（环境工程专业论文）应用水生植物去除水中氮、磷及重金属的研究.pdf

工程硕士论文应用水生植物去除水中植物氮、磷及重金属的研究 摘要 本选题从工程实际应用的角度，选择了香蒲、菖蒲、芦苇、灯芯草、水葱、 茭草、旱伞草等7 种植物，从污染物去除效果和植物本身的富集吸收这两方面来 评价这7 种植物的净化能力，旨在为人工湿地植物的实际应用提供合理的依据。 从工程用苗的角度对这些植物的快速生长繁殖方式进行了探讨，比较分析了这7 种植物对污水的耐污能力和在污水中的适应性表现以及快速繁殖方法，为工程的 大量运用提供了技术方法和理论依据。以秦淮河底泥为生长基质，研究对重金属 p b 、c d 具有富集能力的植物种类，为重金属污染底泥修复提供较合适的植物种 质资源和科学依据。对广泛应用的香蒲、芦苇进行自然日晒、地下掩埋、生物分 解3 种堆肥试验对比分析堆肥利用的可行性。研究结果表明： ( 1 ) 不同种类的植物对氮磷吸收去除的效果不同，这7 种植物对污水的 c o d c r 、n h 3 - n 、t p 都有很好的去除效果，c o d c r 的去除主要集中在第1 3 天。 ( 2 ) 这7 种水生植物对氮、磷的富集能力都很强，是净化水质的优选品 种。叶的生物量最大，是积累氮、磷元素的主要器官。 ( 3 ) 本文所选取的7 种水生植物，它们的污染水体临界水位为1 2 ，并 且在这个水位能正常生长发育，甚至有些品种如香蒲、茭草、水葱等的临界 水位可在1 2 以上，充分显示了这几种水生植物对污水的适应能力和耐受能 力。 ( 4 ) 植物地上部分和地下部分富集的p b 、c d 含量在植物间均表现出显 著差异。重金属c d 元素在被测的7 种植物体中除灯芯草外，分布呈现一致的 规律性，即地下部分 地上部分，且地下部分的重金属含量为地上部分的3 5 倍。重金属主要富集在植物根部和地下茎。水葱、菖蒲和灯芯草对c d 有很强 的富集能力，极具修复潜力。菖蒲和芦苇对水体中p b 的积累效果明显高于其 它植物。 ( 5 ) 经湿地植物的堆肥实验分析后，湿地植物的三种堆肥方法，以生物 分解法最有效，其次为地下掩埋法，最后为自然日晒法。 关键词：水生植物：去污能力；氮磷；重金属；堆肥 a b s t r a e t 工程硕士论文 a b s t r a c t f r o mt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sp o i mo fv i e w , a n db yt h ee x a m p i e so fs e v e np l a n t sl i k es c a t t a i l ，c a l a m u s ，r e e d , j u n c u s e f f u s u s ，s c i r p u sm b e m a e m o m a n i ，z i z a n i ac a d u c i f l o r a ，a sw e l la sc y p e r u s ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h e s ep l a n t s q u i c k l yg r o w i n ga n db r e e d i n g ，a n dd i s c u s s e st h e i ra n t i p o l l u t i o nc a p a c i t y ，s oa st op r o v i d et e c h n i c a la p p r o a c ha n dt h e o r ye v i d e n c ef o rc o m m o na p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n g m e a n w h i l e ，p u r i f i c a t i o nc a p a c i t yo ft h e s es e v e np l a n t si se v a l u a t e di nt h et h e s i si i lt h ea r e ao fr e m o v a le f f e c t so fp o l l u t a n t s ，c o l l e c t i o na n da b s o r p t i o n o ft h ep l a n t st h e m s e l v e s ，s oa st op r o v i d er e a s o n a b l eb a c k g r o u n df o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a lw e tl a n dp l a n t s ，s oa st op r o v i d ea p p r o p r i a t ep l a n tr e s o u r c ea n ds c i e n t i f i ce v i d e n c e t h et h e s i ss t u d i e st h ep l a n t sw h i c hc a nc o