水生植物净化水质的机理及其应用方式

     [摘要]综述了水生植物在污水处理中的应用及其净化水质的机理,以及利用水生植物营造的净化塘、人工湿地系统、水域浮床技术和根际过滤技术等方式净化污水的研究进展。

    [关键词]水生植物;水环境;净化作用

    地球表面积71%被水覆盖,大洋承纳了整个生物圈内97%的水体,极地冰固化了生物圈内2%的水体,只有不到1%的水体以淡水形态存在于江、河、湖泊中,这也是人类和其他生物赖以生存的基础。但是,随着工业化进程的加快和人口数量的不断增加,生态环境不断受到破坏,水污染日趋严重,大多数水体超过国家地表水环境质量四类标准[1]。水体污染问题受到了广泛的关注,前人对如何预防和治理水体污染做了大量的研究[2～4]。在污水处理中,传统污染水处理方法如生化二级处理法,工艺成熟、处理效果理想,但建造、运行、管理费用过高;化学法(如加入硫酸铜等)和换水法处理污水,虽然均有一定效果,但化学法易产生二次污染,换水法不够方便、经济,且仅适宜于小型水体。为了寻找高效低耗的水污染处理技术,自20世纪70年代起,水生植物开始受到人们的关注。水生植物不仅具有较高的观赏价值,还能主动吸收水体中的养分物质,对富营养化水体可起到净化作用。为此,笔者就水生植物对水质的净化作用和机理进行了概述与分析,同时就其在净化污水方面的应用方式进行了简要论述,以期为科技工作者治理水体污染提供一些参考。

    1水生植物在污水处理中的应用

    凡生长在水中或湿土壤中的植物,以大型的草本植物为主,包括水生、湿生和沼生植物,称为水生植物(hydrophyte)[5]。水生植物主要包括3大类:水生维管束植物、水生藓类和高等藻类。在污水治理中应用较多的是水生维管束植物,它具有发达的机械组织,植物个体比较高大,可分为挺水、浮水和沉水3种生活型[6],这3种类型的水生植物在污水处理系统中存在一些不同的应用方式,详见(表1)。

    2.5对浮游藻类的竞争抑制作用

    富营养化严重的水体中,藻类疯长,水质恶化。栽种水生植物后,同浮游藻类竞争营养物质及所需的光热条件,同时分泌出抑藻物质,破坏藻类正常的生理代谢功能,迫使藻类死亡,以防止其带来的毒素[23,24]。这样可提高水体透明度,改善水中的DO含量,促进沉水植物与共生菌的生长,进一步净化水质。

    3利用水生植物净化污水的处理方式

    3.1净化塘

    目前在利用水生植物净化污水时通常是以净化塘的方式,如凤眼莲净化塘、香蒲植物净化塘等[25～27]。

    净化塘是以某种水生植物占绝对优势而组成的特殊水生生态系统,这个系统通过水生植物群落的阻滤、沉降、吸附等物理作用以及植物体的吸收、积累等作用而达到对污水的净化效果。最近几年,水生植物净化塘在国内外发展都比较快,能净化的污水种类越来越多,已由净化生活污水发展到工业废水和城市混合污水;处理规模也越来越大,从利用人工的净化塘发展到利用天然湖塘、湖湾放养水生植物净化水质和底泥。在水生植物的利用上,由一种植物为主发展到多种植物搭配,以相互取长补短,达到最佳的净化效果。比如选用耐寒植物伊乐藻和喜温植物凤眼莲及菱,组建成的常绿型人工水生植被。不仅使试验区内常年保持较好的水质,而且对外来污染冲击有很强的缓冲能力,它可用于水源保护、局部性水质控制、污水净化生态工程、小型富营养水体的生态恢复等[28]。

    3.2人工湿地系统

    20世纪70年代发展起来的人工湿地系统是利用水生植物处理污水的又一发展方向[29,30]。由于建造和运转费用低、维护简单、效果好,且为众多野生动物提供了栖息地,成了研究的重点。如芦苇湿地可用于处理生活污水和部分工业废水,如造纸废水、纺织废水、啤酒废水、炼油废水、养殖和饲料及食品加工废水等。其基建投资、运转费用和能耗均为常规二级处理方法的1/3～1/5,并有较好的经济效益和生态效益[31]。Nyakang等[32]利用香蒲、芦苇、美人蕉等观赏性水生植物,经过1块湿地和3个池塘构成的宾馆和游泳池污水处理系统,在达到去污目的的同时也营造了优美的水体景观。Koottatep等[33]还发现进入湿地约50%的总氮是被植物吸收的。湿地系统去除污染物的机理主要是通过沉降、过滤、化学沉淀和吸附、微生物反应和植物吸收等反应过程除去水中的污染物。所以湿地是一种低成本、易操作和高效率的污水处理方法。

    3.3水域浮床技术

    水域浮床技术早期仅应用于农业生产,近10年来有学者利用该技术进行水污染控制。它采用人工新材料作浮床,并通过独特的肥料供应、植物栽培与相应的工程措施,在自然水域的水面上无土栽培植物,在改善水域环境的同时,增加水产品产量[34～37]。

    3.4根际过滤技术(Rhizofiltration)

    根际过滤技术是近几年发展的一种植物修复技术,用来处理放射性核素废水、重金属废水以及富含营养盐的废水。它利用超积累植物的根系从废水中吸收、富集和沉淀污染物,是更经济、更适于现场操作的原位污染治理技术[38,39]。

    4结语

    众多研究表明,利用水生植物处理系统进行水污染控制具有投资、维护和运行费用低,管理简便,污水处理效果好,可改善和恢复生态环境、回收资源和能源以及收获经济植物等诸多优点,在污水处理和富营养化水体净化等方面均表现出良好的效果。未来的研究应注重本土原生植物的特性、跨区域引进新型物种的意义、水生植物修复的机理、物质循环、根系与水或土壤的微环境关系、植物与周围微生物如何共同作用等方面。目前利用水生植物净化污水尚有许多不足之处,但随着人们对其研究的深入,特别是在工艺选择和净化机理等方面的努力,水生植物必将在水污染控制中发挥更重要的作用,从而更大程度地造福于人类。同时可以参照中国污水处理工程网其他技术文档。