温度对植物浮床净化富营养化水体能力的影响.pdf
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第31卷第2期2011年2月环?
境?
科?
学?
学?
报?
ActaScientiaeCircumstantiaeVo.l31,No.2Feb.,2011基金项目:
教育部科技研究重点项目(No.200705824);浙江省科技局重点项目(No.2006C13059)SupportedbytheKeyProgramfromtheChineseMinistryofEducation(No.705824)andtheKeyProjectfromScienceandTechnologyBureauofZhejiangProvince(No.2006C13059)作者简介:
胡绵好(1976?
),男,讲师,E?
mai:
lyankeugmai.lcom;*通讯作者(责任作者),E?
mai:
lxyang581Biography:
HUMianhao(1976?
),male,lecturer,E?
mai:
lyankeugmai.lcom;*Correspondingauthor,E?
mai:
lxyang581胡绵好,袁菊红,杨肖娥.2011.温度对植物浮床净化富营养化水体能力的影响J.环境科学学报,31
(2):
283?
291HuMH,YuanJH,YangXE.2011.EffectsoftemperatureonpurificationabilityofaplantedfloatingbedsystemtreatingeutrophicwaterJ.ActaScientiaeCircumstantiae,31
(2):
283?
291温度对植物浮床净化富营养化水体能力的影响胡绵好1,2,袁菊红1,杨肖娥2,*1.江西财经大学资源与环境管理学院,南昌3300322.污染环境修复与生态健康教育部重点实验室,浙江大学环境与资源学院,杭州310029收稿日期:
2010?
04?
29?
修回日期:
2010?
06?
17?
录用日期:
2010?
06?
28摘要:
利用生态浮床系统研究了温度对豆瓣菜和水芹净化富营养化水体能力的影响.结果表明,不同温度(10、22和35?
)处理明显影响植物浮床系统对NH+4?
N、TN、TP、Chla、CODMn、BOD5的去除效率;植物浮床系统在22?
时对TN、NH+4?
N、Chla的去除率分别达79%、82%、76%以上,在35?
时对TP、CODMn、BOD5的去除率分别达75%、81%、80%以上.10、22和35?
处理的浮床系统(包括植物浮床及无植物对照浮床)中,NO-3?
N、NO-2?
N的浓度均降低,但植物浮床系统中NO-3?
N、NO-2?
N的浓度降低较为明显(p0?
05).10?
处理的浮床系统中,DO的浓度均高于22?
和35?
处理(达1.2倍以上).10、22和35?
处理的豆瓣菜和水芹浮床系统对NH+4?
N、TN、Chla和CODMn的去除效果存在显著的差异(p0?
05).这些结果表明,豆瓣菜和水芹生态浮床系统有较强的净化富营养化水体的潜能,特别是在低温季节.关键词:
植物浮床系统;水芹;豆瓣菜;富营养化水文章编号:
0253?
2468(2011)02?
283?
09?
中图分类号:
X171?
文献标识码:
AEffectsoftemperatureonpurificationabilityofaplantedfloatingbedsystemtreatingeutrophicwaterHUMianhao1,2,YUANJuhong1,YANGXiao?
e2,*1.CollegeofResource&EnvironmentManagement,JiangxiUniversityofFinance&Economics,Nanchang3300322.MOEKeyLaboratory,EnvironmentalRemediationandEcosystemHealth,CollegeofEnvironmental&ResourceScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029Received29April2010;?
receivedinrevisedform17June2010;?
accepted28June2010Abstract:
Theeffectoftemperatureonthepurificationabilitiesofwaterdropwortandwatercressineutrophicwaterwithaplantedfloating?
bedssystem(PFS)wasinvestigatedinthisstudy.TheresultsshowedthattheremovalofNH+4?
N,TN,TP,Chla,CODMn,andBOD5wasinfluencedsignificantlybygrowthatdifferenttemperatures(10,22,and35?
).TheremovalrateofTN,NH+4?
N,andChlainthePFSwereabove79%,82%,76%,respectively,at22?
andtheremovalrateofTP、CODMn、BOD5inthePFSwereover75%,81%,80%respectively,at35?
.TheconcentrationofNO-3?
NandNO-2?
NinthePFSandnon?
plantedFS(NPFS)decreasedat10,22,and35?
andNO-3?
NandNO-2?
NconcentrationinthePFSdecreasedsignificantly(p0?
