一种蔬菜植物浮床净化城市河道水的方法与流程

本发明涉及生态净化领域，尤其涉及一种蔬菜植物浮床净化城市河道水的方法。

背景技术：

随着我国城市化和现代化进程的加快，城市河道承受的压力越来越大，部分城市出现了水循环障碍、水资源短缺、水安全威胁，水生态恶化等问题，极大地影响了城市水环境的可持续利用，严重地制约着经济社会的可持续发展。从环境的角度看，城市河道水污染的主要原因是由于水体中氮、磷等营养元素过度富集而导致的水生生态系统初级生产力增高的异常现象；但从资源的角度来看，水体富营养是一种不可多得的农业资源，我国湖泊众多，水体富营养化问题普遍而严重，也可以说水体富营养资源丰富。

植物浮床技术是利用高等水生植物或经改良的陆生植物，运用无土栽培技术，采用可漂浮材料为基质或载体，将植物种植在污水中，通过植物根系对污水中营养元素的吸收、对悬浮颗粒的吸附和微生物的分解等作用，降低污水中氮、磷等营养物质和有机污染物的含量，最终以植物采收的形式将污染物从水体移出，从而达到净化水体的效果，同时也可营造良好的水上景观、生态效果，并取得一定的经济效益。

然而目前的植物浮床在植物的选择上存在诸多问题，如植物全年栽种适应性差，植物与水体污染的匹配性差，并且监测结果也不准确，因此这一技术仍具有广阔的发展空间。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种蔬菜植物浮床净化城市河道水的方法，通过城市河道水质的全年监测选择设计所栽培的植物，对城市河道水进行净化，并且通过栽培过程中各项指标的监测调整植物的种类。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种蔬菜植物浮床净化城市河道水的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)进行城市河道水污染状况全年监测；

(2)根据步骤(1)中的监测结果进行静态试验，预选出优势蔬菜植物；

(3)构建蔬菜植物浮床，将蔬菜植物浮床置于城市河道水中，进行优势蔬菜植物的栽植和城市河道水的净化；

(4)对蔬菜植物浮床边缘水质和蔬菜植物浮床上游河道水质进行断面监测；

(5)根据步骤(4)中的监测结果、季节变化以及蔬菜的成熟度进行蔬菜植物的移除与再种植；

(6)对被移除蔬菜进行食品安全检测。

进一步地，所述步骤(1)中城市河道水污染状况全年监测指标包括水样中的tn、tp、cod、nh4⁺-n、do和ph。

进一步地，所述步骤(2)中预选的蔬菜植物具有以下特点：①预选的蔬菜植物自身硝酸盐、亚硝酸盐及重金属含量不得超出国家卫生指标；②预选的蔬菜植物可改善水样中的tn、tp、cod、nh4⁺-n、do和ph指标中的任意一种或几种；③预选的若干种蔬菜植物可适应不同的栽种季节，满足全年栽种不间断的需要。

进一步地，所述步骤(3)中蔬菜植物浮床的规格为：宽2-5米，长20-30米，由100cm*50cm*5cm的聚苯乙烯泡沫板组成，所述聚苯乙烯泡沫板通过木条连接而成；所述蔬菜植物浮床采用木条作框架，所述木条与所述蔬菜植物浮床通过交叉缠绕的铁丝固定。

进一步地，在每块聚苯乙烯泡沫板上打种植孔，种植孔径为2-4cm，种植孔间距为10-20cm。

进一步地，每块聚苯乙烯泡沫板上栽种优势蔬菜15-20株，用固定海绵把苗株固定于孔内。

进一步地，所述步骤(4)中水质监测点为水面10cm以下。

进一步地，所述步骤(5)中蔬菜植物种植之后根据蔬菜植物生长状况确定水质取样时间间隔，水质取样时间间隔设置为3-7天；取样后测定水样中的tn、tp、cod、nh4⁺-n、do和ph六项指标，并对植物地上部分和地下部分氮、磷、干重和鲜重指标进行检测；在蔬菜植物进入衰老期之前及时将蔬菜植物移除，并在移除后的空缺处栽植新的适应季节及水体污染情况的蔬菜植物。

