1、园林植物根表铁膜形成对磷素的去除作用THE RESEARCH ON PHOSPHORUS REMOVAL EFFECT OF ROOT IRON PLAQUE WITH GARDEN PLANT学 生 姓 名 ：学 生 学 号 ： 专 业 名 称 ： 环境工程指 导 教 师 ：天津城建大学年 月 日 摘 要本文拟重点研究潜流式园林滤池植物根表铁膜对磷素的去除效果，通过单因素实验来探究亚铁量与铁膜量、初始磷浓度与铁膜量、根表铁膜量与根表吸附磷含量、亚铁量与根表吸附磷含量、亚铁量与磷素去除率两者相关关系，来掌握园林滤池中木本植物根表铁膜对磷污染物去除的贡献。以木本植物柳树为研究对象,围绕根表铁膜对
2、根表吸附磷素的作用机制展开研究。研究结果表明：（1）通过总结分析，由亚铁量与铁膜量的线性拟合分析得知，随亚铁浓度的增大，根表铁膜含量呈现先增加后降低的趋势。在亚铁浓度为 150160mg/L时，根表铁膜含量达到最大值 34.8g/kg。同时在亚铁浓度 130140mg/L时，上升的速度最快；在 10130mg/L上升速度比较缓慢。在亚铁浓度 170220mg/L时根表铁膜含量又呈现明显下降的趋势。（2）通过对磷浓度与铁膜量的进行相关分析得知：植物随磷素投加量不断增大，其形成的根表铁膜含量成逐渐下降的趋势。其相关性没有达到显著水平，但仍可分析出在初始投加亚铁浓度为 150mg/L时，根表铁膜形成
3、量明显高于其他亚铁浓度下。（3）通过探究铁膜量对其根表吸附磷的特征，我们可得知：其根表吸附磷含量随铁膜量增加成上升的趋势。其铁膜量与根表吸附磷量的相关系数依次为0.996、0.930、0.971、0.959、0.918，且均达到了极显著水平（p0.01） 。因此可知根表铁膜的形成有利于根表磷的吸附。（4）通过研究不同亚铁量与根表吸附磷含量的特征关系，我们得到除初始磷的投加量分别为 1mg/L外，均达到了显著水平（p 0.01). So clear root table iron film is conducive to the formation of the root table phosp
4、horus adsorption(4) By studying the different ferrous quantity relation with adsorption characteristics of phosphorus content in root table, we get the initial phosphorus removal of additive amount of 1 mg/L respectively, have reached the significant level (p 0.05). With the increase of the amount o
5、f ferrous, its root table adsorption of phosphorus content into a rising trend.(5) Through discussion on phosphorus removal effect of correlation between the amount of ferrous, when we get in addition to the initial phosphorus dosing amount for 1 mg/L, 12 mg/L, the rest have reached the significant
6、level (P 0.05). At the same time analysis of phosphorus removal amount showed a trend of rising with the increase of the concentration of ferrous.Key words: Garden filter; Wetland plant; The root table iron film; Phosphorus removal capacity目 录第一章 绪论 .11.1污水中磷素的净化机理 .11.2 潜流园林滤池中植物对磷素去除的作用 .21.3 植物根表