05)(图3a).这一方面可能是由于植物生长对温度要求存在差异及系统中微生物的作用,另一方面则可能是由于在高温下,蚜虫的大量发生使豆瓣菜植物生长不良.不同温度处理下,水体中TP的去除率总体提高且植物系统对TP的去除率高于无植物系统,但处理2d后,TP去除率在各系统中的升高幅度不再明显(图3b).这一方面可能是由于植物的吸收作用导致TP去除率提高,另一方面则是由于水体中TP主要是通过沉降、吸附等方式去除,因此,后期变化不是很明显.不同温度处理前期,各浮床系统中CODMn的去除率随处理时间的延长而提高,4d后,各浮床系统中CODMn的去除率提高幅度无明显差异;且10?
处理的水芹浮床系统中CODMn的去除率明显优于豆瓣菜浮床系统,植物浮床系统在22?
和35?
下的CODMn去除率没有差异(图3c).10、22和35?
处理4d后,无植物浮床系统中CODMn去除率分别为10?
7%、42?
2%、46.8%;豆瓣菜浮床系统中CODMn去除率分别为21.8%、74.6%、80?
4%;水芹浮床系统中CODMn去除率分别为31.5%、75.3%、80?
3%.不同温度处理的浮床系统中,BOD5去除率随处理时间的延长而提高.处理6d后,各浮床系统中BOD5去除率的提高幅度无明显差异,且22?
和35?
处理的豆瓣菜浮床系统对BOD5的去除率明显高于水芹浮床系统(图3d).10、22和35?
处理6d后,无植物浮床系统中BOD5去除率分别为18.7%、43.5%、48.1%;豆瓣菜浮床系统中BOD5去除率分别为55?
4%、86.3%、86?
1%;水芹浮床系统中BOD5去除率分别为47.7%、68.3%、75.9%.一方面可能是由于高温导致植物生长不良,根系腐烂加重,从而使水体中的有机物增加;另一方面可能是由于高温促进了浮床系统中微生物繁殖及其活性的提高.不同温度处理3d后,各浮床系统中Chla去除率无明显285环?
境?
科?
学?
学?
报31卷图3?
温度对生态浮床系统去除富营养化水体中TN、TP、CODMn、BOD5和Chla的影响Fig.3?
EffectoftemperatureonTN,TP,CODMn,BOD5,andChlaremovalineutrophicwaterbytheecologicalfloatingbedsystem差异,且高温和低温均不利于浮床系统中Chla的去除,22?
和35?
处理的水芹浮床系统对Chla的去除率明显高于豆瓣菜浮床系统(图3e).10、22和35?
处理3d后,无植物浮床系统中Chla的去除率分别为11?
0%、21.1%、17.0%;豆瓣菜浮床系统分别为22?
9%、66?
1%、57?
7%;水芹浮床系统分别为22?
7%、72?
1%、65?
2%.这可能是由于低温和高温均抑制了水体藻类的生长,从而导致水体中的叶绿素含量降低.2862期胡绵好等:
温度对植物浮床净化富营养化水体能力的影响3.2.2?
NH+4?
N、NO-3?
N、NO-2?
N和DO浓度及pH的变化?
不同温度处理的浮床系统中,NH+4?
N浓度随处理时间的延长均呈下降趋势,植物浮床系统中NH+4?
N浓度的下降幅度明显要比无植物浮床系统大.处理5d后,10?
和22?
处理的豆瓣菜浮床系统中NH+4?
N浓度(分别为1.43、0?
86mg?
L-1)明显比水芹浮床系统(分别为1.70、1.10mg?
L-1)低,但35?
处理的两个系统中NH+4?
N浓度下降幅度无显著差异(图4a).10、22和35?
处理7d后,无植物浮床系统中NH+4?
N浓度从3.56mg?
L-1分别下降到图4?
温度对生态浮床系统中NH+4?
N,NO-3?
N,NO-2?
N,DO浓度和pH变化的影响Fig.4?
EffectoftemperatureontheNH+4?
N,NO-3?
N,NO-2?
N,DOconcentrationsandpHineutrophicwatertreatedbyanecologicalfloatingbedsystem287环?
境?
科?
学?
学?
报31卷1.73、1.64、1.71mg?
L-1;豆瓣菜浮床系统分别下降到1?
08、0?
38、0?
88mg?
L-1;水芹浮床系统分别下降到1?
45、0?
62、0?
98mg?
L-1.不同温度处理的浮床系统中,NO-3?
N浓度随处理时间的延长而基本呈下降趋势,植物浮床系统中NO-3?
N浓度的下降幅度要比无植物浮床系统大.处理5d后,22?
和35?
处理的豆瓣菜浮床系统中NO-3?
