利用草坪植物修复富营养化水重金属的方法.pdf

本发明公开了一种利用草坪植物修复富营养化水重金属的方法，它是在塑料网上以20-40g/平方米播种黑麦草或高羊茅，浇灌自来水使种子萌发；待种子萌发后将自来水更换为100％富营养化水或用自来水稀释到原浓度50％-75％的富营养化水，早晚各一次来补充由蒸发而散失的水分，控制室内温度在16.8℃-26.5℃，湿度42.5％-68.7％，每周更换一次富营养化水；从播种到实验结束，共培养45-60d，然后测定重金属含量变化。结果表明：采用富营养化水浇灌的草坪植物其对富营养化水中的Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni重金属有较强的富集作用。为富营养化水的治理及合理利用，提供了一种简洁、环保的好方法。

1、  一种利用草坪植物修复富营养化水重金属的方法，其特征在于，采用经自来水稀释到原浓度50％-75％的富营养化水作为草坪植物修复基质。

2、  如权利要求1所述的利用草坪植物修复富营养化水重金属的方法，其按如下的步骤进行：
(1)在塑料网上以20-40g/平方米播种黑麦草或高羊茅，浇灌自来水使种子萌发；
(2)种子萌发后将自来水更换为，用自来水稀释后的富营养化水；
(3)早晚各一次来补充由蒸发而散失的水分，每周更换一次富营养化水；
(4)温度控制在16.8℃-26.5℃，湿度42.5％-68.7％；
(5)光照为自然光，每天光照的时间为7-8h；
(6)从播种到实验结束，共培养45-60d，然后测定重金属含量变化，即可实现草坪植物修复富营养化水重金属的效果。

3、  如权利要求1所述的方法，其中的富营养化水水域TN为2.3-13.1mg/L；TP为0.5-0.9mg/L；pH值为7.98-8.99。

4、  如权利要求1所述的方法，其富营养化水中的重金属为：Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、N。