l l e c th e a d ym e t a ll i k ep ba n dc do nb a s i so fb a s e - b u d si nq i nh u a ir i v e r ，a d a p t i v ep e r f o r m a n c ei np o l l u t e dw a t e ra n dq u i c kb r e e d i n gm e t h o d st h ew i d ea p p l i c a t i o n0 fr e e dc a t t a i l ，n a t u r a ll i g h t ，b u r i e du n d e r g r o u n d ，b i o l o g i c a ld e c o m p o s i t i o no f3 c o m p o s tu s i n gc o m p a r a t i v et e s ta n da n a l y s i so ff e a s i b i l i t y t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w s ： ( 1 ) t h er e s e a r c ho fp u r i f i c a t i o nc a p a c i t yo fe a c hd i f f e r e n tw a t e rp l a n t ss h o w s t h a td i f f e r e n tp l a n t sr e s u l ti nd i f f e r e n ta b s o r p t i o na n dr e m o v a lo fn p t h e s es e v e n p l a n t sc a nd ov e r yw e l lt or e m o v ec o d 、n h 3 - n 、t pf r o mt h ep o l l u t e dw a t e r t h e e l i m i n a t i o no fc o di sm a i n l yd o n ea tt h eb e g i n n i n g3d a y s ( 2 ) f o rw a t e rp l a n t s ，t h es t u d yo nt h ea c c u m u l a t i o na n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r so f d i f f e r e n to r g a n st o w a r dn u t r i e n te l e m e n t ss h o w s ：f o rt h e s es e v e np l a n t s ，t h e d i f f e r e n c eo fpc o n t e n ti nr o o ta n dh a u l mi sn o tb i g t h eb i o m a s si nt h el e a fi st h e b i g g e s tw h i c hi st h em a i no r g a nt oa c c u m u l a t ena n dpe l e m e n t s t h ea c c u m u l a t i o no f na n dpi nl e a fi sm u c hh i g h e rt h a no t h e ro r g a n s ( 3 ) t h eo t h e rk e yp o i n to ft h i st h e s i si sa d a p t i v ec a p a c i t yo fw a t e rp l a n t si n p o l l u t e dw a t e r t h es t u d yr e s u l ts h o w s ：f o rm o s to fw a t e rp l a n t s ，t h ec r i t i c a ll e v e lo f p o l l u t e dw a t e ri s1 3 b u tt h e s es e v e nw a t e rp l a n t si nt h et h e s i s ，t h e i rc r i t i c a ll e v e lo f p o l l u t e dw a t e ri s1 2 ( 4 ) t h er e s u l ts h o w st h a tp b 、c dc o n t e n ta b o v ea n du n d e rt h ee a r t hg r e a t l yd i f f e r s t t 工程硕士论文 应用水生植物去除水中植物氮、磷及重金属的研究 a m o n gd i f f e r e n tp l a n t s a m o n gt h e t e s t e ds e v e np l a n t se x c e p tu n c u s e f f u s u s ，t h e d