植物修復(fù)對(duì)黑臭水體底泥中氮磷的去除研究

杜月 胡濱 畢業(yè)亮 胡清

摘要：水體底泥在吸納了大量的污染物質(zhì)之后，逐漸成為引起水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化的內(nèi)源污染源，嚴(yán)重時(shí)可引起水體黑臭。黑臭水體底泥的污染控制與修復(fù)對(duì)水體水質(zhì)的提升和生態(tài)功能的恢復(fù)至關(guān)重要。植物修復(fù)因其投資少，對(duì)生態(tài)環(huán)境擾動(dòng)小、持續(xù)有效時(shí)間長(zhǎng)、處理污泥量大等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。本文對(duì)植物修復(fù)原理、高效植物篩選、植物氮磷去除效果及影響因素、植物修復(fù)注意事項(xiàng)等問(wèn)題進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：植物修復(fù);黑臭水體;氨磷去除

中圖分類(lèi)號(hào)：X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）03-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.073

Removal of nitrogen and phosphorus from sediments in black and stink water by phytoremediation

Du Yue1，Hu Bin1，Bi Yeliang2，Hu Qing1

（1.School of Environmental Science and Engineering，Southern University of Science and Technology，Shenzhen Guangdong 518055，China;

2.College of Water Resources and Hydropower，Hebei University of Engineering，Handan Hebei 056038，China）

Abstract：After absorbing a large amount of pollutants，the sediment in the water body gradually becomes an endogenous pollution source that causes water body pollution and eutrophication，and can cause black body odor in severe cases.Pollution control and restoration of black and odorous water sediments are very important for the improvement of water quality and the restoration of ecological functions.Phytoremediation has attracted much attention due to its advantages such as low investment， small disturbance to the ecological environment，long duration of effective time， and large sludge treatment.This article analyzes and researches on the principles of phytoremediation，efficient plant selection， effects and factors of plant nitrogen and phosphorus removal，and precautions for phytoremediation.

Key words：Phytoremediation;Black smelly water body;Ammonia phosphorus removal

河流底泥是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。水體中污染物質(zhì)的不斷沉積，導(dǎo)致底泥中污染物質(zhì)濃度高于上覆水幾個(gè)數(shù)量級(jí)。近年來(lái)，隨著外源污染控制力度的加大，底泥內(nèi)源污染已成為引起水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素，嚴(yán)重時(shí)可引起水體黑臭。底泥也是底棲生物的主要生存場(chǎng)所和掠食場(chǎng)所，底泥中的污染物質(zhì)可以對(duì)底棲生物和水體中生物產(chǎn)生毒害作用，并通過(guò)生物富集和食物鏈的放大過(guò)程影響人類(lèi)健康。對(duì)黑臭水體的底泥的處理和處置，可消除黑臭現(xiàn)象，改善感官效果，對(duì)提升河流水質(zhì)和恢復(fù)生態(tài)功能至關(guān)重要。

1 植物修復(fù)原理

植物修復(fù)（Phytoremediation）是生物修復(fù)技術(shù)的一種，主要是通過(guò)向污染水體和底泥中引入優(yōu)良的水草品種，利用水生植物的生長(zhǎng)，吸收和降解污染物質(zhì)，起到削減污染物的作用。相對(duì)于環(huán)保疏浚、原位覆蓋等目前常用的工程措施，植物修復(fù)具有投入低，對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)小、持續(xù)有效時(shí)間長(zhǎng)、處理污泥量大等特點(diǎn)，不但可以恢復(fù)和重建底泥和水體的自然生態(tài)功能，而且具有一定的觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。植物修復(fù)的概念最早在20世紀(jì)80年代，由美國(guó)科學(xué)家Chaney提出。植物修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，水生植物是該系統(tǒng)中的主體，此外包括微生物、浮游生物、底棲生物、水生動(dòng)物等多個(gè)組成部分，各部分協(xié)同作用起到對(duì)污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化和去除的目的。