进一步地，所述步骤(6)中对移除后的蔬菜进行食品安全检测，具体根据国家关于农产品安全质量无公害蔬菜安全要求和食品中污染物限量标准检测蔬菜自身重金属含量及有害物质含量，对合格的蔬菜进行保鲜包装，并进行销售或食用。

本发明的有益效果是：采用生物-生态修复法中的植物浮床技术对城市河道水进行净化，通过对水体的全年监测选择季节及净化指标的适应性植物进行浮床栽植，栽植过程中对各指标进行断面监测，以对后续植物的采收、更换品种提供指导。本发明方法监测结果准确，适应性强，应用灵活，不仅净化了城市河道水的污染物，而且对污水中的营养资源有效利用，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为静态试验中tn的变化情况；

图2为静态试验中nh4⁺-n的变化情况；

图3为静态试验中tp的变化情况；

图4为静态试验中cod的变化情况；

图5为静态试验中五种蔬菜植物对污水的净化能力示意图。

具体实施方式

为了更好的展现本发明的多功能性，结合实施例对本发明作进一步解释。

实施例：

一、城市河道水污染状况监测

对河道水的水质进行污染状况全年监测，设置两个水质监测断面，两个断面之间选取三个取样点进行水质检测。水样的采集选择在每个月的8号早上八点到十点，采集样品的容器为透明质玻璃瓶。样品取回后当天测定，当天未检测完的水体放入4℃冰箱冷藏，防止待测样品发生生理变化。样品的分析方法采用《水和废水分析方法》(第四版)，水样采集统一以河道水面下0.2-0.3米为标准。

待测样品检测指标分别为总氮(tn)、总磷(tp)、氨氮(nh4⁺-n)、化学需氧量(cod)、溶解氧(do)、ph。ph、do采用sx825型便携式ph、do测定仪进行现场测定：cod、nh4⁺-n采用连华科技生产的5b-3c(v8)快速测定仪；tn采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法进行测定；tp采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法进行测定。对监测结果进行分析，得出以下结论：

(1)秋冬季do值较高，夏季do值较低：其中，8月份温度达到峰值，水体层化作用明显，垂直交换受阻，因此do浓度达到最低值；秋冬季随着气温的不断下降，水体的层化作用被打破，do浓度逐渐升高，1月份达到最高。

(2)夏、冬季ph值较高：夏季持续高温天气使水体出现明显分层，表面水温逐渐增加，使一部分二氧化碳溢出水面，导致水中oh^-增多，进而ph值增大；随着季节变化，气候变冷，水温下降，ph又恢复正常，但由于ph值与温度呈负相关性，温度越低，ph值越高，在ph值又恢复正常的情况下，随着冬季温度的降低，ph值升高。

(3)全年nh4⁺-n变化幅度较大，忽高忽低：自然状态下nh4⁺-n浓度的降低主要与氨挥发、氨化、硝化反应有关，氨挥发由水中的ph值、nh4⁺-n浓度、温度、风速、太阳辐射、水生植物种类、状态和数量以及系统的ph值日变化等多种因素来综合决定；硝化反应受温度、ph、do浓度、碳氮比及微生物数量等影响；氨化作用将有机氮转化为无机氮，尤其是nh4⁺-n，有氧时利于氨化，而厌氧时氨化速度降低，故8月份do浓度低，氨化作用不明显。

(4)1、7、11月份，河道tn浓度较高，污染最为严重，3-5月份和8-10月份，tn浓度较低，基本趋于稳定：秋、冬季do浓度含量较高，反硝化作用不明显，硝态氮含量较高，因此河道tn浓度整体较高。7月份生活污水增加，导致tn浓度增加。8月份降水量增多，河道水被稀释，do浓度较低，反硝化作用明显，故其tn浓度低于7月份。

