水生植物在污水處理和水質改善中的應用

馮奇，張志猛，黃一豪

1.城發水務有限公司；2.知和環保科技有限公司；3.鄭州大學

一、水生植物的概述與其生態功能

（一）水生植物的概述

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。

（二）水生植物的生態功能

在光合作用下，水生植物可以將光能轉化為有機能，同時釋放氧氣。它們是初級生產者，可以發揮許多生態功能。例如，它可以在短時間內儲存植物生長所需的各種養分；吸收和凈化水中所含的污染物；減少低級藻類的數量，加快水生生物的新陳代謝。與藻類相比，水生植物更易于管理和控制。基于這一特點，水生植物可用于污水處理，尤其是富營養化水體。

二、水生植物系統的具體運行方式

根據水生植物的生命類型，以水生植物為核心的污水處理系統可分為三種（浮葉植物目前暫未研究）。一是利用挺水植物的污水處理系統主要用于濕地，包括人工濕地。其處理范圍包括城市污水（二級及以下）、工業廢水和降雨徑流，通過植物吸收和微生物代謝去除污染物。常用的植物包括蘆葦、香蒲、燈芯草和菰等。近年來，該系統得到了廣泛的應用和研究，其流程設計也較為成熟。二是采用浮式植物的污水處理系統，主要用于類似于強化氧化池的環境。其處理范圍包括城市污水（二級及以下）、工業廢水、降雨徑流和污染的天然水，通過植物吸收和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，但對工藝優化的研究較少，在實際應用中存在一定的局限性[1]。三是采用沉水植物的污水處理系統，主要用于天然水體。可用于恢復水中的植被，修復受污染的水體，并通過在短時間內儲存養分來管理水體的富營養化。由于操作困難，目前研究和應用較少。

在上述處理系統中，水生植物處于核心位置，它們的光合作用使處理系統能夠直接利用太陽能。同時，植物不斷生長所創造的棲息環境也可以提高生物多樣性，使污染物存在于水生植物和微生物中，協同降解。與傳統的單一微生物處理方法相比，水生植物系統的投資和能耗較低，處理過程可以很好地與自然生態系統融合，但處理時間較長，且直接受氣候因素影響。值得一提的是，上述三種方法可以結合應用，也可以與其他加工方法結合使用。隨著研究和應用的不斷深入，不同的聯合系統以水生植物為核心，在污水處理的基礎上充分考慮其他功能，實現揚長避短[2]。

三、水生植物在污水處理中的處理方法

（一）植物吸收

植物可以吸收和降解的污染物主要有兩大類：第一類是植物養分，如氮、磷等；第二類是一些有機物和重金屬，這些污染物的存在會影響水生生物的生存。其中，第一類污染物被吸收后可直接促進植物的生長發育，而第二類污染物被吸收后解毒，然后儲存在植物體內逐漸降解。

水生植物可以直接吸收沉積物和水層中的氮、磷等營養物質，吸收后迅速同化成核酸和蛋白質。同化率主要與植物的生長速度和水體的養分含量有關。在環境適宜的情況下，無性繁殖可以大大增加生物量。氮、磷是植物生長必不可少的物質，一些水生植物具有較高的固定能力。由于藻類的生命周期比水草短，而水草中儲存的養分只有在死亡后才會釋放出來，所以水草對養分的儲存比藻類更穩定，可以種植水草在嚴重富營養化的水中。發揮治理作用，獲取一定的生物資源。漂浮植物更容易收獲，生長更快，因此有很多實際應用[3]。但是，通過大量實踐可以看出，雖然水草可以在污水環境中生存，但為了達到預期的處理效果，不應該隨意種植，而應該按照基本原則科學地進行種植。根據植物種群的生長規律和養分的轉化效率，因地制宜。

有些重金屬和有機物不是植物生長所必需的，具有一定的毒性，而有些植物獨特的生理機制可以將它們解毒。其中，重金屬主要通過區室化和螯合去除，具體形式為耐受性和吸收性。許多水生植物都有這種機制。例如，水葫蘆吸附重金屬后，通過絡合形成金屬硫肽，從而富集重金屬；風信子發達的根系可以吸收和富集水中的汞和銅；平嘎和滿江紅生長快，能分泌藻類化合物，能吸收鎘、鉻、銅、鎳、鉛、汞等重金屬，同時抑制藻類過度發育；蘆葦和香蒲具有各種植物的優點，去除水中的化學需氧量（BOD）和總氮。

（二）微生物降解

與其他以生物為中心的處理系統一樣，在利用水生植物進行污染控制時，微生物對污染物也有一定的降解作用。微生物的代謝活動會降解水中的有機物。需要注意的是，在脫氮方面，雖然一些水生植物可以直接吸收，但硝化和反硝化仍是主要的脫氮機制，占比高達90%。水生植物的生長可以為微生物的生存創造良好的微環境。根系為了呼吸，往往通過通風系統在根、莖、葉之間傳遞氧氣，剩余的氧氣直接釋放出來，使根區成為好氧環境。根系可以為微生物提供附著界面，根系分泌的部分有機質也可以促進新陳代謝。即使在根區之外，也為厭氧微生物完成反硝化和有機物的厭氧降解創造了有利的環境[4]。可見，微生物對污染物的降解起著決定性的作用，但需要以水生植物為主，兩者相輔相成。

