水葫蘆修復(fù)污染水體的功能及其在工程應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)

張志勇，嚴(yán)少華，徐寸發(fā)，劉海琴，張迎穎*

水葫蘆修復(fù)污染水體的功能及其在工程應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)

張志勇1，嚴(yán)少華1，徐寸發(fā)2，劉海琴1，張迎穎1*

1. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014；2. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014

水葫蘆（鳳眼蓮，Eichhornia crassipes (Mart) Solms）具有繁殖速度快、生物產(chǎn)量大、吸收氮磷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛地用于凈化污染水體，是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界公認(rèn)的水體修復(fù)的優(yōu)勢物種。然而，目前水葫蘆修復(fù)污染水體多停留在研究試驗(yàn)階段，并未在水體污染治理生態(tài)工程中得到大規(guī)模應(yīng)用。文章系統(tǒng)地總結(jié)了水葫蘆修復(fù)污染水體的功能，并分析了水葫蘆規(guī)?；瘧?yīng)用于污染水體治理工程中面臨的挑戰(zhàn)。有關(guān)研究表明，水葫蘆對生活污水、工業(yè)廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水、地表徑流水與富營養(yǎng)化河流、湖泊、水庫水體中的氮、磷、重金屬、有機(jī)污染物等均有較強(qiáng)的去除效果；規(guī)?；N養(yǎng)水葫蘆修復(fù)污染水體面臨的主要挑戰(zhàn)包括：潛在的生態(tài)風(fēng)險高，收獲難度大、成本高，處置利用困難，商業(yè)化生產(chǎn)可行性低等。針對這些瓶頸問題，文章提出了破解的思路和今后的研究重點(diǎn)：（1）研究規(guī)?；踩N養(yǎng)的可靠技術(shù)，如種養(yǎng)圍欄設(shè)施的研發(fā)、水葫蘆適宜種養(yǎng)水域的選擇和適宜的水面覆蓋度等，以防范規(guī)?；N養(yǎng)的潛在生態(tài)風(fēng)險；（2）加強(qiáng)研發(fā)快速高效、規(guī)模匹配的打撈-運(yùn)輸聯(lián)動專用裝備，優(yōu)化打撈、運(yùn)輸技術(shù)方案，以期提高打撈效率，降低打撈成本；（3）深入研究水葫蘆固、液分離技術(shù)，研發(fā)高效機(jī)械脫水裝備，解決水葫蘆含水量高、擠壓脫水難題；（4）創(chuàng)新水葫蘆資源化利用工藝，充分開發(fā)水葫蘆經(jīng)濟(jì)價值，并探索政府生態(tài)補(bǔ)償政策和辦法，建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，吸引企業(yè)參與，推動規(guī)?；N養(yǎng)水葫蘆治污的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、企業(yè)化運(yùn)行。

鳳眼蓮；富營養(yǎng)化水體；生態(tài)修復(fù)；工程應(yīng)用；挑戰(zhàn)

水葫蘆（Eichhornia crassipes (Mart) Solms），又名鳳眼蓮，是一種大型漂浮水生植物，喜高溫濕潤環(huán)境，可在 1～40 ℃范圍內(nèi)生長，最適宜生長溫度為25～27.5 ℃（Wilson et al.，2005）。水葫蘆可進(jìn)行無性和有性繁殖。無性繁殖通過匍匐莖增殖，在適宜的溫度和濕度條件下，每株水葫蘆每5天能繁殖1株新植株，每公頃水葫蘆年產(chǎn)量（干質(zhì)量）從幾十噸到上百噸不等（Reddy等，1984；Abbasi，1999；Carina et al.，2007）。水葫蘆是世界上生長繁殖速率極快，產(chǎn)量極高的水生植物之一。雖然水葫蘆被視為世界上危害最嚴(yán)重的水生雜草，但其對無機(jī)養(yǎng)分、重金屬、持久性有機(jī)污染物等具有更強(qiáng)的吸收積累與分解轉(zhuǎn)化能力。因此，水葫蘆被成功應(yīng)用于處理各類廢水并在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可（Brix，1993；Tchobanoglous et al.，1989；Fox et al.，2008）。相對其他一些水生植物，水葫蘆是污水凈化和富營養(yǎng)化水體修復(fù)的優(yōu)選植物Mishra et al.（2008）。

