植物修復技術在環(huán)境治理的應用

朱國華

(山西省忻州市生態(tài)環(huán)境局監(jiān)控中心,山西 忻州 034000)

引 言

隨著城市污水中重金屬含量以及營養(yǎng)元素的日益增加，使得一些水體如海洋、湖泊以及河流造成一定的富營養(yǎng)化及重金屬污染，金屬中毒時有發(fā)生。針對水體中的總氮、總磷、化學需氧量(COD)和生化需氧量(BOD5)以及低濃度重金屬離子等凈化，傳統(tǒng)工藝雖可以對前三者產(chǎn)生較佳的治理效果，但對水中低濃度重金屬離子的處理仍存在局限性。植物修復技術則可以通過遷移的方式來治理這些難降解和高穩(wěn)定性的重金屬離子，該方法安全、無損且低能耗。對比國內(nèi)外的相關植物修復技術發(fā)現(xiàn)，一些植物如燈心草、香蒲和蘆葦?shù)茸鳛槌Ｓ醚芯繉ο?，可對污水中的總氮、總磷、COD、BOD5等具有較好的凈化應用效果，但對重金屬離子的凈化處理工作未提及。本文將針對除這些常見植物的修復作用外，開展新型植物對于污水凈化治理的效果評價，達到社會環(huán)保效益、經(jīng)濟效益雙贏的目的，具有一定的指導借鑒意義[1]。

1 實驗概況

本文通過模擬濕地的工作環(huán)境，選擇千屈菜、黃花鳶尾、菖蒲、石菖蒲、澤瀉以及玉帶草等6種植物應用于處理城市污水的過程中。這些植物都需經(jīng)過一定的處理，位于直徑20 cm、高20 cm的桶內(nèi)其生長基質(zhì)厚約12 cm，且為保證實驗的準確性，生長基質(zhì)需用鹽酸浸泡處理12 h后用去離子水進行洗滌，最終維持基質(zhì)以上水位高度為8 cm。城市污水則選用某城市污水試樣，且其總氮、總磷、COD、BOD5的初始質(zhì)量濃度為34.05、4.42、357 mg/mL。除此之外，各類重金屬(Pd、Cd、Cr)的初始質(zhì)量濃度如表1所示，其值已超過環(huán)境規(guī)定的允許濃度。

2 實驗方法

整體實驗采取對照的實驗方法，包括空白組和實驗組。實驗組內(nèi)分別栽培6種植物于實驗桶內(nèi)，且在每個桶內(nèi)放置植物的數(shù)量為3株。使用這些植物處理污水的天數(shù)分別為5 d、10 d及15 d。測量水中總氮的方法利用堿性過硫酸鉀氧化法；測量水中總磷的方法利用鉬藍比色法；COD和BOD5的測量方法分別使用HH-6化學耗氧量測定儀以及890型微機測定儀；針對污水中重金屬濃度的測定選用島津原子吸收/火焰發(fā)射分光光度計。

該植物修復技術對水體凈化效果評價的指標為計算其去除率，計算方式如下：

3 應用評價

本部分主要闡述植物修復技術對污水中總氮、總磷、COD、BOD5以及重金屬的凈化效果。

3.1 植物修復技術對總氮的凈化

目前，通過人工濕地除氮主要是基于基質(zhì)吸附、硝化與反硝化作用、植物萃取、氨化以及揮發(fā)等作用?？偨Y除氮的相關研究發(fā)現(xiàn)，在除氮等方面起主要作用的是基于硝化與反硝化作用[2]，而一些重金屬離子(Pd、Cd)等則對一些綠色植物的除氮起抑制作用[3]。本項工作選擇的6種植物經(jīng)實驗研究得出，它們均可對水體中的氮元素去除達到良好的效果評價。在第一階段，處理時間為5 d時，黃花鳶尾、菖蒲、玉帶草3種植物達到較佳的處理效果，石菖蒲處理效果最佳。在第二階段，處理時間為10 d時，表現(xiàn)突出的為黃花鳶尾和石菖蒲，對水體中總氮的凈化率可達91.50%和91.40%，優(yōu)于其他幾種植物。在第三階段，處理時間為15 d時，6種植物都能達到不錯的總氮凈化效果，黃花鳶尾和石菖蒲也仍保持為最佳的去除率?？偨Y來說，6種植物對水體中的總氮均能達到強凈化、持續(xù)時間長的處理能力，這主要是基于微生物的硝化與反硝化作用、植物自身的吸收作用。

