植物修復對黑臭水體底泥中氮磷的去除研究

杜月 胡濱 畢業亮 胡清

摘要：水體底泥在吸納了大量的污染物質之后，逐漸成為引起水體污染和富營養化的內源污染源，嚴重時可引起水體黑臭。黑臭水體底泥的污染控制與修復對水體水質的提升和生態功能的恢復至關重要。植物修復因其投資少，對生態環境擾動小、持續有效時間長、處理污泥量大等優點而備受關注。本文對植物修復原理、高效植物篩選、植物氮磷去除效果及影響因素、植物修復注意事項等問題進行了分析研究。

關鍵詞：植物修復;黑臭水體;氨磷去除

中圖分類號：X173 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）03-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.073

Removal of nitrogen and phosphorus from sediments in black and stink water by phytoremediation

Du Yue1，Hu Bin1，Bi Yeliang2，Hu Qing1

（1.School of Environmental Science and Engineering，Southern University of Science and Technology，Shenzhen Guangdong 518055，China;

2.College of Water Resources and Hydropower，Hebei University of Engineering，Handan Hebei 056038，China）

Abstract：After absorbing a large amount of pollutants，the sediment in the water body gradually becomes an endogenous pollution source that causes water body pollution and eutrophication，and can cause black body odor in severe cases.Pollution control and restoration of black and odorous water sediments are very important for the improvement of water quality and the restoration of ecological functions.Phytoremediation has attracted much attention due to its advantages such as low investment， small disturbance to the ecological environment，long duration of effective time， and large sludge treatment.This article analyzes and researches on the principles of phytoremediation，efficient plant selection， effects and factors of plant nitrogen and phosphorus removal，and precautions for phytoremediation.

Key words：Phytoremediation;Black smelly water body;Ammonia phosphorus removal

河流底泥是河流生態系統的重要組成部分。水體中污染物質的不斷沉積，導致底泥中污染物質濃度高于上覆水幾個數量級。近年來，隨著外源污染控制力度的加大，底泥內源污染已成為引起水體污染和富營養化的重要因素，嚴重時可引起水體黑臭。底泥也是底棲生物的主要生存場所和掠食場所，底泥中的污染物質可以對底棲生物和水體中生物產生毒害作用，并通過生物富集和食物鏈的放大過程影響人類健康。對黑臭水體的底泥的處理和處置，可消除黑臭現象，改善感官效果，對提升河流水質和恢復生態功能至關重要。

1 植物修復原理

植物修復（Phytoremediation）是生物修復技術的一種，主要是通過向污染水體和底泥中引入優良的水草品種，利用水生植物的生長，吸收和降解污染物質，起到削減污染物的作用。相對于環保疏浚、原位覆蓋等目前常用的工程措施，植物修復具有投入低，對生態環境的擾動小、持續有效時間長、處理污泥量大等特點，不但可以恢復和重建底泥和水體的自然生態功能，而且具有一定的觀賞價值和經濟價值。植物修復的概念最早在20世紀80年代，由美國科學家Chaney提出。植物修復是一個復雜的系統工程，水生植物是該系統中的主體，此外包括微生物、浮游生物、底棲生物、水生動物等多個組成部分，各部分協同作用起到對污染物質轉化和去除的目的。

某些水生植物在生長過程中可以過量富集氮、磷、重金屬等污染物質，將這些污染物質固定在生物體內，人們可以通過對植物的收割將污染物質去除。吸附作用也是植物修復過程去除污染物的重要機制之一，水生植物有巨大的比表面積，給懸浮污染物提供附著載體，從而有效的降低水體中污染物的濃度。此外，水生植物的種植有助于改善河道的水流狀態，穩定河床表面、固定泥沙，加速水體中污染物質的沉降，控制底泥中污染物質的遷移和釋放。Moore等選取密西西比三角洲上兩條富營養化的農業排水渠，并在其中一條排水渠中種植寬葉香蒲、黑三棱、燈芯草等作物，發現與未種植植物的水渠相比，降雨期間水體中懸浮固體占總固體物質的比例從95%下降到28%。微生物是植物修復系統中重要的組成部分。水生植物發達的根系可以為微生物的棲息和繁殖場所，提高系統的生物多樣性和生物量;植物根系分泌出一定的聚多糖、氨基酸等物質，可以提高微生物的代謝活性，促進難降解污染物的轉化和去除;植物根系存在富氧和缺氧區，可以為生物脫氮過程提供有利的環境條件。植物修復對底泥污染物的削減通常是以上多個途徑共同作用的結果。Wu等研究了人工濕地植物修復過程中不同的作用機制對沉積物中TN遷移轉化的貢獻，植物吸收量約占總氮去除率的8.4%～34.3%，底泥中的沉積量占20.5%～34.4%，由微生物硝化和反硝化造成的N2O排放量為0.6%～1.9%，包括N2排放、NH3揮發在內的其他TN損失約占2.0%～23.5%。

