植物在水體富營養化治理工程中的應用與前景

陶元+陳莎+黃碧捷

摘要：針對水體的富營養化在我國情況越來越惡劣的情況，分析了水體富營養化的成因，并對使用植物凈化富營養化水體技術進行了闡述。結合目前利用植物凈化受污染水環境技術的發展，指出了植物在富營養化水體凈化方面表現出良好的效果、植物改善富營養化水體的實際工程應用及該技術的良好發展前景。

關鍵詞：水體富營養化；植物凈化；治理工程

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0036-03

1 引言

近年來，我國經濟發展迅猛，人民生活水平得到逐步改善，人們對環境問題也愈來愈重視。當前水體污染、水體富營養化問題也逐漸暴露在人們的視野，不達標工業廢水，農業施肥及生活污水向水體中大量排放氮、磷，引起水體富營養化。大量的氮、磷等營養物質的積累，使生物在水體大量的繁殖，從而造成對水生生態系統的破壞。中國湖泊很多，有2300多個大于1 km2的湖泊，湖泊總面積約70988 km2，相當于0.8%陸地的總面積，其中統計湖泊中有56% 的湖泊處于富營養化狀態[1]。針對我國愈來愈嚴峻的水質環境，環境保護部發布了“十三五”期間，全國需完善的水體質量的國控單元信息343個，涉及29個省（自治區、直轄市），197個地級及以上城市，956個縣（區，市）。由此可見，我國對水環境的質量越來越重視。

2 水生植物及其作用機理

2.1 水生植物

當下水生植物的定義仍有很大的差異。筆者認為，水生植物是生長在水中，并能夠在營養物和水環境的支持下，其所有部分可以繁殖；或在正常條件下，當其中的營養成分逐漸降低時，還可以誘導發生有性繁殖的植物。

2.2 作用機理

富營養化水體利用植物凈化的機理不同于其他凈化污染水體的方法。該技術主要是用水生植物和根區微生物一起產生作用，從而達到凈化污水的目的。植物也會對水體中的氮、磷和懸浮顆粒進行吸收、微生物轉化、物理吸附和沉淀作用，同時對有機物進行吸收，對重金屬進行富集。植物利用污水中的氮、磷，來維持自身生長，且能吸收某些重金屬，在脫毒后于植物體內被降解。

2.2.1 物理作用機理

水生植物的物理效應：其根、莖、葉等吸附有機質、氮、磷和多種微生物。例如，水生植物根系與水體有較多接觸。這相當于產生一個致密的過濾網，使污水中的污染物質被吸附或滯留在根部，細菌同樣會被根系吸附。污染物和細菌沉積物中磷含量增加，會使釋放的磷在上層水含量降低，而達到湖水凈化的效果。同時，大型水生植物可通過生長茂盛的水生植物的莖、葉以覆蓋陽光并減少水中藻類的光合作用來抑制水體中藻類的生長。

2.2.2 生物作用機理

通過生物作用來改善水質是水生植物改善受損水環境的主要途徑。①水生植物根莖上的生物膜能起到有效凈化水體的作用。②水生植物中根際微生物的氧化分解是生物修復的主要過程。根際微生物的生長情況和活性會直接影響生態恢復的效果。③大型水生植物的同化也可以達到凈化水體的作用，不同植物種類對根際微生物豐度，種群和活性的影響也不同。一般認為，在生態恢復過程中，水生植物的同化量占總污染物總量的20%。他們大多數只能去除5%～13%，不同的水生植物凈化污水的能力也不盡相同。

此外，在光合作用下，金屬元素在植物自身離子交換過程螯合。這改變了植物根際附近的酸堿度，會影響到金屬元素的活性。所以若植物能大量吸附礦物元素，則會增強植物凈化水體的能力，這對水體凈化具有重要作用。

2.2.3 協同作用機理

協同效應是微生物和大型水生植物對污水中污染物降解的過程。有機營養物的降解是微生物在凈化過程中的重要組成部分。水生植物根系會產生一些促進微生物繁殖生長的有機物。從而增加根際微生物數量，最終達到凈化效果。 同時，微生物可在根系生長繁殖。微生物活動也增加了水生植物的根長、根部面積等，彼此互補和相互促進。