i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a lc de l e m e n ti sc o n s i s t e n t ，n a m e l yt h ep a r tu n d e rt h ee a r t h t h ep a r to nt h ea b o v eo fe a r t h a n dt h ec o n t e n to fh e a v ym e t a lu n d e rt h ee a r t hi s3t o5 t i m e sa st h eo n eo nt h ea b o v eo fe a r t h t h eh e a v ym e t a la l em a i n l yc o n c e n t r a t ei nt h e r o o t sa n dh a u l m so fp l a n t s s c i r p u st a b e m a e m o n t a n i ，c a l a m u sa n du n c u s e f f u s u sa l e v e r yc a p a b l et oc o l l e c tc da n da l eg r e a t l yp o t e n t i a lf o rp u r i f i c a t i o n c a l a m u sa n d r e e d si nw a t e ro np ba c c u m u l a t i o ne f f e c tw a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a to fo t h e r p l a n t s ( 5 ) t h ew e t l a n dp l a n t sc o m p o s t i n ge x p e r i m e n t a la n a l y s i so fw e t l a n dp l a n t s ， t h r e ek i n d so fc o m p o s t i n gm e t h o d ， b i o l o g i c a ld e c o m p o s i t i o nm e t h o di st h em o s t e f f e c t i v e ，f o l l o w e db yt h eu n d e r g r o u n db u r i e dm e t h o d ， f i n a l l ya sn a t u r a l s o l a l i z a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：a q u a t i cp l a n t s ；d e c o n t a m i n a t i o n ；n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ；h e a v y m e t a l ； c o m p o s t i n g i i i 工程硕士论文应用水生植物去除水中植物氮、磷及重金属的研究 1 绪论 1 1 课题提出 我国水系众多，水生植物资源丰富，高等水生植物就有近3 0 0 种。许多水生 植物不仅具有很强的观赏性，而且价格低廉，对水体还有降解和净化作用。其中 如荷花、萍蓬草、千屈菜、水烛、水葱等大批有较高观赏价值的野生种类已得到 了广泛应用。随着湿地污水处理系统应用研究的深入，水生植物在净化污水、恢 复湿地生态系统方面将发挥越来越重要的作用。 在有关水生植物去污研究报道中l j ，所涉及的水生植物种类还包括挺水植 物香蒲、水葱、灯心草、菖蒲、石菖蒲、慈姑等；浮叶及漂浮植物菱、水鳖、荇 菜等；沉水植物菹草、伊乐藻、轮叶黑藻等。水葱、芦苇、菖蒲等水生植物， 在处理污水的同时又具有较高的观赏价值，更是成了研究的重点选择材料。近些 年来，我国在利用水生植物营造水景方面取得了不少经验，如南京、杭州、武汉 在水生植物研究开发利用方面走在了全国的前列。随着野生水生植物的驯化与产 业化发展，各地都纷纷引种栽培了一批有较高观赏价值的新优水生植物品种，尤 其是上海，无论是应用品种、应用方式及繁殖栽培等方面都走在了前面。南京市 对各景点水体景观的营造中也新引入了千屈菜、水葱、香蒲、水芋等植物。 南京市环境保护科学研究院承担的“小城镇污水处理深度研究一污染水体水 生植物筛选及应用配置研究”( 项目编号建综字( 2 0 0 7 ) 7 3 3 号、宁财建( 2 0 0 7 ) 8 5 1 号) 筛选出广为分布的香蒲、旱伞竹、芦苇、水葱、菖蒲、灯心草、茭草7 种乡土水生植物，作为主要净化植物品种，并在实际的工程设计中广泛运用。如 下图1 1 - 1 4 所示的汤泉镇污水生态处理工程和固城镇污水生态处理工程，都大 量运用了这7 种水生植物来净化生活污水。 本选题拟以筛选出的7 种乡土植物为研究对象，补充研究其对水中营养物质 和底泥中重金属的去污能力及影响因素，探讨水生植物快速繁殖的技术方法和工 程中耐水深等适应性能力，为工程设计提供科学依据和技术支撑。