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水生植物對污染水體修復的研究進展

文字:[大][中][小] 2015/8/27  瀏覽次數:1114

來源:凈水技術  日期:2015-08-27

人類文明進程的加快導致了大量的工業農業和生活廢棄物排入水或土壤中,使水質和土壤受到嚴重污染。隨著對生態學與人類關系研究的深入,越來越多的研究者開始關注利用生態學原理修復受污染的水環境和土壤。水生植物作為自然界生態系統中生產者的一員,其特性決定了具有凈化與修復水體污染的功能。

1 水生植物的凈化機理

1.1 水生植物自身特點

大部分水生植物長期生活在一種缺氧、弱光的環境中,形態解剖結構上就形成了一種特殊性,即具有很發達的根、莖、葉通氣組織,通過植株枝條和根系的氣 體傳輸和釋放作用,將O2輸送至根區,在還原性的底泥中形成了氧化態的微環境,從而加強了根區微生物的生長和繁殖,增強了其降解作用。故水生植物的氣體交 換與輸導作用對以水生植物為主體的生態工程處理系統的正常和高效運行具有重要意義。

1.2 水生植物的吸收富集作用

水生植物能吸收和富集一些有毒有害物質。可溶性有機物通過植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解過程被去除。竇磊等研究表明,Pb、Zn進入香蒲(Cattail)體內,主要積聚在皮層細胞的細胞壁上,只有少量進入原生質。

1.3 物理作用

大型水生植物在水中形成的茂密植被具有抑制風浪和減緩水流的功能,可促進水中懸浮物的下降,以及減少底泥中顆粒物的再懸浮。屠清瑛等在北京什剎海進行的生態恢復試驗證明,改善光照和溶氧條件,人為扶持沉水植物的空間生態位,使其成為優勢種群,能有效降低生物性和非生物性懸浮物濃度,提高水體透明度,增加了水生生態修復的有效性。

1.4 生物化學作用

在植物生長過程中,根系會向生長介質中分泌出大量的有機物,這類分泌物中包含有大量的有機酸、氨基酸和活性酶等;根系表皮細胞死亡后在微生物的作用 下分解為腐殖質。這些分泌物和腐殖質中有一系列功能團,如羥基、羧基、酚羥基、烯醇羥基以及芳環結構等,它們對含各種基團的化合物均具有極強的吸附能力。 當水流經過時,不溶性膠體會被根系粘附或吸附,再通過生物化學作用,將水中的污染物降解。吳振斌等通過人工濕地根區磷酸酶和脲酶活性的測定發現,其脲酶活性與總氮去除率有較明顯的相關關系,證明了植物磷酸酶對磷的去除起到很大作用。

1.5 對浮游藻類的競爭抑制作用

抑制作用也稱為植物的化感作用,Rice將化感作用定義為一種植物通過向環境中釋放化學物質影響其他生物生長的現象。許多研究都表明化感作用普遍存 在于水體中。俞子文等證實了水花生(Alternanthera Philoxeroides)、水浮蓮(Eichhirnia crasslpes)、滿江紅(Azolla IMBRicata)、紫萍(Spirodela Polyrhiza)和西洋菜(Nasturitium Officinale)與雷氏衣藻(Chlamydomonas Reinhardi)有相生相克關系,從水花生、水浮蓮的種植水中得到的分泌物粗提物,也表現出對雷氏衣藻的克制效應。

2 水生植物對不同污染物的凈化能力及自身代謝生長對水質的影響

2.1 對水體中氮、磷、鉀的去除

不同水生植物對污水凈化能力不同,但對氮、磷、鉀的去除途徑主要有植物吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定等。吳湘等研究了挺水植物蘆葦 (Phragmites Australis)、沉水植物金魚藻(Ceratophyllum Demersum L)和浮葉植物浮葉四角菱(Trapaceae)對池塘養殖廢水的凈化效果,發現它們對水體中氮素的去除率:蘆葦>浮葉四角菱>金魚藻;磷素的去除率:蘆葦>金魚藻>浮葉四角菱,可見挺水植物蘆葦對氮磷具有較好的去除能力。

