（环境工程专业论文）植物水培系统净化生活污水的机理研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国水体污染呈现日益加重的趋势，特别是村镇生活污水及农业面源污染没 有得到有效治理，严重影响了农村地区的水环境质量。本论文主要采用水生生物 处理污( 废) 水方法中的植物净化技术，旨在通过植物生活污水水培实验研究， 筛选出生物量增加明显、净化污水效果好且具有经济价值的植物，并对植物水培 系统净化生活污水的机理做进一步探讨，为其在村镇生活污水、分散居民点生活 污水处理中的实际应用提供理论依据和技术支撑。主要研究结果如下： 通过对1 3 种植物采用生活污水水培，筛选出鲜重增加量大、净化效果明显、 具有经济价值的吊兰、空心菜和水芹三种植物，且空心菜和水芹的重金属含量均 未超出国家规定的食用标准。 根据对筛选出的吊兰、空心菜和水芹进一步水培实验结果，经分析得知：三 种植物水培系统中氮磷的去除主要靠微生物及其他作用，其次为植物吸收作用， 而沉淀作用、粘附作用和植物根系吸附作用对氮磷去除的贡献率较小。 通过采用液相色谱对吊兰、空心菜和水芹根系分泌物的成分和含量分析可知， 吊兰根系分泌的有机酸总量最多，空心菜其次，水芹最少，且三种植物根系分泌 物均以酒石酸为主。根系分泌物对氨化细菌和反硝化细菌的生长具有促进作用， 而对硝化细菌和亚硝化细菌的生长均具有抑制作用。 借助特定实验装置对吊兰、空心菜和水芹水培，通过分析三种植物水培系统 对生活污水中c o d 。，、t n 、t p 和s s 的去除率与微生物数量的相关性发现，三种系 统中放线菌数量和同期c o d 。，去除率均有显著相关性，说明放线菌对系统中c o d 。 的去除起重要作用；细菌数量与t n 去除率均有显著相关性，证实了氮的去除主要 靠氮循环细菌的作用；三种微生物数量与t p 和s s 去除率均不显著相关，因此， t p 和s s 的去除可能是通过其他种类的微生物或者非微生物途径。 关键词：植物水培生活污水去除氮磷根系分泌物相关性 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t a o t t h es t a t u so fw a t e rp o l l u t i o ni nc h i n ai sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，e s p e c i a l l y t h er u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e ra n da g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o i i i c ep o l l u t i o nc a n tb e c o n t r o l l e de f f e c t i v e l yt h a ts e r i o u s l yi n f l u e n c e st h ew a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t yi nr u r a l a r e a s t 1 1 i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h ep u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo fh y d r o p o n i c so ft h e a q u a t i co r g a n i s m sm e t h o d t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os e l e c tt h ep l a n t st h a th a v e m o r eb i o m a s si n c r e m e n t ，b e t t e rp u r i f y i n ge f f e c ta n de c o n o m i cv a l u eb ye x p e r i m e n t so n h y d r o p o n i c so fp l a n t si np u r i f y i n gd o m e s t i cw a s t e w a t e r , a n dt h e nt od i s c u s st h e m e c h a n i s m i tc o u l dp r o v i d et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a ls u p p o r t so fa p p l i c a t i o no f d o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a m a e n ti nr u r a la r e a sa n dr e s i d e n t i a lp o i n t s t h er e s u l t sa r e s h o w e da sf