图1 水生植物滤床工艺流程图 Fig. 1 Flow chart ofhydrophyte filter bed |
当前，淡水水体富营养化问题日趋严重，水华现象频繁发生，优势蓝藻释放的微囊藻**(microcystin,MC)尤其影响着居民的饮水**。MC具有明显的肝毒性，被发现是*强的大田海绵酸型肿瘤促进剂[1-2]。对于淡水富营养化、藻**污染的控制以及饮用水水源水中藻**的有效去除，是当前迫切需要重视的焦点问题。各种藻**处理方法对藻**去除效果报道不一，而且往往受副产物、实际操作性、经济可行性等因素制约，对于藻**去除仍没有一致公认的切实可行的方法。研究经济、实用、高效的藻**去除方法，对于改善我国富营养化水体水质及居民健康防护有着重要意义。
人工湿地作为一种生态处理系统，已有近半个世纪的发展历史。近年来，其应用范围被扩展到处理富营养化淡水水体领域[3]。有研究[4]利用两套上行流-下行流人工湿地对MC质量浓度为0.117μg/L原水进行处理，去除率分别为68.5%和34.6%，并认为**的降解作用可能是藻**去除的主要机制。本研究采用的水生植物滤床(hydrophytefilter bed，简称HFB)是一种新型的人工湿地系统，以水生植物为核心，水生动物及微生物共生，不填充任何介质，实现物理过滤和生物处理相结合，具有工艺简单、运行管理方便、水力负荷大、投资低、生态环境效益及经济收益显著等特点[5]。
图2 植物栽培水路单元示意图 Fig. 2 Schematicdiagram of unit channel for plantation |
作者对HFB去除氮、磷营养元素已进行了比较深入的研究[6-7]。本文以中试规模的HFB为依托，考察其对微囊藻**的去除特性，并研究了植物组合方式、水力负荷等对藻**去除效果的影响。
1 材料与方法
1.1 试验设施
试验设施建于太湖西岸湖滨，总占地1900m2，植物种植面积1420m2。水生植物滤床用砖石混凝土建造，内部不填充基质。首端为进水配水渠，末端为出水集水渠，中部是植物栽培区，如图1所示。
栽培区采用三级串联的形式，级间池底标高顺水流方向逐级降低15cm；每级又分隔成21条栽培水路，水路是水生植物滤床的基本单元，为矩形浅池，长、宽、深分别为15 m、1.5m和0.3m，如图2所示。水深通过活动堰板调节。河水经泵提升至配水渠，再经过PVC管以重力流方式进入各条水路，出水汇集至出水渠后返回河流。试验采用连续进水方式，有效水深为10 cm。
1.2 试验水源
试验原水取自太湖流域宜溧河水系的陈东港，该段紧临陈东港入湖口，夏秋季节蓝藻频发。
1.3 试验植物及种植方法
不同单元的第Ⅰ级分别种植空心菜(Ipomoea aquatica)、睡莲(Nymphaeatetragona)和茭白(Zizanialatifolia)；第Ⅱ、Ⅲ级均种植空心菜，形成前后不同植物组合方式的三套HFB系统：即全程种空心菜（简称K-HFB系统）、“睡莲—空心菜”组合（简称S-HFB系统）、“茭白—空心菜”组合（简称J-HFB系统）。同时设置空白对照组（C组），即种植槽中不种植任何植物。本文试验内容在7—10月份开展，其间水温为23℃~32℃。
1.4 检测项目及方法
1.4.1 微囊藻**检测方法
采用高效液相色谱(HPLC)法:
1)水样预处理。胞内胞外总藻**TMC(TMC-RR，TMC-LR)检测水样：取500mL水样按5%的体积比加入冰醋酸，混匀过夜，用whatmanGF/C玻璃纤维膜过滤，滤液备用。胞外藻**EMC(EMC-RR，EMC-LR)检测水样:取1L水样直接用whatmanGF/C玻璃纤维膜过滤，滤液备用。胞内藻**IMC(EMC-RR，EMC-LR)＝TMC－EMC。
2)水样中MC的富集纯化。向预处理过的SupelcoC18固相萃取(SPE)柱中通入预处理后的水样，过柱流量不超过5mL·min-1；然后依次用40mL去离子水、20mL10%甲醇、20mL20%甲醇淋洗吸附了MC的SPE柱，以尽量除去MC之外的杂质。C18SPE柱预处理采用5mL甲醇清洗2次后用20mL去离子水清洗2次。
3)MC的洗脱与定容。用5mL含0.1%三氟乙酸(TFA)的甲醇分3次洗脱SPE柱，将MC洗脱溶出于5mL带刻度的锥底管中；将锥底管置于45℃的水浴锅中，吹入净化的空气(经2层0.22μm滤膜过滤)，直至蒸发至约0.2mL，用含0.1%TFA的甲醇定容至0.4mL；将定容后的样品用0.45μm滤膜过滤，滤液装入样品瓶中，-20℃保存待测。