蔡培英等進行了7種水生植物去除城市生活污水氮、磷效果的研究,結果表明7種水生植物對生活污水中TP的去除率均達60%以上。黃輝等對利用以浮萍為基礎的穩定氧化塘的N、P含量進行了連續3年的監測,監測指標包括N、P、BOD、COD、Fe3+和TSS等,在這些指標中,每一項都降低了60%以上。

任文君等研究了4種沉水植物在白洋淀富營養化環境下的生長狀況,以及對水體氮、磷及有機物的凈化效果,試驗21天后,蓖齒眼子菜 (Potamogeton Pectinatus L)、馬來眼子菜(Potamogeton Malaianus)、金魚藻和黑藻所在的生長體系對水體中總磷的去除率分別為83.59%、84.35%、87.84%和89.88%;對水體中氨氮的 去除率都在75%左右;對總氮的去除率分別為79.40%、83.82%、88.51%和87.73%,綜合來看金魚藻和黑藻凈化效果較好。

宋福等利用狐尾藻(Myriophyllum Verticillatum L)、菹草(Potamogeton Crispus)、苦草(Vallisneria Natans Hara)、伊樂藻、金魚藻、篦齒眼子菜、輪藻等7種沉水植物對受污染的草海水體的(含底泥)總氮去除速率進行了試驗研究,試驗的27 d內,對總氮、總磷的去除百分率分別為80.31%和89.82%,得出多物種同時種植去除效果更好的結論。

童昌華等利用人工模擬的方法,在低溫季節用金魚藻等6種植物對養魚池污水進行凈化處理。結果表明,低溫季節6種植物對總氮、總磷和硝態氮仍有較好的吸收效果,無論總氮,氨氮還是硝態氮狐尾藻的吸收效率都是最高。

2.2 水生植物對重金屬的去除

有許多種濕地植物對污染廢水中的重金屬具有極強的富集能力,這些植物體內的重金屬濃度可達其生長廢水中重金屬濃度的數百甚至數千倍。姜虎生等研究了 蘆葦、水芹菜(Apium Graveolens)、香蒲3種水生植物對含鉻(Cr)污水的吸收和富集作用,結果表明蘆葦對Cr的去除率高于水芹菜和香蒲。

任珺等進行了蘆葦、菖蒲、水蔥(Scirpus validus Vahl)對不同鎘(Cd)濃度和鋅(Zn)濃度的富集能力研究,結果表明:水蔥、菖蒲、蘆葦均能夠有效吸收水體中的Cd,菖蒲對水體中Cd具有最強的富 集能力,蘆葦對Cd的富集能力最弱;菖蒲對Zn2+的吸收能力也高于水蔥和蘆葦。

徐德福等以4種挺水植物為材料研究了對重金屬鋅的抗性和去除能力,結果表明:燈心草和菖蒲對鋅的抗性能力較強,茭白和美人蕉則較弱。而燈心草抗鋅毒害能力最強,當處理鋅污染水體時,燈心草可作為一種工程植物。

2.3 水生植物耐鹽性研究

對于含鹽廢水,尤其是無機氮、磷營養鹽含量高,COD含量相對較低,不易生化降解的受污染的水體極易富營養化。付春平等研究了香蒲濕地及水蔥對泰達地區高含鹽再生水的 凈化效果。結果表明香蒲在鹽度高達4 800 mg/L時水質凈化效果仍良好;水蔥對含鹽量高達5000 mg/L的污染水仍具有明顯的凈化效果。在泰達再生水景觀河道實際水體中,對COD、TN、NO3--N、NH3-N、TP、PO43--P的去除率分別 為21.37%、61.84%、72.35%、9.30%、49.09%、56.52%,并且兩者都能夠降低水體的pH值。

