水生植物在水污染治理中的凈化機(jī)理及其應(yīng)用

1、工業(yè)安全m環(huán)保Inckislrial Saftiv anri Ejivimniwntal Protection2005年第31卷第1期JiUHury 2)05 # 污水處理水生植物在水污染治理中的凈化機(jī)理及其應(yīng)用*程偉程丹李強(qiáng)（華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 武漢430074）摘 要 綜述了水生植物在水汚染治理屮的凈化作川、凈化效果及其應(yīng)用現(xiàn)狀，此外，還報道了生物浮甜等應(yīng)用水生値 物治理污水的新技術(shù).最后展望了這種污水凈化技術(shù)的前杲。關(guān)鍵詞水牛維符束植物水污染治理凈化作用生物浮需Hie Purification Principle and Application of Aquatic Vasc

2、ular MacrophytesOiefig Vi ei Chei卑 Dan lj Qiai轂(SchrnJ (f EnrironmFnt Engiewi咚 & Enffim&ring, llutcluvif! I iurersil, tf Scicire & TwheH電yHuh(m 430074)Abstract In this jiqier the ctiirtit research of a(|untie nutn<)f)li>1 es in llr ivater pollulkm trejitmtit b *immarDed inchiling |

3、iirfic<iii<Mi |rinci|Je« piirificat i>n effici«icy and it> qplicaibn In «Ki<£t i)n. hhv te(4)ni(|um .ni tlit* Iivatnuil (/ wa?<e waler will acpalic n)acn)f)ln le> Aich m biology- float ii- Uaul air repoittMl and tliefutum devebimettf pimped is described.Keywo

4、rds <y|iKdic vascular plait w<ilcr |i)lhi bn tritnvmt piriGntfioti biok特一 flcui! iig- bland隨著城曲建設(shè)速度的加快.人a污水、廢水的排放嚴(yán)巫 污染了環(huán)境和水源.適成水質(zhì)ri益惡化水資源口益不足. 為了尋找髙效低耗的水污染處理技術(shù).越來越多的專家與學(xué) 者關(guān)注生物處理尤苴是水牛維管束杭物處理法。水生維管 束杭物是水生生物群落中的一大生態(tài)類群它們種類多，分 布廣.產(chǎn)量高。大量匸程實踐表明，這項技術(shù)不僅能起到凈 化水的作用，還能改善生態(tài)環(huán)境促進(jìn)退化水生態(tài)系的恢1L 并ILH冇低投資、低能耗的特點,近年

5、來己成為環(huán)境領(lǐng)域的 研究熱點之一.1水生植物概述水生植物主要包括三大類：水生維管束植物、水生鮮類 和高等藻類.在污水治理中應(yīng)用較多的是水生維管束植物 （aquati<- vascular plant）,它具有發(fā)達(dá)的機(jī)械組織，植物個體比 較高大，按生活型，可分為挺水、浮葉、漂浮和沉水4種類 型.見表1.表1大型水生植物的4種生活型?；羁丈L特點代表種類挺水植物根莖生于底泥中，植物體上部挺出水面蘆枳香蒲浮葉植物 根莖生r底泥.葉滌浮水面睡蓮、桿菜漂浮植物植物體完全漂浮丁水而.ji右特殊的適 應(yīng)漂浮生活的組織結(jié)構(gòu)風(fēng)眼蓮、浮萍沉水植物杭物體完全沉水氣界面以卜;榊扎丁底泥或漂浮丁水中2水生植物的凈

