全 文 ：第 7 卷 第 9 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 7，No ． 9
2 0 1 3 年 9 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Sep ． 2 0 1 3
青萍生长特征及其对受污染河水的
修复效果
鲁言言 黄 磊 刘 明 杜 刚 高 旭*
(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045)
摘 要 以浮萍优势品种青萍(Lemna minor)为研究对象，开展受污染河水修复。分析了青萍在不同营养盐浓度条件
下的生长特征，探讨了青萍对受污染河水的修复效果。在表面积为 0. 0095 m2 的限制空间条件下，青萍在 1、2 和 5 mg总氮
(TN) /L营养液中的生长特征都能较好地服从 Logistic生长模型，受制约的临界鲜重(FW)分别为 1. 20、1. 36 和 1. 36 g;青
萍对受污染河水中氮磷污染物具有较好的去除效果，氨氮(NH +4 -N)的平均去除率、平均去除量和平均去除速率分别为
56. 87%、1. 22 mg /d和 0. 0466 mg /(g FW·h)，正磷酸盐(PO3 －4 -P)的平均去除率、平均去除量和平均去除速率分别为
66. 95%、0. 25 mg /d和 0. 0088 mg /(g FW·h)。根据相关性分析，进水 NH +4 -N和 PO
3 －
4 -P浓度与其对应去除量之间极显著
相关;青萍 FW与 NH +4 -N去除速率之间显著负相关，但与 PO
3 －
4 -P去除速率之间不存在显著相关性;NH
+
4 -N 进水浓度与去
除速率相关性不显著，但 PO3 －4 -P进水浓度与去除速率显著正相关。
关键词 青萍 生长特征 受污染河水 修复效果
中图分类号 X522 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2013)09-3339-06
Growth characteristics and purification efficiencies
of Lemna minor to polluted river water
Lu Yanyan Huang Lei Liu Ming Du Gang Gao Xu
(Key Laboratory of Eco-Environment in Three Gorges Ｒeservoir Ｒegion，Ministry of Education，
Chongqing University，Chongqing 400045，China)
Abstract As an advantage variety of duckweed，Lemna minor was used to purify polluted river water．
Growth characteristics under different nutrient concentrations were analyzed，and the purification efficiencies to
polluted river water were investigated． Cultured with 1，2 and 5 mg /L total nitrogen (TN) concentrations，the
growth characteristics of L． minor could be well illustrated with the Logistic growth model，and the restricted
fresh weight (FW) of L． minor were 1. 20，1. 36 and 1. 36 g，respectively，when the growth space was limited
to 0. 0095 m2. L． minor had acceptable removal abilities to nitrogen and phosphorus pollutants． The average re-
moval rate，average removal quantity and average removal velocity to ammonium (NH +4 -N) were 56. 87%，1. 22
mg /d and 0. 0466 mg /(g FW·h)，respectively，and those were 66. 95%，0. 25 mg /d and 0. 0088 mg /(g FW
·h) to orthophosphate (PO3 －4 -P) ． According to the results of correlation analyses，extremely significant posi-
tive correlations between influent concentration and removal quantity to NH +4 -N and PO