o l l o w s ： c h l o r o p h y t u mc o m o s u m ，i p o m o e aa q u a t i c aa n do e n a n t h ej a v a n i c aa r es e l e c t e df o r t l l e i rm o r eb i o m a s si n c r e m e n t ，b e t t e rp u r i f y i n ge f f e c ta n de c o n o m i cv a l u ea m o n g13 k i n d so fp l a n t st h r o u g hh y d r o p o n i c si nd o m e s t i cw a s t e w a t e r , a n dt h ec o n t e n to fh e a v y m e t a l si ni p o m o e aa q u a t i c aa n do e n a n t h e j a v a n i c ai sm e e t i n gt h es t a t es t a n d a r d so ft h e f o o d b a s e do nt h ef u r t h e re x p e r i m e n t so nh y d r o p o n i c so fc h l o r o p h y t u mc o m o s u m ， i p o m o e aa q u a t i c aa n do e n a n t h ej a v a n i c a , t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h er e m o v a lo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si sd e p e n d i n go nm i c r o b ea c t i v i t ya n do t h e re f f e c t si ns y s t e m s o fh y d r o p o n i c so ft h e3p l a n t s ，s e c o n d l yf o rt h ea s s i m i l a t i o no fh y d r o p o n i cp l a n t s ，a n d t h ep r e c i p i t a t i o n , a d h e s i o na c t i o na n da d s o r p t i o na c t i o no fp l a n t s r o o t sh a v el e s s c o n t r i b u t i o nt on i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l s t u d y i n go nt h ev a r i e t ya n dt h ec o n t e n to fr o o te x u d a t e so fc h l o r o p h y t u m c o m o s u m , i p o m o e aa q u a t i c aa n do e n a n t h ej a v a n i c ab yl i q u i dc h r o m a t o g r a p h y , t h e r e s u l t ss h o w st h a tt h em o s tc o n t e n to fo r g a n i ca c i do fr o o te x u d a t e si sc h l o r o p h y t u m c o m o s u m , f o l l o w e db yi p o m o e aa q u a t i c a , t h el e a s ti so e n a n t h ej a v a n i c a , a n dt h e o r g a n i ca c i do fr o o te x u d a t e so f3p l a n t si sm a i n l yo ft a r t a r i ca c i d r o o te x u d a t e so ft h e 3p l a n t sh a v ep r o m o t i o ne f f e c to na m r n o n i f y i n gb a c t e r i aa n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i ab u t h a v ei n h i b i t i o ne f f e c to nn i t r o b a c t e r i aa n dn i t r o s o b a c t e r i a b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec o r r e l a t i o no ft