(5)tp浓度全年变化不稳定：夏季河道出现冷热分层，造成底层缺氧，在缺氧状态下，导致底泥中磷的释放，底泥磷的释放，必然导致水体整体磷浓度的增加；虽然表层水中的磷浓度由于夏季藻类生长吸收有所降低，再经过秋季水体对流沉积在河底，但经过春季水体对流，又将底泥释放的磷带到表层水体。所以，水体总磷年内变化主要受季节变化影响，温度较高时，促使水体中磷的转换，温度较低时转换速度减缓。

(6)cod浓度变化幅度较大，无明显规律：cod浓度主要受cod沉降作用影响，不同物理形态cod含量变化不同，并且cod与ss呈极显著正相关关系。

二、静态试验预选出优势蔬菜植物

植物是浮床技术中净化污水的重点，所以选择合适的植物对水体的净化效果存在显著差异。蔬菜植物品种选择应注重对所监测水质中各指标的净化效果，选用经济效益高，能适应高温和低温生长条件且自身硝酸盐、亚硝酸盐及重金属含量符合国家卫生指标的蔬菜植物。预选的试验蔬菜植物与城市河道水污染状况监测结果相对应，通过以上选择植物的要求，本发明综合各影响因素，挑选出以下几种试验陆生经济蔬菜植物：(1)紫背天葵(2)生菜(3)茼蒿(4)水芹(5)红甜菜。

具体的实验方法如下：

以劣v类水质城市河道水体为试验水体。试验在水箱中进行，水箱尺寸为：长×宽×高＝55cm×40cm×30cm，水箱中盛放试验河水，水深23cm，水样体积为50l。每个水箱水面上放置一块50cm×35cm，厚2cm的可降解聚苯乙烯泡沫板作为浮床。浮床上以5cm×10cm的间距开16个φ为3cm的定植孔，每个定植孔中定植1棵植物，并用固定海绵固定。栽培前用蒸馏水将植株根部的泥土洗净，减少对试验水体的影响。另外，设置对照组，对照组定植孔内不进行植物定植。试验周期为49天，试验中每隔7天取样一次，测定水样中的tn、nh4⁺-n、tp、cod、do和ph六项水质指标，水质指标测定参考《水和废水监测分析方法》，同时对植物的根长、株高、鲜重进行测定。试验期间水温18-25℃，平均水温21.5℃，水温适合植物生长。为防止试验水体因蒸发以及植物蒸腾作用而引起的损失，每天及时补给蒸馏水以保持水箱内水体体积恒定。所有水箱为不透明水箱，防止因光照导致藻类生长而影响试验结果。试验在室外进行，水箱上方搭建遮阳网，防止强光晒伤植物。

经过49天的污水培养，茼蒿鲜重增加最大，较初始值增加了3.64倍，其次是生菜和水芹。茼蒿株高变化最大，其次是生菜和紫背天葵。水芹根长增长率最大，较初始值增加了2.75倍，其次是生菜和茼蒿，较初始值增加了1.51和1.15倍。从五种植物鲜重、株高、根长的变化情况分析，茼蒿变化最快，其次是生菜和水芹，红甜菜和紫背天葵较慢。但从植物的生长态势来看，这五种植物在水中根系发达，尤其水芹最发达，均能适应污染水体，并保持旺盛生命力，具备净化污染水体的客观条件。

根据图1-5可知，五种植物对tn、nh4⁺-n、tp和cod的净化能力差异很大，依次排序为：生菜>水芹>红甜菜>茼蒿>紫背天葵。方差分析结果表明，生菜的净化能力与紫背天葵、茼蒿组差异显著(p<0.05)，与水芹、红甜菜组差异不显著(p>0.05)。水芹与生菜、红甜菜组差异不显著(p>0.05)，与茼蒿、紫背天葵组差异显著(p<0.05)。

三、构建优势蔬菜植物浮床

浮床整体宽2米，长25米，由100块规格为100cm*50cm*5cm的聚苯乙烯泡沫板组成；泡沫板通过木条连接而成，浮床采用木条作框架，在浮床上交叉缠绕铁丝进行固定；每块泡沫板上打孔，孔径为2cm，孔间距为15cm。

