植物在水體富營養(yǎng)化治理工程中的應(yīng)用與前景

陶元+陳莎+黃碧捷

摘要：針對水體的富營養(yǎng)化在我國情況越來越惡劣的情況，分析了水體富營養(yǎng)化的成因，并對使用植物凈化富營養(yǎng)化水體技術(shù)進(jìn)行了闡述。結(jié)合目前利用植物凈化受污染水環(huán)境技術(shù)的發(fā)展，指出了植物在富營養(yǎng)化水體凈化方面表現(xiàn)出良好的效果、植物改善富營養(yǎng)化水體的實(shí)際工程應(yīng)用及該技術(shù)的良好發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：水體富營養(yǎng)化；植物凈化；治理工程

中圖分類號：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0036-03

1 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，人民生活水平得到逐步改善，人們對環(huán)境問題也愈來愈重視。當(dāng)前水體污染、水體富營養(yǎng)化問題也逐漸暴露在人們的視野，不達(dá)標(biāo)工業(yè)廢水，農(nóng)業(yè)施肥及生活污水向水體中大量排放氮、磷，引起水體富營養(yǎng)化。大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的積累，使生物在水體大量的繁殖，從而造成對水生生態(tài)系統(tǒng)的破壞。中國湖泊很多，有2300多個大于1 km2的湖泊，湖泊總面積約70988 km2，相當(dāng)于0.8%陸地的總面積，其中統(tǒng)計(jì)湖泊中有56% 的湖泊處于富營養(yǎng)化狀態(tài)[1]。針對我國愈來愈嚴(yán)峻的水質(zhì)環(huán)境，環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了“十三五”期間，全國需完善的水體質(zhì)量的國控單元信息343個，涉及29個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），197個地級及以上城市，956個縣（區(qū)，市）。由此可見，我國對水環(huán)境的質(zhì)量越來越重視。

2 水生植物及其作用機(jī)理

2.1 水生植物

當(dāng)下水生植物的定義仍有很大的差異。筆者認(rèn)為，水生植物是生長在水中，并能夠在營養(yǎng)物和水環(huán)境的支持下，其所有部分可以繁殖；或在正常條件下，當(dāng)其中的營養(yǎng)成分逐漸降低時，還可以誘導(dǎo)發(fā)生有性繁殖的植物。

2.2 作用機(jī)理

富營養(yǎng)化水體利用植物凈化的機(jī)理不同于其他凈化污染水體的方法。該技術(shù)主要是用水生植物和根區(qū)微生物一起產(chǎn)生作用，從而達(dá)到凈化污水的目的。植物也會對水體中的氮、磷和懸浮顆粒進(jìn)行吸收、微生物轉(zhuǎn)化、物理吸附和沉淀作用，同時對有機(jī)物進(jìn)行吸收，對重金屬進(jìn)行富集。植物利用污水中的氮、磷，來維持自身生長，且能吸收某些重金屬，在脫毒后于植物體內(nèi)被降解。

2.2.1 物理作用機(jī)理

水生植物的物理效應(yīng)：其根、莖、葉等吸附有機(jī)質(zhì)、氮、磷和多種微生物。例如，水生植物根系與水體有較多接觸。這相當(dāng)于產(chǎn)生一個致密的過濾網(wǎng)，使污水中的污染物質(zhì)被吸附或滯留在根部，細(xì)菌同樣會被根系吸附。污染物和細(xì)菌沉積物中磷含量增加，會使釋放的磷在上層水含量降低，而達(dá)到湖水凈化的效果。同時，大型水生植物可通過生長茂盛的水生植物的莖、葉以覆蓋陽光并減少水中藻類的光合作用來抑制水體中藻類的生長。

2.2.2 生物作用機(jī)理

通過生物作用來改善水質(zhì)是水生植物改善受損水環(huán)境的主要途徑。①水生植物根莖上的生物膜能起到有效凈化水體的作用。②水生植物中根際微生物的氧化分解是生物修復(fù)的主要過程。根際微生物的生長情況和活性會直接影響生態(tài)恢復(fù)的效果。③大型水生植物的同化也可以達(dá)到凈化水體的作用，不同植物種類對根際微生物豐度，種群和活性的影響也不同。一般認(rèn)為，在生態(tài)恢復(fù)過程中，水生植物的同化量占總污染物總量的20%。他們大多數(shù)只能去除5%～13%，不同的水生植物凈化污水的能力也不盡相同。