6、化機(jī)理2.1物理作用水生植物的存在減小了水中的風(fēng)浪擾動.附低了水流速 度叫并減小了水面風(fēng)遡叭這為懸浮固體的沉淀去除創(chuàng)造了更好的條件，并減小了固體重新懸浮的可能性。另外，覆 蓋在人工濕地上的植物對穩(wěn)定人工濕地的上壤也I分重要， 因為其稠密的根系阻止了沖蝕縫隙的形成。植物另一重要作用是它的隔熱性.在冬季，當(dāng)人丁濕 地中的水生植物死門并被雪覆蓋后.它就為人工濕地提供了 一個隔熱層，這樣有利于防止人工濕地上壤凍結(jié)。2.2植物的吸收作用植物需耍氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，以維持生氏和緊殖的需 要。冇權(quán)的杭物通過根部攝取營養(yǎng)物質(zhì)，某匹浸沒在水中的 莖葉也從周用的水中攝取營養(yǎng)物質(zhì)。水生植物產(chǎn)屋髙.大就 的營養(yǎng)物被固定

7、在其牛物體內(nèi).當(dāng)收割后營養(yǎng)物就能從 系統(tǒng)中被去除。有研究表明：挺水植物的吸收能力為30 150 kg«/（ h年）,2 000- 2 500 kg./（ lia2-年）（S,.在 Sharon A. Branwdl進(jìn)行的用風(fēng)眼蓮凈化二級處理出水的實驗中, 7天后植物組織中的氮fit增加了 2.9%,磷増加了 6. 7%. 2.3植物的富集作用許多的水生植物冇較高的耐污能力，能富集水中的金屬 離子和有機(jī)物質(zhì)比如鳳眼蓮.由于其線粒體中含有多酚氧 化酶可以通過多酚氧化酶對外源苯酚的羥化及氧化作用而 解除酚對植物株的毒害Hl,所以對車金屬和含酚仃機(jī)物仃很 強(qiáng)的吸收富集能力。在M.E.Soha

8、i181的研究中，鳳眼蓮每克 干物質(zhì)能吸收猛1 485 ± 110也,鋅295 士 10 Pg, 185 ±13 也.銅142±19 Pgo當(dāng)水中含酚0.36mg/L時.用鳳眼蓮經(jīng)過 30- 40h.酚可降至0.005 mg/Lo在溫度為17 37C范用內(nèi). 隨著溫皮的升高風(fēng)眼蓮除酚速度也增加。2.4與微生物的協(xié)同降解作用污水屮對仃機(jī)營養(yǎng)物起降解作川的主耍是微生物卩°1。© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 工業(yè)安

9、全m環(huán)保Inckislrial Saftiv anri Ejivimniwntal Protection2005年第31卷第1期JiUHury 2)05 # © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 工業(yè)安全m環(huán)保Inckislrial Saftiv anri Ejivimniwntal Protection2005年第31卷第1期JiUHury 2)05 7 基金項目：國家*卜五” 863課瞪城市污水生物/生態(tài)處理技術(shù)示范".課題編號:2XBAA

10、601110© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, # 例如 Gersgug1 叭Hwbeit 和 I¥ifle?121 > Reerf B,的研究表明,氨 氮的主要去除途徑是硝化、反硝化作用而不是靠植物的吸 收。但水生植物群落的存在，為微生物和微樂動物提供了附 著基質(zhì)和棲息場所.其浸沒在水中的莖葉為形成生物脫提供 了廣大的表面空間埋任濕地上壤中的根系也為微生物提供 J"竝質(zhì)。植物機(jī)體匕寄居著稠密的光合口養(yǎng)藻類、細(xì)菌和原 生動物這

11、些生物的新凍代謝能大大加速栽昭在根系周網(wǎng)的 有機(jī)膠體或忍浮物的分解M。2.5氣體傳輸和釋放作用水生維管束橋物通過植株枝條和根系的氣體傳輸和釋 放作用，能將光合作用產(chǎn)生的氣氣或大氣中的値氣輸送至根 系一部分供植物呼吸作用一部分通過根系向根區(qū)禪放，擴(kuò) 散到周用缺氧的環(huán)境中.在還原性的底泥中形成了氣化態(tài)的 微環(huán)境.加強(qiáng)了根區(qū)微生物的生長和繁殖，促進(jìn)了好氧生物 對有機(jī)物的分解，并有助于硝化菌的生長阿。水生植物根 系任人工濕地底部的擴(kuò)展有利丁微生物特別圧好氧細(xì)菌向 濕地深處分布W冇研究報itf 161,在莎罰（ Cyperusjiapyrus）枝條與大氣之 間口天沒有02的交換但夜間，6 rh大氣進(jìn)入枝