同时从工程实 际运行的中水生植物残体处理的难题出发，遴选几种堆肥方法，探讨湿地植物的 堆肥可行性，为水生植物的可持续利用提供途径。本选题为“小城镇污水处理深 度研究一污染水体水生植物筛选及应用配置研究 的继续深入并填补其空白，增 强科研的本地化和实用性。 l 绪论t 程硕仁论文 2 图1 1 南京市汤泉镇污水生态处理工程平面布置图 图1 2 南京市汤泉镇污水生态处理j ：程现场实景图 图1 3 南京市高淳县同城镇污水生态处理i ：程 工程硕士论文应用水生植物去除水中植物氨、磷及重金属的研究 图1 4 南京市高淳县固城镇污水生态处理工程现场实景图 本选题在此基础上，对这7 种乡土水生植物的净化能力等各个方面进行深入 的研究，以期为实际的工程设计提供理论依据。 在工程应用中有广泛前景的7 种水生植物的形态特征、生活习性、生长 环境简介如下( 表卜1 ) ： 1 ) 香蒲( t y p h al a t i f o l i a ) 香蒲为多年生宿根性沼泽草本植物，香蒲科香蒲属，别名有蒲草、蒲菜。 因其穗状花序呈蜡烛状，故又称水烛。花期6 - - ? 月，果期7 8 月。生于池 塘、河滩等潮湿多水处，常成丛、成片生长。较耐寒。 2 ) 菖蒲( a c o r u sc a l u m u sl ) 多年生挺水型草本植物。全株有特殊香气。叶片剑状线形，6 - 9 月开花， 花茎基出，扁三棱形。广布于我国南北各地，喜水湿，常生于池塘、河流、 湖泊岸边的浅水处。 3 ) 水葱( s c i r p u sv a l i d u s ) 多年生宿根挺水草本植物。株高l - 2 米，茎杆高大通直，杆呈圆柱状， 中空。根状茎粗状而匍匐，须根很多。基部有3 - - 4 个膜质管状叶鞘，鞘长可 达4 0 厘米，最上面的一个叶鞘具叶片。线形叶片长2 1 1 厘米。花果期6 9 月。喜温暖潮湿的环境中，需阳光。自然生长在池塘、湖泊边的浅水处、稻 田的水沟中。较耐寒。 4 ) 芦苇( p h r a g m i t e sc o m m u n i s 州m ) 多年生宿根草本植物。根部粗而多结。秆高l 3 米，茎部粗壮近木质化。 叶宽l - - 3 5 厘米。圆锥花序长1 0 - - 4 0 厘米，小穗通常含4 - - - 7 个小花。花序 1 绪论 工程硕士论文 形似毛帚。叶互生，排成两列，弯垂，具白色条纹。地上茎挺直，有间节， 似竹。通常生于河旁、池沼、湖边，常大片生长形成芦苇荡。喜温喜光，耐 湿较耐寒。 5 ) 茭草( z i z a n i a c a d u c i f o r a l a n d m a z z 亿l a t i f o l i at u r c z ) 多年生挺水植物，植株高l m ，基部由于真菌寄生而变肥厚。须根粗壮， 茎基部的节上有不定根。叶片扁平，带状披针形，长3 0 l o o e m ，宽3 c m 左 右，先端芒状渐尖，基部微收或渐窄，秃净，有时上面粗糙，下面光滑，边 缘粗糙，中脉在背面凸起。颖果圆柱形。花果期秋冬。生于池塘及沼泽地中。 6 ) 灯芯草( j u n c u so h w i a n u sk a o ) 多年生或1 年生草本，常密集丛生；花期5 - - 6 月，果期6 7 月。灯 芯草有8 属约3 0 0 种，分布于温带和寒带，常生于湿地或沼泽边。中国产2 属约8 0 余种，分布于全国各地，以西南地区较多。 7 ) 水竹( c y p e r u sa lt e r n i f o l i u sl ) 莎草科，莎草属，多年生草本。又名伞草、风车草、旱伞草。水竹喜温暖、 潮湿的环境，不耐寒，生长适温1 5 2 5 ，越冬温度5 以上。1 2 c 左右植 株进入休眠期。 表卜l 适合用于污水处理的水生植物 1 2 研究内容、目的与意义 传统的污水生化二级处理技术虽然应用较广泛，但其建造、管理费用过 高并且不能完全实现污水处理无害化和资源化。在寻找高效低耗的污染防治 技术的研究过程中发现，水生植物对污水净化具有投资低、易管理、净化效 工程硕士论文应用水生植物去除水中植物氮、磷及重金属的研究 果好、生态效益好等优点，进而引起各国研究者越来越多的关注。利用高等 水生植物净化污水作为一种新兴生物工程技术逐渐发展起来。污水处理系统 中所使用的水生植物是整个污水处理系统的核心，发挥着重要的作用，但由 于各种原因使得人工湿地植物的整体净化效果受到了影响，因此有关植物的 研究还有待深入。如何使水生植物后期利用资源化等都有待进一步研究。不 同植物其生长特点( 植物高度、根系密集程度、污染物的吸收能力) 不同， 对污水的净化能力也不同，既是具有相同生长特性的植物，也会因从属于不 同的科属而具有不同的去污能力。明确这些植物的去污能力以及影响去除效 果的影响因素，同时针对工程用苗，探讨水生植物快速繁殖的技术方法和工 程中耐水深等适应性能力，为工程的大量运用提供理论依据。本选题对水生 植物对重金属的富集能力也作了一些探讨，同时加强重金属修复的湿地植物 筛选工作，筛选一些富集转移能力强的湿地植物。 由于香蒲、菖蒲、芦苇、灯芯草、水葱、茭草分布广泛，适应能力强， 在工程上得到了广泛的应用。本选题从污染物去处效果和植物本身的富集吸 收这两方面来研究这7 种植物的净化能力，旨在为水生植物的实际应用提供 合理的依据。