N浓度呈上升趋势,虽还是低于系统的背景值,但其均明显高于水芹浮床系统(图4b).10、22和35?
处理7d后,无植物浮床系统中NO-3?
N浓度从1.21mg?
L-1分别下降到0?
87、0?
81、0?
73mg?
L-1;豆瓣菜浮床系统分别下降到0?
64、0?
55、0?
42mg?
L-1;水芹浮床系统分别下降到0?
60、0?
44、0?
32mg?
L-1.除10?
处理的无植物浮床系统外,其余各温度处理的浮床系统中,NO-2?
N浓度随处理时间的延长而呈下降趋势,植物浮床系统中NO-2?
N浓度的下降幅度要比无植物浮床系统大,且植物浮床系统中NO-2?
N的下降幅度无明显差异(图4c).10、22和35?
处理7d后,无植物浮床系统中NO-2?
N浓度从0?
226mg?
L-1分别下降到0?
276、0?
125、0?
122mg?
L-1;豆瓣菜浮床系统分别下降到0?
029、0?
026、0?
023mg?
L-1;水芹浮床系统分别下降到0?
031、0?
019、0?
016mg?
L-1.处理7d后,10?
处理的浮床系统中DO浓度均高于22?
和35?
处理(图4d).10?
和35?
处理3d后,豆瓣菜浮床系统中DO浓度(分别为3?
29、2?
54mg?
L-1)较无植物浮床系统(分别为2?
94、1?
82mg?
L-1)和水芹浮床系统(分别为3.16、2.37mg?
L-1)高;22?
处理的无植物浮床系统中的DO浓度(2.81mg?
L-1)比植物浮床系统(2.185mg?
L-1)要高.不同温度处理的植物浮床系统中,pH值随处理时间的延长而下降,但22?
和35?
处理的无植物浮床系统中pH值变化呈先升高后降低的趋势;处理5d后,豆瓣菜浮床系统中pH明显高于水芹浮床系统,但两个系统的pH均低于无植物浮床系统(图4e).10、22和35?
处理5d后,无植物浮床系统中pH分别为7.73、8.81、8.81;豆瓣菜浮床系统分别为7.09、7.20、7.33;水芹浮床系统分别为6.79、7?
05、7.11.3.3?
浮床植物体氮磷的积累量由图5可知,两种植物浮床系统中,22?
处理下浮床植物体内的TN、TP净积累量均明显高于10?
和35?
处理,但低温和高温处理的豆瓣菜浮床植物体内的TN、TP的净积累量没有差异(p0?
05),而高温处理的水芹浮床植物体内的TN、TP的净积累量(0?
20、0?
06g?
m-2)却明显高于低温处理(0?
12、0?
01g?
m-2)(p0?
05).不同温度处理的豆瓣菜浮床植物体内的TN、TP净含量明显高于水芹浮床.图5?
不同温度处理浮床植物体内氮磷的净积累量(a.豆瓣菜,b.水芹)Fig.5?
TNandTPnetaccumulationsinfloatingbedplantsatdifferenttemperatures(a.NasturtiumofficinaleR.Br,b.OenanthejavanicaDC)4?
讨论(Discussion)4.1?
温度对浮床植物形态及其体内TN、TP积累量的影响植物的形态、生物量及其生理变化等均受外界气温的影响.水芹和豆瓣菜的生长适温分别为1224?
和1525?
高于25?
或低于10?
均不利于其生长.本研究发现,10?
和35?
处理的浮床植物出现了不正常的外部症状,如10?
处理的水芹和豆瓣菜下部叶片发黄,茎细且植株生长缓慢;35?
处理下,它们的叶片发黄更加严重,茎干更细,而且在豆瓣菜叶片上有大量的蚜虫发生.高温处理的植物生2882期胡绵好等:
温度对植物浮床净化富营养化水体能力的影响长加速,徒长现象严重;低温处理的植物生长缓慢或停止,而22?
处理的植株生长正常及其高度介于10?
和35?
处理之间.这可能是由于高温或低温破坏或直接抑制了植物的光合作用进程及其演化,从而使呼吸速度及植物的生长速度降低(Gilleyetal.,1998).这一试验结果与Ercoli等(2004)的研究结果相似.高温或低温及其持续的时间还可使植物的气孔导度、叶面积、干物质及净光合速率降低,从而影响植物体内氮的浓度.Ercoli等(2004)的研究表明,低温(?
8?
)处理极大地抑制了高粱的生长及对氮的吸收能力.本研究结果表明,22?