3.2 植物修復技術對總磷的凈化

通過人工濕地除磷主要是基于生物同化、絡合及沉淀、植物萃取以及吸附等過程。與研究6種植物對水體除氮的效果類似，隨著3個時間節(jié)點的延伸，去除效果也呈上升狀態(tài)。當處理時間為5 d時，黃花鳶尾的除磷效果優(yōu)先得到最佳且極為顯著，占空白組的167%。對比于其他種類植物，其除磷占比則在130%～162%。當處理時間為5 d、10 d時，各類植物對于除磷的效果均達到飽和狀態(tài)，其除磷率都達到95%以上，整個水體中的總磷也維持于一定的濃度。在這6種植物中，黃花鳶尾植物達到最佳的凈化磷效果，為98.5%，石菖蒲排在第二位?？傮w來說，6種植物對水體中的總磷處理效果均能達到強凈化、短周期的凈化效果。

3.3 植物修復技術對COD和BOD5的影響

在人工濕地環(huán)境中，根據(jù)其基質(zhì)中的含氧量，可分別進行好氧微生物及厭氧微生物對有機物的降解。但是針對濕地環(huán)境中的植物來說，它們主要是基于好氧微生物對有機物的降解，主要基于植物中導管將氧氣至其根系。有相關研究表明，金屬離子的存在并未能夠限制水生植物對COD和BOD5的影響。

首先，針對水生植物對COD的去除效果影響，在處理時間為第5天時，千屈菜、菖蒲以及石菖蒲的去除效果較為明顯，但玉帶草的處理效果相對較差。而在隨后實驗的第10天，結果表明，各類植物的去除率存在較大的差距，黃花鳶尾和石菖蒲的去除效果最佳，可達92%以上，其余種類的植物之間的去除效果則相差不大。除此之外，還需討論水生植物對BOD5的影響，在第一階段即處理時間為5 d，各類植物對BOD5的去除影響較小，當達到第三階段時，結果仍為黃花鳶尾和石菖蒲的去除效果最佳，與空白組BOD5的占比相差高于8%以上。

3.4 植物修復技術對重金屬的凈化

雖有研究報道稱，在水體中存在的重金屬離子會抑制水生植物的生長[4]。但在本次實驗中，所選取的植物對重金屬的凈化效果良好。植物修復對重金屬的凈化主要是基于植物刺激、植物降解、植物揮發(fā)、植物濾過、植物穩(wěn)定以及植物萃取等作用。經(jīng)分析，本實驗得出植物修復技術主要是基于植物濾過、植物穩(wěn)定以及植物萃取。各類植物對于3種重金屬的去除效果分析如下：黃花鳶尾對三種重金屬去除能力最強且去除排序為Cr、Pd、Cd，且高出空白組中各類金屬占比為25%、22%以及15%；菖蒲以及石菖蒲對不同重金屬離子的去除效果不同，其中，菖蒲對Cr的去除效果僅次于黃花鳶尾，石菖蒲則對其余兩種重金屬離子的去除效果較佳；其余三種水生植物中，玉帶草和澤瀉僅對Cd的有著良好的去除效果，千屈菜可去除Cr、Pd。不僅如此，水生植物的生長基質(zhì)對重金屬離子也起一定的去除作用，依據(jù)空白組實驗表明，其基質(zhì)可去除70%以上重金屬離子，占有非常重要的作用。

4 結論

本文通過選擇千屈菜、黃花鳶尾、菖蒲、石菖蒲、澤瀉以及玉帶草6種植物在處理城市污水中對總氮、總磷、化學需氧量(COD)和生化需氧量(BODS)以及低濃度重金屬離子的凈化效果，結果表明，這6種植物均可以達到良好的凈化效果，但針對不同的植物凈化效果不同，處理效果最佳的是黃花鳶尾，石菖蒲次之，但兩者都表現(xiàn)較為突出。本項研究工作旨在表現(xiàn)植物修復技術在凈化能力以及經(jīng)濟效益方面有重大作用，值得后續(xù)進一步深入研究。