顯差異，數(shù)值上表現(xiàn)為3.0~5.0m3·m-2·d-1時去除率較高?？傮w上看，在試驗范圍內(nèi)，水力負(fù)荷對藻**去除效果的影響較小。這也從另一個角度說明，HFB系統(tǒng)去除藻**的機(jī)制存在多樣性，除了隨藻細(xì)胞被機(jī)械過濾截留[8]而去除一部分胞內(nèi)藻**以外，微生物降解[9]、光降解[12]、底泥吸附[13]等都是藻**去除的可能途徑。關(guān)于HFB系統(tǒng)內(nèi)部去除藻**的機(jī)理值得深入研究。
2.4 MC與其他富營養(yǎng)化指標(biāo)處理效果之間關(guān)系
2.4.1 MC去除與Chl-a去除的關(guān)系
三種不同植物組合的HFB系統(tǒng)，Chl-a平均去除率為67.1%，其中K-HFB系統(tǒng)*高去除率達(dá)84.1%，優(yōu)于J-HFB和S-HFB系統(tǒng)。與同批TMCs去除情況相比，結(jié)果較為一致，即K-HFB系統(tǒng)優(yōu)于其他兩組。將Chl-a及TMCs的去除率作為兩變量進(jìn)行線性相關(guān)分析，結(jié)果顯示兩者線性正相關(guān)（r=0.7105，p＜0.05）。
2.4.2 MC去除與有機(jī)物和氮、磷去除的關(guān)系
各系統(tǒng)同批次水樣的CODMn、TN、TP去除率與藻**去除率之間關(guān)系見圖8。相關(guān)分析結(jié)果顯示：CODMn去除率與TMCs去除率成直線正相關(guān)性（r＝0.6228，p＜0.01)；TP去除率與TMCs去除率成直線正相關(guān)性（r = 0.7739，p＜0.001）。但TN去除率與TMCs去除率無明顯的線性關(guān)系。
3 結(jié)論
圖8 TMCs去除與CODMn、TN、TP去除關(guān)系 Fig. 8 Correlationsbetween TMCs removal efficiency and CODMn,TN, TP removal efficiency |
（1）應(yīng)用水生植物濾床（HFB）進(jìn)行富營養(yǎng)化水體中微囊藻**的處理在技術(shù)上是可行的，總藻**去除率在36.5%~75.8%之間，平均去除率為59.4%；胞外藻**平均去除率為50.0%；胞內(nèi)藻**平均去除率為63.9%。
（2）不同植物組合的HFB系統(tǒng)對總藻**的去除效果無顯著差異。因此兼顧食用價值、觀賞價值及生物多樣性等因素，可進(jìn)行一些水生植物的搭配種植。
（3）水力負(fù)荷在 1.0~6.0 m3·m-2·d-1的范圍內(nèi)，HFB系統(tǒng)去除總藻**效果無顯著差異，表明除過濾截留作用外，HFB系統(tǒng)內(nèi)還存在其他去除藻**的機(jī)制。
（4）HFB系統(tǒng)對水體中總藻**的去除與富營養(yǎng)化指標(biāo)（葉綠素-a、CODMn、TP）的處理效果呈直線正相關(guān)性。藻**可作為輔助指標(biāo)從健康效應(yīng)角度來反映富營養(yǎng)化水體水質(zhì)改善情況。
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