（三）物理化學分解

水中的一些污染物會在物理化學作用下被去除，包括沉降、揮發和吸附。水體中的大多數污染物都被植物去除，但過去很少有這方面的研究。基于此，為提高污水處理效率，保證處理效果，有必要分析水生植物的功能及其與微生物的共生關系。存在于水體和底泥中的一些養分會在植物吸收和揮發的影響下逐漸被去除。對于一些存在于湖邊的水生植物，由于土壤表面或水體附近的風速降低，水體中懸浮物的沉積量大大減少，進而降低了重新懸浮的風險。沉積物，并促進水體與植物之間的關系。接觸時間大大延長，為保證水環境的穩定提供了完備的條件，對降低水體濁度起到了重要作用。

（四）抑制藻類生長

對于水生植物來說，由于其生命周期長，吸收更多養分的能力，在競爭過程中比藻類具有更大的優勢，這也是它們抑制藻類生長的主要原因。一些水生植物抑制藻類生長的能力由于其自身的滲濾液而增強。此外，水生植物的大規模種植促進了空間生態的增加，對于改善水中的光和溶氧條件具有極其重要的現實意義，進而為一系列水生植物提供了完整的食物和生活。條件，即維持生物多樣性。狀態的關鍵因素[5]。一些以藻類為主要食物的小型水生生物也將逐漸聚集在植物旁邊生長，為藻類生長減緩奠定基礎。

四、水生植物在污水處理中的選種與配置原則

（一）水生植物選種

水生植物在處理污染物中的作用很大程度上取決于植物類型。當要去除的主要污染物為有機物和氮時，應優先選擇能夠為微生物的生存提供良好的附著界面并具有較強的氧傳遞能力的水生植物；強壯和快速生長的水生植物；當需要同時去除多種污染物時，應選擇具有多種生態功能的水生植物，也可以合理搭配不同功能的植物。此外，還要綜合考慮氣候條件是否適宜，植物是否具有良好的抗逆性和抗病性，以及植物管理的難易程度。

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。

（二）水生植物配置原則

在對水生植物進行群落配置時，應考慮以下幾點：

（1）是天然湖濱帶，即以天然湖濱為基礎，將高效酶填料和吸附劑放入水底，然后種植水生植物，形成一個天然的凈水系統，包括不同的植物類型，具有景觀觀賞價值。該系統可實現二級處理，所選植物應滿足功能要求并具有一定的觀賞品質。

（2）是生物浮島，使水生植物在底泥中生根，而不是在水中生根，用泡沫塑料作為植物溫床，在泡沫塑料上鉆小孔，為植物生長提供空間，然后利用目前先進的無土栽培使植物正常生長的措施。實踐表明，該技術可以有效消除水污染，對植物生長及其功能沒有任何負面影響，還可以降低植物對泥沙等環境的要求，增加美觀。

（3）空間布置。根據天然湖泊中水生植物群落在空間梯度上的分布規律（水平和垂直結構），根據水深和設計需要，從水體深水區到陸地海岸帶，根據對沉水植物群落、浮葉植物群落、挺水植物群落、濕生植物群落系列進行空間配置。

（4）根據湖泊種植環境，選擇合適的水生植物。收集湖底形態、底質、水質、水深等基本信息。在不影響湖區通航的前提下，進行水生植物的空間配置。一般來說，如果湖盆的形狀比較規則，水動力特征和地質條件比較相似，那么水生高等植物可以呈環狀分布。挺水植物抗風浪能力強，有底質條件布置在迎風岸和進出水通道上；浮葉植物適用于深湖或靠近靜水的環境；沉水植物可布置在挺水植物、浮水植物的最外緣葉植物。

（5）植物多樣性。多種水生植物的種植，不僅可以保證水生植物群落具有較強的生態環境功能和連續性，也可以保證湖泊中多種污染物的去除以及不同季節都有生長期的水生植物可以吸收湖泊中的污染物。在湖泊水體修復過程中，常用的水生植物的生長習性、種植密度以及部分植物對氮、磷的凈化能力對比情況見表1和表2。表1、表2分別列舉了挺水植物、浮葉植物。

表1 水體生態修復中常見挺水植物

表2 水體生態修復中常見浮葉植物

五、結束語

在水質改善工程中，水生植物對水中污染物的吸收和凈化起著非常重要的作用。選擇適宜的水生植物是恢復自然濕地生態環境的關鍵措施。采用水生植物凈化污水技術，投資少，能耗低。該處理工藝與自然生態系統具有更大的相容性，無二次污染，可實現水體營養平衡，提高水體自凈能力，消除水體主要污染物。具有良好的處理效果，被認為是最有發展前景的水體修復技術。水生植物凈化富營養化水體在理論上是可行的。植物修復應以沉水植物為主。植物的選擇和配置應考慮植物去除特定污染物的能力、成活率、生長環境和湖泊水力特性和其他因素。富營養化水體中水生植被的恢復是一個長期的過程，水生植物群落的有效恢復是水體生態恢復成功的關鍵。現有研究成果大多基于實驗室模擬和對特定水體的研究，水生植物對水體的凈化效果有待進一步論證。在實際應用工程中，需要綜合考慮項目要求、研究區水環境、水生植物等因素。