4)HPLC检测。采用Agilent1100高效液相色谱仪。色谱柱：ZORBAXSB-C18柱(Agilent,5μm，4.6mm×150mm)。流动相：甲醇及0.05%TFA水溶液进行梯度洗脱，流量为1mL·min-1，波长为238nm，加样量为20μL，柱温40℃。标样为MC-RR，MC-LR(日本和光纯药工业株式会社)，分子量分别为1038.21，995.17。
所用药剂除甲醇为色谱纯以外，其余均为分析纯。
1.4.2 其他项目的检测方法
常规水质指标的检测方法见表1。
表1 常规水质指标检测方法 Table 1 Determiningmethods for ordinary water quality index 分析项目 | 测定方法 | 高锰酸盐指数(CODMn) | 酸性高锰酸钾滴定法 | 总氮(TN) | 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 | 总磷(TP) | 钼酸铵分光光度法 | 叶绿素-a(Chl-a) | 丙酮双色分光光度法 |
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2 结果与分析
2004年7—10月期间，进水水样中藻**主要类型为MC-RR和MC-LR，存在形态表现为胞内藻**（IMC）多于胞外藻**（EMC）。不同取样时间进水中总MC-RR、总MC-LR的质量浓度情况见图3。其质量浓度以7月底水华大暴发时*高，胞内胞外总藻**达9.7864 µg·L-1，近10倍卫生限值质量浓度。本文下文主要以MC-RR、MC-LR两种不同类型藻**之和MCs（MCs＝MC-RR＋MC-LR）作为藻**去除效果评价指标。
图3 不同采样时间进水中总藻**质量浓度 Fig. 3 Totalmicrocystin concentration of raw water in differentsampling days |
2.1 K-HFB系统对MCs的去除效果
在水力负荷2.5m3·m-2·d-1条件下，K-HFB系统对微囊藻**（MCs）去除结果如图4所示。
图4 空心菜植物滤床对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%之间，平均去除率为59.4%，不同时间组间有显著性差异（方差分析，p<0.05），8月上旬去除率*高，平均达72.5%；EMCs（EMCs＝EMC-RR＋EMC-LR）平均去除率为50.0%，9月*高，达61.8%，组间差异有显著性（方差分析，p<0.05）；IMCs（IMCs＝IMC-RR＋IMC-LR）平均去除率为63.9%，组间差异无显著性。IMC去除率显著高于EMC（t检验，p<0.05）。
图6 不同植物组合滤床EMCs去除率比较 Fig. 6 Comparison ofremoval rates for EMCs by HFB systems withdifferent plants arrangement |
空白对照组的藻**去除效果如表2所示。出水中藻**质量浓度大多数情况下显著高于进水，出现负去除现象。尤其胞内藻**出水质量浓度增长较多，出现了几倍甚至几十倍的增长，分析其主要原因为：含有蓝藻的原水进入空白种植槽后，由于不存在其他植物与其竞争，使其可充分利用富营养化水体中的氮、磷营养源以及光源，进行光合作用，恶性繁殖，导致槽内的藻细胞数显著增加，从而使得出水中胞内藻**异常增加。
表2 空白组对藻**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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空白对照组对胞外藻**虽有一定去除效果，但去除率仍显著低于有植物的试验组（t检验，p<0.05）。与不种植物的空白组比较，HFB系统对于MC有显著的去除作用，进一步充分说明HFB系统中植物的存在对于MC的去除至关重要。分析其对于胞内胞外藻**的处理作用可能的因素有：水生植物致密的根系滤网的物理截留，根系表面生物膜吸附固定，以及根系间隙的活性生物絮体的生物絮凝、沉淀作用[8]；同时植物根系为微生物提供了有利的生存条件、富集载体，以利于微生物对胞外藻**进行高效降解[9]；植物根系上附着生长与水中浮游生长的原生动物、后生动物对藻类的捕食作用[10]，从而降低胞内藻**质量浓度。
2.2 不同植物组合方式HFB系统MCs处理效果
在相同水力负荷2.5m3·m-2·d-1条件下，对不同植物组合滤床湿地系统进出水的TMCs、EMCs进行采集测定，对其处理藻**效果进行比较。结果如图5所示。
三种植物组合的水生生物滤床对于TMCs的去除，总体上无显著性差异(方差分析，p>0.05)。K-HFB、J-HFB、S-HFB系统对于胞内胞外藻**TMCs的平均去除率分别为：61.7%、60.2%、56.1%。