2 高效植物篩選

不同植物對氮磷的吸收效果存在顯著差異，影響植物修復對底泥氮磷去除效果的關鍵因素在于高效富集植物的選用。植物修復中常見的水生植物有夏威夷草、蘆葦、菖蒲、鳳眼蓮、千屈菜、睡蓮、梭魚草等。唐相臣等考察了聚草、圓幣草等七種植物對氮磷的去除效果，發現浮萍、槐葉萍、聚草、圓幣草每千克干物質對應的氮元素積累量分別為38.2 g、33.6 g、33.1 g、30.6 g，而聚草和圓幣草對磷的富集作用最為明顯，每千克物質對應的磷元素積累量分別為23.6 g和16.3 g，遠高于浮萍（9.5 g）和大漂（5.9 g）。解岳等以西安市長安湖為富營養化水體的典型，研究不同植物對N、P去除效果和機理，結果表明各植物體內TN含量高低依次為：美人蕉>水菖蒲>鳶尾>香蒲>旱傘草>蘆葦>荻，其中美人蕉植株的含氮量為1.72%;植物中磷含量依次為美人蕉>旱傘草>鳶尾>香蒲，美人蕉修復單位磷富集量為26.6 g/m2。Zhu等對比研究了人工植草溝和有植物覆蓋的自然溝渠對氮磷的去除效果，人工植草溝對TN和TP的去除率分別為64.28%和58.02%，遠高于自然溝渠氮磷去除率31.16%和27.49%，其中人工植草溝中種植的美人蕉對氮磷的累積量約為216.59 kg N/（ha·yr）和30.73 kg P/（ha·yr），而自然溝渠中的水芹對氮磷的累積量僅為96.66 kg N/（ha·yr）和7.94 kg P/（ha·yr）。

木本植物一般比草本植物生物量大，壽命更長，對氮磷有更強的生物積累能力。Lu等構建了生態溝渠，分別種植了木本植物（柳樹、桃葉珊瑚）和草本植物（菖蒲、美人蕉），對照研究植物的生長情況和凈化能力，研究表明柳樹對氮磷的攔截效果明顯優于其他的三種植物。木本植物在底泥修復中的應用，關鍵在于對植物耐水性和耐污性的篩選，根據以往研究數據，花葉冬青、月季、八角金盤、白千層屬、互葉白千層、秋楓、串錢柳、風箱樹、兩棲榕、水翁等都適于污染水體和底泥的修復。木本植物根莖發達，泌氧能力強，有利于氧的傳輸，且在冬季等惡劣環境下可以安然越冬，不存在倒伏腐爛等現象，更容易控制由植物植株腐爛造成的二次污染。

底棲微藻是潮間帶生態系統的主要初級生產者，在海岸帶和河口潮間帶普遍分布著密集的底棲微型藻類，其生物量和初級生產力可超過上覆水中的浮游植物，對氮磷等營養物質的吸收能力很強。相對于上覆水中的浮游藻類，底棲微藻可以直接作用于底泥，對底泥中污染物質表現出高效的吸收和儲存。Kwon等報道了四種底棲微藻曲殼藻屬、雙眉藻屬、舟形藻屬、菱形藻屬對底泥中氮磷修復效果，其中菱形藻屬對硝酸鹽的最大吸收速率為0.97 pmol/（cell·h），對磷酸鹽的最大吸收速率為0.30 pmol/（cell·h），在氮缺乏和磷缺乏環境中的生長速率分別為0.73/d和0.70/d。

3 氮磷元素在植株中的分布

氮磷元素在水生植物不同組織結構中的含量有較大的差異，文獻中的相關報道很多，但莫衷一是。一般認為，這與物種以及植物所處的生長環境有關。Tian等在碎石基底和沉積物基底上分別種植蘆葦和香蒲，氮元素在蘆葦與香蒲中的分布呈現相似的規律，即氮元素含量葉>莖>根，而磷元素在根中的含量明顯高于植株的地上部分含量。Meitei等對Loktak湖流域11種植物對氮磷的富集效果進行了為期2年的跟蹤研究，結果表明紫萍植株的地上部分含氮量高達16511.4±30.6 mg/kg，而水芹最大含氮量則出現在根部19308.7±200.1 mg/kg;植物對磷元素的吸收差異也較大，磷在植株中的最大濃度分別出現在菱角的地上部分（1175.84± 30.19 mg kg-1）和菰的地下部分（2820.97 ± 29.78 mg·kg-1）。