某些水生植物在生長(zhǎng)過(guò)程中可以過(guò)量富集氮、磷、重金屬等污染物質(zhì)，將這些污染物質(zhì)固定在生物體內(nèi)，人們可以通過(guò)對(duì)植物的收割將污染物質(zhì)去除。吸附作用也是植物修復(fù)過(guò)程去除污染物的重要機(jī)制之一，水生植物有巨大的比表面積，給懸浮污染物提供附著載體，從而有效的降低水體中污染物的濃度。此外，水生植物的種植有助于改善河道的水流狀態(tài)，穩(wěn)定河床表面、固定泥沙，加速水體中污染物質(zhì)的沉降，控制底泥中污染物質(zhì)的遷移和釋放。Moore等選取密西西比三角洲上兩條富營(yíng)養(yǎng)化的農(nóng)業(yè)排水渠，并在其中一條排水渠中種植寬葉香蒲、黑三棱、燈芯草等作物，發(fā)現(xiàn)與未種植植物的水渠相比，降雨期間水體中懸浮固體占總固體物質(zhì)的比例從95%下降到28%。微生物是植物修復(fù)系統(tǒng)中重要的組成部分。水生植物發(fā)達(dá)的根系可以為微生物的棲息和繁殖場(chǎng)所，提高系統(tǒng)的生物多樣性和生物量;植物根系分泌出一定的聚多糖、氨基酸等物質(zhì)，可以提高微生物的代謝活性，促進(jìn)難降解污染物的轉(zhuǎn)化和去除;植物根系存在富氧和缺氧區(qū)，可以為生物脫氮過(guò)程提供有利的環(huán)境條件。植物修復(fù)對(duì)底泥污染物的削減通常是以上多個(gè)途徑共同作用的結(jié)果。Wu等研究了人工濕地植物修復(fù)過(guò)程中不同的作用機(jī)制對(duì)沉積物中TN遷移轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)，植物吸收量約占總氮去除率的8.4%～34.3%，底泥中的沉積量占20.5%～34.4%，由微生物硝化和反硝化造成的N2O排放量為0.6%～1.9%，包括N2排放、NH3揮發(fā)在內(nèi)的其他TN損失約占2.0%～23.5%。

2 高效植物篩選

不同植物對(duì)氮磷的吸收效果存在顯著差異，影響植物修復(fù)對(duì)底泥氮磷去除效果的關(guān)鍵因素在于高效富集植物的選用。植物修復(fù)中常見(jiàn)的水生植物有夏威夷草、蘆葦、菖蒲、鳳眼蓮、千屈菜、睡蓮、梭魚(yú)草等。唐相臣等考察了聚草、圓幣草等七種植物對(duì)氮磷的去除效果，發(fā)現(xiàn)浮萍、槐葉萍、聚草、圓幣草每千克干物質(zhì)對(duì)應(yīng)的氮元素積累量分別為38.2 g、33.6 g、33.1 g、30.6 g，而聚草和圓幣草對(duì)磷的富集作用最為明顯，每千克物質(zhì)對(duì)應(yīng)的磷元素積累量分別為23.6 g和16.3 g，遠(yuǎn)高于浮萍（9.5 g）和大漂（5.9 g）。解岳等以西安市長(zhǎng)安湖為富營(yíng)養(yǎng)化水體的典型，研究不同植物對(duì)N、P去除效果和機(jī)理，結(jié)果表明各植物體內(nèi)TN含量高低依次為：美人蕉>水菖蒲>鳶尾>香蒲>旱傘草>蘆葦>荻，其中美人蕉植株的含氮量為1.72%;植物中磷含量依次為美人蕉>旱傘草>鳶尾>香蒲，美人蕉修復(fù)單位磷富集量為26.6 g/m2。Zhu等對(duì)比研究了人工植草溝和有植物覆蓋的自然溝渠對(duì)氮磷的去除效果，人工植草溝對(duì)TN和TP的去除率分別為64.28%和58.02%，遠(yuǎn)高于自然溝渠氮磷去除率31.16%和27.49%，其中人工植草溝中種植的美人蕉對(duì)氮磷的累積量約為216.59 kg N/（ha·yr）和30.73 kg P/（ha·yr），而自然溝渠中的水芹對(duì)氮磷的累積量?jī)H為96.66 kg N/（ha·yr）和7.94 kg P/（ha·yr）。

