傳統的生活污水處理工藝在農村應用存在建設與運營成本太高的問題，農村散戶生活污水通常僅經過三格化糞池或者四格凈化池(三格化糞池+人工濕地)處理后，排入溝渠匯入附近的魚塘、河流、湖泊等，對自然水體的水質造成嚴重威脅[1-2]，面源污染風險嚴重。針對農村散戶生活污水量差異大、污染源相對分散、可生化性好、污染物濃度較高等特點[3]，利用農戶周邊魚塘、農田構建濕地，使污染物進一步降解后再進入自然水體的植物修復技術，具有效果好、投資運行成本低、景觀效果好、能產生一定的經濟價值等優點，成為分散農村生活污水治理的首選工藝之一[4]。這類濕地的凈化機理是依靠植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化學作用[5]共同對污水進行凈化處理，其運行效果的關鍵因素是植物類型。目前，關于水生植物凈化能力的研究很多[6-9]，主要是比較不同植物對不同污染程度水體的修復效果，由于各研究的實驗條件、植物品種、進水濃度等存在差異，植物在污水處理系統中去污能力不同，給設計與施工單位選擇凈化能力強的植物造成困難。因而篩選出具有顯著去污特性的水生植物，成為植物修復技術的關鍵之一。
據調查，農村散戶生活污水中主要污染物出水濃度為 TN(總氮)27.6~159.3 mg · L-1、TP(總磷)1.58~18.16 mg·L-1、CODC(r化學需氧量)80.9~313.2 mg·L-1、NH3 - N(氨氮)21.3~148.9 mg · L-1、SS(懸浮固體)151.0~685.0 mg·L-1[10-11]，本研究在設定的模擬化農村散戶生活污水出水濃度下，比較 29 種水生植物凈化系統對污染物的去除效果，通過聚類分析篩選出一批凈化效果好的水生植物，為農村分散生活污水面源污染水生態修復提供技術參考與理論依據。
1 材料與方法
1.1 供試材料
以常見的29 種水生植物為材料，植物品種見表1。
1.2 試驗方法
試驗于2017 年7—9 月在中南林業科技大學苗圃內進行，選取處于生長旺盛期的植物，用長×寬×高=0.80 m×0.70 m×0.80 m 的粗陶水缸進行露天避雨缸栽試驗，每缸種植的同類植物初始生物量大致保持一致，并設置無植物對照，每個處理設置 3 個重復。基質為細砂，深度為 25.00 cm。在自然光照、避雨條件下用靜置 1 d 的自來水培育水生植物 10 d，待植物正常生長后一次性加入中南林業科技大學校區化糞池出水，模擬農村散戶生活污水，最終實驗水體 TN 為 31.76~31.97 mg·L-1，TP 為 3.89~3.94 mg·L-1，CODCr 為178.87~178.98 mg·L-1，NH3-N 為23.58~23.69 mg·L-1，SS 為166.65~166.77 mg·L-1，pH 為6.96~7.01。生長過程中，每隔15 d 對實驗缸中水質進行采樣分析，每次采水樣 100 mL，試驗周期為 75 d。試驗中用靜置 1 d的自來水每5 d 補充因蒸發蒸騰及試驗采樣損耗的水分。每缸水深始終保持在50 cm。
1.3 分析方法
TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636—2012);TP 采用鉬酸銨分光光度法(HJ 671—2013);CODCr 采用重鉻酸鹽法(HJ 828—2017);NH3-N 采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009);SS 采用重量法 (GB 11901—1989);pH 采用酸度計測量。
(1)生物量變化量=種植75 d 生物量-種植0 d 生物量
(2)污水中污染物去除植物效應植物效應=(C0-C-C ′)/C0×100%式中：C0 為污染物初始濃度;C 為污染物最終濃度;C ′為對照組污染物濃度。
(3)隸屬函數值計算方法
式中：Zij 為i 植物j 指標的去污隸屬函數值;Xij 為i 植物j 指標的測定值;Xi min和Xi max分別為各植物同一指標值的最小值和最大值。
1.3 數據分析
數據分析采用 SPSS 19.0。
2 結果與分析
2.1 水生植物生物量變化量