3 －
4 -P were observed in
this study． The FW was significant negative correlated with removal velocity of NH +4 -N，but insignificant correla-
ted with the removal velocity of PO3 －4 -P． The relationship between influent concentration and removal velocity
was insignificant to NH +4 -N，which was significant positive to PO
3 －
4 -P．
Key words Lemna minor; growth characteristic; polluted river water; purification efficiency
基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAJ25B09)
收稿日期:2012 － 05 － 19; 修订日期:2012 － 06 － 15
作者简介:鲁言言(1989 ～ )，男，硕士研究生，主要从事废水处理理
论与技术研究工作。E-mail: luyanyan1120@ 163． com
* 通讯联系人，E-mail: gaoxu@ cqu． edu． cn
近年来，随着三峡库区的经济发展，多数库区支
流河水受到不同程度污染，威胁饮用和农业灌溉安
全，受污染河流的修复工作迫在眉睫。目前，受污染
河水的修复和治理是我国环境领域的研究重点，相
应的技术包括:生态浮床、人工曝气复氧、化学絮凝、
引水冲污和生物接触氧化等，然而这些方法存在能
耗大、治理周期长、见效慢、效果不佳等不足［1］。生
物-生态技术是指利用培育的植物或培养、接种的微
环 境 工 程 学 报 第 7 卷
生物的生命活动，对水体中的污染物进行转移、转化
和降解作用，从而使水体得到进化的技术。生物-生
态技术逐渐成为治理受污染河水的重要思路。
浮萍具有生长快速、环境适应能力强、氮磷吸收
速率快、易收获及易资源化等特征。浮萍最初被用
于回收畜牧污水的氮磷营养盐［2-4］，后来逐渐被用
于处理生活污水［5-7］、氧化塘或其他处理系统的出
水［8，9］、化粪池废水［10］、食品和肥料工业废水［11，12］
及含有重金属的工业废水［13，14］等。Bergmann 等［2］
用筛选出的优质品种 L． minor 8627 处理稀释 50%
的养猪废水，得到 TKN、NH +4 -N、TP 和 PO
3 －
4 -P 的去
除率分别为 83%、100%、49% 和 31%。Cheng
等［3，15］用筛选出的优质 L． minor 8627 处理人工模
拟养猪废水，氮磷去除速率分别为 2. 11 g /(m2·d)
和 0. 59 g /(m2·d)。Hammouda 等［16］用膨胀浮萍
(L． gibba)处理经河水稀释的生活污水，得到 TN和
TP 的最高去除率分别为 95. 8% 和 96. 2%。Ｒan
等［17］、Sutton等［18，19］也对 L． gibba 处理生活污水做
了相关研究，结果显示 L． gibba 对污染物具有良好
的净化效果。
本实验以库区次级支流鹿山河为修复对象，选
用该地区的优势品种青萍，考察青萍对鹿山河河水
中 NH +4 -N、NO
－
3 -N 和 PO
3 －
4 -P 的净化效果，以期为
青萍应用于库区受污染河水的修复提供理论依据和
技术储备。
1 材料与方法
1. 1 实验材料
实验青萍采集于重庆市万州区高峰镇鹿山河河
边。采集后先用清水清洗去掉杂质，然后筛选出单
种青萍，接着用 2%的次氯酸钠溶液清洗 5 次，去除
附着在青萍上的细菌、藻类和其他微生物［20］。
1. 2 实验用水及水质
1. 2. 1 实验营养液
经过预处理的青萍用改良 Hoagland 培养液［21］
进行放大培养;以 1 /10 改良 Hoagland 原液为基础，
参照鹿山河水质，按 NH +4 -N、NO
－
3 -N 和 PO
3 －
4 -P 比
例 3∶ 1∶ 1 配置实验营养液，设置 TN 浓度梯度为:1、
2 和 5 mg /L。
1. 2. 2 实验河水
实验用水直接取自鹿山河，对河水进行抽滤、灭
菌预处理并经冷却至室温后进行实验。河水中的
NH +4 -N浓度为 1. 23 ～ 3. 29 mg /L，均值为(2. 19 ±
0. 76) mg /L，超过《地表水环境质量标准》( GB
3838-2002)Ⅴ类水质标准要求;NO －3 -N 浓度为 0. 06
～ 0. 24 mg /L，均值为(0. 16 ± 0. 05) mg /L;PO3 －4 -P
浓度为 0. 07 ～ 0. 53 mg /L，均值为 (0. 38 ± 0. 19)
mg /L，超过《地表水环境质量标准》Ⅳ类水质标准
要求。
1. 3 实验方法
1. 3. 1 Logistic生长
Logistic模型是描述在有限空间下，生物量的增
长会受到其密度制约的经典种群生长模型［22］，模型
