水生植物凈化水質(zhì)的機(jī)理及其應(yīng)用方式

[摘要]綜述了水生植物在污水處理中的應(yīng)用及其凈化水質(zhì)的機(jī)理,以及利用水生植物營(yíng)造的凈化塘、人工濕地系統(tǒng)、水域浮床技術(shù)和根際過濾技術(shù)等方式凈化污水的研究進(jìn)展。

[關(guān)鍵詞]水生植物;水環(huán)境;凈化作用

地球表面積71%被水覆蓋,大洋承納了整個(gè)生物圈內(nèi)97%的水體,極地冰固化了生物圈內(nèi)2%的水體,只有不到1%的水體以淡水形態(tài)存在于江、河、湖泊中,這也是人類和其他生物賴以生存的基礎(chǔ)。但是,隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和人口數(shù)量的不斷增加,生態(tài)環(huán)境不斷受到破壞,水污染日趨嚴(yán)重,大多數(shù)水體超過國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量四類標(biāo)準(zhǔn)[1]。水體污染問題受到了廣泛的關(guān)注,前人對(duì)如何預(yù)防和治理水體污染做了大量的研究[2～4]。在污水處理中,傳統(tǒng)污染水處理方法如生化二級(jí)處理法,工藝成熟、處理效果理想,但建造、運(yùn)行、管理費(fèi)用過高;化學(xué)法(如加入硫酸銅等)和換水法處理污水,雖然均有一定效果,但化學(xué)法易產(chǎn)生二次污染,換水法不夠方便、經(jīng)濟(jì),且僅適宜于小型水體。為了尋找高效低耗的水污染處理技術(shù),自20世紀(jì)70年代起,水生植物開始受到人們的關(guān)注。水生植物不僅具有較高的觀賞價(jià)值,還能主動(dòng)吸收水體中的養(yǎng)分物質(zhì),對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體可起到凈化作用。為此,筆者就水生植物對(duì)水質(zhì)的凈化作用和機(jī)理進(jìn)行了概述與分析,同時(shí)就其在凈化污水方面的應(yīng)用方式進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述,以期為科技工作者治理水體污染提供一些參考。

1　水生植物在污水處理中的應(yīng)用

凡生長(zhǎng)在水中或濕土壤中的植物,以大型的草本植物為主,包括水生、濕生和沼生植物,稱為水生植物(hydrophyte)[5]。水生植物主要包括3大類:水生維管束植物、水生蘚類和高等藻類。在污水治理中應(yīng)用較多的是水生維管束植物,它具有發(fā)達(dá)的機(jī)械組織,植物個(gè)體比較高大,可分為挺水、浮水和沉水3種生活型[6],這3種類型的水生植物在污水處理系統(tǒng)中存在一些不同的應(yīng)用方式,詳見(表1)。

2 水生植物凈化水質(zhì)的機(jī)理

我國(guó)利用水生植物凈化水質(zhì)的研究始于20世紀(jì)70年代中期,包括靜態(tài)條件下單一物種及多種植物配植對(duì)污染物濃度較高污水的凈化作用,及動(dòng)態(tài)方法研究水生植物對(duì)污水處理效果[7]。近30年來(lái),對(duì)東湖、巢湖、滇池、太湖、洪湖、保立湖、鴨兒湖等淺水湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化控制和濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的大量研究證明[8～10],水生植物可以吸收、富集水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其他元素,可增加水體中的氧氣含量,或抑制有害藻類繁殖的能力,遏制底泥營(yíng)養(yǎng)鹽向水中的再釋放,利于水體的生物平衡等。水生高等植物能有效地凈化富營(yíng)養(yǎng)化湖水,提高水體的自凈能力[11],也是人工濕地系統(tǒng)發(fā)揮凈化作用必不可少的因素之一[12～15]。

2.1　植物自身的性狀和抗性能力

水生植物由于長(zhǎng)期生活在一種缺氧、弱光的環(huán)境中,形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)上形成特殊性[16]。根、莖、葉形成完整的通氣組織,保證器官和組織對(duì)O2的需要[17];葉片呈肉質(zhì),如香蒲表皮有厚角質(zhì)層,柵欄組織發(fā)達(dá),污染點(diǎn)處的根、莖、葉表皮細(xì)胞排列緊密等結(jié)構(gòu)能抵抗因污染受害而引起的同化功能下降、水分過分蒸騰,增強(qiáng)了香蒲植物的耐污性和抵抗力[12]。

