水生植物凈化水質的機理及其應用方式
[摘要]綜述了水生植物在污水處理中的應用及其凈化水質的機理,以及利用水生植物營造的凈化塘、人工濕地系統、水域浮床技術和根際過濾技術等方式凈化污水的研究進展。
[關鍵詞]水生植物;水環境;凈化作用
地球表面積71%被水覆蓋,大洋承納了整個生物圈內97%的水體,極地冰固化了生物圈內2%的水體,只有不到1%的水體以淡水形態存在于江、河、湖泊中,這也是人類和其他生物賴以生存的基礎。但是,隨著工業化進程的加快和人口數量的不斷增加,生態環境不斷受到破壞,水污染日趨嚴重,大多數水體超過國家地表水環境質量四類標準[1]。水體污染問題受到了廣泛的關注,前人對如何預防和治理水體污染做了大量的研究[2～4]。在污水處理中,傳統污染水處理方法如生化二級處理法,工藝成熟、處理效果理想,但建造、運行、管理費用過高;化學法(如加入硫酸銅等)和換水法處理污水,雖然均有一定效果,但化學法易產生二次污染,換水法不夠方便、經濟,且僅適宜于小型水體。為了尋找高效低耗的水污染處理技術,自20世紀70年代起,水生植物開始受到人們的關注。水生植物不僅具有較高的觀賞價值,還能主動吸收水體中的養分物質,對富營養化水體可起到凈化作用。為此,筆者就水生植物對水質的凈化作用和機理進行了概述與分析,同時就其在凈化污水方面的應用方式進行了簡要論述,以期為科技工作者治理水體污染提供一些參考。
1 水生植物在污水處理中的應用
凡生長在水中或濕土壤中的植物,以大型的草本植物為主,包括水生、濕生和沼生植物,稱為水生植物(hydrophyte)[5]。水生植物主要包括3大類:水生維管束植物、水生蘚類和高等藻類。在污水治理中應用較多的是水生維管束植物,它具有發達的機械組織,植物個體比較高大,可分為挺水、浮水和沉水3種生活型[6],這3種類型的水生植物在污水處理系統中存在一些不同的應用方式,詳見(表1)。
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2 水生植物凈化水質的機理
我國利用水生植物凈化水質的研究始于20世紀70年代中期,包括靜態條件下單一物種及多種植物配植對污染物濃度較高污水的凈化作用,及動態方法研究水生植物對污水處理效果[7]。近30年來,對東湖、巢湖、滇池、太湖、洪湖、保立湖、鴨兒湖等淺水湖泊的富營養化控制和濕地生態系統恢復的大量研究證明[8～10],水生植物可以吸收、富集水中的營養物質及其他元素,可增加水體中的氧氣含量,或抑制有害藻類繁殖的能力,遏制底泥營養鹽向水中的再釋放,利于水體的生物平衡等。水生高等植物能有效地凈化富營養化湖水,提高水體的自凈能力[11],也是人工濕地系統發揮凈化作用必不可少的因素之一[12～15]。
2.1 植物自身的性狀和抗性能力
水生植物由于長期生活在一種缺氧、弱光的環境中,形態解剖結構上形成特殊性[16]。根、莖、葉形成完整的通氣組織,保證器官和組織對O2的需要[17];葉片呈肉質,如香蒲表皮有厚角質層,柵欄組織發達,污染點處的根、莖、葉表皮細胞排列緊密等結構能抵抗因污染受害而引起的同化功能下降、水分過分蒸騰,增強了香蒲植物的耐污性和抵抗力[12]。
2.2 植物的吸收、富集作用
水生植物根系發達,利于吸收水中物質。如鳳眼蓮生長過程需要大量的N、P營養物[18],它吸收后生長迅速,對于凈化富營養化水體效果明顯[19],李周玉等[20]研究了鳳眼蓮對養殖水體中Cu離子的消失率,第3dCu離子消失率達53%,第6d則可達75%。香蒲植物吸收廢水中的重金屬時,吸收能力大小依次是根>地下莖>葉,并且按照一定的比例從生境中吸取各種元素,形成新的動態平衡,防止對某元素吸收過多而引起毒害。植物吸收污染物后,尤其是重金屬離子、農藥和其他人工合成有機物等,便富集、固定在體內或土壤中,減少水體中污染物量。研究表明,Pb、Zn進入香蒲體內,主要積聚在皮層細胞中的細胞壁上,只有少量進入原生質,可見細胞壁對重金屬有較高的親和力[21]。
2.3 凈化塘的沉降、吸附和過濾作用
凈化塘里水生植物生長旺盛,根系發達,與水體接觸面積大,形成密集的過濾層。如香蒲,它的地下莖和根形成縱橫交錯的地下莖網,水流緩慢時重金屬和懸浮顆粒被阻隔而沉降,防止其隨水流失[23],同時又在其表面進行離子交換、整合、吸附、沉淀等,不溶性膠體為根系吸附,凝集的菌膠團把懸浮性的有機物和新陳代謝產物沉降下來[22]。
2.4 生化作用
