水生植物在水污染治理中的應用研究

褚福友

（國環正源（江蘇）生態有限公司，南京 210000）

如今，水污染已經成為困擾人類文明發展與危害人體健康的重要問題，雖然社會的不斷發展催生了很多水污染治理技術，但這些技術普遍需要投入大量資金或者使用化學品，容易產生有毒有害副產物。而水生植物是水環境的重要組成部分，合理種植水生植物，能起到良好的污染治理作用，但這需要明確不同水生植物的功能和基于水生植物的污染處理系統運行方式。

1 水生植物與其生態功能

水生植物在生態學領域是一個主要類群，其典型代表是水生維管束植物。水生維管束植物機械組織發達，有挺水、漂浮、浮葉與沉水4種生活型。挺水植物是指植物的根莖生長在底泥中，而上部從水面上挺出，具有代表性的有香蒲和蘆葦等；漂浮植物是指整個植物體漂浮在水面上，有能適應漂浮生長要求的特殊組織結構，具有代表性的有浮萍和鳳眼蓮等；浮葉植物是指植物的根莖生長在底泥中，但葉片漂浮在水面上，具有代表性的有荇菜和睡蓮等；沉水植物是指整個植物體沉在水面下部，其根部進入底泥或懸浮在水中，具有代表性的有金魚藻和狐尾藻等。

水生植物在光合作用下可以將光能變成有機能，同時釋放氧氣，屬初級生產者，可發揮很多生態功能。比如，能對植物生長所需各類營養物質進行短期儲存；對水中含有的污染物進行吸收凈化；減少低等藻類數量，加快水生生物代謝速度。相較于藻類，水生植物便于管控，基于該特點，水生植物可以應用于污水處理中，尤其是富營養化水體。

2 水生植物系統的具體運行方式

按水生植物生活型，以水生植物為核心的污水處理系統可以分成三種（浮葉植物目前暫未研究）。一是采用挺水植物的污水處理系統，主要在濕地中使用，包括人工濕地。其處理范圍包括城鎮污水（二級及以下）、工業廢水和降雨徑流，通過植物吸收與微生物代謝去除污染物，常用植物有蘆葦、香蒲、燈心草和菰等。近幾年，該系統得到廣泛應用和研究，其工藝設計相對成熟。二是采用漂浮植物的污水處理系統，主要應用在與強化氧化塘相似的環境中。其處理范圍包括城鎮污水（二級及以下）、工業廢水、降雨徑流、被污染的天然水，通過植物吸收與微生物代謝去除污染物，常用植物有鳳眼萍、浮萍、大漂、水花生與滿江紅等。該系統設計比較簡單，但工藝優化研究較少，導致實際應用受到一定限制。三是采用沉水植物的污水處理系統，主要在天然水體中使用。其可以用于恢復水中植被，對遭到污染的水體進行修復，通過短時間儲存營養物質實現對水體富營養化的治理，因為操作難度較大，所以當前的研究與應用都很少。

在以上處理系統中，水生植物均處在核心地位，其光合作用能使處理系統對太陽能進行直接利用，同時植物不斷生長創造的棲息環境還能提高生物多樣性，使污染物在水生植物與微生物協同作用下得到降解。相較于傳統單一采用微生物進行處理的方法，水生植物系統投資與能耗均較低，處理過程能和自然生態系統良好融合，但其處理時間較長，直接受到氣候因素影響。值得一提的是，可對以上三種方式進行組合應用，也可以將其與其他處理方式相結合。伴隨研究與應用不斷深入，不同的聯合系統都將水生植物作為核心，在污水處理基礎上充分考慮其他功能，以實現揚長避短。

3 水生植物污染去除機理

3.1 植物吸收

植物可吸收降解的污染物主要有兩類：第一類為植物營養物質，如氮、磷；第二類為某些有機物及重金屬，這些污染物的存在會影響水生生物生存。其中，第一類污染物在被吸收后可直接促進植物的生長發育，而第二類污染物在被吸收后先進行脫毒，然后儲存在植物體內逐步降解。

水生植物能直接在底泥與水層中對氮、磷等營養物質進行吸收，并在吸收后迅速將其同化成核酸及蛋白質。同化速度主要和植物生長速度及所處水體的營養物含量有關，當環境適宜時，營養繁殖能使生物量大幅增加，氮、磷是植物生長的必需物質，部分水生植物對其有很高的固定能力。因為藻類生命周期比水生植物短，水生植物只有在死亡后其存儲的營養物質才會被釋放，所以水生植物對營養物質的存儲要比藻類穩定，可在富營養化嚴重的水體中種植水生植物來起到治理作用，并獲得一定生物資源。漂浮植物的收獲比較容易，而且生長速度較快，所以其實際應用很多。然而，通過大量實踐可知，雖然水生植物可以在污水環境下存活，但要想達到預期治理效果，不可隨意種植，而要根據植物種群自身生長規律和營養物質轉化效率，按照因地制宜的基本原則進行科學設計。