7、铁膜研究现状 .31.3.1 植物根表铁膜对磷素的去除作用 .31.3.2 植物根区理论 .41.4 植物根表铁膜的形成与影响 .51.4.1 根表铁膜的分布与形成 .51.4.2 根表铁膜形成的影响因素 .51.5 问题的提出与研究内容 .61.5.1 问题的提出 .61.5.2 研究内容 .61.6选题的目的及意义 .61.7研究技术路线 .7第二章 试验材料与方法 .92.1供试材料 .92.2 试验方法 .92.2.1 根表铁膜量的影响实验 .92.2.2根表铁膜量与磷吸附量间的关系的实验 .102.2.3潜流园林湿地除磷实验 .10第三章 潜流式园林滤池根表铁膜吸附磷的特征 .123
8、.1根表铁膜量影响实验 .123.1.1 不同 Fe()量与铁膜量的关系 .123.1.2 不同磷梯度与铁膜量的关系 .133.2根表铁膜量与磷吸附间的关系 .143.3 磷素的净化效果与影响 .163.3.1 TP的去除效果 .163.3.2 溶液中 Fe()浓度与铁膜磷含量间相关关系 .163.3.3溶液中 Fe()浓度与磷素去除量间相关关系 .183.4 本章小结 .19第四章 结论、建议与创新点 .214.1 结论 .214.2 建议 .214.3 创新点 .22致谢 .23参考文献 .24附录 .29第一章 绪论1第一章 绪论1.1 污水中磷素的净化机理磷在自然界中普遍存在，而且是组
9、成生物体的必不可少的元素，同时也是造成水体富营养化的关键元素之一。水体的富营养化是指含 N、P 等元素的污染物进入水体使得水体中藻类等疯狂的增长，使水体中的氧气大量减少，从而使水质质量显著下降。其中 P 素则是引起水体富营养化的重要元素，也是城市污染水体需要去除的主要物质，所以要改善并修复城市水体污染，必须首先从污水中去除磷素。目前，由于磷素的污染已经给我们周围环境造成了巨大的危害。磷是构成人工湿地中的重要营养成分之一，磷在人工湿地中的去除主要依靠基质的物理化学作用 1,2、植物的吸收作用 3和微生物的同化作用 4以及聚磷菌的过量吸磷作用 5。人工湿地污水处理系统本质上就是一个“基质-微生物-
10、植物”的复合生态系统，系统中的基质、微生物、植物都对污水中污染物的去除有着巨大的影响。（1）基质的作用基质又可以称为填料，构成了人工湿地的重要组成部分，一般由石块、砂砾、炉渣等组成，其在人工湿地系统中去除污水中的磷发挥了重要的作用。Reddy 的研究表明在人工湿地系统中由基质的吸附沉淀作用去除的磷素能达到87%左右 6，而基质的吸附沉淀作用一般会受到温度、溶解氧、pH 值、基质的理化性质以及磷的出水浓度等因素的影响 7,8。污水中的磷在人工湿地系统中是以配位体交换反应为作为最重要的反应，这种反应是通过磷元素置换铁铝水合氧化物表面的羟基或者水从而形成单原子螯合配体或双核配位体来实现的，而且这种吸
11、附具有专一性，所以又称为专性吸附，也可称之为化学吸附反应 9。富含 Fe3+、Al 3+、Ca 2+等阳性离子的基质对污水中磷的去除效果比一般基质强很多 10,11，这是由于污水中的可溶性磷酸盐容易与基质中的 Fe3+、Al 3+、Ca 2+等阳性离子通过配位体交换作用发生吸附和沉淀反应，从而生成难溶性磷酸盐，再通过过滤、截留等方式达到除磷的效果12,13。相关研究表明，人工湿地污水中磷的去除效果与基质的选择有着很大联系，所以建议选择含大量 Fe3+、Al 3+、Ca 2+等金属离子的基质。由基质的除磷机理可知磷素的去除主要是依靠基质中 Fe3+、Al 3+、Ca 2+等金属离子与污水中的可溶
12、性磷酸盐形成沉淀或络合物，再通过吸附、过滤截留等作用去除 14,15。第一章 绪论2（2）植物的作用湿地植物同样是人工湿地系统重要的组成部分，湿地植物构成了人工湿地中的生物因素，而且湿地植物构成了湿地生态系统中的主体。人工湿地植物为了能够使自身得到生长与繁殖，必须摄取必要的如氮、 1磷等元素，以便能保证自身的生长与繁殖。污水中的可溶性磷酸盐能而被植物根系直接吸收并同化为植物自身的有机成分 16,17。而聚磷酸盐和有机磷酸盐却难以被植物根系直接吸收利用。人工湿地植物还可以与其它的各种微生物形成各种小环境 18，如植物的 2根系与基质交错形成网络状的结构，为微生物附着生长提供较大且有利的表面积 1
13、9，形成了根际微生物群落，从而丰富了人工湿地系统的微生物多样性 20；植物通过光合作用可将产生的氧气输送至植物根表中，从而使得根区周围形成好氧、缺氧与厌氧的小环境，从而有利于聚磷菌的吸磷与释磷等过程的进行，从而达到去除磷素的目的。由此可知植物是人工湿地系统中必不可少的构成部分，所以湿地植物应尽量选择一些耐水湿、净化能力强、根系较为发达的植物 21,22。（3）微生物的作用人工湿地系统中还可以依靠微生物来进行对磷素的去除，其主要是通过微生物对磷素的吸收利用和大量积累来达到除磷的目的 23。如聚磷菌的好氧（或缺氧）过量吸磷和厌氧释磷特性 24,25。此外，人工湿地系统中还可能存在某些原生动物和后生