12、條的速率 為116 mmol/ （in2- s） 從而保證了植物夜間呼吸需氧.而從 枝條向根系輸送Qj的速率,白天為3. 19 mmol/Cm2* s）,夜間 則更高達(dá) 427 mmol/（ in-* s）。根系除了氧氣外還釋放別的物質(zhì)。來口徳國Maxplanek 機(jī)構(gòu)的Seidel博L報道說燈心草通過其根部釋放抗生索，當(dāng) 污水通過燈心草后，一些細(xì)菌（大腸桿菌、沙門M及腸球菌） 明顯消失了.2.6對藻類的生化他感作用生化他感作用一方面表現(xiàn)在水生植物個體大，吸收、儲 存營養(yǎng)物質(zhì)和利用光能的能力強(qiáng)能與藻類形成競爭.從而 抑制浮游漢類的生長引。另一方面.水生植物向水中分泌化學(xué)物質(zhì)，如帖類化合 物、類

13、固醇等出，來抑制藻類的生長。試鯊Z表明,水花生、 菱、金魚泓和浮萍均能不同程度地減少水體中漠細(xì)胞數(shù)顯, 促進(jìn)漠細(xì)胞內(nèi)葉綠素“的破壞與脂質(zhì)過氧化物含量升髙, 抑制超氣化物歧化酶（SOD）的活性，從而抑制了漠類的生 長。風(fēng)眼蓮根系的分泌物能使柵溪葉綠體、線粒體腫脹、解 體胞內(nèi)可溶性蛋H及光全速率急劇卜降汕刀從而破壞其生 長。2.7提髙水力傳導(dǎo)性人工濕地中根系在生長時會分開并松動上壌并且，當(dāng) 根莖死匚腐爛后它們會留下管狀的孔隙和渠道這被認(rèn)為 增加并穩(wěn)定了土壤的水力傳導(dǎo)性口 o冇研究報逍:，土壤任經(jīng) 歷3年（3個完整的杭物成長期）后，都會形成10- 3m/s的水 力傳&性，而H-H產(chǎn)生將會穩(wěn)定

14、并自我保持下來I。 2.8其他作用水生植物還有一些不直接與水處理過程相關(guān)的作用。 如它能為動物如魚類、鳥類、爬行動物提供代物:在處理系統(tǒng) 中采用荷花、睡蓮等冇較高觀賞性的水生植物.可以使系統(tǒng)3水生維管束植物在水處理中的應(yīng)用3.1城市污水處理水生植物任城市污水中多用于凈化二級處理的出水以 進(jìn)一步弓雖化出水水質(zhì)。主要有綜合塘系統(tǒng)、人工土快濾床及 人工濕地等應(yīng)用方式。IMtr Van Dr Steen! 2,1等采用2個浮萍塘一3個穩(wěn)定塘一 5個浮浮塘串聯(lián)來浄化經(jīng)UASB處理的城i|j污水的出水。穩(wěn) 定塘對SS和HOD去除率較低，這可能足宙于漠類死亡后在 水中深沉或分解而造成的1221;而浮萍塘能抑

15、制藻類的生長. 所以對營養(yǎng)物去除率較髙但對細(xì)菌的作用卻很小.所以將 兩種系統(tǒng)串聯(lián)起來就能發(fā)揮冬自的優(yōu)勢提高凈化效果. 系統(tǒng)平均HOD去除率為60%, COD為54%. NH4 - N為 46%, SS為57%,而大腸桿菌在通過穩(wěn)定塘后可去除99.6% 99.95%.這可能與光照、高富氧及由丁人雖藻類而產(chǎn)生的 高pH值有關(guān).3.2工業(yè)廢水處理丁業(yè)廢水中含有大屋的有機(jī)污染物、重金屬等而某些 水生植物具何對這些汚染物高效上除的特殊功能。戴樹桂等1刖的研究指出，鳳眼蓮對介成洗滌劑凈化率 為81. 48%，而對有機(jī)氮農(nóng)藥六六六、PD- DDE也有一 定凈化率.在田淑媛1絢的研究中，鳳眼蓮對含有大量硫化