有些重金屬與有機物不是植物生長所需物質，具有一定毒性，而某些植物的獨特生理機制能對其進行脫毒。其中，重金屬主要通過區室化與螯合來脫除，具體形式為耐受和吸收，很多水生植物都具有該機制。比如，鳳眼蓮在吸收重金屬后可通過絡合形成金屬硫肽，使自身富集重金屬；大漂根系發達，可對水中的汞和銅進行吸收、富集；浮萍、紫萍、槐葉萍與滿江紅生長速度快，能分泌出克藻化合物，進而在吸收鎘、鉻、銅、鎳、鉛、汞等重金屬的同時，抑制藻類過度發育；蘆葦和香蒲則兼具多種植物的優點，可去除水中的化學需氧量（BOD）和總氮。

不同種類的有機物被植物吸收后，植物體內完成的代謝過程完全不同。以酚類為例，其被植物吸收后會參與植物的糖代謝過程，生成酚糖苷，當植物含有多酚氧化酶時，還能發生氧化反應，從而實現脫毒。研究表明，鳳眼蓮能直接對水中酚類進行吸收和降解，放養后水體酚類去除速度比放養前快2～3倍。此外，狐尾藻能對水中三硝基甲苯進行直接吸收與降解。植物吸收酚類后，可逐步將其分解成生長所需的營養物質，但具體降解機制目前還不知曉，需要進行更深入的研究。

3.2 微生物降解

和其他以生物為核心的處理系統相同，采用水生植物進行污染治理時，微生物同樣對污染物有一定降解作用。微生物自身代謝活動會降解水中有機物，需要注意的是，在氮的去除方面，雖然有些水生植物可直接吸收，但硝化與反硝化依然為主要去除機制，其占比最高可達90%。水生植物生長能為微生物生存創造良好微環境，其根部為了呼吸，往往通過通氣系統使氧在根與莖葉之間轉移，剩余氧氣直接釋放，使根區成為有氧環境；與此同時，植物根系能為微生物提供附著界面，根系分泌的部分有機物還能促進代謝。即便在根區外部，也能為厭氧微生物創造良好環境，促進其完成反硝化，并對有機物進行厭氧降解。由此可見，微生物在污染物降解上起到決定性作用，但需要以水生植物為前提，兩者相輔相成。

3.3 物化作用

水體中的某些污染物會在物化作用下被去除，具體包含沉降、揮發與吸附幾種。水體中的大多數污染物會在植物作用下得到去除，但過去對這方面進行的研究較少。基于此，要想提高污水處理效率，保證處理效果，必須對水生植物的功能及其和微生物的共生關系進行分析。

4 水生植物選型及搭配

水生植物在污染物處理過程中發揮的作用主要取決于植物類型。當主要去除的污染物為有機物與氮時，應優先選擇可以為微生物生存提供良好附著界面且氧傳遞能力較強的水生植物；如果需要去除水中的氮、磷及重金屬，應優先考慮吸收能力較強和生長速度較快的水生植物；當需要同時去除多種污染物時，要選擇有多種生態功能的水生植物，也可對不同功能的植物進行合理搭配。除此之外，還需要綜合考慮氣候條件是否適宜、植物是否具備良好的抗逆性與抗病害能力、植物管理難易程度等內容。

經大量試驗，研究人員已經選出很多可在污染物去除中使用的植物，這些植物已經在水污染治理中得到大量應用，比如，蘆葦和鳳眼蓮在濕地系統及氧化塘中發揮了很大作用。然而，這些植物的應用大多將附生微生物作為重點，即通過根部附著大量微生物來去除污染物，較少依靠植物自身的吸收功能實現水污染治理，其主要原因為水生植物的吸收功能、吸收污染物后對生長的影響與產生的生物質資源化利用還有待進一步研究。

在實際應用中，可采用全新的技術形式。一是天然湖濱帶，即將天然湖濱作為基礎，在水底投入高效酶促填料及吸附料，然后種植水生植物，以此形成一個包含不同植物類型并兼具景觀觀賞價值的自然凈水系統。該系統可實現二級處理，選擇的植物應滿足功能要求，兼具一定觀賞性。二是生物浮島，使水生植物從在底泥中扎根變為在水中扎根，將塑料泡沫作為植物溫床，在塑料泡沫上鉆出小孔為植物生長提供空間，之后借助當下先進的無土栽培措施，使植物正常生長。實踐表明，這項技術能有效消除水污染，對植物生長及其功能的發揮沒有任何負面影響，還能降低植物對底泥等環境的要求，增添美觀性。

5 結語

現階段，將活性污泥作為核心的污水處理方式需要耗費大量電能，運行及管理費用始終居高不下，二級處理投資費用較高，很多經濟欠發達地區根本無法承受。而采用水生植物進行污水處理，大多將太陽能作為能量來源，而且整個處理過程無須添加化學品，還能回收資源，所以這是一種潛力巨大的綠色污水處理方式。未來，通過不斷的改進與完善，這項技術會得到越發廣泛的應用，在我國污水處理領域發揮巨大作用。