公式如下:
Nt =
Nmax
1 + ea－rt
(1)
式中:
Nt = t时刻种群的生物量(g);
Nmax =环境的最大生物承载量(g);
t =时间(d);
a =常数;
r =种群生物量的内禀增长速率(g /(g·d))。
1. 3. 2 营养盐对青萍生长的影响
实验用遮光处理过的 3 个 1 000 mL 烧杯作为
培养容器，每个烧杯表面积为 0. 0095 m2。在 3 个烧
杯中分别加入 1 000 mL含 TN浓度分别为 1、2 和 5
mg /L的 1 /10 改良 Hoagland 培养液并接种 0. 10 g
的青萍，然后置于光照培养箱中培养，培养条件为:
温度(23 ± 2)℃，光照强度(3 000 ± 300) lx，光照时
间 16 h。停留时间设定为 1 d，每天换水一次，共持
续 42 d，每 3 天称量一次鲜重，实验设置 2 个平行。
1. 3. 3 青萍对受污染河水的净化
选择遮光处理过的 1 000 mL 烧杯作为培养容
器，烧杯中加入 1 000 mL 预处理过的河水并接种
0. 50 g的青萍，然后置于光照培养箱中培养，培养条
件为:温度(23 ± 2)℃，光照强度(3 000 ± 300) lx，
光照时间 16 h。停留时间设定为 1 d，每天换水一
次，共持续 10 d，检测河水中 NH +4 -N、NO
－
3 -N 和
PO3 －4 -P的浓度及 FW变化，实验设置 2 个平行。
1. 4 测定方法
NH +4 -N测定采用纳氏试剂分光光度法;NO
－
3 -N
测定采用紫外分光光度法;PO3 －4 -P测定采用过硫酸
钾消解法和钼酸盐分光光度法［23］。FW 测定方法
如下:用滤水网 /斗将待测青萍从水中捞起，自由滤
水 5 min，然后将青萍平铺放置在垫有吸水纸的滤纸
上，吸水 5 min，立即用电子天平称重，精确到
0433
第 9 期 鲁言言等:青萍生长特征及其对受污染河水的修复效果
0. 01 g［24］。
1. 5 数据分析
实验数据通过 Origin 8. 0 整理作图，并由 PASW
Statistics 18. 0 进行数据分析。相关性检验采用
Pearson检验方法(水平包括 p ＜ 0. 05 和 p ＜ 0. 01)，
Pearson相关系数用于表征比较对象之间的相关关
系。对象之间的差异性分析采用单因素 ANOVA 分
析方法(水平 p ＜ 0. 05)。
2 结果与讨论
2. 1 青萍的 Logistic生长特征
青萍在 TN 浓度分别为 1、2 和 5 mg /L 的营养
液中生长特征如图 1 所示。
图 1 青萍在各营养盐浓度下的生长特征
Fig. 1 Growth characteristics of L． Minor under
different nutrient concentrations
经过 42 d的培养，在表面积为 0. 0095 m2 的限
制空间下，3 种培养液中青萍 FW 由 0. 10 g 分别增
长到最大值 14. 20 ± 0. 45、15. 08 ± 0. 24、16. 58 ±
1. 24 g，分别增长了 142、151 和 166 倍。在不同 TN
浓度培养液中，青萍的生长都能较好地服从 Logis-
tic 生长模型，其生长主要包括 2 个阶段，即对数生
长阶段和限制生长阶段。在本实验中，青萍生长
受制约的临界 FW 分别为 1. 20、1. 36 和 1. 36 g。
当 FW小于临界值时，青萍生长未受到密度(生长
空间)制约，处于对数生长阶段;当 FW 大于临界
值时，青萍生长受到密度(生长空间)制约，处于限
制生长阶段。
各浓度下青萍的 Logistic 生长回归方程及相关
参数见表 1。在营养盐浓度梯度为 1、2 和 5 mg TN /
L的培养条件下，Logistic 回归得到环境对青萍的最
大承载量分别为 14. 72、15. 84 和 17. 01 g，青萍的内
禀生长速率分别为 0. 15、0. 16 和 0. 16 g /( g·d)。
青萍在高浓度营养盐条件下，生长受制约的临界鲜
重、环境对青萍的最大承载量和最大相对生长速率
均略高于低浓度营养盐条件。但是根据差异性分
析，在各 TN 浓度条件下，青萍 Logistic 生长差异不
显著(p ＞ 0. 05)，表明营养盐浓度对 Logistic 生长过
程的影响不大。这主要是由于在营养盐充足时，营
养盐对青萍的生长速率未构成限制条件，青萍生长
主要受密度(生长空间)制约。种云霄等［25］研究
表 1 在不同营养浓度下的 Logistic回归方程结果及参数
Table 1 Ｒesults and parameters of Logistic regressing equations under different nutrient concentrations
TN浓度(mg /L) Logistic回归方程 r2 承载量(g) 制约界值(g) 最佳量(g) 最大相对生长速率(d －1)
1 y = 14. 72 /(1 + exp{3. 58 － 0. 15·x}) 0. 99 14. 72 1. 20 7. 36 0. 27