此外，在光合作用下，金屬元素在植物自身離子交換過程螯合。這改變了植物根際附近的酸堿度，會影響到金屬元素的活性。所以若植物能大量吸附礦物元素，則會增強(qiáng)植物凈化水體的能力，這對水體凈化具有重要作用。

2.2.3 協(xié)同作用機(jī)理

協(xié)同效應(yīng)是微生物和大型水生植物對污水中污染物降解的過程。有機(jī)營養(yǎng)物的降解是微生物在凈化過程中的重要組成部分。水生植物根系會產(chǎn)生一些促進(jìn)微生物繁殖生長的有機(jī)物。從而增加根際微生物數(shù)量，最終達(dá)到凈化效果。 同時，微生物可在根系生長繁殖。微生物活動也增加了水生植物的根長、根部面積等，彼此互補(bǔ)和相互促進(jìn)。

3 水生植物在受損水環(huán)境中的應(yīng)用

3.1 城市污水

許多研究發(fā)現(xiàn)，城市污水中的氮、磷和有機(jī)物可被植物吸附、吸收和同化而去除。楊丹青等[2]研究發(fā)現(xiàn)，水翁對總氮的吸附速率為：74.54 mg（N）/（kg·d），總磷：13.39 mg（P）/（kg·d）。同時，水生植物對城市污水中的金屬污染物也有一定的去除作用。與城市污水處理廠相比，植物改善城市污水能節(jié)約成本、減小能耗、美化環(huán)境等。

3.2 富營養(yǎng)化水體

富營養(yǎng)化將導(dǎo)致水質(zhì)惡化，水中生物生長不規(guī)律，造成生態(tài)失衡。影響人們的生活，影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展等。由此可見，水體富營養(yǎng)化問題有必要深入研究，繼續(xù)探索。童昌華等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究表明污水中的氮能有效地被水生植物去除，使污水總氮含量顯著降低。去磷的效果較明顯，一個月后總磷含量也都減少到較低水平。狐尾藻和微齒眼子菜去除硝態(tài)氮的效果最明顯，去除率達(dá)95.85%和90.65%。再例如，張翔凌等[4]對人工濕地用于濱湖型校園湖泊水體修復(fù)的研究。選取復(fù)合垂直流人工濕地工藝技術(shù)治理三角湖水體富營養(yǎng)化問題。該技術(shù)對受污地表水中的COD、BOD5、TSS的去除率分別為53.6%、78.7%和80.2%；對總氮的去除率高達(dá)一半；春、夏季對TP的去除率可達(dá)到60%以上，冬季亦可達(dá)到40%。由此可見，水生植物對富營養(yǎng)化水體的具有重要作用。

4 水生植物對受損水環(huán)境的修復(fù)效果

蔣艾青[5]研究發(fā)現(xiàn)，水生植物對氨態(tài)氮的去除率達(dá)到70%，硝態(tài)氮：88.1%。COD：56%，總氮：73.1%，且對凈化后的魚塘多產(chǎn)魚179 kg。 邵廣林[6]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用水提取營養(yǎng)池凈化，水浮蓮凈化富營養(yǎng)化水體效果好，具有除去水體中氮磷含量的功能，且利用完后的水浮蓮可以進(jìn)行綜合利用。 袁向東[7]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三種植物體系對改善水體富營養(yǎng)化都有一定的效果，且其對總氮的平均去除率都比較高。非浮游植物體系的去除率僅為55.8%。吳振斌等[8]研究了復(fù)合垂直構(gòu)造濕地系統(tǒng)對廢水的凈化效果。結(jié)果表明，三種體系的去除率分別為61%，65%和59%。沒有種植植物的對照組去除率僅為28%。這些研究都表明，水生植物對富營養(yǎng)化水中的氮和磷具有重要去除能力。

5 水生植物改善水體富營養(yǎng)化的實(shí)例工程

目前，有大量學(xué)者和工程建造者設(shè)計(jì)研究關(guān)于水生植物對于污染水體治理的方法與方案。有大量的水生植物有凈化水的能力，如水葫蘆、水浮蓮、蘆葦、蒲草、菖蒲等。這些水生植物具有很強(qiáng)的抵抗污染，凈化水體的能力[9]。 但是，怎么將它們應(yīng)用到實(shí)踐中也很重要，下面是一些應(yīng)用實(shí)例。