不同水生植物的抗鹽度能力也不同,李雙躍等對蘆葦、香蒲、荷花3種水生植物在不同鹽濃度下的SOD、POD活性和MDA、葉綠素含量等進行了研究。結果表明蘆葦的耐鹽性最強,高鹽度下對蘆葦的生長沒有很大影響。

2.4 根系分泌物及根際微生物對廢水凈化作用

植物-微生物相互作用主宰了陸地生態系統的 生態功能,可溶性根系分泌物為微生物提供了豐富的有效性碳源,根系分泌物是植物對環境條件本能反應的一種特征物質。植物和微生物進行協同代謝過程,袁東海 等通過對幾種濕地植物凈化生活污水COD、總氮效果比較發現,植被系統凈化污染物的能力一方面取決于植物的生物量,另一方面取決于植被根際微生物的硝化反 硝化作用。魏成在不同植物組合條件下,研究了人工濕地系統的污染物去除效率與植物根際微生物群落的相互關系。結果表明,通過不同植物組合而成的濕地系統, 可提高根際微生物群落功能多樣性,從而提高人工濕地污染物凈化的效率和穩定性。

2.5 水生植物腐爛分解對水質的影響

Tanner等在研究利用水生植物處理人工濕地污水時發現,一定量的植物殘體可以促進整個系統的脫氮過程,但超過一定范圍,氮、磷去除率會減小。唐 金艷等對6種水生植物進行64天的腐爛分解試驗,結果表明,水生植物在分解前期,會造成水體氮、磷等營養元素激增和局部缺氧現象,但在分解后期,水體中硝 態氮和亞硝態氮濃度開始下降,還發現挺水植物蘆葦腐解過程中的水體化學需氧量、總氮和總磷濃度最低,水質最好。

3 水生植物凈化污染水體的工程與應用研究

3.1 凈化塘

水生植物塘具有較高的去污效能,其出水水質,特別是對氮、磷等營養物的去除,比普通氧化塘系統好得多。在城市環境與城市生態靜態實驗中,水生植物塘對磷和有機物一級降解速率比一般菌藻共生塘平均高出兩倍以上。楊鵬等利用三級凈化塘處理工藝對云南省某農業生活與農業廢水進行了生態攔截與修復,凈化塘主要植物為當地植物,如茭白、蓮藕、洱海海菜、浮萍和鳳眼蓮等。實際運行結果表明,該工藝處理效果良好,運行穩定,對水體中總氮、總磷和COD的累計去除率分別達到96.76%、95.08%和83.90%。

3.2 人工濕地系統

蘆葦和香蒲被國際上公認是人工濕地的首選植物,其種植簡單、繁殖能力強、管理要求粗放、處理效果好。Valipour用蘆葦和寬葉香蒲濕地系統凈化城市污水試驗表明,BOD去除率達到86.59%。隋艷杰等研究也表明,用蘆葦作濕地植被,BOD、COD和SS去除效果好。成水平等研究顯示,香蒲、燈芯草人工濕地對COD的去除率均達94%以上。

3.3 生態浮床技術

生態浮床技術是以水生植物為主體,運用無土栽培技術原理,以高分子材料等為載體和基質,應用物種間共生關系和充分利用水體空間生態位和營養生態位的 原則。該技術不受水位變化的影響,維護管理方便。在改善水域環境的同時,增加水產品產量,是一種有效的水體原位修復和控制技術。利用浮床植物系統修復富營 養化水體方面的工作已開展很多年,也取得了一定的效果。周楠楠等研究了蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk)和美人蕉(Canna lily)2種浮床植物系統對富營養化水體的凈化效果,結果表明:2種浮床系統對水體銨氮的去除率分別為89%和39%;對總磷的去除率分別為85%和 36%。