h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d a , t n ， t pa n ds sa n dm i c r o b eq u a n t i t yi ns y s t e m so f h y d r o p o n i e so fc h l o r o p h y t u mc o m o s u m ， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 i p o m o e aa q u a t i c aa n do e n a n t h ej a v a n i e ab yu s i n gs p e c i a le x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a n t i t yo fa c t i n o m y c e t e sh a sc o r r e l a t i o nw i t ht h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o d c ri n3s y s t e m s ，s oa c t i n o m y c e t e sp l a y si m p o r t a n tr o l e s i nt h er e m o v a l o fc o d t h e r ei sas i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er e m o v a le 缳c i e n c yo f t n a n d b a c t e r i aq u a n t i t y , s oi tc o n f i r m st h a tt h er e m o v a lo f t ni sd e p e n d i n go nn i t r o g e nc y c l i n g b a c t e r i am o s t l y t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h em i c r o b eq u a n t i t ya n dt h er e m o v a l e 伍c i e n c yo f t pa n ds sa l en o ts i g n i f i c a n t , s ot h et p a n ds sa l er e m o v e db yo t h e rk i n d s o f m i c r o b eo rn o nm i c r o b i a lw a y s k e yw o r d s ：h y d r o p o n i c so fp l a n t s ；d o m e s t i cw a s t e w a t e r , r e m o v a lo fp h o s p h o r o u s & n i t r o g e n ；r o o te x u d a t e s ；c o r r e l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：形如 日期： p 而冬白斌| 。q 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签 名：移灿 导师签名： 猢雪 朱箭干 b 蚺j 斛c 2 罨嘭t ：m 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1研究背景 我国是一个水资源短缺的国家，由于人口增长，到2 0 3 0 年我国人均水资 源占有量将从现在的2 2 0 0 m 3 降至1 8 0 0 m 3 左右，需水量接近水资源可开发利用 量，缺水问题将更加突出。同时，随着我国城镇化水平的加快，小城镇得到 了迅速的发展，据预测，到2 0 1 0 年全国建制镇将达到2 5 3 万个心1 。因小 城镇建成区面积不断扩大，乡镇企业迅速发展，城镇人口不断集中，且绝大 多数小城镇没有完善的排水系统和污水处理设施，城镇污水排放不仅造成了 严重的水环境污染，而且加剧了我国水资源短缺。据估计b ，到2 0 1 0 年，我 国城市生活污水排放总量为1 0 5 0 亿m 3 ，其中村镇污水排放量可达2 7 0 亿m 3 。 2 0 0 8 年国民经济和社会发展统计公报显示，：2 0 0 8 年末城市污水处理厂日处 理能力达8 2 9 5 万m 3 ，比2 0 0 7 年末增长1 6 1 ；城市污水处理率达到6 5 3 ， 而小城镇及农村污水处理率仅为2 7 ，非城镇的污水处理率标准大大低于城 市和城镇的水平，如果按照国际通用标准，其污水处理率接近于零1 3 l 悔1 。在经 济欠发达地区，村镇星罗棋布，污水“农村包围城市”的现象十分突出，这 种格局对水污染防治提出了严峻挑战。 随着农民生活水平的提高，农村地区用水量加大，生活污水排放量随之 骤增，但村镇基础设施建设远远落后于其经济发展的速度，许多村镇缺乏必 要的污水收集系统和污水处理设施，村镇污水的随意排放，不仅造成资源浪 费和村镇本身的环境状况日益恶化，而且严重影响了当地居民的生存环境， 也制约了村镇的经济发展。