研究水葫蘆、水浮蓮（Pistia stratiotes）和紫萍（Spirodela polyrhiza）對含Cu、Zn、Cr、Cd污水的處理情況，結(jié)果表明，3種水生植物對污水中Cu、Zn、Cr、Cd去除率均高于 90%，且以水葫蘆處理效果最佳；徐寸發(fā)等（2015）通過比較水葫蘆、輪葉黑藻(Hydrilla verticillata)和香蒲(Typha orientalis)對富營養(yǎng)化水體的凈化效果，發(fā)現(xiàn)水葫蘆對水體TN、TP和COD的去除率均優(yōu)于其他兩種水生植物。

水葫蘆對水體污染的耐受能力很強(qiáng)，在水體中能夠忍受高濃度的氮、磷污染（Jukkrit et al.，2001；Hu et al.，2010）和多種重金屬污染（Soltan et al.，2003；Mishra et al.，2009）。水葫蘆對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力依其生長環(huán)境的不同而存在差異。例如，水葫蘆凈化TN、TP初始質(zhì)量濃度分別為2.06～20.08 mg?L-1和0.14～1.43 mg?L-1的4種富營養(yǎng)化水體時，每噸新鮮水葫蘆對TN、TP的吸收量隨水體初始 TN、TP濃度的升高而增加，分別為1.05～1.51 kg 和 0.21～0.35 kg（張志勇等，2010）；在水力負(fù)荷為 0.14～1.0 m3?m-2?d-1，富營養(yǎng)化水體TN、TP 質(zhì)量濃度分別為 4.85 mg?L-1和 0.50 mg?L-1試驗(yàn)條件下，每噸新鮮水葫蘆對氮、磷的吸收總量隨水力負(fù)荷的提高而增加，分別為0.94～1.35 kg和0.20～0.31 kg（張志勇等，2011）；而在滇池水葫蘆治理污染試驗(yàn)性工程中，每噸新鮮水葫蘆吸收的TN、TP 量高達(dá) 1.70 kg 和 0.42 kg（張迎穎等，2011）。文獻(xiàn)報道水葫蘆對水中的重金屬有很強(qiáng)的富集能力（Reddy等，1984；Zhou，2000）。在重金屬含量較高的水體中，水葫蘆植株體內(nèi)能夠積累大量的重金屬，但受到重金屬脅迫，其處理效率也隨之降低（Malar et al.，2014）。

水葫蘆繁殖速率高、生物產(chǎn)量大、吸收氮磷能力強(qiáng)，其凈化水質(zhì)效率高在國際學(xué)術(shù)界是不爭的事實(shí)。然而，水葫蘆修復(fù)污染水體多停留在研究試驗(yàn)階段，并未在水體污染治理生態(tài)工程中得到大規(guī)模應(yīng)用。本文系統(tǒng)地歸納了水葫蘆在富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)與污染水體凈化中的應(yīng)用實(shí)例，分析了水葫蘆規(guī)?；瘧?yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)，指出其潛在的生態(tài)安全性問題；收獲難度大、成本高；處置、利用困難，商業(yè)化生產(chǎn)可行性小等原因是制約水葫蘆規(guī)?；瘧?yīng)用于污染水體治理工程中的瓶頸問題，并提出破解上述難題的思路與今后研究重點(diǎn)，為水葫蘆在污染水體凈化中的規(guī)?；瘧?yīng)用提供參考。

1 水葫蘆生態(tài)修復(fù)污染水體的功能

1.1 凈化生活污水和工業(yè)廢水

近 40年來，基于水葫蘆修復(fù)的污水處理生物塘和人工濕地技術(shù)發(fā)展迅速，與典型的化學(xué)處理方法相比，該技術(shù)具有投資少、能耗低、見效快和景觀美等優(yōu)點(diǎn)（Koottatep et al.，1997）。早在1971年，Wooten et al.（1976）利用5個以管道串聯(lián)的池塘（每個池塘面積465 m2，深0.8 m，總?cè)莘e370 m3）放養(yǎng)水葫蘆來處理城鎮(zhèn)污水處理廠二級尾水，結(jié)果表明，在進(jìn)水流量為480 L?min-1條件下，水葫蘆在各個塘中生長旺盛，生長季（105 d）平均生物量達(dá)64.5 kg?m-2；尾水流經(jīng)凈化塘后，出水中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮被快速去除，TP濃度明顯下降。Sinha et al.（2000）將水葫蘆與浮萍和藍(lán)綠藻適當(dāng)組合后用于處理生活污水，取得了良好的污染物去除效果，對重金屬和BOD的去除率分別為20%～100%和97%，對硝酸鹽和磷酸鹽的去除率均在90%以上。Sajn et al.（2005）利用水葫蘆表面流人工濕地處理污水處理廠二級尾水，為期一年的中試結(jié)果表明：人工濕地對污染物的去除效果明顯優(yōu)于以藻類為主的穩(wěn)定塘，對SS、TN、COD和BOD的去除率分別為64.6%、38%、67.2%和72.1%。