利用草坪植物修复富营养化水重金属的方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及城市富营养化水的治理方法。更具体的说是一种利用草坪植物修复富营养化水重金属的方法。
背景技术
社会经济的迅猛发展和人口的剧增，大量未经处理的工业废水和生活污水肆意排入江河湖泊，加速了水体富营养化的进程。水体富营养化问题若不尽快控制与治理，将危及人们的身体健康，阻滞国民经济的发展，甚至威胁人类生存。水富营养化后水体混浊，外观呈现各种颜色，影响水体景观，由于藻类和其它生物产生的土腥素及硫醇、叫噪、胺类等物质，使得水体散发土腥味、霉腐味和鱼腥味。由于藻类大量死亡，耗氧微生物分解藻类消耗大量的氧气，使水体的溶解氧下降，同时导致水生生物大量死亡。某些藻类还能分泌、释放有毒性的物质，这些物质进入水体后若被牲畜或者人饮入会引起消化道炎症，有害人畜的健康。
处于富营养化状态的湖泊，在其水体下层，由于富营养化导致的透明度降低和密集生长的水藻层使阳光很难透入，而且光线在穿射过程中也会被藻类部分吸收，深层水体的光合作用减弱，使得溶解氧来源减少。大量藻类生长在湖水中，死亡后的藻类及微生物不断沉积于湖底，其腐烂分解过程也会消耗深层水体中的溶解氧，甚至耗尽溶解氧使水体处于厌氧状态，促发和加速底泥中营养物的释放，形成了富营养化体的恶性循环。
在正常的情况下，水体中的各种生物处于相对平衡状态，当水体进入富营养化状态后，某些种类生物明显减少，而另一些生物则显著增加，这种生物种类的演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，从而破坏了湖泊的生态平衡。处于富营养化污染的水体作为供水水源时，会给净水厂的正常运行带来一系列问题，如增加水处理费用，降低处理效果和产水率等。另外，遭受富营养化污染的水体在给水处理过程中会增加相当的技术难度，同时，富营养化的水体会由于藻类释放的毒素和溶解氧稀缺减少鱼类种类和数量，并直接影响鱼类质量，从而导致经济效益大大降低。
高等水生植物能大量吸收水体中的氮、磷，并能富集水体中的有害物质，故其能有效的净化富营养化水，而被国内外学者广泛研究。但其打捞问题一直是环保工作的一大难题，因而不适合大面积应用。在富营养化水域表面以浮床技术种植适宜的陆生植物，在收获产品、美化水域景观的同时，通过其吸收利用和吸附作用，富集去除水体中过多的氮、磷元素，已达到变害为宝、化害为利、净化水质且使水体产生良性循环的目的。但是，利用草坪植物修复富营养化水的研究和应用还比较有限，柯鹤新和郭建军(2001)利用陆生植物黑麦草等用浮床培养的技术对污水进行处理，收到了较好的修复效果，田文辉和刘淑媛(1999)等进行的人工基质无土栽培经济植物净化富营养化水试验，结果显示，多花黑麦草、水蕹菜对氮的去除率达到80％以上，对磷的去除率可达约90％。戴全裕(1998)利用多花黑麦草净化污水中的COD含量，发现净化效果较好。邹志鹏(2002)在鱼草共生的生态系统的研究中发现，浮植的黑麦草系统可以有效的降低水中的氮和磷的含量，同时，植株可以作为鱼类的饲料。可见利用草坪植物净化富营养化水既改善了富营养化水水质获得环境效益，又有利于植物的生长从而得到了经济效益。
由此可以看出，利用草坪植物对富营养化水进行修复是可行的，特别是对富营养化水中氮和磷元素的去除效果较好，但由于方法上的原因，利用草坪植物对富营养化水中重金属元素的技术尚无文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用草坪植物修复富营养化水重金属的方法。主要利用草类植物修复富营养化水的技术，因其既解决了草皮所需水与营养的来源问题，又使景观效果与治理修复功能并重而成为重要的水生态修复技术。所以本发明通过以不同水域不同浓度的富营养化水为培养基质种植草坪植物，旨在探究草坪植物对富营养化水中重金属离子的去除能力，最终达到资源节约和保护环境的目的。为实现上述目标，本发明提供了如下的技术方案：
利用草坪植物修复富营养化水重金属的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
(1)在塑料网上以20-40g/平方米播种黑麦草或高羊茅，浇灌自来水使种子萌发；
(2)种子萌发后将自来水更换为，用自来水稀释后的富营养化水；
(3)早晚各一次来补充由蒸发而散失的水分，每周更换一次富营养化水；
(4)温度控制在16.8℃-26.5℃，湿度42.5％-68.7％；
(5)光照为自然光，每天光照的时间为7-8h；
(6)从播种到实验结束，共培养45-60d，然后测定重金属含量变化，即可实现草坪植物修复富营养化水重金属的效果。
草坪植物修复富营养化水重金属的效果。
本发明所述的富营养化水TN为2.3-13.1mg/L；TP为0.5-0.9mg/L；pH值为7.98-8.99。其富营养化水中的重金属为：Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、N。
本发明所述的富营养富营养化水为：外环线沿线水域、姚村周边水域、卫津河河水、师大主校区生活污水。其中外环沿线水域和卫津河水是市区景观河道的两处代表水域；姚村周边水域紧邻化工厂，附近有工业废水排出；师大主校区生活污水受生活垃圾污染严重。其TN为：9.7mg/L-13.1mg/L；TP为：0.6mg/L-0.9mg/L；pH值为：8.12-8.99。
本发明的实验结果表明：通过种植草坪植物黑麦草，卫津河和外环两处富营养化水中的重金属含量有了明显下降。在100％浓度处理条件下，种植过黑麦草的外环水域比种植前水中的Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属含量分别减少了22.9％、26.8％、52.7％、27.1％、39.9％、39.5％；种植过黑麦草的卫津河水域比种植前水中的Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属含量分别减少了31.9％、24.8％、36.0％、35.4％、39.2％、39.7％。
本发明公开的利用草坪植物修复富营养化水重金属的方法与现有技术相比，所具有的积极效果在于：
(1)本发明采用经过100％浓度或稀释的富营养水直接利用，省去了污水处理厂的再处理，从而使再生水灌溉草坪的成本大幅度下降，为富营养水的再生利用提供了可靠的方法。
(2)本发明探讨草坪植物对重金属元素的富集作用，及草坪植物应用于富营养化水的相关修复机理。旨在探究草坪植物及对重金属离子的去除能力，以此来综合分析草坪植物对富营养化水的修复作用。
(3)本发明考察了利用草坪植物修复不同浓度，不同水域的富营养化水重金属的可行性，试验结果表明：通过种植草坪植物黑麦草，富营养化水中Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni的重金属含量有了明显下降。为富营养化水的进一步治理，合理使用，提供了一种简洁、环保的可行性的好方法。最终达到资源节约和保护环境的目的。
具体实施方式
为了简单和清楚的目的，下文恰当的省略了公知技术的描述，以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。以下结合实例对本发明做进一步的说明。
实施例1