試驗 75 d 后水生植物生物量變化量(圖 1)在每缸125.40~1 212.30 g 之間，平均值為508.90 g。其中，美人蕉、蘆葦、鳳眼蓮生物量變化量具有顯著性優勢，水蔥、再力花、花葉蘆竹、香蒲、茭草、萍蓬草、大薸、旱傘草的生物量變化量大于29 種植物的平均值。生物量變化量是衡量植物生長狀況及適宜性的一個重要指標，結果表明以上植物均能適應實驗中的污水環境，具有很好的耐污能力。
2.2 水生植物對TN 的去除效果
由29 種水生植物對TN 的去除效果(表2)可以看出，不同水力停留時間(HRT)時 TN 的凈化效果具有顯著差異性(P<0.05)，但試驗中后期HRT 對菖蒲、馬蹄蓮、鳳眼蓮、菱以及所有沉水植物的去除效果影響不顯著。HRT 在30 d 和45 d 時鳳眼蓮凈化能力明顯優于其他植物。15 d 后芡實和菱的凈化能力遜于其他植物。75 d 實驗結束時，29 種植物凈化TN 的植物效應為6.21%~26.66%，花葉蘆竹、香蒲、美人蕉、蘆葦對TN 的凈化具有顯著優勢(P<0.05)，凈化能力較強。
2.3 水生植物對NH3-N 的去除效果
由 29 種水生植物對NH3-N 的去除效果(表 3)可以看出，不同 HRT 時NH3-N 的凈化效果具有顯著差異性(P<0.05)，在試驗60 d 后HRT 對德國鳶尾、馬蹄蓮、睡蓮、菱、狐尾藻、輪葉黑藻、伊樂藻的去除效果影響不顯著。HRT 在30 d 和45 d 時鳳眼蓮的凈化能力優于其他28 種植物，凈化速率較快，45 d 后凈化能力減弱。芡實和菱在試驗中凈化能力遜于其他植物。 75 d 試驗結束時，29 種植物凈化NH3-N 的植物效應為 7.03%~23.92%，蘆葦對 NH3-N 的凈化具有顯著優勢(P<0.05)，凈化能力較強。
2.4 水生植物對TP 的去除效果
由29 種水生植物對TP 的去除效果(表4)可以看出，不同 HRT 時TP 的凈化效果具有顯著差異性(P<0.05)，在試驗中后期HRT 對菖蒲、花葉蘆竹、茭草、美人蕉、鳳眼蓮、蘆葦的去除效果影響不顯著。HRT 在 30 d 和 45 d 時鳳眼蓮的凈化能力優于其他 28 種植物，凈化速率較快，45 d 后凈化能力減弱。香蒲、蘆葦在45 d 后凈化能力優于其他植物，金魚藻、輪葉黑藻、萍蓬草在60 d 前凈化能力遜于其他植物，之后凈化能力提高。75 d 試驗結束時，29 種植物凈化TP 的植物效應為 17.40%~28.13%。香蒲、蘆葦對 TP 的凈化具有顯著優勢(P<0.05)，凈化能力較強。
2.5 水生植物對CODCr的去除效果
由29 種水生植物對CODCr的去除效果(表5)可以看出，不同HRT 時CODCr 的凈化效果具有顯著差異性(P<0.05)。鳳眼蓮凈化能力優于其他 28 種植物，凈化速率較快。HRT 在30 d 和45 d 時槐葉萍的凈化能力較強，后期凈化能力減弱。茭草在 45 d 和 60 d 凈化能力遜于其他植物，之后凈化能力提高。75 d 試驗結束時，29 種植物凈化CODCr 的植物效應為 7.47%~18.62%，鳳眼蓮對 CODCr 的凈化具有顯著優勢(P<0.05)，凈化能力較好。
2.6 水生植物對SS 的去除效果
由29 種水生植物對SS 的去除效果(表6)可以看出，不同 HRT 時SS 的凈化效果具有顯著差異性(P<0.05)。蘆葦30 d 后凈化能力優于其他28 種植物，凈化速率較快。HRT 在15 d 和30 d 時德國鳶尾凈化能力較弱，HRT 在30 d 和45 d 時芡實凈化能力較弱，后期凈化能力增強。75 d 試驗結束時，29 種植物凈化SS 的植物效應為 8.90%~13.00%。蘆葦對SS 的凈化具有顯著優勢(P<0.05)，凈化能力較好。
2.7 水生植物生物量變化量與各污染物凈化率相關性分析
對四類水生植物生物量變化量與四類水生植物對5 種污染物的植物效應進行相關性分析(表7)，挺水植物生物量變化量與挺水植物對SS的植物效應呈極顯著正相關關系(P<0.01)，漂浮植物生物量變化量與漂浮植物對TN、CODCr 的植物效應呈顯著正相關關系(P<0.05)，結果表明，挺水植物對SS 的凈化能力，漂浮植物對TN、CODCr的凈化能力受生物量變化量的影響較大。
2.8 水生植物凈化能力聚類分析