16、氫的不同濃度印染廢水.在10天左右有60% 70%的去除 率。E. I.Hozluiia1251用闊葉香蒲和蘆葦來處理西伯利亞一個 金屬礦山的廢水.該廢水富含伸、挪、鐵和猛。這兩種植物的富集效果見農(nóng)2。表2生長在廢水收集塘植物體中的重金屬運(yùn)（干重）Mft/g誦鐵猛闊葉香蒲水上部分5.815390630水卜部分85()1 3(1)13 (MI)<M)水:部分111569015092水F部分2703206 800230從表中叫以看出，水主植物冇極強(qiáng)的富集市金屬的能 力H.水下根莖部分的富集能力大大髙于其它部分顯示出 植物潛在的陽止有毒物質(zhì)大戢滲透到水上萃葉部分從而進(jìn) 入食物鏈威脅人類和動物健

17、康的一種保護(hù)機(jī)制。3.3富營養(yǎng)化水體的治理對富營養(yǎng)化水體治理的一項重耍描施就足重建和恢復(fù) 水牛杭被尤其是沉水植被大就學(xué)者對恢復(fù)水牛植被進(jìn)行了 研究。吳振斌口I等在東湖利用用隔移栽苦草、狐尾猱和范 草等沉水植物經(jīng)過3年的時間，圍隔內(nèi)水體透明度顯著升 髙水質(zhì)有了較大改善,HOD和COD大大降低。吳注271于1999年對杭州西湖浮游植物群落進(jìn)行了為期2 不的逐H調(diào)査分析,結(jié)果表明大部分采取截污、疏浚、引水沖污 治理措施的湖區(qū)浮游杭物群落結(jié)構(gòu)與治理前璉木相同,20年來 的富營養(yǎng)化仍在發(fā)展而西湖子湖之一小南湖區(qū)經(jīng)一系列T程 治瑰重建和恢復(fù)大面枳的沉水植物后水體透明度大大提 A,藻呈明顯卜降.水體特征止在

18、從浮游植物響應(yīng)型向人型髙等 水生植物響應(yīng)型轉(zhuǎn)化。因此截污、疏浚和引水等工程治理措 施.并不能根木改善湖泊水質(zhì)匝建和恢復(fù)沉水植物系統(tǒng)才圧治更迥卑聽準(zhǔn)2012 China Academic Journal Electronic Publis轄轡刪盍齣ts reserved, 11 4.4將這憫樋跖嵌訪釀W酬籍榊ublis關(guān)器鶯經(jīng)過晾'物鬻熟'器'硼鮎3.4生態(tài)杲觀的恢父北京動物園I絢的水鳥湖和牡丹亭湖,由F大量的水嗎 與It它動物的排泄物排入Jt中.水體污染嚴(yán)重，大部分湖區(qū) 水呈黑綠色.史天，湖水散發(fā)出腥臭味.珍稀水禽死亡率明 顯增加。為了恢復(fù)湖水水質(zhì).1993年在湖內(nèi)種植