同时从工程实际应用的角度，研究了这7 种植物对污水的耐污 能力，并从工程用苗的角度对这些植物的快速生长繁殖方式进行了探讨，探 讨了这7 种植物在污水中的适应性的表现以及快速繁殖的方法，为工程的大 量用苗提供了技术方法。本选题以秦淮河底泥为生长基质，研究对重金属p b 、 c d 的富集能力，为重金属污染底泥修复提供较合适的植物种质资源和科学依 据。本选题从水生植物的综合利用的角度上，对水生植物堆肥的可利用性作 了初步的探讨，为水生植物的可持续利用提供建议。 主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 水生植物对氮、磷富集能力比较分析 不同水生植物的去污能力研究 水生植物不同组织器官对氮、磷的积累与分布特征研究 水生植物在污水中的适应性表现 水生植物快繁方法的研究 ( 2 ) 水生植物对铅、镉等重金属元素富集作用的评价研究 不同水生植物体内p b 、c d 的含量与分布 l 绪论 工程硕士论文 6 不同水生植物体内p b 、c d 的富集与转移能力评价 ( 3 ) 湿地植物堆肥利用性分析 工程硕士论文应用水生植物去除水中植物氮、磷及重金属的研究 2 研究基础 2 1 水生植物类型 一般而言，生长在水域环境湿地的水生植物，可依叶片与水面的相对位置及 其生活习性，可分为以下四种类型： 1 挺水性水生植物( e m e r g e n tv e g e t a t i o n ) 这类水生植物通常生长在水边或水位较浅的水域环境，其水深条件在1 米内 之浅水区，其水生植物根系具有走茎或具根茎型态的特色，固着于底泥层土壤处， 其茎或叶片则挺露于水面上者的维管束植物。 2 浮叶性水生植物( f l o a t i n gl e a v e sv e g e t a t i o n ) 此类型水生植物大多数系生长在浅水区或深水域环境，根系或地下茎、球茎 会固着在土壤底泥层里，叶片细长而柔软由长长的叶柄支撑，可以随水位改变而 弯曲或伸展，使得叶片保持平贴浮于水面上者的维管束植物。 3 漂浮性水生植物( f l o t a t i o nv e g e t a t i o n ) 这类水生植物之根系，并没有固定于土壤底泥层里，而是其植株以漂浮方式 随着水的流动而四处漂移之维管束植物，且该类型水生植物特点在于其繁殖能力 较挺水性、浮叶性与沉水性水生植物为强。 4 沉水性水生植物( w a t e r b o r n ev e g e t a t i o n ) 此类型水生植物之植株体大多数是完全沉浸在水面下，因此多半系生长在水 域较深的环境，且其根部则固定在水域之土壤底泥层里或悬挂在水中之维管束植 物，由于其植株叶片一般成线状、带状或丝状非常柔软，因此可以随着水之流向 而摆动。 2 2 水生植物在水处理中的广泛应用 利用水生植物净化污水，具有以下优点：成本低，能耗小，对环境扰动 小，植物资源可回收再利用，并获得一定经济效益，有较高美化环境价值， 利于整体生态环境的改善。正是因为这些显著的优越性，水生植物治理受污 染和富营养化水体的发展和应用，具有很广阔的前景。尤其对于包括我国在 内的发展中国家，环境污染和生态破坏都很严重，而环保投入又有限，水生 7 2 研究基础工程硕士论文 维管束植物净化技术将是一种很好的污染治理手段。 7 0 年代中期以来，在利用高等水生植物净化水体污染方面国内外做了大 量的研究工作，研究了一些高产、速生植物，如凤眼莲( e i c h h o m i ac r a s s i p e s s o l m s ) 等对污染物的吸收、积累、分解等污水净化作用，对消除污染、改善和 提高水质、在污水处理中充分回收资源和能源，提高经济效益等方面有着重 大意义7 1 。 水生植物在城市污水中多用于净化二级处理的出水，以进一步强化出水 水质。主要有综合塘系统、人工土快滤床及人工湿地等应用方式。 p e t e rv a nd e rs t e e n 8 j 等采用2 个浮萍塘3 个稳定塘5 个浮萍塘串联来净化 经u a s b 处理的城市污水的出水。稳定塘对s s 和b o d 去除率较低，这可能 是由于藻类死亡后在水中深沉或分解而造成的p j ：而浮萍塘能抑制藻类的生 长，所以对营养物去除率较高，但对细菌的作用却很小。所以将两种系统串 联起来，就能发挥各自的优势，提高净化效果。系统平均b o d 去除率为6 0 ， c o d 为5 4 ，n h 3 - n 为4 6 ，s s 为5 7 ，而大肠杆菌在通过稳定塘后可去除 9 9 6 9 9 9 5 ，这可能与光照、高富氧及由于大量藻类而产生的高p h 值有关。 戴树桂等【lo 】的研究指出，风眼莲对合成洗涤剂净化率为8 1 4 8 ，而对有 机氯农药六六六、p d d d e 也有一定净化率。在田淑媛【1 1 】的研究中，风眼莲 对含有大量硫化氢的不同浓度印染废水，在1 0 天左右有6 0 7 0 的去除率。 e i h o z h i n a 1 2 j 用阔叶香蒲和芦苇来处理西伯利亚一个金属矿山的废水，该废 水富含砷、锑、铁和锰。水生植物有极强的富集重金属的能力，且水下根茎 部分的富集能力大大高于其它部分。显示出植物潜在的阻止有毒物质大量渗 透到水上茎叶部分，从而进入食物链威胁人类和动物健康的一种保护机制【l3 1 。 