木本植物一般比草本植物生物量大，壽命更長(zhǎng)，對(duì)氮磷有更強(qiáng)的生物積累能力。Lu等構(gòu)建了生態(tài)溝渠，分別種植了木本植物（柳樹(shù)、桃葉珊瑚）和草本植物（菖蒲、美人蕉），對(duì)照研究植物的生長(zhǎng)情況和凈化能力，研究表明柳樹(shù)對(duì)氮磷的攔截效果明顯優(yōu)于其他的三種植物。木本植物在底泥修復(fù)中的應(yīng)用，關(guān)鍵在于對(duì)植物耐水性和耐污性的篩選，根據(jù)以往研究數(shù)據(jù)，花葉冬青、月季、八角金盤(pán)、白千層屬、互葉白千層、秋楓、串錢(qián)柳、風(fēng)箱樹(shù)、兩棲榕、水翁等都適于污染水體和底泥的修復(fù)。木本植物根莖發(fā)達(dá)，泌氧能力強(qiáng)，有利于氧的傳輸，且在冬季等惡劣環(huán)境下可以安然越冬，不存在倒伏腐爛等現(xiàn)象，更容易控制由植物植株腐爛造成的二次污染。

底棲微藻是潮間帶生態(tài)系統(tǒng)的主要初級(jí)生產(chǎn)者，在海岸帶和河口潮間帶普遍分布著密集的底棲微型藻類(lèi)，其生物量和初級(jí)生產(chǎn)力可超過(guò)上覆水中的浮游植物，對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力很強(qiáng)。相對(duì)于上覆水中的浮游藻類(lèi)，底棲微藻可以直接作用于底泥，對(duì)底泥中污染物質(zhì)表現(xiàn)出高效的吸收和儲(chǔ)存。Kwon等報(bào)道了四種底棲微藻曲殼藻屬、雙眉藻屬、舟形藻屬、菱形藻屬對(duì)底泥中氮磷修復(fù)效果，其中菱形藻屬對(duì)硝酸鹽的最大吸收速率為0.97 pmol/（cell·h），對(duì)磷酸鹽的最大吸收速率為0.30 pmol/（cell·h），在氮缺乏和磷缺乏環(huán)境中的生長(zhǎng)速率分別為0.73/d和0.70/d。

3 氮磷元素在植株中的分布

氮磷元素在水生植物不同組織結(jié)構(gòu)中的含量有較大的差異，文獻(xiàn)中的相關(guān)報(bào)道很多，但莫衷一是。一般認(rèn)為，這與物種以及植物所處的生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)。Tian等在碎石基底和沉積物基底上分別種植蘆葦和香蒲，氮元素在蘆葦與香蒲中的分布呈現(xiàn)相似的規(guī)律，即氮元素含量葉>莖>根，而磷元素在根中的含量明顯高于植株的地上部分含量。Meitei等對(duì)Loktak湖流域11種植物對(duì)氮磷的富集效果進(jìn)行了為期2年的跟蹤研究，結(jié)果表明紫萍植株的地上部分含氮量高達(dá)16511.4±30.6 mg/kg，而水芹最大含氮量則出現(xiàn)在根部19308.7±200.1 mg/kg;植物對(duì)磷元素的吸收差異也較大，磷在植株中的最大濃度分別出現(xiàn)在菱角的地上部分（1175.84± 30.19 mg kg-1）和菰的地下部分（2820.97 ± 29.78 mg·kg-1）。

此外，生長(zhǎng)環(huán)境也影響了氮磷在植株中的分布。Xu等研究了沉水植物菹草在不同營(yíng)養(yǎng)條件下對(duì)氮磷的吸收途徑，結(jié)果表明在貧養(yǎng)條件下，菹草主要是通過(guò)根系從沉積物中吸收氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素;而在富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，則同時(shí)存在著根部吸收和芽從水體中吸收兩種方式，此時(shí)嫩芽吸收TN、TP的比例分別占到49.85%和18.35%，這也導(dǎo)致氮磷在植株各部分累積量的變化。