因此，必须加快村镇污水处理设施建设，以确保 村镇的可持续发展。 目前国内城市污水处理厂普遍采用的工艺为普通活性污泥法、氧化沟法、 s b r 法( 间歇式活性污泥法) 、a b 法( 吸附一生物降解法) 等，这些处理工艺与美 国、德国等发达国家所采用的技术与工艺几乎处在同一水平，但我国的国民 生产总值低于上述国家，尽管这些技术在国外水污染控制中被证明是行之有 效的，但投资费用十分高昂，根据我国的具体国情，这些工艺并不适合在我 国广大农村的水污染控制中普及。如果只注重大中城市污水处理工程，而忽 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 视数量多、分布广的村镇污水治理，其结果必然达不到区( 流) 域水污染综 合防治的预期目标，威胁水环境安全的隐患仍然存在。 2 0 0 5 年，国家环保总局全面启动了全国重点流域水污染防治“十一五 规划编制工作。中国环境规划院在重点流域水污染防治“十一五规划编 制的基本思路中提出，到2 0 1 0 年，全国城市和建制镇污水处理率必须达到 6 0 l ”。因此，村镇污水处理是继大中城市污水处理之后的一个新的战略目标， 有着十分重要的战略意义。但是由于村镇在社会、经济、环境、污水水质等 方面与大中城市不同，因此以往建设大型污水处理厂的经验只有借鉴意义， 不可能把大中城市的污水处理工艺照搬到村镇的污水处理中去。随着污水控 制技术的发展，污水处理工艺和技术日趋完善，寻求成本更为低廉，处理效 果更好的污水处理方式已成为国内外研究的热点之一。相对而言，利用水生 生物处理污水的方法具有低成本、高效率、应用范围广的特点，尤其适用于 广大乡村、小社区或居民点等生活污水的处理。 1 2国内外研究现状 水生生物处理污水( 废) 方法中，常利用植物及其系统中的微生物对污 ( 废) 水中的污染物进行吸收、积累或降解转化，使污( 废) 水得以净化。 植物净化污( 废) 水方法遵循自然界自身规律进行自我修复，不向污( 废) 水投放药剂，在不形成二次污染的情况下便可达到治理污( 废) 水的目的， 同时，该方法能够强化自然界自身的自净能力，绿化环境及改善景观，创造 人与自然相融合的优美环境。因此，植物净化作为污( 废) 水处理和污染水 体净化修复的一种手段，廉价实用，已经引起国内外学者的广泛重视，若将 此技术应用于我国农村、社区及居民点生活污水的处理，不仅会产生可观的 社会价值，而且有一定的生态价值和经济价值。 1 2 1 水生生物净化污水的植物应用技术概况 利用植物净化污水，具有以下优点：系统投资运行成本低、能耗小，对 环境扰动小，植物资源可回收再利用，能够美化环境，利于整体生态环境的 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 改善。目前，采用水生植物净化污水的应用技术主要有植物缓冲带、植被 恢复、人工湿地、人工浮岛和植物塘等，。 ( 1 ) 植物缓冲带是一项水土保持治理措施，是指在河道与陆地交界的一 定区域建设乔灌草相结合的立体植物带，在农田与河道之间起到一定的缓冲 作用。它具有五大显著功能：一是控制水土流失，防止河床冲刷，减少泥沙 进入河道；二是利用缓冲带植物的吸附和分解作用，减少来自农业区的氮磷 等营养物质进入河道，形成控制面源污染的最后一道防线，达到保护和改善 水质的目的；三是缓冲带在溪流沿岸构成了一道自然风景线，可美化河流生 态景观、改善人居环境；四是为鸟类等野生动物提供栖息场所；五是促进生 态农业、观光农业、休闲农业的协调发展，增加当地财政收入，实现经济效 益和生态效益双赢。上海市浦东新区机场镇的生态河道示范区采用了河流生 态护坡技术，坡岸从坡顶至坡脚依次种植湿生植物一挺水植物一浮叶植物一沉水 植物作为植物缓冲带，使河流的坡岸土壤侵蚀和农业面源污染得到有效控制 n ”。k w t a r er 川等人评估了位于加利福尼亚大学山麓的牧场经大水漫灌和喷 灌后产生的径流经植物缓冲带后水质的变化。结果表明，该山麓牧场经过大 水漫灌产生的径流经1 0 m 宽的植物缓冲带后，可使水中总悬浮物的输移量和总 p 量降低。 ( 2 ) 植被恢复是根据水体生态与环境需求，并结合残存的水生植被基础， 在已经被破坏的水体环境基础上重新设计和构造良性湖泊生态n ”，在人工协 助下创造适宜环境，引入水生植物种源，依靠水生植物的自然发展能力，恢 复天然水生植被，增加水生植被的覆盖和生物量，提高水体自净能力。对于 湖泊等受污染水体，利用打捞藻类、清除底泥、引入新水等办法治理一般投 入高，收效甚微，存在发生反复现象，并不能根本解除水体污染问题。而利 用植被恢复，先引入耐污能力强的先锋种，再逐步恢复湖泊自身植被，提高 植物的覆盖面积和利用率，抑制藻类生长，增强湖泊自我修复能力，才是比 较理想的生态恢复方法。陈灿n 引等人通过对南京市某大学城内的人工湖月亮 湾进行短期引种漂浮植物、围格恢复沉水植物的研究，成功恢复了菹草+ 伊乐 藻群落，湖水透明度大幅提高，富营养化水平下降，有效修复了该人工湖的 生态系统。而对于透明度低、浊度大的浅水型富营养化藻型湖泊来说，全面 恢复湖泊原有的水生植被是一项艰巨的工作，必须辅以其他措施，才能长期 维持湖泊的清水态，因此，欧洲的一些小型湖泊先用生物调控改善水体透明 度后，再恢复水生高等植物”。 ( 3 ) 人工湿地，也称为湿地处理系统，是利用自然生态系统中的物理、 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 化学和生物等因素的协同作用实现污( 废) 水净化n “，如用于水质改善功能 的工程化湿地，。一般认为，人工湿地净化污( 废) 水的机理为植物吸收、 微生物代谢以及基质的吸附、过滤、沉淀等物理、化学和生物共同作用的结 果。1 9 5 3 年，德国m a xp l a n c k 研究所的s e i d e l 博士首先发现芦苇能有效地去 除一些无机和有机污染物；根据s e i d e l 的思路，荷兰于1 9 6 7 年开发了一种现称 为l e l y s t t a dp r o c e s s 的大规模处理系统，该系统是一个占地l h a 、水深o 4 m 的星形表面流湿地，随后这种湿地在荷兰大量建成n ”。上世纪6 0 年代末德国学 者k i c k u t h 提出根区法( t h er o o t - z o n em e t h o d ，简称r z m ) 理论n 耵之后，掀起 了人工湿地研究与应用的热潮；西欧、北美等国家开始利用天然湿地生态系 统的原理建成了人工湿地污( 废) 水处理系统，n 8 0 年代人工湿地污( 废) 水处理系统得到了迅速的发展，仅丹麦就建立了3 0 多个人工湿地污水处理厂 【l ”。比利时吉蒙布洛克斯农业大学( a g r i c u l r u r a lu n i v e r s i t yo fg e m b l o u x - b e l g i u m ，f u s a g x ) 研发出的一种被称之为“e p u v a l i s a t i o n 生活污水处理 系统，这种系统不仅处理污水的效果好，而且具有基建投资少、运行成本低 等优点，特别适合于小城镇以及分散的零星社区的污水处理。“e p u v a l i s a t i o n 实际上是一种模拟人工湿地系统，处理工艺有多种：按照水流方向有 水平流、垂直流等；按照培养介质有水培、水砂培、水一砂一土培等。相对 于这些国家，我国对人工湿地的研究和推广利用相对较晚，从上个世纪八十 年代初学习了国外的先进湿地处理技术并在“七五期间湿地技术被列为国 家科技攻关课题以后，才开始较大规模的研究。1 9 8 8 年在北京昌平进行了处 理规模为5 0 0 m 3 d 的芦苇湿地处理系统示范工程他o 】1 9 8 9 年天津环保所在实验 室建立了人工湿地的研究系统，对芦苇床湿地处理城市污水的规律进行了系 统的研究心l 】1 9 9 0 年7 月，国家环保局华南环保所在深圳白泥坑建造了占地 8 4 0 0 m 2 、日处理规模达3 1 0 0 m 3 的人工湿地示范工程，这是我国第一个规模较 大的人工湿地污水处理试验场；此后，国家环保局与中国科学院等单位相继 对人工湿地污( 废) 水处理系统进行了一系列深入研究，对人工湿地的构建 和净化功能进行了阐述。目前，对于人工湿地污( 废) 水净化的研究和应用 方兴未艾。人工湿地虽然处理效果好，基建和运行费用低，但是占地面积大， 且受地域、气候、温度等的影响较大，因此不适用于土地资源紧缺的地区。 ( 4 ) 人工浮床又称人工浮岛，是绿化技术与漂浮技术的结合体，植物生 长的浮体一般是由发泡聚苯乙烯、纤维强化塑料、不锈钢加发泡聚苯乙烯、 特殊发泡聚苯乙烯加特殊合成树脂、盐化乙烯合成树脂、混凝土等材料制作 而成的啪，质轻耐用。岛上植物可供鸟类栖息，下部植物根系形成鱼类和其 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 他水生生物生息环境，同时植物能够吸收引起富营养化的氮和磷，且浮岛的 消波效果可对岸边构成保护作用。自2 0 年前德国b e s t m a n 公司开发了第一个 人工浮床之后，以日本为代表的国家和地区成功地将人工浮床应用于富营养 化水体的污染治理和生态修复瞳“。日本琵琶湖中作为鱼类用产卵床的人工浮 岛，2 0 世纪7 0 年代末就开始制作使用，经创造性改造，目前已具有净化水质、 创造生物的生息空间、改善景观、消波等综合性功能幢“。卢进登等瞪副利用人 工浮床在富营养化水体中栽培了7 种植物，成活率都在7 0 以上，2 个月的生长 期内植物生长量都超过2 0 k g 鲜重m 2 ，浮床栽培芦苇的净化效果较好，每平方 米的芦苇浮床可以使1 1 7 9 m 3 的水从v 类水质净化为i i i 类水质( 以总磷计) 。与 人工湿地技术相比生态浮岛技术最大优点在于不另外占地，较适合我国大多 数河流无滩涂空间利用的特点，但造价较高。 ( 5 ) 水生植物塘是氧化塘中的一种，它的深度一般在1 0 2 o m 之间， 兼有好氧塘和厌氧塘的优点。该系统利用植物、动物、藻菌共生系统使有机 物分解，在塘的上部水生维管束植物进行光合作用，接着将氧从上部输送至 根部，从而在根区或根际形成好氧环境，好氧菌在此水层进行氧化代谢，同 时它的根区为微生物生存提供必要的场所；在塘的下部氧含量较少，厌氧菌 在此进行厌氧反应。p e t e rv a nd e rs t e e n t 2 6 ，等采用2 个浮萍塘一3 个稳定塘一 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心”，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。