篩選凈化能力強的水生植物品種，不僅要求其對污染物具有較高的植物效應，同時要求其凈化速率也要高。因此將水生植物的生物量變化量，水生植物對TN、NH3-N、TP、CODCr、SS 的植物效應，以及植物凈化效果達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB/T18918—2002)一級A 標準的時間作為篩選指標，得到29 種水生植物篩選指標的平均隸屬函數值(表8)，可比較出各植物間的凈化能力強弱。挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強，浮葉植物中睡蓮凈化能力較強，漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強，沉水植物中伊樂藻、苦草凈化能力較強。對水生植物凈化能力強弱采用組間連接方法進行系統聚類分析(圖2)，可將29 種水生植物分為三大類：高凈化能力植物為蘆葦、鳳眼蓮、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉;中等凈化能力植物為旱傘草、馬蹄蓮、大薸、睡蓮、槐葉萍、伊樂藻、滿江紅、水蔥、苦草、菖蒲、金魚藻、千屈菜、荷花、萍蓬草、梭魚草、茭草、狐尾藻、再力花、菹草、輪葉黑藻、德國鳶尾、芡實、黃菖蒲;低凈化能力植物為菱。
3 討論
本研究顯示挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強，浮葉植物中睡蓮凈化能力較強，漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強，沉水植物中伊樂藻、苦草凈化能力較強，這與前人對水生植物凈化能力的研究結果基本一致[13-20]。凈水機理主要包括植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化學作用[11]。水生植物對于凈水效果的提升除了植物本身對污染物的吸附作用，還可以通過根系的泌氧作用促進微生物的繁殖，從而強化水生植物系統對污水的凈化效果[21]。有研究證明鳳眼蓮、狐尾藻等水生植物對氮、磷的去除主要依靠植物吸附作用[22]。本研究試驗結束時，無植物對照組可以凈化大部分污染物成分，而各植物對污染物的去除率僅占 10%~20% 左右，說明微生物作用、物理化學作用是本試驗污水凈化的主要機理，這與楊曉波[23]的研究結果一致，其可能原因是污水較為渾濁，沉淀物質對污水中污染物濃度有一定影響。但是植物的種植可以有效提高污染物的去除率，這主要來自于植物本身吸收、吸附作用以及根際植物提高微生物活性的作用，其總體作用即為植物效應[21]。
本研究結果表明，挺水植物對SS 的凈化能力、漂浮植物對TN、CODCr 的凈化能力受生物量變化量的影響較大，挺水植物生物量變化量與挺水植物對 SS 的植物效應呈極顯著正相關關系(P<0.01)，漂浮植物生物量變化量與漂浮植物對TN、CODCr 的植物效應呈顯著正相關關系(P<0.05)。其原因可能是微生物作用、物理化學作用是本試驗污水凈化的主要機理，生物量的增加可以促進植物的吸附、吸收作用，同時生物量增加的過程中根系也在進一步生長，釋放充足的氧氣，為微生物提供了良好的活動場所，促進了微生物的作用。
鳳眼蓮對CODCr的去除效果具有一定優勢，適用于對有機物的去除。鳳眼蓮在試驗處理前期對TN、NH3-N、TP 凈化速率具有一定優勢，說明鳳眼蓮針對這些污染物的凈化在短期內具有明顯效果，但是在試驗后期對污染物凈化能力與其他植物無顯著差異，說明鳳眼蓮對低濃度生活污水的凈化能力無明顯優勢。蘆葦和香蒲在試驗后期對TP 凈化效果較好，說明蘆葦和香蒲對低濃度生活污水TP 的去除能力較強。試驗篩選出的5 種凈化效果較好的水生植物當中，鳳眼蓮屬于外來入侵物種，在工程應用中，需要采取一定控養措施[24-25]，防止其對原有生態系統造成危害。
4 結論
(1)鳳眼蓮對 TN、NH3-N、TP 的凈化在短期內具有明顯效果。蘆葦和香蒲在試驗后期對TP 凈化效果較好。
(2)挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強，浮葉植物中睡蓮凈化能力較強，漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強，沉水植物中伊樂藻、苦草凈化能力較強。（來源：中南林業科技大學環境科學與工程學院）