水葫蘆也被成功地應(yīng)用于各類工業(yè)廢水的處理中。Jayaweera et al.（2004）報道了水葫蘆處理不同濃度人工模擬工業(yè)廢水的效果，并探討了水葫蘆去除TN、TP的機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)：在水力停留時間為21 d，廢水TN、TP濃度分別為7.0～56.0、1.92～15.4 mg?L-1條件下，經(jīng)過9周后，水葫蘆對所有濃度工業(yè)廢水的TN、TP去除率均達(dá)到100%，并指出植物吸收和反硝化作用是廢水中 TN去除的主要機(jī)制，而植物吸收和吸附作用是TP去除的主要機(jī)制。Kulkarni et al.（2007）進(jìn)行了水葫蘆處理紡織廢水的研究，結(jié)果表明：經(jīng)過18 d處理后，廢水中COD和重金屬的去除率分別為80.0%和25%～45%。

此外，水葫蘆對重金屬具有極高的親和力和累積能力，能夠有效去除造紙廢水、果膠廢水和屠宰廢水中的 Cd、Zn、Hg、Ag、Co、Cr、Cu、Ni、Pb和 As等（Zaranyika et al.，1994；Polprasert et al.，1998；Zhu et al.，1999）。

1.2 處理畜禽養(yǎng)殖廢水

畜禽養(yǎng)殖廢水中含有大量殘留的抗生素、重金屬和氮、磷等物質(zhì)，成為水體環(huán)境污染的主要污染源之一。國內(nèi)外已開發(fā)出多種處理技術(shù)，這些技術(shù)對畜禽養(yǎng)殖廢水均顯示很好的處理效果，其中，有關(guān)以水葫蘆為主要植物的人工濕地和氧化塘處理系統(tǒng)的研究較多。陳小潔等（2012）利用水葫蘆處理含鹽酸四環(huán)素、氨芐青霉素等4種抗生素的廢水，處理72 h后，水葫蘆對其中的鹽酸四環(huán)素、氨芐青霉素的去除率分別達(dá)90%、70%以上。Polprasert et al.（1992）開展了水葫蘆生物塘處理養(yǎng)豬場廢水的試驗(yàn)，結(jié)果顯示：水葫蘆生物塘處理豬場廢水的最佳 COD負(fù)荷為 200 kg?hm-2?d-1，最佳水力滯留時間為10～20 d；小試試驗(yàn)中水葫蘆塘對COD的去除率為 74%～93%，而中試試驗(yàn)中 COD的去除率為52%～72%；豬場廢水中 TN的去除效果接近于COD；同時指出，為獲得更理想的廢水處理效果，生物凈化塘數(shù)量最好在2個以上，并采用串聯(lián)方式排列。Lu et al.（2008）將面積為688 m2的集約化養(yǎng)鴨場建于以水葫蘆為核心植物的濕地上，考察水葫蘆濕地對養(yǎng)鴨廢水的凈化能力，研究表明，COD的去除率為 64.44%，TN的去除率為 21.78%，TP的去除率為23.02%，并且廢水中的溶解氧和透明度都得到明顯改善。Alex et al.（2014）利用水葫蘆表面流人工濕地處理羅非魚（Oreochromis spp）、白鯧魚（Colossoma brach ypomum）的養(yǎng)殖池塘廢水，結(jié)果表明，在水力停留時間為1.6 d條件下，人工濕地對養(yǎng)魚廢水中的污染物表現(xiàn)出良好的去除效果，NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TP和 BOD5的去除率分別為32.1%、16.7%、27.0%、23.0%和67.9%。

深圳萬豐豬場（年產(chǎn)肉豬 10萬頭）在廢水處理工程后段采用水葫蘆生物系統(tǒng)處理廢水（余遠(yuǎn)松等，2000）。厭氧發(fā)酵后的豬場廢水經(jīng)兼性氧化塘自然氧化后進(jìn)入水葫蘆生物處理系統(tǒng)，先經(jīng)增氧氧化塘氧化，然后進(jìn)入一級水葫蘆凈化塘；出水經(jīng)自然氧化塘氧化后進(jìn)入二級水葫蘆凈化塘，再經(jīng)沙濾床流入氧化塘達(dá)到凈化廢水的目的。在廢水 COD質(zhì)量濃度為 800 mg?L-1，TN 質(zhì)量濃度為 600 mg?L-1，水葫蘆覆蓋面積占總面積70%的情況下，水葫蘆對豬場廢水 COD及 TN的去除效果分別為 69%和75%，達(dá)到了廢水凈化的目的。