此外，生長環境也影響了氮磷在植株中的分布。Xu等研究了沉水植物菹草在不同營養條件下對氮磷的吸收途徑，結果表明在貧養條件下，菹草主要是通過根系從沉積物中吸收氮磷等營養元素;而在富營養狀態下，則同時存在著根部吸收和芽從水體中吸收兩種方式，此時嫩芽吸收TN、TP的比例分別占到49.85%和18.35%，這也導致氮磷在植株各部分累積量的變化。

4 植物氮磷累積量的影響因素

溫度和光照是影響植物對氮磷吸收的重要因素，因此植物對氮磷的積累通常呈現季節性變化。Nandakumar等研究了亞熱帶地區的人工濕地對氮磷的去除效果，對TP的去除率分別為冬季55.2% 、春季78.5%、秋季80.7%和夏季85.6%，夏季人工濕地對TP的去除效率高達384.4 mg/（m2·day）;總凱氏氮（TKN）在春夏兩季的去除率分別為75.6%和84.6%。Meitei等報道，夏季紫萍地上部分的TN濃度為6411.2 ± 400.08-16511.4 ± 30.64 mg·kg-1，冬季TN濃度下降為2453.4± 130.45 -7746.1±110.00 mg·kg-1，而TP的濃度則從夏季的537.8 ± 20.57-1175.8 ± 30.19 mg·kg-1下降為403.9 ± 40.07 -1042.8± 20.02 mg·kg-1。

種植密度也是影響植物對氮磷吸收效果的因素，種植密度過大，會導致種群間競爭激烈，水下光照條件受限，植物生長不佳;而種植密度稀疏時，植物的種間競爭或牧食作用能極大的影響沉水植物的生長和恢復。張萌等報道，金魚藻種植密度為4.0 g/L時，對總氮、總磷去除率最高，分別達86.78%和91.82%;穗花狐尾藻種植密度為2.0 g/L和4.0 g/L時，對總氮、總磷去除率最高，分別達91.6%和92.10%。

人工曝氣過程可以增加水體的溶解氧濃度，促進物質的混合，加速有機污染物的分解，對水生植物的生長和氮磷去除也有一定的影響。Zhao等研究了長期曝氣對生長于污染水體中的梭魚草的形態特征、生理反應和污染物去除效能的影響，結果表明曝氣可以促進梭魚草的分蘗和根系生長，提高過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）的活性，對總氮和氨氮的去除效果分別提高了12.13%和14.16%，但是對總磷和溶解性磷的去除效果降低約10.47%和9.47%。曝氣過程對植物的生理特征和根系微生物群落特征都有明顯影響，因此需要根據去除的目標污染物調整曝氣參數。

5 結語

植物本身是自然環境的重要組成部分，植物修復兼備良好的生態環境效益與經濟效益，逐漸成為污染底泥修復的重要手段，具有可觀的應用前景。在植物修復過程中對水生植物的選擇尤為重要，一般應該遵循以區域內優勢物種為基礎，輔以凈化效果好、再生能力強、入侵性低的物種。部分植物具有較強的生態破壞性，這些植物雖然在氮磷等富營養環境下有較高的生物富集能力，但是也容易出現過度繁殖的問題，可能引起水體中溶解氧的過度消耗，造成更嚴重的環境問題。因此在植物的篩選和應用過程中要格外慎重。植物在生長過程中將氮磷等物質轉化為自身生物質，植物的不當收割將導致根莖葉留在底泥中，富集的污染物質重新釋放，會造成環境的二次污染;只有通過及時收割避免有機體的腐爛，才能實現氮磷的真正去除。因此，選用植物進行水體和底泥修復時，必須重視整個修復過程的管養與維護。一般，在冬季水生植物尚未腐爛之前進行一次收割，夏季則需根據植物生長期的長短和旺盛程度，確定適合的收割次數。

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收稿日期：2020-01-03

基金項目：深圳市技術創新計劃（編號：JSGG2017101202620854）

作者簡介：杜月（1980-），女，漢族，博士，工程師，研究方向為污水治理技術與能源化。