水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷去除的研究進(jìn)展

聶司宇 孟昊 李婷婷 陳楨

（1. 河南大學(xué)邁阿密學(xué)院，河南開(kāi)封 475004；2. 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南開(kāi)封 475004；3. 河南大學(xué)地理學(xué)院，河南開(kāi)封 475004；4. 開(kāi)封市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，河南開(kāi)封 475002）

1 引言

水體富營(yíng)養(yǎng)化是不容忽視的環(huán)境問(wèn)題且嚴(yán)重危害人體健康。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)藥的使用，含有氮和磷的廢水被排放到河流當(dāng)中，出現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化，致使藻類(lèi)繁殖，水體中的氧氣急劇減少，甚至出現(xiàn)魚(yú)蝦死亡、水體變臭的現(xiàn)象［1］。

近年來(lái)，我國(guó)各地頻繁出現(xiàn)水華，對(duì)人類(lèi)生活和生態(tài)環(huán)境造成了巨大破壞，也對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了極大制約［2］。

在中國(guó)知網(wǎng)上查到相關(guān)文獻(xiàn)100 條，在萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中查出206 條結(jié)果，在science direct 中查到相關(guān)文獻(xiàn)6 篇，在EI 中查到相關(guān)文獻(xiàn)20 篇。

目前去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷的方式有3 種：物理方法、化學(xué)方法和生化方法。物理處理方法包括截污、調(diào)水沖污、膜過(guò)濾法及人工曝氣等［3］；化學(xué)方法主要是添加化學(xué)藥劑和吸附劑以去除水中的懸浮物和有機(jī)質(zhì)，如氧化法、非氧化法和物化法等［3］；生化方法包括生態(tài)浮島的微生物根際修復(fù)、生物膜修復(fù)方法，比如周小穎等［4］以碳素纖維為生物膜載體，研究了碳素纖維去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷的效果，發(fā)現(xiàn)碳素纖維具有良好的微生物附著特性，附著生物量大且生物膜較薄，有利于生物膜的傳質(zhì)。在以上3 種方法中，物理方法效果不顯著，不能達(dá)到根治的目的；化學(xué)方法容易造成二次污染；生化方法因其利用水生植物、水生動(dòng)物、微生物等，成本低，效率高，不易產(chǎn)生二次污染，且可以美化環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

本文對(duì)水生植物去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷進(jìn)行了綜述，以期對(duì)治理氮磷污染的富營(yíng)養(yǎng)化水體提供理論依據(jù)。

2 水生植物的定義和分類(lèi)

2.1 水生植物的定義

水生植物是指能夠長(zhǎng)期在水中正常生活并順利繁殖下一代的植物，對(duì)水的依賴性較大，具有分布廣、生長(zhǎng)速度快、病害少等特點(diǎn)［3］。水生植物的葉子柔軟且透明，有的形成為絲狀，大大增加了與水的接觸面積，使得植物能獲得更多的光照，吸收水中的二氧化碳，進(jìn)行光合作用。根據(jù)水生生物的生態(tài)習(xí)性，一般可分為4 類(lèi)：沉水植物、漂浮植物、浮葉植物和挺水植物。

2.2 水生植物的分類(lèi)

根據(jù)水生植物的生態(tài)習(xí)性整理了常見(jiàn)的幾種水生植物，見(jiàn)表1。

表1 幾種常見(jiàn)的水生植物

3 水生植物對(duì)氮磷的去除

3.1 水生植物對(duì)氮磷的去除原理

水生植物在生長(zhǎng)過(guò)程中可直接吸收富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷等物質(zhì)來(lái)維持自身生長(zhǎng)發(fā)育，為根際微生物的生存和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解提供了必要場(chǎng)所和好氧、厭氧條件，有利于加速氮磷的去除［5］。

氮在水體以氨基酸、尿素、尿酸、嘌呤和嘧啶等有機(jī)物的形式以及銨態(tài)氮（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）、硝酸鹽（NO3-）、一氧化二氮（N2O）等無(wú)機(jī)物的形式存在。植物主要通過(guò)氨化作用、硝化和反硝化作用、生物量同化等方式去除水體中的氮［3］。當(dāng)含氮物質(zhì)進(jìn)入水體后，一部分會(huì)經(jīng)過(guò)水中微生物的氨化作用轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，然后作為用于加快細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)直接被植物吸收或從水中揮發(fā)到大氣中；另一部分會(huì)形成銨態(tài)氮，經(jīng)過(guò)硝化作用被氧化成硝態(tài)氮，再被植物吸收利用［6］。

磷在水體以正磷酸鹽、可溶性總磷、顆粒態(tài)總磷的形式存在［7］。磷是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，能夠促進(jìn)根系的形成和生長(zhǎng)，提高植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。植物的網(wǎng)狀根系提高了其對(duì)水中磷酸鹽和滯留顆粒態(tài)磷的吸收能力，并合成自身所需的核酸、卵磷脂及三磷酸腺苷等，最后用收割的方式去除富集在植物體內(nèi)的含磷物質(zhì)［8］。

磷酸鹽結(jié)構(gòu)通式見(jiàn)圖1。

圖1 磷酸鹽結(jié)構(gòu)通式

三磷酸腺苷結(jié)構(gòu)通式見(jiàn)圖2。

圖2 三磷酸腺苷結(jié)構(gòu)通式

3.2 水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷去除的實(shí)例

水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷去除的實(shí)例見(jiàn)表2。

表2 水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷去除的實(shí)例

續(xù)表

4 問(wèn)題和展望

通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)了目前用水生植物治理水體富營(yíng)養(yǎng)化仍存在一些問(wèn)題。比如用水葫蘆等治理富營(yíng)養(yǎng)化的水體既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，如果溫度允許，高濃度的植物養(yǎng)分將導(dǎo)致水葫蘆的快速生長(zhǎng)；另一方面，如果不存在水葫蘆，則水體中植物營(yíng)養(yǎng)素的高濃度將促進(jìn)藻類(lèi)的生長(zhǎng)。海洋和湖泊的生態(tài)模型之間有明顯區(qū)別，不能用一種方法治理，且模型的預(yù)測(cè)效果不是很好。

在此領(lǐng)域應(yīng)該在以下方面有所突破：水生植物處理富營(yíng)養(yǎng)化水體規(guī)劃過(guò)程需要有關(guān)天氣、集水區(qū)養(yǎng)分含量、水力和森林學(xué)數(shù)據(jù)以及水生植物生長(zhǎng)的生物學(xué)模型的完整信息，其中包括溫度和養(yǎng)分含量以及收獲方案，以確保成功管理公共水域的管理計(jì)劃；開(kāi)發(fā)用于自動(dòng)靈敏度校準(zhǔn)、不確定性估計(jì)和性能表征的技術(shù)和實(shí)用程序，以適應(yīng)復(fù)雜的湖泊和海洋模型，并具有足夠的靈活性以與各種模型平臺(tái)一起使用。