1.3 凈化地表徑流水

就全球范圍來看，由地表徑流產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染是當(dāng)前所有河流水污染的基本來源，是河流 70%氮素的來源（USEPA，2000）。國內(nèi)外學(xué)者對以水葫蘆為主的生態(tài)工程技術(shù)控制地表徑流污染的效果進(jìn)行了研究。Reddy et al.（1982）開展了為期1年的水葫蘆塘處理農(nóng)田灌溉排水的現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明，在水力滯留時間為3.6 d條件下，水葫蘆塘對輸入的NO3-和NH4+的去除率達(dá)78%～81%，對TP的去除率為54%。Polomski et al.（2009）采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法研究了水葫蘆、水浮蓮和狐尾藻(Myriophyllum verticillatum L.)3種人工濕地修復(fù)苗圃徑流的效果，結(jié)果表明，為期8周的試驗(yàn)期內(nèi)，濕地接納徑流水的 TN、TP 質(zhì)量濃度分別為 0.39～36.81 mg?L-1和0.07～6.77 mg?L-1，植物組織內(nèi)氮、磷的含量隨徑流水的TN、TP濃度增加而升高，并與TN、TP負(fù)荷呈正相關(guān)；水葫蘆和水浮蓮對 TN的去除率接近100%，自身吸收的TN量與TN負(fù)荷量呈正相關(guān)；3種植物對苗圃經(jīng)流水中TP的去除率相近，但均低于TP負(fù)荷量；試驗(yàn)結(jié)論指出，水葫蘆等3種水生植物均可用于人工濕地凈化苗圃徑流。

為減少或控制稻田排放水體對外河水體的污染，夏小江（2012）構(gòu)建了稻田-水葫蘆塘水循環(huán)系統(tǒng)，研究了水葫蘆對不同氮磷養(yǎng)分濃度稻田排水的凈化效果，以及系統(tǒng)對稻田氮磷等養(yǎng)分徑流流失的控制作用。結(jié)果表明：水葫蘆對3種不同濃度的稻田排放水 TN的去除率分別為 62.04%、76.75%、88.46%；對TP的去除率分別為93.52%、88.46%、78.57%，其對水體中氮、磷養(yǎng)分的凈化效果與水體中氮、磷養(yǎng)分濃度具有顯著的相關(guān)性，對氮的去除率隨著水體氮素濃度的升高而降低，但對磷的去除率則隨著水體中TP濃度的升高而不斷上升；整個稻季，水葫蘆塘截留的稻田徑流氮、磷量分別為8.13、0.57 kg?hm-2；此外，由于水葫蘆塘對雨水具有攔蓄作用，整個稻季，水葫蘆塘攔截雨水中氮、磷的能力分別達(dá) 1.49 kg?hm-2和 0.03 kg?hm-2。

1.4 修復(fù)富營養(yǎng)化河流、湖泊、水庫

水體富營養(yǎng)化已成為當(dāng)今世界性難題，是全球范圍內(nèi)普遍存在的環(huán)境問題（Heisler et al.，2008；Ansari et al.，2011）。利用水葫蘆來凈化富營養(yǎng)化水體的研究在國內(nèi)外報道很多。水葫蘆在生長過程中能吸收水體中大量的氮、磷等營養(yǎng)元素（齊玉梅等，1999），不僅能在池塘、河渠、小型湖蕩的湖灣或氧化塘內(nèi)生長去污，而且在湖泊等開闊水域放養(yǎng)得當(dāng)也可實(shí)施凈化水質(zhì)的生態(tài)工程（竇鴻身等，1995）。上世紀(jì)90年代，Pu et al.（1998）在太湖—五里湖內(nèi)采用毛竹樁、不透水材料建設(shè)圍隔，圍隔內(nèi)放養(yǎng)水葫蘆、水花生（Alternanthera philoxeroides）和蕹菜（Ipomoea aquatic Forsk）等植物，進(jìn)行了物理-生態(tài)工程（PPE）修復(fù)水體的研究，為期1年的工程試驗(yàn)結(jié)果表明，該工程能有效地除藻和凈化水質(zhì)，對水的濁度、色度、NH4+-N、NO2--N的改善效果較好，去除率分別為82%、46%、69%和69%。