3 水生植物在受損水環境中的應用

3.1 城市污水

許多研究發現，城市污水中的氮、磷和有機物可被植物吸附、吸收和同化而去除。楊丹青等[2]研究發現，水翁對總氮的吸附速率為：74.54 mg（N）/（kg·d），總磷：13.39 mg（P）/（kg·d）。同時，水生植物對城市污水中的金屬污染物也有一定的去除作用。與城市污水處理廠相比，植物改善城市污水能節約成本、減小能耗、美化環境等。

3.2 富營養化水體

富營養化將導致水質惡化，水中生物生長不規律，造成生態失衡。影響人們的生活，影響經濟發展等。由此可見，水體富營養化問題有必要深入研究，繼續探索。童昌華等[3]通過實驗研究表明污水中的氮能有效地被水生植物去除，使污水總氮含量顯著降低。去磷的效果較明顯，一個月后總磷含量也都減少到較低水平。狐尾藻和微齒眼子菜去除硝態氮的效果最明顯，去除率達95.85%和90.65%。再例如，張翔凌等[4]對人工濕地用于濱湖型校園湖泊水體修復的研究。選取復合垂直流人工濕地工藝技術治理三角湖水體富營養化問題。該技術對受污地表水中的COD、BOD5、TSS的去除率分別為53.6%、78.7%和80.2%；對總氮的去除率高達一半；春、夏季對TP的去除率可達到60%以上，冬季亦可達到40%。由此可見，水生植物對富營養化水體的具有重要作用。

4 水生植物對受損水環境的修復效果

蔣艾青[5]研究發現，水生植物對氨態氮的去除率達到70%，硝態氮：88.1%。COD：56%，總氮：73.1%，且對凈化后的魚塘多產魚179 kg。 邵廣林[6]發現應用水提取營養池凈化，水浮蓮凈化富營養化水體效果好，具有除去水體中氮磷含量的功能，且利用完后的水浮蓮可以進行綜合利用。 袁向東[7]試驗發現，三種植物體系對改善水體富營養化都有一定的效果，且其對總氮的平均去除率都比較高。非浮游植物體系的去除率僅為55.8%。吳振斌等[8]研究了復合垂直構造濕地系統對廢水的凈化效果。結果表明，三種體系的去除率分別為61%，65%和59%。沒有種植植物的對照組去除率僅為28%。這些研究都表明，水生植物對富營養化水中的氮和磷具有重要去除能力。

5 水生植物改善水體富營養化的實例工程

目前，有大量學者和工程建造者設計研究關于水生植物對于污染水體治理的方法與方案。有大量的水生植物有凈化水的能力，如水葫蘆、水浮蓮、蘆葦、蒲草、菖蒲等。這些水生植物具有很強的抵抗污染，凈化水體的能力[9]。 但是，怎么將它們應用到實踐中也很重要，下面是一些應用實例。

5.1 人工浮島

人工浮島，又稱生態浮床，是指將有凈化能力的水生植物放置在載體上生長，根系會與污水相接觸。在植物生長的過程中，可以吸收氮、磷達到凈化水體的目的。 其主要優點有：改善水體富營養化；給水中生物提供棲息空間；美化環境。 生態浮床上種植的水生植物最好選擇吸附氮磷效果好的，讓其根系與污水完全接觸，既為水生動物提供生長環境，又加強了植物對水中氮磷等污染物的吸收。

5.2 人工濕地

人工濕地是將植物種植在在特殊的填充物上。建立起人工濕地生態系統，水生植物會吸收分解污水中的污染物和營養物使污水得到凈化[10]。人工濕地中存在有氧、缺氧和厭氧三種不同的環境條件。廢水中的氮和磷可以直接被植物吸收，并可以通過硝化和反硝化去除[ 11 ]。