张雨山等人幢。1 利用 水生植物塘处理冲厕海水的试验研究发现，芦苇和香蒲对污染物的去除效果 好于黄须菜，但黄须菜的耐盐性好于芦苇和香蒲。三种植物混合种植时对污 染物的去除效果较单一植物好。在盐度一定时，水生植物塘对有机物的去除 率随进水有机负荷的增加而降低，并且水生植物塘具有一定的抗盐度冲击能 力。水生植物塘单独处理污水的能力有限，需同其他处理单元联合使用，因 此在实际应用中有一定局限。 1 2 2 水生生物；争化污水的植物净化效果研究现状 水生生物净化污( 废) 水或水体系统是由植物、动物、微生物以及基质 等组成的复杂系统，是物理、化学、生物过程共同作用的结果，但是植物的 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 作用首当其冲，主要表现在：吸收、吸附和富集作用；氧的传输作用； 为微生物提供栖息地；维持系统的稳定；有机物的积累作用。另外， 水生植物还具有欣赏性，可以通过收割获得一定经济效益，还可作为介质所 受污染程度的指示物，有助于酶在湿地系统的扩展等作用心”。因此植物的筛 选也成为这一处理工艺的关键。首先，要遵循当地气候特征和植被的分布状 况，选择最适宜本地生长的( 最好是本土) 的植物，要求移栽成功率高、能 较长时间耐水浸、耐污能力强、对于北方地区还要具有较强的耐寒能力；尽 量选择根系发达，且生物量大的植物种类；其次，所选的植物种类最好有比 较广泛的用途，或者有一定的经济价值协”。现在国际上公认的湿地淡水水生 植物优势品种有宽叶香蒲( t y p h a l a t i f o l i a ) 、芦苇( p h r a g m i t e s ) 、苦草 ( v a l l i s n e r i aa m e r i c a n a ) 、软水草( h y d r i l l av e r t i c i l l a t a ) 和狐尾藻 ( m y r i o p h y l l u ms p i c a t u m ) m ”。目前广泛应用的水生植物多是大型水生植物， 一般为水生维管束类植物( a q u a t i cv a s c u l a rp l a n t ) ，分为3 种类型，即挺 水植物、浮水植物和沉水植物”。程伟旧引选取了香蒲( t y p h al a t i f o l i a ) 、 美人蕉( c a n n af l a c c i d a ) 、灯心草( j u n c u se f f u s u s ) 等九种水生植物作为 研究对象，通过研究得出：挺水植物比沉水植物有更大的生物量和更为发达 的根系，所以对污水的净化效果、对污染负荷变化的适应性以及耐污能力均 优于沉水植物；美人蕉、香蒲、灯心草和水竹在正常生长期内对污染物的去 除效果之间无较大差异，但实验中美人蕉和水竹生长期最长，且生物量和细 根量增长最大，所以这两种植物对污水的净化效果比香蒲和灯心草更好；沉 水植物中伊乐藻具有生物量大且耐低温等生长优势，所以综合净化效果最好， 苦草其次；狐尾藻、马来眼子菜和金鱼藻在夏季对低浓度污水有较好的净化 能力，但耐污能力均较差：季节对于污水的净化效果影响很大。沉水植物有 着巨大的生物量，与环境进行着大量的物质和能量的交换，形成了十分庞大 的环境容量和强有力的自净能力。在沉水植物分布区内，c o d 、b o d 、总磷、 氨氮的含量都普遍远低于无沉水植物的分布区“。不同的沉水植物对水体中 的总氮和总磷均有显著不同的去除作用。宋福n 副在关于常见沉水植物对滇池 草海水体( 含底泥) 总氮去除速率的研究中发现：物种去除能力的大小顺序 依次为伊乐藻 苦草 狐尾藻 篦齿眼子菜 金鱼藻 菹草 轮藻。随着时 间的延长，水体中总氮浓度呈负指数形式衰减，且在实验总氮浓度范围内 ( 2 6 3 1 6 6 7 m g l ) 每种沉水植物的去除速率随总氮浓度的增加而增加。 s t e w a r d ak k b 发现黑藻( h y d r i l l av e r t i c i l l a t a ( l f ) r o y l e ) 对磷的 需求较低，并可利用重碳酸盐作为光合作用的碳源。除此之外，水生植物还 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 能有效去除水体中的重金属和有机物，s o l t a n ”8 1 等人的研究中，水培凤眼莲 每克干物质能吸收锰1 4 8 5 1 1 01 1g ，锌2 9 5 1 0 | jg ，铅1 8 5 1 3 | lg ，铜1 4 2 1 91 1g 。当水中含酚0 3 6 m g l 时，用凤眼莲经过3 0 4 0 h ，酚可降至0 0 0 5 m g l 。在温度为17 - 一3 7 范围内，随着温度的升高凤眼莲除酚速度也增加。 大型水生植物虽然根系发达，处理效果明显，但是受地域气候等因素影 响较大，而且经济价值不高，不利于向城镇和广大农村地区推广。因此，水生 生物净化污( 废) 水或水体技术中，采用有经济价值的植物如花卉、蔬菜等 净化水质，更具有现实意义。 