对富营养化水体治理的一项重要措施就是重建和恢复水生植被尤其是沉 水植被，大量学者对恢复水生植被进行了研究。吴振斌【1 4 】等在东湖利用围隔 移栽苦草、狐尾藻和菹草等沉水植物，经过3 年的时间，围隔内水体透明度 显著升高，水质有了较大改善，b o d 和c o d c r 大大降低。吴洁【”】于1 9 9 9 年对 杭州西湖浮游植物群落进行了为期2 年的逐月调查分析，结果表明，大部分 采取截污、疏浚、引水冲污治理措施的湖区浮游植物群落结构与治理前基本 相同，2 0 年来的富营养化仍在发展。而西湖子湖之一小南湖区经一系列工程 治理，重建和恢复了大面积的沉水植物后，水体透明度大大提高，藻量明显 下降，水体特征正在从浮游植物响应型向大型高等水生植物响应型转化。因 8 工程硕士论文应用水生植物去除水中植物氮、磷及重金属的研究 此，截污、疏浚和引水等工程治理措施，并不能根本改善湖泊水质，重建和 恢复沉水植物系统才是治理富营养化湖泊的关键。 成都活水公园【1 6 】同样也是利用水生植物微生物动物这种多级循环处理系 统来恢复生态系统的。可见这种净化系统不仅能恢复生态，为游人创造优美 的景观，还能在带来社会效益的同时获得一定的经济效益。 2 3 水生植物净化机制 ( 1 ) 物理作用 水生植物的存在减小了水中的风浪扰动，降低了水流速度【1 7 1 ，并减小了水 面风速【1 引，这为悬浮固体的沉淀去除创造了更好的条件，并减小了固体重新悬 浮的可能性。另外，覆盖在人工湿地上的植物，它对稳定人工湿地的土壤也十分 重要，因为其稠密的根系阻止了冲蚀缝隙的形成。 ( 2 ) 植物的吸收作用 大型水生植物生长过程中，需要从水层和底泥中吸收大量的n 、p 等营养物 质，并同化为自身结构的组成物质( 蛋白质和核酸等) ，同化速率与大型水生植 物的生长速度、水体营养物的质量浓度水平呈正相关。p h i l i p am 【1 9 】研究表明， 在人工湿地中香蒲对n 的吸收为5 6 5m g ( m 2 d ) ，蒲草则为2 6 lm g ( m 2 d ) 。濮培民【2 0 l 研究了水葫芦对太湖水质的净化能力，结果表明夏季水葫芦对n 、p 的吸收能力 分别为0 7 9 和0 1 3v ( v a n z d ) 。在合适的环境中，大型水生植物往往以营养繁殖的 方式快速积累生物量，而n 、p 是植物大量需要的营养物质；并且相对藻类而言， 大型水生植物的生命周期较长，n 、p 在其体内的储存也较稳定，因而对这些物 质的固定能力非常强。当水生植物被运移出水生生态系统时，被吸收的营养物质 随之从水体中输出，从而达到净化水体的作用，与此同时也可收获水生植物生物 资涮2 1 1 。 b r i x 2 2 】的研究发现：挺水植物的吸收能力为2 0 0 0 - - - 2 5 0 0 k g n h a 年和3 0 - 5 0 0 k g p l l a 年，漂浮植物有较大的吸收量，约2 0 0 0 k g n h a 和3 5 0 k g p h a - 年，而沉 水植物较低，仅为7 0 0 k g n h a 年和l o o k g p h a 年。 ( 3 ) 植物的富集作用 环境中的重金属和一些有机物并非是植物生长所需要的，并且达到一定程度 后具有毒害作用，对于此类化合物，一些植物也演化出了特定的生理机制使其脱 毒。水生植物通常是通过螯合和区室化等作用【2 3 】来耐受并吸收富集环境中的重 9 2 研究基础工程硕士论文 金属，如重金属诱导就可使凤眼莲体内产生有重金属络合作用的金属硫肽【2 4 】， 另外由于其线粒体中含有多酚氧化酶，可以通过多酚氧化酶对外源苯酚的羟化及 氧化作用而解除酚对植物株的毒害【2 5 1 ，所以对重金属和含酚有机物有很强的吸 收富集能力。m e s o l t a n 2 6 】的研究研究发现，风眼莲每克干物质能吸收锰1 4 8 5 - 4 - 1 1 0l ag ，锌2 9 5 - 1 - 1 0l ag ，铅1 8 5 1 3l ag ，铜1 4 2 1 9l ag 。当水中含酚0 3 6 m g l 时，用风眼莲经过3 0 - - 4 0 小时，酚可降至0 0 0 5 m g l 。放养凤眼莲后水的酚去 除效率比对照快2 3 倍【z7 。 沉水植物狐尾藻等还具有直接吸收降解三硝基甲苯( t n t ) 的能力【2 引。香蒲的 吸收能力大小依次是根、地下茎、叶，并且按照一定的比例从生境中吸取重金属， 以防止对某元素吸收过多而引起毒害。如p b 、z n 进入香蒲体内，主要积聚在皮 层细胞中的细胞壁上，只有少量进入原生质，可见细胞壁对重金属有较高的亲和 力1 2 9 。 ( 4 ) 与微生物的协同降解作用 大型水生植物植株各个部位光合作用产生的0 2 向水中扩散，在植株周围形成 富氧区域。其中，根际富氧区的形成对改善和稳定水域生态系统具有重要意义。 一方面，水生植物根际区域为微生物或部分微生物代谢提供了所需要的微生 态环境。根系通过释放0 2 和分泌一些有机物质以促进微生物的代谢，为好氧微生 物群落提供了一个适宜的生长环境，而根区以外则适于厌氧微生物群落生存，进 行反硝化和有机物的厌氧降解【3 1 】水生植物的根系还能分泌促进嗜n 、p 细菌生 长的物质，以间接地降低n 、p 浓度，从而提高净化率。