图5 不同植物组合滤床TMCs去除率比较 Fig. 5 Comparison ofremoval rates for TMCs by HFB systems withdifferent plants arrangement |
胞外藻**（EMCs）去除效果比较见图6。K-HFB、J-HFB、S-HFB系统对胞外藻**总和(EMCs)的平均去除率分别为：57.3%、46.0%、46.8%。以时间、MC类型作为区组因素，进行方差分析发现，植物组合因素有显著性意义，K-HFB系统对EMCs的去除率显著高于其余两系统（方差分析，p<0.05）。
不同植物组合的HFB系统，K-HFB系统对胞外藻**去除效果优于J-HFB和S-HFB系统，但总藻**去除效果三者无显著性差异。表明空心菜是一种效果很好的应用于HFB处理系统的水生植物，另外在兼顾食用价值、观赏价值及生物多样性的情况下，可在流程上将一些其他水生植物套种在空心菜前，还可以避免原水中一些重金属在蔬菜中可能的蓄积[11]。
2.3 水力负荷对藻**去除效果的影响
水力条件（水力负荷）影响试验在5个单元种植槽中进行，均种植空心菜(Ipomoeaaquatica)，试验期间，每个单元槽的植物初始种植量、生长状况相似，试验平行进行，以便排除进水水质、温度、植物生长阶段以及运行时间等因素的干扰。通过改变进水流量得到不同水力负荷，5个试验单元的水力负荷分别调节为1.0、3.0、4.0、5.0、6.0m3·m-2·d-1。对进水及每个试验单元Ⅰ级出水的TMC进行检测，计算去除率，结果见图7（下页）。
图7 水力负荷对TMC去除效果的影响 Fig. 7 Effect ofhydraulic loading rate on TMC removal efficiency |
不同水力负荷对MC-RR、MC-LR去除率的影响规律有一定差异。水力负荷较小时，MC-RR的去除率较高，而水力负荷在中等负荷时，MC-LR的去除率较高。对于MCs而言，在1.0~6.0m3·m-2·d-1水力负荷条件下，HFB去除MCs的效果无明显差异，数值上表现为3.0~5.0m3·m-2·d-1时去除率较高。总体上看，在试验范围内，水力负荷对藻**去除效果的影响较小。这也从另一个角度说明，HFB系统去除藻**的机制存在多样性，除了随藻细胞被机械过滤截留[8]而去除一部分胞内藻**以外，微生物降解[9]、光降解[12]、底泥吸附[13]等都是藻**去除的可能途径。关于HFB系统内部去除藻**的机理值得深入研究。
2.4 MC与其他富营养化指标处理效果之间关系
2.4.1 MC去除与Chl-a去除的关系
三种不同植物组合的HFB系统，Chl-a平均去除率为67.1%，其中K-HFB系统*高去除率达84.1%，优于J-HFB和S-HFB系统。与同批TMCs去除情况相比，结果较为一致，即K-HFB系统优于其他两组。将Chl-a及TMCs的去除率作为两变量进行线性相关分析，结果显示两者线性正相关（r=0.7105，p＜0.05）。
2.4.2 MC去除与有机物和氮、磷去除的关系
各系统同批次水样的CODMn、TN、TP去除率与藻**去除率之间关系见图8。相关分析结果显示：CODMn去除率与TMCs去除率成直线正相关性（r＝0.6228，p＜0.01)；TP去除率与TMCs去除率成直线正相关性（r = 0.7739，p＜0.001）。但TN去除率与TMCs去除率无明显的线性关系。
3 结论
图8 TMCs去除与CODMn、TN、TP去除关系 Fig. 8 Correlationsbetween TMCs removal efficiency and CODMn,TN, TP removal efficiency |
（1）应用水生植物滤床（HFB）进行富营养化水体中微囊藻**的处理在技术上是可行的，总藻**去除率在36.5%~75.8%之间，平均去除率为59.4%；胞外藻**平均去除率为50.0%；胞内藻**平均去除率为63.9%。
（2）不同植物组合的HFB系统对总藻**的去除效果无显著差异。因此兼顾食用价值、观赏价值及生物多样性等因素，可进行一些水生植物的搭配种植。
（3）水力负荷在 1.0~6.0 m3·m-2·d-1的范围内，HFB系统去除总藻**效果无显著差异，表明除过滤截留作用外，HFB系统内还存在其他去除藻**的机制。
（4）HFB系统对水体中总藻**的去除与富营养化指标（叶绿素-a、CODMn、TP）的处理效果呈直线正相关性。藻**可作为辅助指标从健康效应角度来反映富营养化水体水质改善情况。
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