Mariana et al.（2012）調(diào)查研究了美國哥倫比亞 Tomine′水庫在自然生長了 300 hm2水葫蘆前后的水質(zhì)變化情況，結(jié)果表明，整個水庫水質(zhì)得到明顯改善，水體中NO3--N和NH4+-N濃度顯著低于水葫蘆生長之前，特別是水體透明度，由植物生長之前的0.3 m增加到了生長后的2.0 m。

泰國實(shí)施了水葫蘆修復(fù)他金河（Tha-chin River）富營養(yǎng)化水體生態(tài)工程，Jukkrit et al.（2001）在持續(xù)收獲水葫蘆獲取最高生物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，研究了水葫蘆潛在的生物產(chǎn)量和對水體中營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果，建立了雨季和旱季長期控制河流水質(zhì)的水葫蘆收獲模型；通過獲得最高收獲量的方法，水葫蘆對他金河水體中的TN和TP消減速率分別達(dá)到 0.42 g?m-2?d-1和 0.09 g?m-2?d-1。

江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院于 2011—2013年作為“水葫蘆治理滇池水體污染試驗(yàn)性工程”的技術(shù)支撐單位，在滇池草海開展了安全控制性種養(yǎng)水葫蘆修復(fù)滇池水體的生態(tài)工程；利用管架泡沫浮球圍欄設(shè)施規(guī)模化控養(yǎng) 4.30 km2水葫蘆，草海湖體的 TN、NH4+-N和 NO3--N濃度由河道入湖口的 13.8、4.7和5.8 mg?L-1分別降低到出湖口的3.3、0.02和0.8 mg?L-1；對草海湖體氮素輸入-輸出平衡估算結(jié)果顯示，水葫蘆吸收作用是草海湖體氮去除的主要途徑，植物吸收的TN量對湖體入湖氮負(fù)荷量的去除貢獻(xiàn)率為52%；生態(tài)工程實(shí)踐結(jié)果表明，規(guī)模化控養(yǎng)水葫蘆消減富營養(yǎng)化湖泊水體氮污染負(fù)荷效果顯著且具有可行性（Wang et al.，2013）。

現(xiàn)有文獻(xiàn)報道充分證實(shí)了水葫蘆在治理各類污染水體方面的凈化優(yōu)勢。但利用水葫蘆修復(fù)污染水體，特別是河流、湖泊和水庫等公共性質(zhì)的水體時，無論其控養(yǎng)工程規(guī)模多大，在規(guī)劃、設(shè)計、實(shí)施以及后期生物量的打撈和處置等方面均面臨諸多的挑戰(zhàn)和風(fēng)險。

2 水葫蘆修復(fù)技術(shù)工程應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)

水葫蘆在污染水體治理中具有突出的生態(tài)修復(fù)功能，但在世界各國高度關(guān)注污染治理和環(huán)境保護(hù)的今天，卻鮮見有關(guān)水葫蘆在污水治理生態(tài)工程中規(guī)?；瘧?yīng)用的報道。主要存在以下原因：

2.1 潛在的生態(tài)風(fēng)險

水葫蘆繁殖速度驚人，在適宜生長環(huán)境下，每年累積的生物干物質(zhì)量可高達(dá) 140 t?hm-2（Adelhamid et al.，1991）。同時，水葫蘆具有在湖泊和河流中隨風(fēng)力或水流漂移的能力（Gettys et al.，2009）。因此，對于水葫蘆治污生態(tài)修復(fù)工程，人們首先關(guān)注的是生態(tài)安全性問題，擔(dān)心一旦缺乏科學(xué)的管理和控制，水葫蘆會逃逸到下游水域，覆蓋水面進(jìn)而導(dǎo)致各種生態(tài)問題，諸如降低生物多樣性，阻塞水上交通，影響行洪，堵塞灌溉、水電、供水系統(tǒng)，引發(fā)疾病威脅人類健康，增加蒸散量造成地表水損失，影響漁業(yè)生產(chǎn)等（Calvert，1998）。此外，如若不能將水葫蘆及時收獲上岸，殘留在水中的植株死亡分解后會降低溶解氧濃度，改變水體的營養(yǎng)和碳平衡（Greenfield et al.，2007）；而且較低的溶解氧可促使沉積物向水體釋放磷元素，從而加重水體的富營養(yǎng)化，甚至導(dǎo)致后續(xù)水葫蘆或藻類生物量增加（Perna et al.，2005；Bicudo et al.，2007）。也有研究者擔(dān)心水葫蘆能夠富集水中的重金屬，制成青貯飼料后為動物所食用，重金屬在食物鏈中累積，進(jìn)而威脅人類健康（李博等，2004）。