5.1 人工浮島

人工浮島，又稱生態(tài)浮床，是指將有凈化能力的水生植物放置在載體上生長，根系會與污水相接觸。在植物生長的過程中，可以吸收氮、磷達(dá)到凈化水體的目的。 其主要優(yōu)點(diǎn)有：改善水體富營養(yǎng)化；給水中生物提供棲息空間；美化環(huán)境。 生態(tài)浮床上種植的水生植物最好選擇吸附氮磷效果好的，讓其根系與污水完全接觸，既為水生動物提供生長環(huán)境，又加強(qiáng)了植物對水中氮磷等污染物的吸收。

5.2 人工濕地

人工濕地是將植物種植在在特殊的填充物上。建立起人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，水生植物會吸收分解污水中的污染物和營養(yǎng)物使污水得到凈化[10]。人工濕地中存在有氧、缺氧和厭氧三種不同的環(huán)境條件。廢水中的氮和磷可以直接被植物吸收，并可以通過硝化和反硝化去除[ 11 ]。

人工濕地系統(tǒng)建造中，應(yīng)盡可能種植不同植物，保持物種多樣性。同時，植物應(yīng)具有以下特點(diǎn)：耐污能力強(qiáng)；抗寒能力強(qiáng)；根系發(fā)達(dá)；生長茂盛；生命力頑強(qiáng)；具有再次利用價值。

5.3 生態(tài)溝渠

生態(tài)溝渠不僅能給農(nóng)作物灌溉和排水，而且還有農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理的作用。作為水生生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)溝渠在給生物提供水份和正常分配中發(fā)揮了重要的作用。為生物提供生長環(huán)境，攔截溝渠的污染物，使凈化水體能力得到提高。生態(tài)溝渠的水體凈化能力主要由其中種植的植物提供。生長的生物，腐殖細(xì)菌和微生物形成的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)了其凈化水體的能力。溝渠里的生物的數(shù)量決定了凈化功能的大小。溝渠中生物數(shù)量越大，可以被溝渠吸收的污染物越多，對富營養(yǎng)水體凈化作用更顯著。同時，由于溝渠中的水生植物對水流有一定的阻力，減緩了水的流速，使植物能充分吸收污水中的有害物質(zhì)達(dá)到凈化效果。在生產(chǎn)實(shí)踐中，特別是在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，應(yīng)在農(nóng)田系統(tǒng)中建立一定的生態(tài)溝渠，配制竹筏植物載體，種植各種良好的水生植物達(dá)到凈化效果。溝渠對水中氮，磷等營養(yǎng)物質(zhì)截取，吸附，從而凈化水質(zhì)，減少非點(diǎn)源污染進(jìn)入河流。如實(shí)例工程，成都市活水公園[12]。

6 植物改善水體富營養(yǎng)化的效益分析

植物凈化污水相比于目前我國大部分城市污水處理廠來說，具有投資低、耗能小、運(yùn)行管理簡單等優(yōu)點(diǎn)。對于我國經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、能源短缺的許多地方來說，大力開發(fā)具有高效、簡易、低能耗的污染處理技術(shù)具有極大的意義。在應(yīng)用實(shí)例中，植物改善水污染，不包含二級沉淀池，而是用植物輸氧代替曝氣機(jī)，能耗低，投資少。單位污水的處理費(fèi)用還不到污水處理廠的十分之一[13]，且植物美化環(huán)境、易于維護(hù)。

7 植物改善水體富營養(yǎng)化研究展望

由于自然植物在地點(diǎn)、污水負(fù)荷量等方面常常與實(shí)際需要不相符，且自然植物除污能力沒有人工選取的濕地植物強(qiáng)。近幾年來，許多國家和地區(qū)都紛紛利用植物來處理大范圍的水體富營養(yǎng)化問題。與傳統(tǒng)的污水處理廠相比，它能去除廢水處理中難去除的營養(yǎng)元素，且凈化效果更好。植物凈化對于畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、淀粉工業(yè)、制糖工業(yè)、食品加工等產(chǎn)生的廢水及富營養(yǎng)化水體都有較好的效果。且有利于生物活動，保持高度的生物多樣性，并形成較高的生產(chǎn)力，因此，研究富營養(yǎng)化水體的凈化具有重要的意義。但是植物凈化富營養(yǎng)化水體技術(shù)中的某些問題也存在爭議，還有待繼續(xù)研究。

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