2.2　植物的吸收、富集作用

水生植物根系發(fā)達(dá),利于吸收水中物質(zhì)。如鳳眼蓮生長(zhǎng)過程需要大量的N、P營(yíng)養(yǎng)物[18],它吸收后生長(zhǎng)迅速,對(duì)于凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體效果明顯[19],李周玉等[20]研究了鳳眼蓮對(duì)養(yǎng)殖水體中Cu離子的消失率,第3dCu離子消失率達(dá)53%,第6d則可達(dá)75%。香蒲植物吸收廢水中的重金屬時(shí),吸收能力大小依次是根>地下莖>葉,并且按照一定的比例從生境中吸取各種元素,形成新的動(dòng)態(tài)平衡,防止對(duì)某元素吸收過多而引起毒害。植物吸收污染物后,尤其是重金屬離子、農(nóng)藥和其他人工合成有機(jī)物等,便富集、固定在體內(nèi)或土壤中,減少水體中污染物量。研究表明,Pb、Zn進(jìn)入香蒲體內(nèi),主要積聚在皮層細(xì)胞中的細(xì)胞壁上,只有少量進(jìn)入原生質(zhì),可見細(xì)胞壁對(duì)重金屬有較高的親和力[21]。

2.3　凈化塘的沉降、吸附和過濾作用

凈化塘里水生植物生長(zhǎng)旺盛,根系發(fā)達(dá),與水體接觸面積大,形成密集的過濾層。如香蒲,它的地下莖和根形成縱橫交錯(cuò)的地下莖網(wǎng),水流緩慢時(shí)重金屬和懸浮顆粒被阻隔而沉降,防止其隨水流失[23],同時(shí)又在其表面進(jìn)行離子交換、整合、吸附、沉淀等,不溶性膠體為根系吸附,凝集的菌膠團(tuán)把懸浮性的有機(jī)物和新陳代謝產(chǎn)物沉降下來(lái)[22]。

2.4　生化作用

植物凈化污水的過程中生化作用也起到很大作用,這方面已有大量的研究[19,23,24]。光合作用產(chǎn)生的O2和大氣中的O2直接輸送到植株各處,并向水中擴(kuò)散,一方面根系通過釋放O2,氧化分解根系周圍的沉降物;另一方面使水體底部和基質(zhì)土壤形成許多厭氧和好氧小區(qū),為微生物活動(dòng)創(chuàng)造條件,進(jìn)而形成“根際區(qū)”。這樣,植物代謝產(chǎn)物和殘?bào)w及溶解的有機(jī)碳給濕地中的菌落提供食物源;同時(shí),大量微生物在基質(zhì)表面形成灰色生物膜,增加了微生物的數(shù)量和分解代謝的面積,使植物根部的污染物(富集或沉降下來(lái)的)被微生物分解利用或經(jīng)生物代謝降解過程而去除。富營(yíng)養(yǎng)化水體中,也可依靠水生植物根莖上的微生物使反硝化菌、氨化菌等加速NH+4—N向NO-2—N和NO-3—N的轉(zhuǎn)化過程,便于水生植物吸收與利用,減少底泥向水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽釋放。

2.5　對(duì)浮游藻類的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用

富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的水體中,藻類瘋長(zhǎng),水質(zhì)惡化。栽種水生植物后,同浮游藻類競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及所需的光熱條件,同時(shí)分泌出抑藻物質(zhì),破壞藻類正常的生理代謝功能,迫使藻類死亡,以防止其帶來(lái)的毒素[23,24]。這樣可提高水體透明度,改善水中的DO含量,促進(jìn)沉水植物與共生菌的生長(zhǎng),進(jìn)一步凈化水質(zhì)。