因此，利用水葫蘆生態(tài)修復(fù)污染水體時，首先要考慮水體生態(tài)系統(tǒng)的安全問題，諸如控養(yǎng)水域、控養(yǎng)規(guī)模，如何避免溶解氧降低，以及如何解決后續(xù)打撈、處置和利用等問題（Bicudo et al.，2007）。

2.2 水葫蘆收獲難度大、成本高

人工和機(jī)械收獲是目前控制水葫蘆最常用、最有效的方法之一。人工收獲是勞動密集型的工作，強(qiáng)度大、效率低、成本高。當(dāng)水葫蘆靠近岸邊時，一個人以輕松且可承受的速度，每小時大約只能收獲200 kg的水葫蘆（Gunnarsson et al.，1997）。據(jù)悉，中國的多個省份每年都要組織人工收獲水葫蘆，僅浙江溫州市和福建莆田市每年用于人工收獲水葫蘆的費(fèi)用分別為1000萬元和500萬元（江洪濤等，2003）。人工收獲僅適用于較小規(guī)模的水葫蘆群體；并且在一些地區(qū)，收獲工作中還可能存在嚴(yán)重的安全隱患（Calvert，1998）。相比而言，機(jī)械化收獲效率高、見效快、成本低，是短期內(nèi)清除水葫蘆的最佳方法。

利用重型機(jī)械來打撈和控制水葫蘆始于 1937年的美國陸軍工程師團(tuán)（Little，1979）。機(jī)械收獲通常使用陸基“抓斗式”起重機(jī)、挖掘機(jī)，或者水基機(jī)械，如切割船、破碎機(jī)、水草收割船等，同時還需配備一支具備水、陸機(jī)械設(shè)備的隊伍，專門負(fù)責(zé)將數(shù)量巨大的水葫蘆轉(zhuǎn)運(yùn)上岸（Calvert，1998）。機(jī)械收獲雖然見效快，但水葫蘆生物量巨大，其收獲成本極其昂貴，每公頃約需600～1200美元，而且處理收獲的水葫蘆也要額外的費(fèi)用（Malik，2007；Villamagna et al，2010）。來自歐洲環(huán)境暑的資料顯示，2005—2008年間，采用機(jī)械收獲葡萄牙—西班牙邊境瓜迪亞納河流域的 20萬噸水葫蘆，總費(fèi)用達(dá)14680000歐元；中國每年用于收獲水葫蘆的費(fèi)用約達(dá)10億歐元（EEA，2012）；再如西非的馬里機(jī)械收獲水葫蘆的費(fèi)用大約為每年 80000～100000美元（Dagno et al.，2007）。

此外，在分析機(jī)械打撈水葫蘆所需投入的費(fèi)用時，除了考慮到植株含水量高達(dá) 93%～95%（Cifuentes et al.，1976），還須考慮到收貨后的水葫蘆是否具有商業(yè)價值。要破解這些難題，目前有兩個辦法：（1）在打撈期間或上岸后縮減水葫蘆體積，降低植株體內(nèi)的含水量；（2）找到具備經(jīng)濟(jì)價值的商業(yè)利用途徑，從而彌補(bǔ)機(jī)械打撈的高成本（Babourina et al.，2011）。總而言之，為了使水葫蘆生物量得以資源化利用（如產(chǎn)甲烷或青貯飼料），必須形成一套高效率、低成本的脫水技術(shù)（Cifuentes et al.，1976）。

2.3 水葫蘆處置利用難，商業(yè)化生產(chǎn)可行性小

在過去的幾十年里，為了控制水葫蘆，世界各地開展了大量有關(guān)水葫蘆處置和利用方面的研究（Ndimele et al.，2011）。但水葫蘆利用面臨的基本問題之一是脫水處置難以解決（Malik，2007）。Gettys et al.（2009）研究認(rèn)為處置機(jī)械化收獲后的水葫蘆是一件耗資大和十分棘手的事情。水葫蘆含水量高達(dá)95%以上，含有豐富的海綿組織，密度約為0.3 g·cm-3。這意味著每立方米的新鮮水葫蘆生物量僅為300 kg，其中水分含量約285 kg。低密度和高含水量阻礙了水葫蘆的運(yùn)輸，也制約了其資源化開發(fā)利用（National Acadamy of Sciences (NAS)，1977）。