(1)在塑料网上以20g/平方米播种草坪植物，浇灌自来水作为种子萌发的培养液；
(2)待种子萌发后将培养液更换为用自来水稀释到原浓度75％的富营养化水，然后在塑料网上面覆盖两层纱布，作为发芽床；
(3)草坪植物修复温度控制在26.5℃；
(4)从播种开始，共培养45d，测定富营养化水重金属的变化。其中的富营养化水TN为9.7mg/L；TP为0.9mg/L；pH值为8.99。其富营养化水中的重金属为：Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、N。然后测定重金属含量变化，具体见实施例3。
实施例2
(1)在塑料网上以40g/平方米播种草坪植物，浇灌自来水作为种子萌发的培养液；
(2)待种子萌发后将培养液更换为用自来水稀释到原浓度100％的富营养化水，然后在塑料网上面覆盖两层纱布，作为发芽床；
(3)草坪植物修复温度控制在25℃；
(4)从播种开始，共培养60d，测定富营养化水重金属的变化。其中的富营养化水TN为13.1mg/L；TP为0.5mg/L；pH值为7.98。其富营养化水中的重金属为：Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、N。具体见实施例3。
实施例3
(1)实验材料
本试验选用具有代表性的外环和卫津河水域作为研究对象，一方面考虑到这两处富营养化水都是天津市区的道路两旁的景观用水，其水质的的好坏及修复的效果直接关系到市容环境。将北方常见的两种草坪植物黑麦草、高羊茅采用水培的方法，模拟生物浮床的方式种植于富营养化水表面，全面研究草坪植物在该种方法下的生长状况及对富营养化水的修复作用。外环和卫津河两处富营养化水中各种重金属含量均较高，外环水域中Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属含量分别为对照的51.5倍、23.2倍、11.9倍、33.3倍、46.7倍、4.5倍；卫津河水域中的重金属含量虽然较外环水域中的重金属含量低，但仍分别为对照的3.9倍、18.9倍、10.9倍、29.6倍、13.5倍、2.0倍。
本实验选用我国北方常见的陆生草坪植物多年生黑麦草(Lolium perenne L.)和高羊茅(Festuca arundinacea L.)。富营养化水选用作为天津市区城市景观用水的卫津河河水和外环线沿线水域，两处水域TN分别为：9.7mg/L、2.3mg/L；TP分别为：0.6mg/L、0.5mg/L；pH值分别为：8.12、7.98；参照“国家地表水环境质量标准”(GB3838-2002)，本实验所用水均超出地表V类水标准，达到富营养化水平。培养方式为无土水培。
(2)实验方法
1)草坪植物的无土培养
将两处富营养化水分别用自来水稀释到原浓度的50％、75％，与未经稀释的富营养化水(100％)构成3个浓度梯度。以自来水(0％)为对照，每个处理设3次重复。在100ml的烧杯上面覆盖塑料网，用橡皮筋扎住，让网面向内凹陷，烧杯内分别加入适量的自来水作为草坪植物种子萌发的培养液，待种子萌发后再将培养液更换为经过稀释的不同浓度富营养化水，烧杯内液面与塑料网凹面接触，塑料网上面覆盖两层纱布，作为发芽床，让黑麦草、高羊茅种子在上面萌发。每杯播种150粒籽粒饱满的草坪植物种子(黑麦草约0.282g，高羊茅约0.376g)。烧杯内加入培养液后，在液面处用记号笔作记号，早晚各加一次培养液来补充由蒸发而散失的水分，每星期更换一次培养液。从播种到实验结束，共培养45d，然后测定各项指标，具体包括：四处富营养化水中TN、TP浓度的测定，重金属含量的测定，两种草坪植物地上及地下部分富集重金属含量的测定。
2)环境条件
植物在天津师范大学主校区生态学实验室内培养，放在靠实验室阳面的窗户前，光照为投射入室内的自然光，平均光量子密度约为600～800μmol·m^-2·s^-1，每天植物能接受到光照的时间为7-8h，经常调换各烧杯位置，使草坪植物光照均匀。室温平均温度为21.65℃，平均最高温度为26.5℃，最低温度为16.8℃。平均湿度为55.6％，平均最大湿度为68.7％，平均最小湿度42.5％。
3)指标测定
分别准确称取烘干后的草坪植物地上部分和地下部分各0.2g(干重)，剪碎后分别放入100ml烧杯中，加入20ml浓硝酸，盖上表面皿浸泡过夜，置电热板上微火加热，至颗粒溶化，再加入5～10ml浓硝酸，3～5ml高氯酸，摇匀，逐渐升温继续加热，此溶液颜色逐渐棕红，注意防止炭化，继续加入5～10ml浓硝酸，加热消解直至溶液变成透明无色。继续蒸发至溶液冒浓厚白烟，并出现粉红色或黄白色残渣为止。取下冷却，用去离子水转入25ml容量瓶中，并稀释至标线，分别用火焰原子吸收分光光度法测定重金属含量。
富营养化水中重金属含量的测定方法采用火焰原子吸收分光光度法(国家环保总局，2002；崔新玲，2007)，并参考国标(GB/T7475-1987)，测定时所用仪器为TAS-990AFG型原子吸收分光光度计。水样的消解：取待测水样90ml，放入200ml烧杯中，加入5ml硝酸，在电热板上加热消解，确保样品不沸腾，浓缩至10ml左右，加入5ml硝酸和2ml高氯酸，继续消解，待棕色烟雾消失，蒸至1ml左右。如果消解不完全，再加入5ml硝酸和2ml高氯酸，再蒸至1ml左右。取下冷却，加去离子水溶解残渣，并定容至25ml容量瓶中，待测。整个消化过程在通风厨内进行。
(3)结果与分析
1)草坪植物对富营养化水中重金属含量的影响
对富营养化水进行重金属背景分析得出，外环和卫津河两处富营养化水中各种重金属含量均较高，外环水域中Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属含量分别为对照的51.5倍、23.2倍、11.9倍、33.3倍、46.7倍、4.5倍；卫津河水域中的重金属含量虽然较外环水域中的重金属含量低，但仍分别为对照的3.9倍、18.9倍、10.9倍、29.6倍、13.5倍、2.0倍(表1)。根据中华人民共和国“国家地表水环境质量标准”(GB3838-2002)，外环富营养化水Pb、Cd、Cr、Ni含量均超过V类水质标准，Cu、Zn含量达II水质标准；卫津河富营养化水Cd、Cr含量均超过V类水质标准，Pb、Cu、Zn、Ni含量达I、II类水质标准。
通过模拟生物浮床，将草坪植物种植于卫津河、外环两处富营养化水中，对富营养化水中的各种重金属离子有明显的去除效果。从表1可以看出，通过种植草坪植物黑麦草，卫津河和外环两处富营养化水中的重金属含量有了明显下降。在100％浓度处理条件下，种植过黑麦草的外环水域比种植前水中的Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属含量分别减少了22.9％、26.8％、52.7％、27.1％、39.9％、39.5％；种植过黑麦草的卫津河水域比种植前水中的Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属含量分别减少了31.9％、24.8％、36.0％、35.4％、39.2％、39.7％。种植过黑麦草的各浓度外环水中，Zn含量水平较为一致，各处理之间差异不显著；外环和卫津河富营养化水当稀释为原浓度的50％、75％时，Cd含量无显著差异，而在种植黑麦草之前，差异显著。
表1 黑麦草对富营养化水中重金属含量的影响