人工濕地系統建造中，應盡可能種植不同植物，保持物種多樣性。同時，植物應具有以下特點：耐污能力強；抗寒能力強；根系發達；生長茂盛；生命力頑強；具有再次利用價值。

5.3 生態溝渠

生態溝渠不僅能給農作物灌溉和排水，而且還有農業非點源污染治理的作用。作為水生生態系統，生態溝渠在給生物提供水份和正常分配中發揮了重要的作用。為生物提供生長環境，攔截溝渠的污染物，使凈化水體能力得到提高。生態溝渠的水體凈化能力主要由其中種植的植物提供。生長的生物，腐殖細菌和微生物形成的生態系統進一步加強了其凈化水體的能力。溝渠里的生物的數量決定了凈化功能的大小。溝渠中生物數量越大，可以被溝渠吸收的污染物越多，對富營養水體凈化作用更顯著。同時，由于溝渠中的水生植物對水流有一定的阻力，減緩了水的流速，使植物能充分吸收污水中的有害物質達到凈化效果。在生產實踐中，特別是在農業發達地區，應在農田系統中建立一定的生態溝渠，配制竹筏植物載體，種植各種良好的水生植物達到凈化效果。溝渠對水中氮，磷等營養物質截取，吸附，從而凈化水質，減少非點源污染進入河流。如實例工程，成都市活水公園[12]。

6 植物改善水體富營養化的效益分析

植物凈化污水相比于目前我國大部分城市污水處理廠來說，具有投資低、耗能小、運行管理簡單等優點。對于我國經濟不發達、能源短缺的許多地方來說，大力開發具有高效、簡易、低能耗的污染處理技術具有極大的意義。在應用實例中，植物改善水污染，不包含二級沉淀池，而是用植物輸氧代替曝氣機，能耗低，投資少。單位污水的處理費用還不到污水處理廠的十分之一[13]，且植物美化環境、易于維護。

7 植物改善水體富營養化研究展望

由于自然植物在地點、污水負荷量等方面常常與實際需要不相符，且自然植物除污能力沒有人工選取的濕地植物強。近幾年來，許多國家和地區都紛紛利用植物來處理大范圍的水體富營養化問題。與傳統的污水處理廠相比，它能去除廢水處理中難去除的營養元素，且凈化效果更好。植物凈化對于畜牧業、農業、淀粉工業、制糖工業、食品加工等產生的廢水及富營養化水體都有較好的效果。且有利于生物活動，保持高度的生物多樣性，并形成較高的生產力，因此，研究富營養化水體的凈化具有重要的意義。但是植物凈化富營養化水體技術中的某些問題也存在爭議，還有待繼續研究。

參考文獻：

[1]霍紅梅. 水生植物對富營養化水體的凈化機理及應用[J].中國科技信息，2011（23）：4.

[2]楊丹菁，靖元孝，陳兆平，等. 水翁對營養化水體氮、磷去除效果及規律研究[J].環境科學學報，2001，21（5）：637～639.

[3]童昌華，楊肖娥，濮培民. 富營養化水體的水生植物凈化試驗研究[J].應用生態學報，2004.15（8）：1447～1450.

[4]張翔凌，張 晟，付貴萍，等.復合垂直流人工濕地用于濱湖型校園湖泊水體修復[J].中國給水排水，2008，24（4）：62～64.

[5]蔣艾青. 鳳眼蓮對城郊污水魚塘的凈化試驗[J].淡水漁業，2003，33（5）：43～44.

[6]邵林廣.水浮蓮凈化富營養化湖泊試驗研究[J].環境與開發，2001，16（2）：28～29.

[7]袁向東，任全進，高士祥，等. 幾種濕地植物凈化生活污水COD、總氮效果比較[J].應用生態學報，2004，15（12）：2337～2341.

[8]吳振斌，陳輝蓉，賀 峰，等.人工濕地系統對污水磷的凈化效果[J].水生生物學報.2001，25（1）：28～35.

[9]趙 湘，惠 峰，蘆建國. 水生植物在富營養化水體治理工程中的應用[J].現代農業科技，2013（4）：237～244.

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[11] 孫震宇，李清飛，何新生. 人工濕地處理農村生活污水研究[J]. 科技創新導報，2011（19）：140

[12] 洪荷芳，胡 奕，周曉燕，等. 人工濕地系統處理生活污水工藝的改進[J]. 工業用水與廢水，2011（6）：87～88.

[13] 李旭東，楊 蕓. 廢水處理技術及工程應用.北京：機械工業出版社，2003.