2 y = 15. 84 /(1 + exp{3. 65 － 0. 16·x}) 0. 99 15. 84 1. 36 7. 92 0. 29
5 y = 17. 01 /(1 + exp{3. 71 － 0. 16·x}) 0. 99 17. 01 1. 36 8. 50 0. 29
发现稀脉萍 ( L． aequinoctialis) 和紫萍 ( Spirodela
polyrrhiza)均具有 Logistic生长的特点，同时也发现，
营养盐浓度和氮源类型对 2 种浮萍生长的影响不
显著。
2. 2 青萍对 NH +4 -N的去除特征
青萍对 NH +4 -N的去除特征如图 2 所示。
鹿山河河水经过青萍处理后，NH +4 -N 浓度下降
至 0. 45 ～ 1. 70 mg /L，平均浓度下降至 0. 97 mg /L，
满足《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质标准要求。
青萍对 NH +4 -N 的去除率变化范围为 44. 56% ～
图 2 青萍对 NH +4 -N的去除特征
Fig. 2 NH +4 -N removal characteristics of L． minor
1433
环 境 工 程 学 报 第 7 卷
71. 16%，平均去除率为 56. 87%。实验期间，青萍
对 NH +4 -N的最大去除量为 1. 68 mg /d，最小去除量
为 0. 72 mg /d，平均去除量为 1. 22 mg /d。进水
NH +4 -N浓度与去除率之间无显著的相关性 ( p ＞
0. 05)，而进水 NH +4 -N浓度与去除量之间存在极显
著的正相关性( r = 0. 89，p ＜ 0. 01)。NH +4 -N 进水浓
度与去除速率和青萍鲜重之间的关系见图 3。
图 3 NH +4 -N浓度与去除速率和青萍鲜重的关系
Fig. 3 Ｒelationships among NH +4 -N concentration，
removal velocity and FW
青萍对 NH +4 -N 的最大去除速率为 0. 0774 mg /
(g FW·h)，最小去除速率为 0. 0224 mg /( g FW·
h)，平均去除速率为 0. 0466 mg /( g FW· h )。
Xu［26］、Suppadit［27］和黄辉等［28］分别对紫萍、无根萍
和浮萍对受污染水的净化效果进行了研究，结果表
明，紫萍对 NH +4 -N 的平均去除速率为 0. 0449 mg /
(g FW·h)，无根萍对 TAN(总氨氮)的平均去除速
率为 0. 00025 mg /(g FW·h)，浮萍对 TN的平均去
除速率为 0. 0237 mg /(g FW·h)。比较发现，本实
验所用浮萍对受污染水体中 NH +4 -N 有较好的去除
效果。青萍对 NH +4 -N 的去除速率随浓度的变化趋
势与去除量相似，实验前期，当河水中 NH +4 -N 浓度
从 1. 63 mg /L下降至 1. 23 mg /L时，对 NH +4 -N的去
除速率由 0. 0529 mg /( g FW· h) 下降到 0. 0424
mg /(g FW·h);当 NH +4 -N 浓度上升到 3. 29 mg /L
后，对 NH +4 -N 的去除速率上升至去除速率最大值
0. 0774 mg /(g FW·h)。NH +4 -N 进水浓度与去除
速率之间无显著的相关性( r = 0. 59，p ＞ 0. 05)。
实验期间，青萍的鲜重随时间而逐渐增加。根
据 Logistic生长实验，得到青萍在 TN 浓度为 1 ～ 5
mg /L条件下生长受到制约的临界鲜重范围为 1. 20
～ 1. 36 g，而青萍在第 6 天时的鲜重为 1. 24 g，说明
青萍从第 6 天开始由对数生长阶段转入限制生长阶
段，故对 NH +4 -N 的吸收速率持续出现较大幅度下
降。另外，青萍生长开始受到密度制约可能也是
NH +4 -N去除速率从第 6 天开始出现较大降幅的原
因之一。根据相关性分析结果，青萍鲜重与 NH +4 -N
去除速率之间存在显著的负相关( r = － 0. 71，p ＜
0. 05)。
2. 3 青萍对 NO －3 -N的去除效果
青萍对 NO －3 -N的去除效果如图 4 所示。
图 4 青萍对 NO －3 -N的去除效果
Fig. 4 NO －3 -N removal efficiency of L． minor
由于鹿山河河水中 NO －3 -N浓度较低，且波动较
大，致使青萍对 NO －3 -N的去除效果波动较大。实验
期间，NO －3 -N平均去除率为 51. 76%，平均去除量为
0. 07 mg /d。青萍对 NO －3 -N的去除率没有随鲜重的
增加而上升，这主要是由于一方面，进水 NO －3 -N 浓
度较低，致使青萍不能正常吸收;另一方面，当
NO －3 -N 和 NH
+
4 -N 共 存 时，青 萍 优 先 吸 收
NH +4 -N
［29］。
2. 4 青萍对 PO3 －4 -P的去除特征
青萍对 PO3 －4 -P的去除特征如图 5 所示。
图 5 青萍对 PO3 －4 -P的去除特征