4 植物氮磷累積量的影響因素

溫度和光照是影響植物對(duì)氮磷吸收的重要因素，因此植物對(duì)氮磷的積累通常呈現(xiàn)季節(jié)性變化。Nandakumar等研究了亞熱帶地區(qū)的人工濕地對(duì)氮磷的去除效果，對(duì)TP的去除率分別為冬季55.2% 、春季78.5%、秋季80.7%和夏季85.6%，夏季人工濕地對(duì)TP的去除效率高達(dá)384.4 mg/（m2·day）;總凱氏氮（TKN）在春夏兩季的去除率分別為75.6%和84.6%。Meitei等報(bào)道，夏季紫萍地上部分的TN濃度為6411.2 ± 400.08-16511.4 ± 30.64 mg·kg-1，冬季TN濃度下降為2453.4± 130.45 -7746.1±110.00 mg·kg-1，而TP的濃度則從夏季的537.8 ± 20.57-1175.8 ± 30.19 mg·kg-1下降為403.9 ± 40.07 -1042.8± 20.02 mg·kg-1。

種植密度也是影響植物對(duì)氮磷吸收效果的因素，種植密度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致種群間競(jìng)爭(zhēng)激烈，水下光照條件受限，植物生長(zhǎng)不佳;而種植密度稀疏時(shí)，植物的種間競(jìng)爭(zhēng)或牧食作用能極大的影響沉水植物的生長(zhǎng)和恢復(fù)。張萌等報(bào)道，金魚(yú)藻種植密度為4.0 g/L時(shí)，對(duì)總氮、總磷去除率最高，分別達(dá)86.78%和91.82%;穗花狐尾藻種植密度為2.0 g/L和4.0 g/L時(shí)，對(duì)總氮、總磷去除率最高，分別達(dá)91.6%和92.10%。

人工曝氣過(guò)程可以增加水體的溶解氧濃度，促進(jìn)物質(zhì)的混合，加速有機(jī)污染物的分解，對(duì)水生植物的生長(zhǎng)和氮磷去除也有一定的影響。Zhao等研究了長(zhǎng)期曝氣對(duì)生長(zhǎng)于污染水體中的梭魚(yú)草的形態(tài)特征、生理反應(yīng)和污染物去除效能的影響，結(jié)果表明曝氣可以促進(jìn)梭魚(yú)草的分蘗和根系生長(zhǎng)，提高過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）的活性，對(duì)總氮和氨氮的去除效果分別提高了12.13%和14.16%，但是對(duì)總磷和溶解性磷的去除效果降低約10.47%和9.47%。曝氣過(guò)程對(duì)植物的生理特征和根系微生物群落特征都有明顯影響，因此需要根據(jù)去除的目標(biāo)污染物調(diào)整曝氣參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

植物本身是自然環(huán)境的重要組成部分，植物修復(fù)兼?zhèn)淞己玫纳鷳B(tài)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益，逐漸成為污染底泥修復(fù)的重要手段，具有可觀的應(yīng)用前景。在植物修復(fù)過(guò)程中對(duì)水生植物的選擇尤為重要，一般應(yīng)該遵循以區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)物種為基礎(chǔ)，輔以?xún)艋Ч谩⒃偕芰?qiáng)、入侵性低的物種。部分植物具有較強(qiáng)的生態(tài)破壞性，這些植物雖然在氮磷等富營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下有較高的生物富集能力，但是也容易出現(xiàn)過(guò)度繁殖的問(wèn)題，可能引起水體中溶解氧的過(guò)度消耗，造成更嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。因此在植物的篩選和應(yīng)用過(guò)程中要格外慎重。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中將氮磷等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身生物質(zhì)，植物的不當(dāng)收割將導(dǎo)致根莖葉留在底泥中，富集的污染物質(zhì)重新釋放，會(huì)造成環(huán)境的二次污染;只有通過(guò)及時(shí)收割避免有機(jī)體的腐爛，才能實(shí)現(xiàn)氮磷的真正去除。因此，選用植物進(jìn)行水體和底泥修復(fù)時(shí)，必須重視整個(gè)修復(fù)過(guò)程的管養(yǎng)與維護(hù)。一般，在冬季水生植物尚未腐爛之前進(jìn)行一次收割，夏季則需根據(jù)植物生長(zhǎng)期的長(zhǎng)短和旺盛程度，確定適合的收割次數(shù)。

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收稿日期：2020-01-03

基金項(xiàng)目：深圳市技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃（編號(hào)：JSGG2017101202620854）

作者簡(jiǎn)介：杜月（1980-），女，漢族，博士，工程師，研究方向?yàn)槲鬯卫砑夹g(shù)與能源化。