Oxygen Transfer Capacity as a Measure of Water Aeration by Floating Reed Plants: Initial Laboratory Studies  

浮水蘆葦植物水曝氣的氧傳遞能力測量：初步實驗室研究  

來源：Processes 2020, 8(10), 1270

《過程》2020年，第8卷第10期，文章編號1270

 

 

摘要：  

摘要探討了蘆葦（Phragmites australis）作為浮水覆蓋系統(tǒng)（RFC）的關(guān)鍵植物，其氧傳遞能力（OTC）的實驗室測量。研究通過8株不同生物量的蘆葦植株實驗，確定OTC與生物量的關(guān)系。結(jié)果顯示，OTC均值為每株0.18 ± 0.21 g O?·m?3·h?1·plant?1；單位莖葉干重（dlsm）OTC為44.91 ± 35.21 g O?·m?3·h?1·g dlsm?1；單位總干重（dtm）OTC為33.25 ± 27.97 g O?·m?3·h?1·g dtm?1。OTC變異系數(shù)高達115%，表明植株大小顯著影響氧氣釋放。地上生物量大于4克（dlsm）的植株OTC更高，但根生物量（drm）對OTC無顯著影響。

 

研究目的：  

研究旨在量化蘆葦植株的氧傳遞能力（OTC），并分析OTC與蘆葦生物量（包括根、莖葉和總干重）的關(guān)系，為浮水蘆葦覆蓋系統(tǒng)（RFC）在水處理中的應(yīng)用提供建模參數(shù)，優(yōu)化其對污水、糞污或污泥潟湖的有機物降解和氨氮氧化的性能預(yù)測。

 

研究思路：  

研究采用實驗室水培實驗設(shè)計：  

1. 選取8株生物量不同的蘆葦植株（總干重3-7克），在去氧水（氮氣脫氧）中懸浮培養(yǎng)。  

2. 使用丹麥Unisense微電極實時監(jiān)測根部溶解氧（DO）、氧化還原電位（ORP）和pH（圖1裝置）。  

  

3. 通過公式計算OTC（基于氧虧值和時間變化），并關(guān)聯(lián)植株生物量數(shù)據(jù)（表1）。  

 

4. 統(tǒng)計分析OTC與各生物量參數(shù)（根、莖葉、總干重）的相關(guān)性。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 氧傳遞能力（OTC）：來自表1，包括單位植株、單位根干重（drm）、單位莖葉干重（dlsm）和單位總干重（dtm）的OTC值。  

   研究意義：量化蘆葦氧氣釋放效率，為RFC系統(tǒng)設(shè)計提供關(guān)鍵參數(shù)。高變異系數(shù)（115%）表明需根據(jù)植株大小優(yōu)化覆蓋密度。  

2. 生物量參數(shù)：根干重（drm）、莖葉干重（dlsm）、總干重（dtm），來自表1。  

   研究意義：揭示OTC與地上生物量顯著正相關(guān)（莖葉干重>4克時OTC更高），而根生物量無影響（圖2B），指導RFC系統(tǒng)優(yōu)先選育地上部分發(fā)達的植株。  

  

3. 環(huán)境參數(shù)：DO、ORP、pH和溫度（來自結(jié)果部分），ORP均值108.24 mV證實根際氧化條件。  

   研究意義：驗證實驗穩(wěn)定性，排除環(huán)境干擾對OTC的影響。  

 

結(jié)論：  

1. 蘆葦可有效釋放氧氣至水體，OTC均值為33.25 g O?·m?3·h?1·kg dtm?1。  

2. OTC與地上生物量（莖葉干重）呈正相關(guān)（圖2B），但根生物量無顯著影響。  

3. 研究為RFC系統(tǒng)建模（如有機物降解和氨氮氧化預(yù)測）提供基礎(chǔ)參數(shù)，需進一步探討光照、植株發(fā)育階段對OTC的影響。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

丹麥Unisense電極（包括OX-N DO微電極、RD-N ORP微電極和pH-N微電極）通過原位監(jiān)測根際微觀梯度，實現(xiàn)以下關(guān)鍵突破：  

1. 高精度量化根際氧化還原動態(tài)：直接測量DO和ORP的時空變化（如ORP梯度范圍+500至-200 mV），證實蘆葦根際形成好氧層（如Wie?ner理論），為OTC計算提供實時數(shù)據(jù)支撐。  

2. 驗證OTC公式的可靠性：電極數(shù)據(jù)（DO隨時間變化曲線）用于計算氧虧值（D?/D?），通過公式（1）-（4）精確導出OTC，避免傳統(tǒng)方法的間接誤差。  

3. 揭示環(huán)境因子作用：同步監(jiān)測pH（6.58-6.81）和ORP，排除酸性或還原性條件對OTC的干擾，凸顯實驗設(shè)計的嚴謹性。  

綜上，Unisense電極技術(shù)為植物-水體界面氧氣傳輸機制研究提供了原位、高分辨率的實驗依據(jù)，推動RFC系統(tǒng)在廢水處理中的優(yōu)化應(yīng)用。