19、了漂浮植 物（兇眼蓮、戡類）、沉水植物（范草、苦草、聚草）、浮葉植物 （印度蓮花）和挺水杭物（喜旱蓮子草），放養(yǎng)了食草血類、食 忑仏類及喜食腐質(zhì)魚類，形成了一個多功能、多級循環(huán)的 綜介處理系統(tǒng)。經(jīng)過1年多時間的觀測，冬項水質(zhì)指標(biāo)7A 去除率為 73. 25% , TP 為 62. 52% , COD 為 44. 29% , BODs為53. 59%, TSS為75. 05%.水質(zhì)得到了明顯改善，公 園又恢復(fù)了昔日的茂景。成都活水公園（別同樣也是利用水生杭物一微生物一動 物這種多級循環(huán)處理系統(tǒng)來恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的。町見這種凈 化系統(tǒng)不僅能恢復(fù)生態(tài).為游人創(chuàng)造優(yōu)美的景規(guī)還能在帶 來社會效益的同時獲得一

20、定的經(jīng)濟(jì)效益。3.5其它方面水生植物還有其它眾多方面的應(yīng)用。如丈漢平內(nèi)利用S 根半和水花生處理垃圾污水.香根%蘆葦、寬葉喬蒲和蒲住被 用來處理煉油廢水I. S. IMbmd衛(wèi)I利用鳳眼蓮和闊葉香蒲處理 化糞池出水，楊鳳江和李立明13,用水葫蘆和細(xì)綠萍凈化淀粉廢 水.田淑媛導(dǎo)M利用蘆葦、香蒲等水生維管束杭物.對地?zé)嵛菜?處理進(jìn)疔中試試驗，均取得了良好的效果.4水生植物應(yīng)用以及后期綜合利用中的新技術(shù)4.1生物浮骷技術(shù)所謂生物浮島足一種像復(fù)子一樣的人工浮體.浮冊的載 體大多采用白色訥料泡沫。在泡沫上鉆出若干小孔后.利用 無上栽培技術(shù)將一些耐污并具有觀賞效果的水牛杭物如美 人蕉、早傘草等種到里面.再將

21、泡沫板用鐵絲、竹片連接起 來,固定在水中早已打好的樁子上。浮島可以像船一樣從深 水區(qū)拉到淺水區(qū)收割、栽種祁很方便。生物浮陥工程的關(guān)鍵是利川生物治污原理將原本只能 任陸地上種杭的花卉移植到富營養(yǎng)化水體的農(nóng)而.植物的根 系扎在水中會大雖吸收水中的氮、磷等營養(yǎng),在美化水域杲 觀的同時通過植物的吸收利用和吸附作用削減水體中富 含的氮、磷等凈化水質(zhì).重建并恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)。據(jù)報道生物浮島用來治理水華建成2個月就能初步 形成景觀，水體的異味會得到控制，水體透明度得到人福提 高，而3個月后，水華將得到有效控制。目前,國內(nèi)許多城市 如北京、貳漢等已開始利用此技術(shù)處理富營養(yǎng)化水體。利用人工浮島治污，早期成本較高

22、.在日本，浮島由椰 子絞做成以測鋼做框架用錨固定在水面，每in2要花費(fèi)上 百美元。目前國內(nèi)的浮島用舉料泡沫和海綿做成，用竹桿固 定,加上植物栽培，佔計每m2的成本在28 30元人民幣,有 推廣的條件。4.2人工水厚生態(tài)凈化基技術(shù)人工水吐圧矣國研制成功的-種有著水草形狀的人適 聚介物.它足由超編織技術(shù)制適的H冇高比表而積的織物. 水屮微生物，這些微生物種群在這里將水屮仃機(jī)污染物進(jìn)行 高效的降解，使水質(zhì)變得潔凈.從而修父受污染水體。人工水草對修復(fù)水體有三大功能：（1）利用門然界微生物對水體有機(jī)污染物進(jìn)行降解.人 工水草的最大特點是具有巨大的生物附著表面積（I亦阿科 蔓能夠提供的表面積高達(dá)245 m

