水生植物处理污染水研究现状及应用前景.doc

水生植物处理污染水研究现状及应用前景李 俊 ,李科林 (中南林业科技大学资源与环境学院,湖南长沙 410007)摘要 综述了水生植物处理污水的处理机理和处理效果, 介绍了水生植物在污水处理中的应用现状和独特的优点及广阔的应用前景。关键词 水污染;污水处理 ;水生植物我国是一个水资源短缺的国家 , 全国城市中有一半以上缺水。随着工业化及城市化的进展, 工业废水及生活污水的排放不断增加 ,导致河流与湖泊水质生态恶化, 污泥淤积,恶臭产生, 从而引发出一系列的环境问题 1 。为解决流域内河流与湖泊的水污染问题,建设工业废水处理厂及城市生活污水处理厂是一种非常有效的措施, 但需巨大的投资。另外, 从世界各国的经验来看, 仅靠此种对策仍很难使已恶化的水环境得以完全修复 ,尤其是对富营养化的水体。水生植物污水处理技术作为一种与污水处理厂处理污水技术互补的水处理技术, 以其投资少、运行维护费用低、没有二次环境污染,且能够改变生态和景观环境质量的优点而日益受人们青睐。1 水生植物处理污水研究现状1 .1 水生植物处理污水的机理 水生植物能吸收和富集水体中的有毒有害物质 ,并且在植物体内的富集含量可达到污染物在水中浓度的几十倍、几百倍甚至几千倍以上, 对水体能起到很好的净化作用 2 。1 .1.1 吸附、过滤、沉淀作用。覆盖于湿地中的水生植物,使风速在近土壤或水体表面降低 ,从而有利于水体中悬浮物的沉积, 降低沉积物质再悬浮的风险, 增加水体与植物间的接触时间, 同时还可增强底质的稳定和降低水体的浊度 3 。根系表皮细胞由于进行新陈代谢 ,死亡后在微生物的作用下分解为腐殖质等物质。这些物质和植物生长过程中分泌的物质含有一系列特殊的功能团, 它们对含各种基团的化合物都有很强的吸附能力, 当水流经时, 不溶性胶体会被根系粘附或吸附, 起到过滤的作用, 从而将水中的悬浮物质和有机碎屑沉降下来 4 。1 .1.2 吸收作用。高等水生植物在生长过程中需要吸收大量的氮、磷、二氧化碳和有机物等营养物质,它们不仅可以通过根部吸收沉积物中的营养盐, 还可通过茎叶吸收水中的营养盐。这对调节水体的 pH 值、溶解氧乃至水温, 稳定水质都有重要意义 。水生植物根系分泌的特殊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或通用的离子载体或通道蛋白进入根细胞。吸收在根系内的作者简介 李俊(1983-),男,湖南衡阳人, 研究员, 从事水污染处理研究。收稿日期 2007-07-07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 5 。1.1 .3 微生物的辅助作用。微生物对各种污染物的降解在污水处理系统中起着非常重要的作用, 如在氮的去除过程中, 尽管有植物的吸收作用, 但硝化和反硝化仍然是主要的去除机制 6 。在水生植物的系统中, 水生植物的根系区域为微生物的代谢提供了必要的环境。水生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 ,部分供植物呼吸 ,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, 加强了根区微生物的生长和繁殖 ,促进了好氧生物对有机物的分解, 并有助于硝化菌和反硝化菌的生长 7 。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, 最终部分氨氮以氮气的形式去除 8 。而根区以外的区域则主要是适于生长厌氧微生物群落, 进行厌氧降解 。因此, 植物的生长代谢直接关系到污染物的降解。种植水生植物后 ,水生植物的根系会产生优势菌种, 而这些菌种能将有机的、不溶的物质降解为无机的、可溶的物质让植物直接吸收利用。此外 ,水生植物的根系还可分泌能促进嗜磷、氮细菌生长的物质, 进一步促进氮、磷的释放和转化。1.2 水生植物污水处理的效果1.2.1 去除悬浮泥沙。曹昀等 9 对不同水生植物去除悬浮泥沙能力的研究表明高等植物可有效去除水体中的悬浮泥沙, 改善透明度。水力滞留时间对植物去除悬浮泥沙的效果有较大的影响, 水力滞留时间长, 即使输入悬浮泥沙浓度很高, 去除率和单位时间的净去除量也会较高 ;浅水区的挺水植物对进水高浓度悬浮泥沙的有效过滤作用减缓了悬浮泥沙对深水区沉水植物的胁迫压力;沉水植物能进一步去除悬浮泥沙 ,抑制再悬浮作用 ,对水生生态系统的稳定有十分重要的作用。1.2 .2 去除水中的营养物质。水生植物的存在有利于硝化、反硝化细菌的生存 。张鸿等 10 研究表明,在种植水芹 、风眼莲的湿地中 ,硝化和反硝化细菌的数量均高于没有植物的湿地, 水芹湿地的细菌数量多于凤眼莲湿地的细菌数量, 但前者对氨氮的去除率低于后者,说明人工湿地系统中对N 的去除植物的吸收占主导地位。