Mathur et al.（2004）設(shè)計了一個岸基式破碎機(jī)，可將新鮮水葫蘆的體積減少64%，即每立方米的生物量增加到830 kg，該機(jī)械破碎處理新鮮水葫蘆的效率為 1 t?h-1。然而，在大型湖泊中，如在東非的勝利湖或西非的拉各斯湖，每年要打撈處理水葫蘆的生物量高達(dá)幾百萬噸，若利用上述效率的破碎機(jī)就不切合實(shí)際了。計算可知，假設(shè)水葫蘆現(xiàn)存生物量為100.0萬噸，每天植株生長新增生物量則可達(dá)7.0萬噸，即使破碎機(jī)每天連續(xù)工作8 h，需9000臺破碎機(jī)同時工作，才能將新增生物量處理掉，而原有的100萬噸現(xiàn)存量卻并未減少。因此，要處理數(shù)量巨大的水葫蘆，關(guān)鍵是研發(fā)先進(jìn)的處理技術(shù)和高效運(yùn)行的專用裝備。

水葫蘆的利用，首先需進(jìn)行脫水處理，以獲得適宜的水分含量（Carina et al.，2007）。目前，國內(nèi)外關(guān)于水葫蘆脫水技術(shù)的報道相對較少。小規(guī)模利用水葫蘆時，最佳的脫水辦法就是將其曬干。但文獻(xiàn)顯示，將含水量 95.8%的水葫蘆在溫度 25 ℃、濕度68%的環(huán)境下晾曬15 d后，水葫蘆含水量僅可降至 72%（Solly，1984）。因此，要將水葫蘆含水量降至較低的水平，必須考慮機(jī)械脫水的方法。

Innocent et al.（2008）為了設(shè)計適合的烘干設(shè)備，開展了水葫蘆烘干脫水特性研究，結(jié)果表明，隨著烘干溫度的升高，其烘干率相應(yīng)提高；雖然采用自然晾干與機(jī)械直接烘干等方式，可有效降低水葫蘆水分，但因其脫水時間長或成本高，均難以在實(shí)踐中大規(guī)模應(yīng)用。Cifuentes et al.（1976）設(shè)計了一種螺旋壓榨脫水方法，并測試了該方法對水葫蘆的脫水效果，得出在最優(yōu)限壓600 kPa時，水葫蘆殘渣含水量為84%。但含水量84%的水葫蘆殘渣依然無法滿足制作有機(jī)肥、飼料和固態(tài)發(fā)酵的要求，必須進(jìn)一步降低含水量（蔣磊等，2011；施林林等，2012）。杜靜等（2010）以人工控制性放養(yǎng)的水葫蘆為試驗(yàn)材料，比較了不同擠壓方式的脫水效果，并對水葫蘆粉碎粗細(xì)程度、擠壓篩孔孔徑等工藝參數(shù)進(jìn)行了篩選，試驗(yàn)結(jié)果表明，以螺旋式擠壓方式對水葫蘆脫水的效果最佳，出渣含水率由95.38%降至86.23%，脫水率可達(dá)69.67%；若采用螺旋擠壓方式對酸化處理7 d后的水葫蘆進(jìn)行脫水，則出渣含水量可降到76.77%，脫水率達(dá)到82.61%，此脫水效果可完全達(dá)到后續(xù)資源化利用的基本要求。