同时，植物的代谢产物、 残体以及溶解的有机碳还可为根际区的菌落提供食物源。另一方面，根系可作为 微生物附着的良好界面，大量微生物在水生植物根系表面和底泥基质表面形成灰 色生物膜，增加了微生物的数量和分解代谢的面积。水生植物根际区的微生物能 大大加速富集或沉降下来并截留在根系周围的有机胶体或悬浮物的分解矿化，使 植物根部的污染物经微生物分解利用，或者经生物代谢途径而降解去除。如芽孢 杆菌能将有机p 、不溶解p 降解为无机的、可溶的磷酸盐，从而可被植物直接吸 收利用【3 2 。3 3 1 。 水体中n 的去除，尽管可以通过植物吸收，但硝化和反硝化作用才是主要的 去除机制( 约4 0 - - - 9 2 ) 。j a m e sfr 1 3 4 j 通过大量的物质平衡计算，指出在n 的 去除机制上占主导地位的应是细菌的降解作用，而非水生植物的吸收作用。因此， 大型水生植物不仅能直接吸收水体中的n 、p 等营养物质，更重要的是它们构建 1 0 工程硕士论文应用水生植物去除水中植物氮、磷及重金属的研究 了良好的微生态环境，使微生物对n 、p 等营养物质的降解发挥了至关重要的作 用。 ( 5 ) 气体传输和释放作用 水生维管束植物通过植株枝条和根系的气体传输和释放作用，能将光合作用 产生的氧气或大气中的氧气输送至根系，一部分供植物呼吸作用，一部分通过根 系向根区释放，扩散到周围缺氧的环境中，在还原性的底泥中形成了氧化态的微 环境，其中好氧生物膜对氧的利用使离根毛较远的区域呈现缺氧状态，更远的区 域则完全厌氧。这种连续呈现好氧、缺氧、厌氧的状态，相当于许多串联或并联 的a a o 处理单元，这样可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累 作用使氮、磷从废水中去除。水生植物根系在人工湿地底部的扩展有利于微生物 特别是好氧细菌向湿地深处的分布【3 5 】。 ( 6 ) 对藻类的抑制作用 对藻类的抑制作用一方面表现在水生植物个体大，吸收、储存营养物质 和利用光能的能力强，能与藻类形成竞争，从而抑制浮游藻类的生长【3 6 】。另 一方面，水生植物向水中分泌化学物质，如萜类化合物、类固醇等，来抑制 藻类的生长。唐萍等闭的试验表明，水花生、菱、金鱼藻和浮萍均能在不同 程度上减少水体中藻细胞数量，促进藻细胞内叶绿素a 的破坏与脂质过氧化 物含量升高，抑制超氧化物歧化酶( s o d ) 的活性，从而抑制了藻类的生长。 凤眼莲根系的分泌物能使栅藻叶绿体、线粒体肿胀、解体，胞内可溶性蛋白 及光全速率急剧下降【3 8 】，从而破坏其生长。 2 4 水生植物净化能力影响因素分析 2 4 1 植物生活型 不同生活型的水生植物对污染物的去除能力大小是不同的，一般认为【3 3 1 ，沉 水植物 漂浮植物 浮叶植物 挺水植物，根系发达的水生植物大于根系不发达的 水生植物。 2 4 2 生物量 水生植物对水体污染物的去除效率与生物量直接相关，生物量适当增加，净 化效率相应提高。每种植物对污水中污染物的吸收能力不同，也就是净化能力不 同。净化力越强的植物，单位面积的污染物去除率就越高。这主要从两方面考虑， 2 研究基础 工程硕士论文 一方面是植物生物量大小，这决定了植物自身生长所需的营养物浓度；另一方面 是植物对污染物在体内的富集能力，植物的吸收占重要的作用。 2 4 3 根系发达 植物的吸收、吸附和富集作用与植物的根系发达程度密切相关，这已被许多 研究所证明。植物的根系可以固定床体表面、笼络土壤和保持植物与微生物旺盛 的生命力，对保持湿地生态系统稳定具有重要意义。同时，根系在提供微生物生 境方面起着重要作用。人工湿地根际附近有氧区域与缺氧区域的共同存在为根区 的好氧、兼氧和厌氧微生物提供了各自的小生境，存在着明显的好氧菌和厌氧菌 群体，在植物的根、茎上好氧微生物占优势，远离根部的地方厌氧菌占优势。此 外植物可向土壤中释放糖类、酚类和酸类等分泌物，其数量占年光合产量的 1 0 2 0 ，细根的迅速腐解也向微生物生长补充了有机碳。根际微生物不仅种类 和数量远高于非根际土壤，而且其代谢活性也比非根际微生物高。植物根际的氧 分布和分泌物影响系统中微生物的特性进而影响系统的处理效果，系统中微生物 的数量与净化效果呈显着正相关性。 2 4 4 处理时间 水生植物净化效果与修复净化时间密切相关。例如，细绿萍对铅的蓄积含 量从第8 天开始降低，并且水体中铅含量有增高，这是因为随时间推移，有 的根坏死脱落并向水体中分解释放铅所致【3 9 】。因此，利用水生植物去除污染 物时，应定时捞取，时间在去除率最大时为宜。 2 4 5 污染物种类 不同的重金属种类有自己独特的性质，导致水生植物蓄积能力各异。如蓖 齿眼子菜和马来眼子菜两种水生植物蓄积c d ，p b ，m n ，z n 和c u 五种重金属 能力大小如下：c d m n p b c u z n 。 2 4 6 温度 水生植物对氮、磷的去除主要是通过植物的吸收及微生物的分解作用来完 成的，而植物与微生物的生长易受环境温度的影响，因此温度也是影响氮磷去 除效率的一个重要因素。本实验中，气温在2 2 c - 3 0 c 范围内，植物对污染的 净化效果最好。因为在2 2 c - 3 0 。