吴振斌等 11 在进行复合人工湿地系统的研究中,发现种植不同植物的湿地对 COD 、BOD5 、安徽农业科学, Journal of Anhui Agri.Sci.2007 ,35(34):11159-11161 责任编辑 王云平 责任校对 俞洁TN 、TP 的去除效果均好于没有种植植物的对照湿地。湿地植物直接吸收和利用可利用态磷 ,起到去磷的作用 。1 .2.3 处理难降解污染物。水生植物在不危害自身生长发育的条件下, 对水体中难降解有机物有较好的降解、同化能力。肖乡 12 对化粪池污水的净化试验显示,凤眼莲(Eichhornia crassipes (Mart.)Solms)对 COD 去除率达 92 %。刘光良等 13 对造纸污水的研究表明 ,经过9 d ,风眼莲对马尾松硫酸盐浆污水 COD 去除率为 24.6%, 对阔叶混合材半化学浆污水COD 去除率为35.3%。杨继武 14 用凤眼莲净化石油钻井污水,凤眼莲种植 30 40 d 对污水色度去除率为 33.3%39 .3%,使COD 由178.2 mg/L 降到114.7mg/L 。曾健等 15 利用水葫芦(Eichhornia crassipes)、水花生(Alternanthera philoxeroides (Mart.)Griseb)、水浮莲(Pistia stratiotes)、浮萍(Lmna minor)4 种水生植物净化三肼污水, 结果显示凤眼莲对三肼污水具有较高的适应性, 对偏二甲肼、甲基肼也具有良好的去除作用, 去除效率随温度的升高而增加。另外 ,浮萍可原位修复富美喹 TM 污染废水 16 。芦苇(Phragmites communis)湿地生态系统可有效处理含荧蒽、蒽类等多环芳烃(PAHs)化合物废水 17 。马蹄莲(Zantede schia aethiopica)表面流人工湿地(SSFW)对表面活性剂壬基酚(NP)和壬基酚乙氧基化物(NPEO)的去除效果很好 18 。1 .2.4 处理含重金属污水。水生植物还常用来处理重金属污水。宽叶香蒲(Typha latifolia L.)人工湿地系统可有效处理铅/锌矿采矿废水, 经处理后, Pb 、Zn 、Cu 和Cd 等重金属被大量去除 19-21 。狐尾草(Myriophyl hum aquaticum)、水薄荷(Mentha aquatw)可有效去除水中的 Fe 、Zn 、Cu 、Hg 离子 22 。Rai U .N . 23 等研究表明金鱼藻(Ceratophyllum demersum L .)对Cr 的去除效果较好 ,金鱼藻和水网藻可将Fe 大量去除, 而野生稻则可有效减少Pb 污染。水葫芦不但可有效去除水体中的营养物质 ,而且对重金属也有很强的富集去除能力 24-25 。大米草(Spartina anglica)能将水中的有机汞转化为无机汞,降低汞的毒性 ,还可将大量的汞富集固定在植物体内 26 。1 .2.5 抑制藻类的生长。水生植物能通过“克藻效应”抑制有害水藻的生长, 从而净化水环境 。俞子文等 27 研究发现水花生(Ahernantherae philoxeroides)、水浮莲(Pistia stratiotes)、满江红(Azolla imbricate)、紫萍(Spirodela polyrhiza)、浮萍(Lemna minor)均可对雷氏衣藻(Chlamydomonas reinhardi)的生长产生抑制作用, 对比试验表明 , 水葫芦的“克藻效应”更强 27 。金鱼藻、茨藻(Najas marina sp.)、水网藻、水葫芦等大型水生植物可通过与藻类竞争阳光、矿物质营养以及分泌化学物质抑制富营养化水体中丝状藻类的生长 28 。以水芹菜(Nasturtum officinale)和空心菜为主的水生植物浮床可通过机械截留、吸附固定、氧化分解以及生物捕食等途径去除水体中的藻类 29 。2 水生植物处理污染水应用现状2 .1 人工湿地技术 人工湿地是近十年来才兴起的污水生态处理法, 它是为处理污水而人为地在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料(如砾石等)混合组成填料床 ,使污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动, 并在床体表面种植具有性能好 、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物(如芦苇,蒲草等)形成一个独特的动植物生态体系 30 。利用湿地系统净化污水目前已发展成为一种完备和独立的污水处理技术。