3 結(jié)論

綜上所述，水葫蘆對各類污染水體和污染物均表現(xiàn)出了顯著的凈化效果和較強(qiáng)的凈化能力，是公認(rèn)的污染水體生物修復(fù)優(yōu)勢物種。在當(dāng)前水環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，水質(zhì)日益惡化的現(xiàn)狀下，破解水葫蘆規(guī)?；瘧?yīng)用于污染水體生態(tài)修復(fù)及其資源化利用中面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題，對充分利用水葫蘆的生態(tài)修復(fù)功能控制水體富營養(yǎng)化具有重要意義。有關(guān)水葫蘆修復(fù)污染水體效果與機(jī)理方面的研究已取得眾多成果，但有關(guān)水葫蘆生態(tài)修復(fù)污染水體工程化技術(shù)，特別是規(guī)?；踩N養(yǎng)技術(shù)、機(jī)械化打撈技術(shù)、工廠化加工處置技術(shù)和資源化利用技術(shù)方面的研究卻極其缺乏。因此，今后的研究應(yīng)著重以下幾方面：（1）構(gòu)建及比選安全可靠的圍欄設(shè)施、探索水葫蘆適宜種養(yǎng)的水域和適宜的水面覆蓋度、定期監(jiān)測評估種養(yǎng)過程對水生生態(tài)系統(tǒng)的安全性影響等，以防范規(guī)?；N養(yǎng)的潛在生態(tài)風(fēng)險；（2）針對現(xiàn)有機(jī)械化打撈、運(yùn)輸和機(jī)械化脫水裝備效率低、成本高的問題，進(jìn)一步研發(fā)具備可移動性、快速高效、規(guī)模匹配的打撈-運(yùn)輸聯(lián)動專用設(shè)備，優(yōu)化打撈、運(yùn)輸技術(shù)方案，大幅提高打撈、運(yùn)輸效率，降低成本；研究水葫蘆固、液分離技術(shù)，研發(fā)高效機(jī)械脫水裝備，解決水葫蘆含水量高、擠壓脫水難題；（3）創(chuàng)新水葫蘆資源化利用工藝，如汁、渣分開厭氧發(fā)酵制沼氣、高溫堆肥和復(fù)合青貯發(fā)酵飼料生產(chǎn)等，充分開發(fā)水葫蘆經(jīng)濟(jì)價值；并進(jìn)一步探索政府生態(tài)補(bǔ)償政策和辦法，建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，吸引企業(yè)參與，建立政府主導(dǎo)、生態(tài)補(bǔ)償、企業(yè)實(shí)施的運(yùn)作模式，推動規(guī)?；N養(yǎng)水葫蘆治污的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、企業(yè)化運(yùn)行。

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Abstract: Water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart) Solms) with the characteristics of fast propagation, large biological yield and strong absorption capacity for nitrogen and phosphorus, was widely used for the purification of polluted water, which was regarded as the dominant species for water restoration by national and international academic community. Many experimental studies about remediation of polluted waters by water hyacinth have been reported, and meanwhile little large-scale application of water hyacinth in treatment project of polluted waters has been carried out. Purification functions of water hyacinth to polluted water has been summarized systematically and the challenge about large-scale application of the macrophyte in treatment project has been analyzed in the paper. The results show that water hyacinth can efficiently remove nitrogen and phosphorus, heavy metals and organic pollutants from various kinds of polluted water, such as sewage, industrial wastewater, livestock and poultry breeding wastewater,surface runoff water and the eutrophic rivers, lakes and reservoirs. The challenge of large-scale application of water hyacinth in restoration project of polluted water mainly include potential ecological risk, difficult and expensive harvesting, difficult dehydration and utilization and low feasibility of commercial production. In order to solve the above problems, some solutions and the research emphases in the future have been presented in the paper. (1) In order to avoid potential ecological risk, the safe and reliable technology for planting water hyacinth should be developed, such as the improvement of planting enclosure facilities, the section of suitable cultivation area and cover ratio. (2) The specialized equipment for rapid harvesting-transport linkage should be manufactured to raise efficiency and reduce cost, and the technical measures of harvesting should be optimized in the future. (3) Solid-liquid separation technology for spongy tissue of water hyacinth should be developed, and efficient equipment of mechanical dewatering should be produced to sharply reduce the moisture content of the macrophyte. (4) The technology for resource utilization of water hyacinth should be developed, and the economic value should be exploited to attract business cooperation, then the mechanism of ecological compensation should be established as soon as possible.

Key words: water hyacinth; eutrophic waters; ecological remediation; engineering application; challenge

The Functions of Water Hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart) Solms)in Remediation of Polluted Waters and Challenges in Engineering Application

ZHANG Zhiyong, YAN Shaohua, XU Cunfa, LIU Haiqin, ZHANG Yingying*

1. Institute of Agricultural Resource and Environmental Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China;2. Central Laboratory, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.022

X52

A

1674-5906（2017）09-1612-07

張志勇, 嚴(yán)少華, 徐寸發(fā), 劉海琴, 張迎穎. 2017. 水葫蘆修復(fù)污染水體的功能及其在工程應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 26(9): 1612-1618.

ZHANG Zhiyong, YAN Shaohua, XU Cunfa, LIU Haiqin, ZHANG Yingying. 2017. The functions of water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart) Solms) in remediation of polluted waters and challenges in engineering application [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1612-1618.

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目（CX（15）1004）

張志勇，研究員，主要從事污染水體生態(tài)修復(fù)研究。E-mail: jaaszyzhang@126.com*通信作者，E-mail: fly8006@163.com

2017-07-20