处理的浮床植物体内TN、TP的净积累量明显高于10?
和35?
处理,且35?
处理浮床植物体内TN、TP的净积累又比10?
处理高.不同温度处理下,豆瓣菜体内TN、TP的净积累量明显比水芹体内高(p75.1%),其次是35?
处理,但无植物浮床系统中TN的去除率却在35?
处理下最高.10?
和22?
处理的豆瓣菜浮床系统中的TN去除率明显高于水芹浮床系统,而35?
处理的TN去除率却明显低于水芹浮床系统.水芹浮床系统中TN的去除率在22?
和35?
处理时没有明显差异.Fontenot等(2007)研究指出,尽管还需要一些数据来证明温度变化与氮去除的关系,但在极高温度处理下,氮的去除率还是降低.水体中磷主要通过吸附、络合、沉降作用及微生物和植物的吸收作用被去除,微生物能把有机磷转化为矿质磷而被植物吸收(Tanneretal.,1999).本研究表明,不同温度处理的各浮床系统中磷的去除率随着处理时间的延长而提高,但处理2d后TP去除率的提高幅度没有明显变化;水芹浮床系统和豆瓣菜浮床系统中,TP的去除率分别为66.8%79.3%和70?
3%83.3%.Chae等(2007)研究表明,在1325?
的温度处理下TP的去除率可达77%81%.生化需氧量(BOD5)和化学需氧量(CODMn)是废水中有机物生物降解和化学氧化的重要指标.本研究表明,10、22和35?
处理下,浮床系统中CODMn和BOD5的去除率随着处理时间的延长而提高;10?
处理下,水芹浮床系统对CODMn的去除率明显优于豆瓣菜浮床系统,而22?
和35?
处理下,两种植物浮床系统对CODMn的去除率没有明显差异.22?
和35?
处理6d后,豆瓣菜浮床系统对BOD5的去除率优于水芹浮床系统.温度降低将导致出水口悬浮固体物含量升高,生物气体的产生及挥发性脂肪酸等微生物产物的积累,从而降低了出水口COD的去除效率(Chaeetal.,2007).Bod?
k等(2002)研究表明,温度会影响AnSBR对有机污染物的去除效率,当温度降低到810?
时,COD和BOD的去除率降低.然而,温度升高可使水体中的溶解氧降低,从而影响水体中COD的降解速率,但当温度为2237?
时,水体中所有碳的去除率可达89%以上(Fontenotetal.,2007).叶绿素a(Chla)是反映藻类数量多少的综合指标,因此.常作为评价水体富营养化状况的主导因子.由于水生植物对营养物质的吸收、植物叶冠遮光及根区分泌物质对藻类生长的抑制作用,使富营养化水体中藻类的快速繁殖得到控制,最终达到去除的目的.本研究表明,10、22和35?
下处理3d后,浮床系统中Chla的去除率在22?
处理下最高,22?
和35?
处理的水芹浮床系统中Chla的去除率比豆瓣菜浮床系统高.然而,吕唤春等(2003)的研究表明,环境因子对藻类的影响有显著的差异,水体中TP含量及水温与藻类去除率呈显著的正相关关系.4.3?
温度对浮床系统中NH+4?
N、NO-3?
N、NO-2?
N及DO浓度和pH变化的影响温度、微生物载体、pH值和溶解氧等因素严重影响硝化/反硝化作用速率,从而影响到氧化亚氮的释放,最终影响水体或土壤中氮的去除.当温度在345?
时,有利于硝化细菌的生长和繁殖,但其生长的最适温度却为2535?
(梁威等,2002).植物根系能为微生物的生长提供较大的表面积,且易促成其上生物膜的形成,从而更有利于硝化/反硝化作用的发生.本研究发现,不同温度处理7d后,22?
处理的浮床系统中NH+4?
N浓度的下降幅度较10?
和35?
处理大,且植物浮床系统中NH+4?
N浓289环?
境?
科?
学?
学?
报31卷度的下降幅度比无植物浮床系统大.10?
和22?
处理5d后,豆瓣菜浮床系统中NH+4?
N浓度比水芹浮床系统低.10、22和35?
处理7d后,浮床系统中NO-3?
N和NO-2?
N浓度明显下降,且35?
处理的浮床系统中NO-3?
N和NO-2?
N浓度下降更明显.22?
和35?
处理的豆瓣菜浮床系统中NO-3?
N浓度比水芹浮床系统高,但NO-2?
N浓度在植物浮床系统中均无明显差异.但Maag等(1996)的研究指出,在520?