Fig. 5 PO3 －4 -P removal characteristics of L． minor
实验期间，鹿山河河水经过青萍处理后，PO3 －4 -
2433
第 9 期 鲁言言等:青萍生长特征及其对受污染河水的修复效果
P浓度下降至 0. 01 ～ 0. 20 mg /L，平均浓度下降至
0. 13 mg /L，满足《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质
标准要求。青萍对 PO3 －4 -P 的去除率的变化范围为
30. 80% ～ 85. 05%，平均去除率为 65. 45%。与
NH +4 -N 情况相似，PO
3 －
4 -P 浓度增大时，青萍对
PO3 －4 -P的去除率会也下降。除实验开始前 3 天河
水中 PO3 －4 -P浓度较低外，其余时间河水中 PO
3 －
4 -P
浓度均超过Ⅴ类水质标准要求，青萍在 1 天的处理
时间内使得河水中 PO3 －4 -P 浓度下降至Ⅲ类水质标
准，可见，青萍对 PO3 －4 -P 有较好的净化效果。相关
性分析结果显示，PO3 －4 -P进水浓度与去除率之间不
存在显著的相关性。实验期间，青萍对 PO3 －4 -P 的
最大去除量为 0. 39 mg /d，最小去除量为 0. 05 mg /
d，平均去除量为 0. 25 mg /d。青萍对 PO3 －4 -P 的去
除量随浓度升高而升高，PO3 －4 -P进水浓度与去除量
之间存在极显著正相关( r = 0. 97，p ＜ 0. 01)。
PO3 －4 -P进水浓度与去除速率和青萍鲜重之间
的关系如图 6 所示。青萍对 PO3 －4 -P 的最大去除速
率为 0. 0182 mg /( g FW· h)，最小去除速率为
0. 0031 mg /( g FW· h)，平均去除速率为 0. 0087
mg /(g FW·h)。相关研究［26-28］发现，在受污染水
的净化中，紫萍、无根萍和浮萍对 TP 的平均去除速
率为分别为 0. 0065、0. 0001 和 0. 0041 mg /(g FW·
h)。比较发现，本实验所用浮萍对受污染水体中
PO3 －4 -P有较好的去除效果。青萍对 PO
3 －
4 -P 的去除
速率随 PO3 －4 -P浓度的变化趋势与去除率相似。实
验前期，当河水中 PO3 －4 -P浓度从 0. 15 mg /L下降至
0. 07 mg /L 时，PO3 －4 -P 去除速率由 0. 0033 mg /( g
FW·h)上升到 0. 0053 mg /(g FW·h)。当 PO3 －4 -P
浓度上升到 0. 52 mg /L后，PO3 －4 -P去除速率上升至
图 6 PO3 －4 -P浓度与去除速率和青萍鲜重的关系
Fig. 6 Ｒelationships among PO3 －4 -P concentration，
removal velocity and FW
最大值 0. 0182 mg /(g FW·h)。PO3 －4 -P进水浓度与
去除速率之间存在显著正相关(r =0. 70，p ＜0. 05)。
实验期间，青萍的鲜重随时间而逐渐增加。从
第 4 天开始，PO3 －4 -P进水浓度一直保持在 0. 4 ～ 0. 5
mg /L，波动并不大，但青萍对 PO3 －4 -P 的去除速率一
直保持下降趋势直至实验结束，这说明鲜重增长对
PO3 －4 -P吸收速率有影响。根据 2. 2，从第 6 天开始，
青萍由对数生长阶段转入限制生长阶段，生长开始
受到密度制约，但青萍对 PO3 －4 -P的去除速率从第 4
天就开始下降，这表明青萍鲜重增长到 1. 02 g 左右
时，对 PO3 －4 -P 的吸收量增长速率不及青萍鲜重的
增长速率，导致青萍对 PO3 －4 -P 吸收速率发生下降。
相关分析结果显示，青萍鲜重与 PO3 －4 -P 去除速率
之间不存在相关性。
3 结 论
(1) 在空间一定时，青萍的生长特征服从 Lo-
gistic生长模式;在营养盐浓度梯度为 1、2 和 5 mg
TN /L的培养条件下，青萍受制约的临界 FW分别为
1. 20、1. 36 和 1. 36 g。
(2) 青萍对受污染河水具有较好的去除效果，氮
磷污染物出水浓度基本能满足《地表水环境质量标
准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质标准要求。NH +4 -N的平
均去除率、平均去除量和平均去除速率分别为
56. 87%、1. 22 mg /d 和 0. 0466 mg /( g FW· h )。
PO3 －4 -P的平均去除率、平均去除量和平均去除速率
分别为 66. 95%、0. 25 mg /d和 0. 0088 mg /(g FW·h)。
(3) NH +4 -N和 PO
3 －
4 -P进水浓度与去除量之间
呈极显著正相关;青萍鲜重与 NH +4 -N 去除速率之
间呈显著负相关，但与 PO3 －4 -P 去除速率之间相关
性不显著;PO3 －4 -P进水浓度与去除速率之间存在显
著正相关。
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