3　利用水生植物凈化污水的處理方式

3.1　凈化塘

目前在利用水生植物凈化污水時(shí)通常是以凈化塘的方式,如鳳眼蓮凈化塘、香蒲植物凈化塘等[25～27]。

凈化塘是以某種水生植物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)而組成的特殊水生生態(tài)系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)通過水生植物群落的阻濾、沉降、吸附等物理作用以及植物體的吸收、積累等作用而達(dá)到對(duì)污水的凈化效果。最近幾年,水生植物凈化塘在國(guó)內(nèi)外發(fā)展都比較快,能凈化的污水種類越來(lái)越多,已由凈化生活污水發(fā)展到工業(yè)廢水和城市混合污水;處理規(guī)模也越來(lái)越大,從利用人工的凈化塘發(fā)展到利用天然湖塘、湖灣放養(yǎng)水生植物凈化水質(zhì)和底泥。在水生植物的利用上,由一種植物為主發(fā)展到多種植物搭配,以相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,達(dá)到最佳的凈化效果。比如選用耐寒植物伊樂藻和喜溫植物鳳眼蓮及菱,組建成的常綠型人工水生植被。不僅使試驗(yàn)區(qū)內(nèi)常年保持較好的水質(zhì),而且對(duì)外來(lái)污染沖擊有很強(qiáng)的緩沖能力,它可用于水源保護(hù)、局部性水質(zhì)控制、污水凈化生態(tài)工程、小型富營(yíng)養(yǎng)水體的生態(tài)恢復(fù)等[28]。

3.2　人工濕地系統(tǒng)

20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的人工濕地系統(tǒng)是利用水生植物處理污水的又一發(fā)展方向[29,30]。由于建造和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)單、效果好,且為眾多野生動(dòng)物提供了棲息地,成了研究的重點(diǎn)。如蘆葦濕地可用于處理生活污水和部分工業(yè)廢水,如造紙廢水、紡織廢水、啤酒廢水、煉油廢水、養(yǎng)殖和飼料及食品加工廢水等。其基建投資、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和能耗均為常規(guī)二級(jí)處理方法的1/3～1/5,并有較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[31]。Nyakang等[32]利用香蒲、蘆葦、美人蕉等觀賞性水生植物,經(jīng)過1塊濕地和3個(gè)池塘構(gòu)成的賓館和游泳池污水處理系統(tǒng),在達(dá)到去污目的的同時(shí)也營(yíng)造了優(yōu)美的水體景觀。Koottatep等[33]還發(fā)現(xiàn)進(jìn)入濕地約50%的總氮是被植物吸收的。濕地系統(tǒng)去除污染物的機(jī)理主要是通過沉降、過濾、化學(xué)沉淀和吸附、微生物反應(yīng)和植物吸收等反應(yīng)過程除去水中的污染物。所以濕地是一種低成本、易操作和高效率的污水處理方法。

3.3　水域浮床技術(shù)

水域浮床技術(shù)早期僅應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),近10年來(lái)有學(xué)者利用該技術(shù)進(jìn)行水污染控制。它采用人工新材料作浮床,并通過獨(dú)特的肥料供應(yīng)、植物栽培與相應(yīng)的工程措施,在自然水域的水面上無(wú)土栽培植物,在改善水域環(huán)境的同時(shí),增加水產(chǎn)品產(chǎn)量[34～37]。

3.4　根際過濾技術(shù)(Rhizofiltration)

根際過濾技術(shù)是近幾年發(fā)展的一種植物修復(fù)技術(shù),用來(lái)處理放射性核素廢水、重金屬廢水以及富含營(yíng)養(yǎng)鹽的廢水。它利用超積累植物的根系從廢水中吸收、富集和沉淀污染物,是更經(jīng)濟(jì)、更適于現(xiàn)場(chǎng)操作的原位污染治理技術(shù)[38,39]。

4　結(jié)語(yǔ)

眾多研究表明,利用水生植物處理系統(tǒng)進(jìn)行水污染控制具有投資、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低,管理簡(jiǎn)便,污水處理效果好,可改善和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境、回收資源和能源以及收獲經(jīng)濟(jì)植物等諸多優(yōu)點(diǎn),在污水處理和富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化等方面均表現(xiàn)出良好的效果。未來(lái)的研究應(yīng)注重本土原生植物的特性、跨區(qū)域引進(jìn)新型物種的意義、水生植物修復(fù)的機(jī)理、物質(zhì)循環(huán)、根系與水或土壤的微環(huán)境關(guān)系、植物與周圍微生物如何共同作用等方面。目前利用水生植物凈化污水尚有許多不足之處,但隨著人們對(duì)其研究的深入,特別是在工藝選擇和凈化機(jī)理等方面的努力,水生植物必將在水污染控制中發(fā)揮更重要的作用,從而更大程度地造福于人類。同時(shí)可以參照中國(guó)污水處理工程網(wǎng)其他技術(shù)文檔。

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