c 的气温下，植物均处于生长旺盛期，此时它 们吸收的营养多，生产量大，同时微生物数量大，活性高，因而有较高的净化 率：秋冬季温度降低，植物生长受到抑制，所以吸收营养少，同时微生物新陈 1 2 工程硕士论文应用水生植物去除水中植物氮、磷及重金属的研究 代谢活动减慢，净化能就随之降低。 2 5 植物残体堆b p _ , 禾i j 用 2 5 1 堆肥概论 堆肥是将有机物质的分解加以控管的过程。堆肥是以微生物分解有机物 并消耗氧气的过程。堆肥过程会产生热，并使大块的有机废弃物降解成含有 养分、腐植质以及微生物如土壤般的有益物质。一般堆肥过程，只需几个月 的时间就可使堆肥原料变成土壤补充物。由湿地产生的植物废弃物均可作为 堆肥。较大型的植物废弃物最好能加以切碎后，才放入堆肥堆中。在堆肥堆 中，这些物质虽然可能会分解，良好的堆肥必须调配控制其碳氮比，才能适 当的作为肥料。堆肥原料与堆肥方式为主要影响堆肥化质量主要因素，堆肥 原料的实质意义是有机质的培养基。其需提供为微生物生长代谢所需能量和 营养要素。这些包括碳水化合物，含氮、磷、硫、钾、钙、镁等的各种化合 物或盐类，另外水分提供微生物生长和代谢所需的氧气，尤其好气性微生物 为然。由于人工湿地植物在管理单位清除人工湿地内的水生植物后，常累积 为数众多的水生植物废弃资材。在处理后续水生植物废弃资材部分，若随意 弃置，将对于人工湿地环境有负面影响，甚至孳生蚊蝇病原。因此，若能合 理开发利用，将水生植物成为良好的堆肥原料，并以适当堆肥方式转化成为 绿肥，对人工湿地水生植物处理而言，可达到相当减量化与稳定化之目的， 对于资源永续发展利用将具有正面意义。因此利用农牧废弃物堆肥化生产有 机质肥料，能够供应培育地力所需要的腐植质外，对于农作养分磷、钾等之 循环利用更有重要的意义，农牧废弃物之资源化不但可以改善农业环境，农 牧产业也因可获得继续发展。因此将废弃植物制成堆肥有以下理由： 1 改善物理性：植物的茎杆等粗大废弃物，直接使用对作物有不良影响， 宜将物理性状改善至无害。 2 降低碳氮比：一般来说，植物的碳氮比值太高。植物废弃物所含氮素， 成分极少，相对有机物含量过多，直接施入土壤，微生物分解繁殖构成微生 物体氮素。 3 减少体积：湿地之废弃植物经堆积后，由于腐烂降解而减少容积。从 堆肥完熟后，可缩小容积至原来容积的五分之一，不但节省空间，尚可节省 搬运费用。 2 研究基础 工程硕士论文 2 5 2 堆肥化过程 把有机物堆积，让微生物在其中繁殖、新陈代谢，因而消耗生物质能源， 就是堆肥。残留物为堆肥，由菌体，二次代谢产物及未分解转化的升值资材 组成。堆肥发酵必需调整原料的碳氮比、水份含量、通气量和密度及微生物 的种类。堆肥化过程是微生物利用堆肥原料中之能源做生长和新陈代谢的生 物化学氧化过程。在过程中主要是把碳水化合物等有机物利用于微生物的成 长并把能源消耗。在好氧状态下，这个过程迅速而有效，释出的能量多。微 生物快速繁殖所做的生长呼吸及维持呼吸把大量碳水化合物氧化成二氧化 碳。在厌氧状态下微生物利用结合态氧做不均等分配来取得能量。因此堆肥 化作用是堆肥原料予以消化，水解后利用这些生质能源来做繁殖、生长和新 陈代谢。用化学和生物过程合成次生产物，在经过氧化聚合而成腐植质。堆 肥原料与堆肥方式为主要影响堆肥化质量主要因素。堆肥化过程是利用微生 物在堆肥材料中繁殖和新陈代谢的好气性生物化学呼吸反应过程。因此，堆 肥材料中如果氮多时，微生物族群繁殖多而快。另外，供微生物生长呼吸及 的氧气充足时或是堆肥材料中的湿度佳，则堆肥化反应快速。因此微生物族 群的繁殖是堆肥化过程中影响速度的关键。组成每一个微生物细胞的原生质 是由堆肥材料中的全氮、磷、硫、钾、钙、镁所产生的有机物所组成。所以 氮、磷、硫、钾、钙、镁等元素的供给量决定为生物的族群大小。由此可知， 施作堆肥工作的效率能与微生物群的规模及其活性息息相关。因为微生物群 生质量的规模受限于堆肥材料中的氮、磷、钾含量，要发酵才能有效进行， 因此须在堆肥发酵材料中有相当的氮、磷、钾存在来加速堆肥化速率。 2 5 3 湿地植物堆肥利用 湿地植物若能成为堆肥，将有益于人工湿地的管理维护并消耗大量的湿 地植物废弃物。而湿地中植物生长快速，可为绿肥作物应用。一般而言，绿 肥植物主要是在进行土壤肥力的利用，因此在农业方面的应用，其重要不亚 于化学肥料，且具备可持续性。因此探讨湿地植物堆肥成为绿肥是重要课题。 而所谓绿肥是植物将其新鲜的植体，翻入土壤中，经降解腐熟为肥料，增加 有机质含量或可改善土壤物理化学性质者，均为绿肥作物。由植物所做成的 绿肥，可增加土壤孔隙度、通气性、透水性、保水力、肥力、缓冲力、有机 酸和有机质含量及微生物族群，并可以吸附及聚合毒物质以降低污染。而深 根性的绿肥作物亦可将深底土养分吸收利用，再经降解后可以供浅根性作物 1 4 工程硕士论文 应用水生植物去除水中植物氮、磷及重金属的研究 之养份。另外也可防止杂草丛生及具水土保持功用，并有净化空气及绿化和 美化景观，深具农业环境保护应用。几乎任何生长良好且快速的植物都能当 作绿肥作物。理想绿肥作物应易发芽和生长快，在短时间内即能产生大量根 部与地上部。最佳生长习性能在其生长至一定程度后覆盖整个种植面。 。， 一 3 水生植物对氮、磷富集能力比较分析工程硕上论文 3 水生植物对氮、磷富集能力比较分析 3 1 材料与方法 3 1