14、动物，也能够去除污水中的一些污染物。1.2 潜流园林滤池中植物对磷素去除的作用园林湿地植物是磷素去除机制中的重要组成部分。一方面，湿地植物根系错综复杂，在基质中深入生长形成网络结构，能吸附和降解氮磷等营养物质、直接吸收部分磷素，利用水中无机磷，来合成有利自身生长的DNA、RNA 等有机成分，然后将成熟的植物通过收割来达到去除磷素的目的；其次，园林湿地植物根部环境为微生物生存和降解营养物质提供了必要的场所和好氧-缺氧-厌氧的有利条件，从而通过微生物来达到对磷素的去除。微生物对污水中磷素的去除，主要是指对磷素的正常同化利用和聚磷菌对磷的大量积累。通过Kickuth R.对根区理论阐述的表明，潜流人
15、工湿地中的植物对氧气具有输送、释放和扩散的作用，潜流湿地植物将空气中的氧气输送至根部，再通过植物根部的扩散作用，从而在植物根表周围环境中会依次形成好氧区、兼氧区和厌氧区，这样有利于硝化细菌硝化、反硝化细菌反硝化反应的进行，从而达到对氮素的去除，同时也有利于微生物对磷素的大量积累，达到除磷等污染物的效果。有研究发现，潜流湿地植物的存在明显有助于系统中硝化细菌的硝化作用的发生，有植物系统的人工湿地对总氮(TN)的去除率明显高于无植物系统 第一章 绪论326。张甲耀等人对潜流型人工湿地中不同种类的植物的去氮效果进行了对比 26，发现潜流型人工湿地污水处理系统中不同植物对总氮(TN)的去除率分别为：芦
16、苇系统49.34%，菱白系统45.49%、无植物系统38.69%，这说明不同种类的植物具有不同的除氮效果。另外，研究发现多数植物具有固定污染物的作用，能够及时防止污染源进一步扩散；由于植物根系巨大的网状结构，提高了基质的疏散度，从而保证和增强了基质的水力传输能力 27。湿地植物构成了人工湿地系统中必不可缺的组成部分, 它不仅能直接吸收同化利用污水中的 N、P 等营养物质, 同时还能将氧气输送到根际, 满足根区微生物对氧气的需要, 同时也能保证和增强人工湿地系统的水力输送能力。关于湿地植物在人工湿地系统中对脱氮除磷的作用, 研究者们的报道很不统一 28。尹炜 29等研究认为, 湿地植物芦苇对 T
17、N 的利用量占湿地年 TN 去除量的 8%，而对 TP 利用量占湿地年 TP 去除量的 10%。通过分析大量资料得到可能造成以上研究结果的差异的主要原因是研究条件的不同,即污水条件、进出水负荷、湿地中基质种类与特性、温度、植物种类及其生长特性等都对植物的氮、磷吸收有着重要的影响. 钟顺清 30等（2009）研究认为湿地水生植物通过其根部泌氧作用使渍水土壤中 Fe2+、Mn 2+等低价元素在植物根表及根际体外被氧化形成铁锰氧化物胶膜，通过此过程形成的铁膜对磷有很大的吸附能力；Weiss 31等发现水生植物根表沉积物中具有较多的无定型氧化铁及 Fe3+；Joseph 32等通过研究表明由于根系大量
18、分泌氧气导致根际环境中的 Fe2+被氧化进而固定转化为 Fe-P，同时还可以将部分 Al-P 转化为 Fe-P，但是在非根际厌氧或缺氧的条件下或硫酸盐较多的情况下 Fe3+会被还原，从而使部分 Fe-P 释放而转化为 Al-P 或 Ex-P。通过上述这些研究表明湿地水生植物根系泌氧能力对于潜流人工湿地磷素迁移具有重要作用。1.3 植物根表铁膜研究现状1.3.1 植物根表铁膜对磷素的去除作用多年研究发现，大多数湿地水生植物在根系表面会形成铁锰氧化物胶膜，而铁锰氧化物胶膜的形成是由于为了长期适应周围缺氧环境,在长期的进化过程中形成了较为发达的通气组织,能够将大气中或通过光合作用产生的氧气输送到根际,从而在根际区域形成微氧环境。同时,由于根系铁氧化细菌以及根系分泌的氧化物、氧化酶的存在等促使根际土壤溶液中的 Fe2+被氧化成 Fe3+,而在湿地水生植物根表形成铁锰氧化物胶膜。而形成的铁氧化胶膜会促进植物对营养元素P 的吸附和利用 ,同时也有效地减少高浓度亚铁等有毒离子对植物根系的毒害,从而更加有利于植物适应淹水环境。湿地植物根表形成的铁锰氧化物胶膜能够阻止植物对金属元素的吸收，同时也可充当植物根际表面的暂时的养分储存地，在植物需要营养物质时铁氧化胶膜中的养分就可以被同化并被植物吸收利用 33。