下,土壤通过硝化作用产生的N2O随温度的降低而增加.尽管硝化细菌的两种类型对不同温度的敏感性存在一些争议,但许多研究者认为硝化细菌对低温更为敏感,特别是在pH超过其适宜范围时(Fochtetal.,1977).硝化细菌是对各种抑制剂都很敏感的微生物,其作用的适宜pH范围为5.68.6(Sunetal.,1998),而NH+4转化成亚硝酸盐,以及亚硝酸盐进一步转化成硝酸盐的适宜pH值分别为5.88.5和7.58.6(Imetal.,2001).本研究表明,10、22和35?
处理的无植物浮床系统中pH值比植物浮床系统高,豆瓣菜浮床系统中pH值比水芹浮床系统高,但浮床系统中pH值均高于6.7.硝化作用受到废水中BOD5水平的影响,由于硝化细菌和微生物去除BOD5时要相互竞争溶解氧,尽管两个作用均是需氧过程,但硝化反应速度比BOD5减少的反应明显要慢,因此,在高BOD5水平下,大部分溶解氧可输送到根系周围用于BOD5的去除,这就抑制了硝化细菌种群的繁殖及其活性,直到BOD5下降到很低水平时,溶解氧才能被硝化细菌所利用,硝化作用才能发生.亚硝酸氧化菌对氧的需求比氨氧化细菌要敏感,在低DO浓度下亚硝酸盐容易积累.流化床反应器中,亚硝酸盐的转化率为34%,氨的氧化率则达40%,当DO浓度为510mg?
L-1,亚硝酸盐转化率达到最高值;当DO浓度为0?
5mg?
L-1时,铵态氮氧化完全,而亚硝酸盐的转化率为80%(Bernetetal.,2001).溶解氧浓度受许多因素如水温、大气复氧、光合作用、植物和动物呼吸、生化需氧量、硝化作用等因素的影响.废水中溶解氧易被异氧菌用于有机碳的代谢(Strousetal.,1997),而使硝化细菌生长受到抑制,硝化作用发生延缓.由于氧的转移能力受到限制,而使湿地系统中氨氧化成亚硝酸盐的效率较低(Cooper,1999).本研究表明,不同温度处理7d后,10?
处理的浮床系统中DO浓度明显比22?
和35?
处理的高,且22?
处理的无植物浮床系统中DO浓度高于植物浮床系统.但Bougard等(2006)研究表明,温度变化对本相中DO浓度变化无明显影响.5?
结论(Conclusions)1)10?
处理的浮床植物下部叶片发黄,茎细且植株生长缓慢;35?
处理的浮床植物叶片发黄更严重,茎干更细(徒长现象严重),且浮床豆瓣菜叶片上还有大量的蚜虫发生;而22?
处理的植株生长正常,其高度介于10?
和35?
处理之间.22?
处理的浮床植物体内TN、TP的净积累量明显高于10?
和35?
处理,35?
处理的浮床植物体内TN、TP的净积累量又明显高于10?
处理.不同温度处理的植物浮床系统中,豆瓣菜体内TN和TP净积累量明显高于水芹浮床(p0?
05).2)10?
和22?
处理的豆瓣菜浮床系统对TN的去除率明显高于水芹浮床系统,但在35?
处理下却明显低于水芹浮床系统;22?
和35?
处理的豆瓣菜浮床系统对BOD5去除率比水芹浮床系统高,但对Chla的去除率比水芹浮床系统要低;10?
处理的水芹浮床系统对CODMn的去除率优于豆瓣菜浮床系统.3)22?
处理的浮床系统中NH+4?
N浓度的下降幅度较10?
和35?
处理大,且豆瓣菜浮床系统中NH+4?
N浓度较水芹浮床系统低,但pH和NO-3?
N浓度却比水芹浮床系统高.10?
处理的植物浮床系统中DO浓度比22?
和35?
处理的高,且水芹浮床系统中DO浓度低于豆瓣菜浮床系统.责任作者简介:
杨肖娥(1958?
),女,教授,博士生导师,主要从事污染环境生物修复、植物逆境营养生理、植物营养环境生态等方面的研究.E?
mai:
lxyang581.参考文献(References):
AllenAA,AndrewsJA,FinziAC.2000?
Effectsoffree?
airCO2enrichmentonbelowgroundprocessesinaPinustaedaforestJ.EcologyApplied,10:
437?
448鲍士旦.2000?
土壤农化分析(第3版)M.北京:
中国农业出版社.265?
270BaoSD.2000
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