植物凈化污水的過程中生化作用也起到很大作用,這方面已有大量的研究[19,23,24]。光合作用產生的O2和大氣中的O2直接輸送到植株各處,并向水中擴散,一方面根系通過釋放O2,氧化分解根系周圍的沉降物;另一方面使水體底部和基質土壤形成許多厭氧和好氧小區,為微生物活動創造條件,進而形成“根際區”。這樣,植物代謝產物和殘體及溶解的有機碳給濕地中的菌落提供食物源;同時,大量微生物在基質表面形成灰色生物膜,增加了微生物的數量和分解代謝的面積,使植物根部的污染物(富集或沉降下來的)被微生物分解利用或經生物代謝降解過程而去除。富營養化水體中,也可依靠水生植物根莖上的微生物使反硝化菌、氨化菌等加速NH+4—N向NO-2—N和NO-3—N的轉化過程,便于水生植物吸收與利用,減少底泥向水體中的營養鹽釋放。
2.5 對浮游藻類的競爭抑制作用
富營養化嚴重的水體中,藻類瘋長,水質惡化。栽種水生植物后,同浮游藻類競爭營養物質及所需的光熱條件,同時分泌出抑藻物質,破壞藻類正常的生理代謝功能,迫使藻類死亡,以防止其帶來的毒素[23,24]。這樣可提高水體透明度,改善水中的DO含量,促進沉水植物與共生菌的生長,進一步凈化水質。
3 利用水生植物凈化污水的處理方式
3.1 凈化塘
目前在利用水生植物凈化污水時通常是以凈化塘的方式,如鳳眼蓮凈化塘、香蒲植物凈化塘等[25～27]。
凈化塘是以某種水生植物占絕對優勢而組成的特殊水生生態系統,這個系統通過水生植物群落的阻濾、沉降、吸附等物理作用以及植物體的吸收、積累等作用而達到對污水的凈化效果。最近幾年,水生植物凈化塘在國內外發展都比較快,能凈化的污水種類越來越多,已由凈化生活污水發展到工業廢水和城市混合污水;處理規模也越來越大,從利用人工的凈化塘發展到利用天然湖塘、湖灣放養水生植物凈化水質和底泥。在水生植物的利用上,由一種植物為主發展到多種植物搭配,以相互取長補短,達到最佳的凈化效果。比如選用耐寒植物伊樂藻和喜溫植物鳳眼蓮及菱,組建成的常綠型人工水生植被。不僅使試驗區內常年保持較好的水質,而且對外來污染沖擊有很強的緩沖能力,它可用于水源保護、局部性水質控制、污水凈化生態工程、小型富營養水體的生態恢復等[28]。
3.2 人工濕地系統
20世紀70年代發展起來的人工濕地系統是利用水生植物處理污水的又一發展方向[29,30]。由于建造和運轉費用低、維護簡單、效果好,且為眾多野生動物提供了棲息地,成了研究的重點。如蘆葦濕地可用于處理生活污水和部分工業廢水,如造紙廢水、紡織廢水、啤酒廢水、煉油廢水、養殖和飼料及食品加工廢水等。其基建投資、運轉費用和能耗均為常規二級處理方法的1/3～1/5,并有較好的經濟效益和生態效益[31]。Nyakang等[32]利用香蒲、蘆葦、美人蕉等觀賞性水生植物,經過1塊濕地和3個池塘構成的賓館和游泳池污水處理系統,在達到去污目的的同時也營造了優美的水體景觀。Koottatep等[33]還發現進入濕地約50%的總氮是被植物吸收的。濕地系統去除污染物的機理主要是通過沉降、過濾、化學沉淀和吸附、微生物反應和植物吸收等反應過程除去水中的污染物。所以濕地是一種低成本、易操作和高效率的污水處理方法。
3.3 水域浮床技術
水域浮床技術早期僅應用于農業生產,近10年來有學者利用該技術進行水污染控制。它采用人工新材料作浮床,并通過獨特的肥料供應、植物栽培與相應的工程措施,在自然水域的水面上無土栽培植物,在改善水域環境的同時,增加水產品產量[34～37]。
3.4 根際過濾技術(Rhizofiltration)
根際過濾技術是近幾年發展的一種植物修復技術,用來處理放射性核素廢水、重金屬廢水以及富含營養鹽的廢水。它利用超積累植物的根系從廢水中吸收、富集和沉淀污染物,是更經濟、更適于現場操作的原位污染治理技術[38,39]。
4 結語
眾多研究表明,利用水生植物處理系統進行水污染控制具有投資、維護和運行費用低,管理簡便,污水處理效果好,可改善和恢復生態環境、回收資源和能源以及收獲經濟植物等諸多優點,在污水處理和富營養化水體凈化等方面均表現出良好的效果。未來的研究應注重本土原生植物的特性、跨區域引進新型物種的意義、水生植物修復的機理、物質循環、根系與水或土壤的微環境關系、植物與周圍微生物如何共同作用等方面。目前利用水生植物凈化污水尚有許多不足之處,但隨著人們對其研究的深入,特別是在工藝選擇和凈化機理等方面的努力,水生植物必將在水污染控制中發揮更重要的作用,從而更大程度地造福于人類。
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