戴全裕口引等人建立的以水培经济植物为主的废水净化与资源化生态工程 体系在处理含重金属废水、酿酒废水的应用中，均收到较好的环境效益和经 济效益。针对城市中受污染水体的水生经济植物净化研究中，由文辉们等人 利用人工基质无土栽培水生经济植物净化水质的静态试验结果表明，在5 月 1 0 月间，针对t n 含量为1 0 9 2 0 3 m g l 、t p 含量为1 4 2 o m g l 的试验用水， 水蕹菜对t n 、t p 的去除率分别为8 1 3 和7 1 3 ；在1 1 月3 月间，水芹菜对t n 、 t p 的去除率分别为8 2 8 和9 4 8 。经重金属检测分析，水蕹菜和水芹菜茎叶 部分的c u 、c d 、p b 和z n 含量均处于可食用范围内。经统计，每m 2 水面每年可 自水中移除t n 2 0 4 8 9 、t p 2 4 6 9 ，并可收获蔬菜5 0 k g m 2 ，具有显著的环境效 益和经济效益。孙文全”研究了水耕蔬菜型人工湿地的应用，采用的富营养 化河流水质的t n 含量为2 0 4 o m g l ，t p 含量为0 2 - - 0 4 m g l ，其中空心菜 对t n 、t p 的平均去除率分别为6 1 1 、8 0 5 ，对原水中的蓝藻也具有良好的去 除能力；水芹菜对t n 的平均去除率约为2 0 ，- - - , 2 5 ，对t p 的平均去除率约在7 0 左右，且具有良好的抗冻性。徐晓锋2 ，等人的实验证明小葱对城镇化粪池污 水和鱼塘水混合物( 混合水t n 3 7 5 8 m g l ，t p 8 0 2 m g l ) 中t n 、t p 去除率分别 达到9 8 5 、9 4 9 ，净化效果显著。小葱具有较高的经济价值，产量可达 6 4 9 t h m 2 。同时，小葱还可以有效填补面源污染控制工程中冬季植物缺乏或 休眠的不足。徐晓峰引等人还对1 3 种经济植物在污水水培条件下净化污水中 磷的能力进行了研究，在4 个半月的水培中，黑麦草( l o l i u mm u l t i fl o r u m ) 、 水芹( o e n a n t h es t o l o n ife r a ) 、莴苣( l a c t u c as a ti v av a r a n g u s t a n a ) 、 酸模( p o l y g o n u mi a p a t h i fo l i u m ) 、生菜( la c t u c as a t i v a ) 、小葱( a i l i u m a s c a l o n i c u m ) 、五月慢青菜( br a s s i c ac h i n e n s i s ) 等品种具有较高的净化能 力，t p 的去除率分别达到9 4 1 5 、9 5 1 2 、9 3 1 6 9 9 1 3 、9 9 1 6 、9 9 1 5 、 9 5 和8 9 1 2 。同时还发现，黑麦草、水芹等7 种植物适宜作为苏南地区冬季 化粪池污水水培植物。陈源高h 们等检测分析了5 种水培蔬菜中4 种常量金属元 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 素、1 8 种稀有金属元素以及1 0 种重金属元素含量，并与对照组陆生蔬菜金属 元素含量进行比较，结果表明：污染水体中水培蔬菜的金属元素富集水平是 不同的。常量金属元素平均富集系数为陆生蔬菜的2 15 0 倍；稀有元素平均 富集量总体上高于陆生蔬菜；重金属元素富集系数大多为陆生蔬菜的1 0 倍左 右。羊蹄植株作为一种药用植物，含有多种微量元素，具有很高的药用价值， 李亚东n 引通过对其进行污水培养，不仅其生物量有很大增加，而且还能使污 水的透光率由9 6 上升至i l j 9 9 1 ( 自来水为1 0 0 ) ，其净化作用使污水c o d 由 4 9 m g l 降为2 8 m g l 、氨氮由3 2 8 m g l 降为8 2 m g l 、磷由2 9 m g l 降为0 2 m g l ， 由此证明羊蹄植株也是治理污水的优良品种。吕锡武等人剐运用水培空心菜 净化富营养化河水的试验结果表明：该方法能有效去除富营养化原水中的氮、 磷营养元素；在总水力负荷为0 7 3 m 3 ( m 2 d ) 的条件下，t p 和t n 的去除率可分 别达至1 j 7 3 1 和6 4 5 ；利用三级串联的方式，还可有效克服同类研究中出 现的溶解性营养盐释放问题。因此，利用经济植物水培进行污( 废) 水处理， 不仅可以实现净化目的，还可以收到一定的经济效益。 1 2 3 水生生物净化污水的植物净化机理研究现状 目前国内外针对水生植物净化污( 废) 水或水体的研究多是集中在人工 湿地处理污( 废) 水或水体修复过程中水生生物尤其是植物的遴选、污染物 负荷、植物生长密度以及工艺参数等影响因素的确定，以及对污染物去除效 果的影响等方面，而对植物水培系统净化污( 废) 水或水体机理方面的研究 较少，但人工湿地和植物水培处理污( 废) 水的方法差异很大，目前针对水 生植物净化污( 废) 水或水体的机理主要有： ( 1 ) 植物吸附过滤和沉淀作用 水生植物密布于水中的发达根系，能形成一道密集的过滤层，当水流经 过时，通过吸附、过滤、沉淀和截留等物理作用产生截污能力，不溶性胶体 会被根系粘附或吸附，特别是将其中的有机碎屑沉降下来，；水生植物能吸 收水中的n 、p 等营养物质供自身生长，但有些不可溶性的含氮磷物质则是通 过植物根系的吸附过滤作用或自身沉淀作用得到去除，李科德等“盯发现 p 0 。