23、2）,所以其上生存了大就微 生物、原生動物、右生動物，它們能吸附、消化、分解人呈水中 的污染物。（2 JI有強(qiáng)大的脫氮、除磷功能。人工水草H有特殊的 三維復(fù)介結(jié)構(gòu).任其斷而上由外及里能形成好氧、加氧和厭 氧三個反應(yīng)區(qū)同時貝有硝化和反硝化作用，使其具有高效 的脫氮除磷功能。（3）人工水草能為血蝦類營適良好的棲息地.從而建立 起4生態(tài)修ST的水生生物圈。II也我國廣州沖山等城市已利用這種人工水草治理 駅觀水體。據(jù)報道，使用一個月后水質(zhì)開始好轉(zhuǎn)，浮游漠類 消失了，水體腥臭味也得到消除，水體變得淸澈透明水中血 類健鹿地生長。4.3天然湖濱帶污水凈化系統(tǒng)在犬然湖濱帶內(nèi)建立組介水生植物的綜介污水凈化系 統(tǒng)

24、（見圖1）是目前正在研究的新方法。這種系統(tǒng)利用天然 湖濱帶，在水底鋪浪一定數(shù)量的髙效葩促填料與吸附填料. 水中種植乞類水生植物構(gòu)建成一個It!多種群水生植物、動 物和備種微牛 物組成并具有美化景觀效果的多級天然生物 工態(tài)汚水凈化系統(tǒng)對級處理出水作進(jìn)一步的生物與植 物凈化，凈化后的水H接進(jìn)入湖泊作為湖體補(bǔ)充水。這種 系統(tǒng)對環(huán)境不僅幾仃凈化效果，其屮種杭的水生植物如睡 蓮、英人蘊(yùn)等還有關(guān)化景觀的作用。8r-Hi I »g oe水體 扛展仲料 鯉蹙妙料 底泥凈化區(qū)I 凈化區(qū)II |凈化區(qū)皿圖1湖濱凈化帶布這水生植物后期綜介利川的新技術(shù) 水生植物凈化污水后，如不及時利川處理，衰亡后的植 物殘

25、體又回到系統(tǒng)會引起二次污染：即使將植物移出系統(tǒng)若 不加處理隨意放直.也會對環(huán)境楚成二次污染。所以水主植 物的后期綜合利用應(yīng)盡屋變廢為寶產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益 據(jù)中國科學(xué)院上?？萍紪诵伦稍冎行淖C實上?？蒲腥?WC研制成功將鳳眼蓮變廢為寶的新技術(shù)。即利川物理腐 和檢測尊6道匸序，只需半個多小時就可將鳳眼蓮轉(zhuǎn)化成肥 力充沛的有機(jī)肥料.整個生產(chǎn)過程不產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣。 據(jù)了解，利川這種技術(shù)將風(fēng)眼蓮轉(zhuǎn)化成冇機(jī)肥料.毎噸成本 只需1 480元，而肥料育價約3 500元，年產(chǎn)3.5萬I的生產(chǎn) 線可實現(xiàn)年銷售收入1.22億元。5發(fā)展前景利用水生植物凈化污水具有以下優(yōu)點：成本低，能耗 小，對環(huán)境擾動小，植物資源可

26、回收再利用，并獲紂-定經(jīng)濟(jì) 效益，有較高矣化環(huán)境價值.利丁整體生態(tài)環(huán)境的改善。正是因為這些顯善的優(yōu)越性水生維管束植物治理受污 染和富營養(yǎng)化水體的發(fā)展和應(yīng)用具有很廣闊的詢景。尤其 對于包括我國心內(nèi)的發(fā)展中國家環(huán)境汚染和生態(tài)破壞都很 嚴(yán)巫而壞保投入乂有限水生維管束植物凈化技術(shù)將是一 種很好的污染治理手段。我國河湖水面寬廣，利用水生植物 的11然條件比較好。如能因地制宜發(fā)展以水生維管束植物 為核心的凈化系統(tǒng).在污水處理過程中利川從污水資源轉(zhuǎn)化 而來的生物能源和資源將是非常有意義的。參考文獻(xiàn)1種厶阿，胡洪營.錢易.人型水生植物任水污染治理屮的應(yīng)川研究 進(jìn)展.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備.20)3(刁2 Sn

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