取生长良好、无病虫害的植株于实验室预培养7d，实验期间不施加任何肥料和农药，植株营养完全来源于实验水体。预培养后将种苗定植于泡沫浮床上，每板15-20株，用固定海绵把苗株固定于孔内，整板漂浮于水面上。

所选择的蔬菜植物根据水体各指标情况、栽种季节、具体栽种蔬菜的市场需求确定。

其中，茼蒿长势快，但不耐高温，不耐长日照，适于春秋季节短期种植；

水芹于短日照下利于根叶生长，于长日照下利于匍匐茎生长和开花结实，并且根系发达，tn净化效果佳，因此，适于春末夏初种植；

紫背天葵耐热性强，且tn、nh4⁺-n、cod净化效果较佳，适于夏季种植；

生菜生育期长，为90-100天，耐寒颇强，且综合净化效果最好，正适于秋冬季节；

红甜菜适应相强、耐寒耐热，且cod净化率较高，可用于夏冬季节的栽植。

四、监测与分析

取样时间根据植物生长状况确定，测定水样中的tn、nh4⁺-n、tp、cod、do和ph六项水质指标，同时，浮床种植过程中随机选取浮床上植物，对植物地上部分、地下部分氮、磷、鲜重和干重分别进行测定。试验结束时，分别选取浮床上植物，测定其地上部分、地下部分氮、磷、鲜重、干重，并且测定植物卫生品质指标、营养品质指标含量，检验是否达到食用标准。

每次取样在设定位置取水样进行水质分析，由于雨季的影响以及河道内连通的污水管道污水汇入，河道水质处于动态变化，因此，选择浮床边缘进行三点采样监测；三点均衡地分布在25m长的浮床边缘，水面以下10cm；所述三点水质受植物生长影响较大，而河道上游的水质可忽略浮床的影响。对比上述三点与河道上游的水质差异，分析蔬菜植物浮床对河道水质的改善效果；水样分析时，取上述三点的水样混合后分析，代表蔬菜植物浮床的水质，每个水样均重复测定三次。由此方法得到的监测结果准确可靠。

具体测试项目和方法如下：

(1)植物鲜重采用jj500型电子天平现场称量。干物质生物量测定时，先将鲜样称重后，放入烘箱，105℃杀青15分钟，75℃烘干至恒重。

(2)检测的水质指标包括tn、nh4⁺-n、tp、cod、do和ph六项水质指标。

(3)植物组织氮、磷含量的测定及植物卫生品质指标包括重金属、硝酸盐和亚硝酸盐。

(4)植物茎叶中的可溶性蛋白采用试剂盒考马斯亮蓝法测定，维生素c采用试剂盒紫外分光光度法测定。

(5)植物茎叶中的可溶性糖采用蒽酮法测定。

根据监测结果可适时调整蔬菜品种，以适应净化需求，或对已成熟的蔬菜进行及时采收。

五、蔬菜的移除与再种植

植物浮床净化污水的工作中，需要一年四季都在污染水体中种植植物，而当植物生长到衰老期之后，脱落的叶片落入水中，部分根系腐烂，会将吸收的氮、磷重新释放到水中，造成二次污染。因此，根据监测信息在植物进入衰老期之前将其从水中移除，收获植物，并种植新的适应季节及污染水体的植物。

六、对被移除蔬菜进行食品安全检测

植物采收后进行食品安全检测，保证重金属及有害物质含量不超过国家关于农产品安全质量无公害蔬菜安全要求(gb18406.1-2001)和食品中污染物限量标准(gb2762-2005)。

本发明采用生物-生态修复法中的植物浮床技术对城市河道水进行净化，与物理修复法和化学修复法相比，植物浮床不会产生二次污染物、成本低、效果好，在净化水体的同时可营造良好的水上景观、生态效果，不仅净化了城市河道水的污染物，而且对污水中的营养资源加以利用，并且种植出的蔬菜达到了无公害蔬菜的质量要求，取得一定的经济效益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。