3.4 根際過濾技術

根際過濾技術主要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。超積累植物可以對根際土壤中重金屬活化,螯合土壤中的重金屬,還原土壤中的重金屬。超積累植物積累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量一般在1 000 mg/kg以上,積累的Mn、Zn含量在10 000 mg/kg以上。目前,國際上報道的超積累植物已有500多種,但國內有關水生植物對水體底泥重金屬超積累研究較少。

3.5 對生活污水凈化

王慶海通過模擬人工濕地的方法測試了幾種高等水生植物對生活污水的凈化能力,結果表明對氮、磷和COD去除情況總的來說菖蒲的凈化能力高于蘆葦。于 秋良實驗結果表明:芹菜和吊蘭(Chlorophytum)對污水總磷的去除率分別為79.5%、88%,對銨態氮的去除率為80%、80.3%,對 CODCr的去除率達71.2%、76.33%。

3.6 對石油化工有機廢水凈化

周元清等對慈菇、大薸(Pistia stratiotes Linn)、穗狀狐尾藻,進行去除有機廢水中的污染物的實驗。結果表明3種植物對廢水凈化均有非常明顯的效果,其中穗狀狐尾藻對污染水體TN、TP的去除效率均在90%以上。

劉建武等選用鳳眼蓮、水花生、浮萍、紫萍對2.5 mg/L的含萘污水進行處理,7 d凈化率鳳眼蓮可達到97.1%。Soltan等研究發現,酚濃度為0.36 mg/L的溶液用鳳眼蓮凈化30~40 h,酚可降至0.005 mg/L。于方磊等研究了普生輪藻、豆瓣菜(Nasturtium officinale R. Br)和菹草對水體中苯的凈化作用,對苯的最大去除率分別達到35.26%、69.71%和55.45%,普生輪藻和豆瓣菜均在18℃時去除率最高,而菹 草在溫度較低時活性較強,在8℃時去除效率最高,故夏秋季可選用豆瓣菜,冬季則可選用菹草。

4 結論與展望

綜上所述,挺水植物對氮、磷有較好的去除能力,對重金屬離子有較好的富集作用,耐鹽、凈化污水效果好。其代表植物蘆葦是水生植物塘的首選植物之一。 浮水植物如鳳眼蓮、浮萍在凈化石化廢水、生活污水,對COD、BOD、NH3-N、TN和TP等污染成分都有很好的去除效果。尤其鳳眼蓮對毒物的吸收能力 甚至高于蘆葦,鳳眼蓮、浮萍可作為生態修復的遴選物種。沉水植物中金魚藻,狐尾藻凈化修復能力很好,對有機物、重金屬、氮、磷等去除效果都可以達到較好效 果。

水生植物對水體的凈化能力與其生長狀態關系緊密,環境溫度影響其生長狀態。考慮季節溫度變化,第一:在工程設計上可以采用覆膜和改變生態位的越冬技術,覆膜即用無色透明的農用塑料膜 覆蓋植物群落,然后用大網孔的尼龍網罩在植物群落上,再將網壓入水中,使植株頂端沒于水面下5~10cm左右,將漂浮生態位改變為沉水生態位。第二:考慮 將兩種及以上不同溫度習性的水生植物共同種植來進行凈化處理污染水體。如采用水生植物多種組合配置或多級水生植物串聯塘,形成一定的凈化層次,這樣有利于 水生植物的生長期和凈化功能的季節性交替互補。

由于超積累植物的數量少,因而今后應繼續尋找和開發生物量大、超量積累有害重金屬的植物,尋找更多指示污染物有效性的野生或栽培植物;此外可采用先進的基因工程技術改造植物,以獲得理想的超積累植物。

水體中污染物的種類繁多,進一步的研究方向應是加強植物的篩選、培育和合理搭配高效率的植物品種以滿足不同環境的修復需要。其他的措施應還包括及時 清理植物枯枝敗葉,防止腐爛分解,,如菹草在分解后期,會釋放大量的COD和TN進入水體中,導致水體水質變差。所以,在水生植物修復污染水體過程中,對 其進行全過程的管理,也是防止二次污染的一項很重要的工作。

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