从表2可以看出，高羊茅对富营养化水中重金属元素也有较强的富集作用。通过种植高羊茅，外环和卫津河水域中重金属含量明显比种植前。有所降低。以100％浓度处理为例：种植过高羊茅的外环水域比种植前水中的Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属含量分别减少了44.5％、40.3％、38.5％、42.8％、40.0％、37.6％；种植过高羊茅的卫津河水域比种植前水中的Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属含量分别减少了40.9％、43.8％、36.5％、37.6％、45.4％、32.8％。
表2 高羊茅对富营养化水中重金属含量的影响

2)草坪植物地上部分对重金属的富集作用
通过表3和表4可以看出，草坪植物黑麦草和高羊茅的地上部分对富营养化水中Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属都有明显的富集作用。无论是对外环水域还是对卫津河水域，高羊茅所吸附的重金属量，都比黑麦草多。两种植物都能富集较多的Zn元素，且都对Cd元素的富集量较小，这可能与富营养化水中Zn元素含量较高有关。两处富营养化水经过稀释为不同浓度后，并不影响黑麦草、高羊茅对重金属的富集功能，不同浓度之间重金属富集量的差异显著性，与原富营养化水中不同浓度处理下的重金属含量差异显著性较为一致。
表3 黑麦草植株中重金属含量