p p 的去除主要通过植物根系的沉淀、过滤、吸附、固结等理化作用来实 现；吴振斌等们研究认为人工湿地对磷的去除主要是通过植物根系对不溶性 磷的吸附和沉积作用；有些植物同时还能吸附农药、化肥、重金属等有害物 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 质。e i h o z h i n a t 圳用阔叶香蒲和芦苇来处理西伯利亚一个金属矿山的废水， 发现植物对该废水中富含的砷、锑、铁和锰有较高的吸附量；同时，根系良 好的输氧能力使其周围繁殖了大量好氧细菌，而根系分泌物形成的活性物质 具有巨大的比表面积，为好氧细菌提供了附着基质，由此形成生物过滤体系 净化废水“。 ( 2 ) 植物吸收作用 大型水生植物可直接吸收和利用氨态氮、磷，起到脱氮除磷的作用”。 当水生植物被收割运移出水生生态系统时，大量的营养物质也随之从水体中 输出，从而达到净化水体的作用。水生植物根系分泌的特殊的有机物能从 周围环境中交换吸附重金属。被吸附的重金属离子一小部分通过质外体或共 质体途径进入根细胞，大部分金属离子通过专一的或通用的离子载体或通道 蛋白进入根细胞，被吸收在根系内的重金属主要分布在质外体或形成磷酸盐、 碳酸盐沉淀，或与细胞壁结合”。植物对有机物的吸收有着不同的代谢机制， 如酚类进入植物体后参与糖代谢，或者和糖结合生成酚糖苷，或者被多酚氧 化酶和过氧化物酶氧化而解除毒性口”。傅以钢副等研究了植物对水溶液中乐 果的降解情况，水葱、香蒲和石菖蒲在1o d 时间内对水溶液中浓度为5 m g l 的 乐果的去除率分别为：5 8 、3 9 和3 3 ，植物吸收作用对乐果去除的贡献率约 占4 0 ，因此，植物吸收对于有机物降解有重要作用。 ( 3 ) 微生物作用 人工湿地是植物净化技术的典型应用，研究表明人工湿地处理污( 废) 水时，有机物的降解和转化主要是由微生物活动来完成的，人工湿地中微生 物的活动是污( 废) 水中有机物降解的基础机制的悔”啪，。朱世东隋”等研究了多 功能型蔬菜无土栽培基质，与传统无土栽培基质相比含有较多的有机质和微 生物，其中氨化菌、硝化菌、纤维素分解菌的增加可加快有机质的分解，使 之转变为蔬菜易吸收的铵态氮和硝态氮。大量的反硝化菌，能利用丰富的氮 源和碳源，进行强烈的反硝化反应，最终一部分氨氮以氮气的形式去除”。 某些水生植物的根际微生物以芽孢杆菌为优势菌种，而芽孢杆菌具有很强的 降解有机磷的能力，能将有机磷、不溶解磷降解为无机的、可溶的磷酸盐， 从而使植物能直接吸收利用，；此外，水生植物的根系还可分泌促进嗜磷、 氮细菌生长的物质，进一步促进氮、磷的释放和转化，从而间接提高净化效 率哺3 | 。根区以外则适于厌氧微生物群落的生存，进行有机物的厌氧降解。植 物根系释放分泌物和酶，去除根区有机物。有试验表明，菌根真菌可增加宿 主植物对磷及其它营养的吸收，分泌生长素，提高植物抗逆性，改善植物根 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 际环境，增强植物的抗病力等r o 列列，。梁威5 ，等通过相关性分析发现湿地植物 根区的细菌总数与b o d 。的去除率之间存在显著相关性；而根区微生物数量与 t p 、c o d 和凯氏氮的去除率之间不存在显著相关性。 ( 4 ) 植物抑藻作用 某些水生植物能产生化感物质( 如酚、生物碱等) ，从而抑制有害藻类 的生长。这些物质能促进或抑制其他个体或自体的生长。在高浓度的化感物 质作用下，有些藻细胞体积增大，细胞内油滴也增大，细胞颜色变浅，细胞 结构逐渐融解破坏“，藻类生长受到强烈的抑制。据报道，种植石菖蒲或凤 眼莲，可破坏藻类的叶绿素a ，使其光合速率、细胞还原t t c 能力显著下降”。 俞子文，等研究证实了水花生( a l t e r n a n t h e r ap h i l o x e r o i d e s ) 、水浮莲 ( p i s t i as t r a t i o t e s ) 、满江红( a z o l l ai m b r i c a t a ) 、紫萍( s p i r o d e l a p o l y r h i z a ) 和西洋菜( s i t i ms u a v ev s r a n g u s t i f o l i u m ) 5 种植物均对雷氏衣 藻( c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i i ) 有克制效应，但不如水葫芦( e i c h h o r n i a c r a s s i p e s ) 的作用强。从水花生、水浮莲和水葫芦的种植水中得到的分泌物 粗提物，也表现出对雷氏衣藻的克制效应。 1 3 研究课题的来源及主要研究内容 课题来源：本研究为西南科技大学博士基金资助项目( 0 7 z x 0 1 0 3 ) 的研 究内容。 本课题结合国内外植物水培系统净化污( 废) 水的研究现状，针对经济 植物展开研究，探讨植物在生活污水中的生长情况和净化效果，以及植物水 培净化系统去除污染物的机理，期望通过这一研究，可将植物水培净化技术 应用于村镇、