水生植物是该系统中不可分割的重要组成部分, 其作用主要体现在以下几个方面:牢固湿地床表面, 为物理过滤提供良好条件;形成隔离层, 在冬季可防止霜雪直接冻结湿地表面;给根区微生物及部分野生生物提供良好生境;通过根系的输氧作用改善系统中的生物地化循环 ;吸收部分营养物质 ,降低污染负荷;改善景观等 31 。目前, 人工湿地技术处理污染水在发达国家已有广泛应用,而我国的研究尽管刚起步 ,但已有应用案例, 如深圳的白泥坑人工湿地处理系统、山东胶南市污水处理厂 、内蒙赤峰市宁城污水处理厂这些都是新兴的大型湿地污水处理系统。人工湿地系统具有较好的经济效益和生态效益 ,具有投资低、出水水质好、抗冲击力强、增加绿地面积、改善和美化生态环境、视觉景观优异、操作简单、维护和运行费用低廉等优点 32 。2.2 综合生物塘处理污水 生物塘也叫稳定塘, 是通过人工控制生物氧化过程来进行污水处理的工艺, 具有基建投资少、处理过程简单、易管理等特点, 在中小型常规污水处理领域具有广泛的应用前景 。水生植物在此系统中同样起着非常重要的作用 ,吴振斌等 33 采用漂浮植物塘、挺水植物塘和藻菌共生塘的串联系统有效地净化了城镇污水。吴玉树等 34 利用不同种类维管束植物塘组合在滇池局部区域的研究发现, 该综合生物系统对污水和底泥都有一定的净化效果。王国祥 35 等采用漂浮、浮叶及沉水植物塘相间连接, 较理想地实现了对太湖局部水域水质的改善。小型综合生物氧化塘通过采用物理化学与生物相结合的方法 ,将炉渣吸附和水生植物水葫芦运用于氧化塘处理印染废水 ,取得了良好的效果,COD 去除率达76.5%, 色度脱色率高达96 .9% 36 。2.3 水域生态恢复 采用人工围隔系统来重建沉水植被治理污染、修复水域生态系统是目前水域生态恢复研究的热点。南京地理与湖泊研究所在藻型富营养化的五里湖(太湖)2 000 m2 的围隔中先种植浮叶植物, 抑制藻类生长以增加透明度,然后逐步种植伊乐藻, 殖草、黑藻、金鱼藻等沉水植物, 实现了由浮叶植物向沉水植物的过渡, 并有效治理了菱黄水 37 。宋碧玉 38 等在东湖人工围隔中研究沉水植被恢复的生态效应, 发现围隔中的TN 和TP 分别比湖区降低1/2 和1/3 ,透明度提高近 2 倍, NO3-N 降低 1/4 、NO2-N 降低 1/2;沉水植被恢复以后, 水体透明度提高, 溶解氧增加, 浮游植物叶绿素 a 含量明显降低 ,原生动物多样性也显著增加 。3 前景目前, 我国大部分城市污水处理设施均采用传统污水处理工艺, 而利用水生植物吸收水中污染物的污水处理工艺在我国还刚刚起步。这种高效、环保、经济的污水处理工艺是对传统工艺的重要补充,水生植物在这类工艺中应污染条件不同而不同程度的去除水中的氮、磷等营养物质,吸收重金属,抑制藻类生长并改善水体景观。其应用前景主要体现在:(1)在一些小城镇, 空闲土地面积大, 但由于能源缺乏 ,经济不发达 ,不能建成大型污水处理厂 ,而企业运行和居民日常生活的污水排放又必然会给当地带来严重的环境污染 。11160 安徽农业科学 2007年因此, 发展水生植物污水处理技术这种高效 、简易、低耗的水处理工艺具有重大意义和现实价值。(2)随着我国经济的发展, 农村经济也得到长足的进步,特别是乡镇企业日新月异。但与此同时 ,农村污水的排放和治理也引起了人们的重视,处理好农村污染问题已成为建设新农村, 建设和谐社会的基本条件。在地域广阔的农村土地上建设大型污水处理设施因为受到资金和人力等方面限制显然是不合实际的, 而低消耗、低维护的水生植物污水处理法恰能弥补这些条件的不足, 既环保又经济的治理好农村污水污染。发展水生植物污水处理工艺的关键是寻找耐污性强的植物种类和群落组合, 这还需要人们不断的总结和研究。总的来说, 利用水生植物处理污水符合我国国情, 为我国日益恶化的水环境的保护和治理提供了良好的途径, 具有广阔的发展空间。参考文献 1 刘军.日本河流与湖泊的水生植物净化技术现状 J .贵州环保科技,2004(10):7-10. 2 屠晓翠, 蔡妙珍,孙建国.大型水生植物对污染水体的净化作用和机理 J .安徽农业科学,2006,34(12):2843-2844. 3 白峰青, 郑丙辉,田自强.水生植物在水污染控制中的生态效应 J .环境科学与技术,2004, 27(4):99-110. 4 朱斌.利用水生植物改善北京动物园水环境的技术研究 D .北京:北京师范大学, 2002:1-51. 5 刘素纯, 萧浪涛,王惠群, 等.植物对重金属的吸收机制与植物修复技术 J .湖南农业大学学报, 2004 ,30(5):493-498. 6 READDYK R, DEBUSK T A.State of the art utilization of aquatic plants inwater pollution 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