表4 高羊茅植株中重金属含量

3)草坪植物地下部分对重金属的富集作用
从表5和表6可以看出，用外环水和卫津河水培养的草坪植物黑麦草、高羊茅，其根部都对富营养化水用明显的富集作用。不同植物对不同重金属的富集效果存在差异，黑麦草根部对Zn、Cd、Cr、Ni四种重金属的富集效果要好于高羊茅；而高羊茅根部对Pb、Cu元素的富集效果要好于黑麦草。对比两种草坪植物叶片中对重金属的富集效果可知，黑麦草和高羊茅根部富集的重金属量明显高于地上部分对重金属的富集量。造成这种现象的原因可能是，草坪植物的地下部分对重金属离子有滞留作用，阻碍了重金属离子像地上部分运输，这也是植物用来抵御重金属胁迫的方法之一。
表5 黑麦草根部的重金属含量

表6 高羊茅根部的重金属含量

(4)结论
草坪植物的根部是富集重金属的主要部位，且在整个培养过程中植物根部始终浸泡在富营养化水中，因此根部受到的重金属毒害作用较强，而叶片则受重金属毒害较弱。这也可能是两处富营养化水对黑麦草、高羊茅叶片中叶绿素含量各项指标无显著影响的原因。有研究表明，随着重金属胁迫浓度增加，高羊茅根系和茎叶中重金属含量也增加，但未出现叶片失绿的情况，这与本研究结果一致。
在植物修复中，植物重金属积累能力是决定该植物修复能力的重要因素，植物可收获生物量的大小也对修复效果至关重要，生物量降低将导致植物富集的重金属含量减少。而实验所选用的黑麦草和高羊茅是两种常见的多年生冷季型草坪草，生物量较大，可以多次刈割，且观赏性强，同时，已有研究证实了黑麦草、高羊茅对重金属有较强的富集能力，可以作为修复土壤重金属污染的试材。
通过实验可以看出，外环和卫津河水域虽然富营养化程度不同，但两种草坪植物对其重金属的去除效果较为一致，其中，高羊茅对两处富营养化水中Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni六种重金属的去除率基本为40％左右。两种草坪植物对六种重金属的去除效果差别不大，均可用于富营养化水中重金属的修复。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。