利用水生高等植物凈化污水研究的探討
1水生高等植物對(duì)廢水的凈化機(jī)制探討
1.1香蒲植物凈化鉛/鋅礦廢水實(shí)例研究
寬葉香蒲屬單子葉多年生挺水植物，具根狀莖，以其他下莖不斷延伸而迅速發(fā)展成群體，能形成水生植物凈化塘中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的種群。中山大學(xué)環(huán)科所和韶關(guān)凡口鉛/鋅礦環(huán)保監(jiān)測(cè)站針對(duì)凡口尾礦廢水排放量大且重金屬含量大的污染狀況，設(shè)計(jì)和利用當(dāng)?shù)氐膹U礦石和沙礫建造了一個(gè)香蒲凈化塘。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，未處理的鉛/鋅礦廢水含Pb、Zn、Cd、總懸浮物含量均超標(biāo)，但經(jīng)過(guò)凈化塘后，SS去除率達(dá)99％，Pb、Zn、Cd去除率達(dá)84％～90％，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。黑灰色廢水被香蒲群落變成清澈的出水，香蒲植物也能茂盛生長(zhǎng)，塘內(nèi)還出現(xiàn)了多種藻類(lèi)、魚(yú)類(lèi)和茳芏植物。
1.2紅樹(shù)林植物凈化含油廢水和城市污水實(shí)例研究
紅樹(shù)林屬于熱帶海岸特有的濕地生態(tài)系統(tǒng)，包括陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)，具有防風(fēng)浪，保護(hù)農(nóng)田的生態(tài)功能，且因其生物資源豐富、景色美觀，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和觀賞價(jià)值。對(duì)于污水處理，紅樹(shù)林也有獨(dú)特作用。
李玫等用秋茄人工模擬濕地進(jìn)行了為期一年的含油廢水凈化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨含油廢水處理濃度升高，植物對(duì)油的相對(duì)凈化率是：50mg／L組為 75.76％，100mg／L組為67.55％，而800mg／L組為42.94％，可見(jiàn)凈化效率隨濃度的增大而增大。含油量大小為根>葉> 莖>枝。實(shí)驗(yàn)還表明：秋茄凈化含油廢水的適宜濃度應(yīng)不大于200mg／L.
白骨壤也是一種多年生的紅樹(shù)植物。同樣將正常、5倍、10倍濃度的人工合成污水排放到白骨壤人工模擬濕地中，一年的實(shí)驗(yàn)證明：白骨壤模擬濕地對(duì)污水中重金屬凈化率均在88％以上，其中Pb凈化率達(dá)97.91％，Zn凈化率為89.47％；N凈化率為88.04％。因N、Pb、Zn被白骨壤吸收作為植物體的架構(gòu)元素，吸收量較大，故而凈化同一種人工污水時(shí)與桐花樹(shù)（凈化率N：60.58％，Pb：93.62％）、秋茄（凈化率 N：60.58％，Pb：93.44％）相比，凈化率最大?？梢?jiàn)，白骨壤對(duì)含有重金屬的污水有很強(qiáng)的適應(yīng)性和耐受性。
1.3草本植物凈化造紙廢水實(shí)例研究
郝登峰等選用7種水生植物：水葫蘆、水花生、大漂、浮萍、風(fēng)車(chē)草、寬葉香薄及茭白，建立植物處理系統(tǒng)處理造紙廢水，將廢混合制成3個(gè)濃度級(jí)廢水注入植物系統(tǒng)里。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，7種植物對(duì)廢水中懸浮物去除率均在70％以上，其中水葫蘆、水花生、風(fēng)車(chē)草為84％以上；對(duì)TN、TP的去除能力大小為：水葫蘆>大漂>水花生>浮萍，風(fēng)車(chē)草>寬葉香蒲>茭白。但是CODCr和BOD5去除率均不到50％。廢水色度也只有水花生、水葫蘆去除效果明顯，水花生9天后去除率可達(dá)73.33％，水葫蘆可達(dá)54.67％，使得發(fā)黑發(fā)臭的水處理得比較清澈。
1.4凈化機(jī)理探討
1.4.1植物自身的性狀和抗性能力
水生植物由于長(zhǎng)期生活在一種缺氧、弱光的環(huán)境中，本身的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)上形成特殊性狀。根、莖、葉形成完整的通氣組織，保證器官和組織對(duì)O2的需要；葉片呈肉質(zhì)，如香蒲表皮有厚角質(zhì)層，柵欄組織發(fā)達(dá)，污染點(diǎn)處的根、莖、葉表皮細(xì)胞排列緊密等結(jié)構(gòu)能抵抗因污染受害而引起的同化功能下降、水分過(guò)分蒸騰，增強(qiáng)了香蒲植物的耐污性和抵抗力。
1.4.2植物的吸收、富集作用
水生植物根系發(fā)達(dá)，利于吸收水中物質(zhì)。如鳳眼蓮長(zhǎng)年過(guò)程需要大量的N、P營(yíng)養(yǎng)物，它吸收后生長(zhǎng)迅速，對(duì)于凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體效果明顯；香蒲植物吸收廢水中的重金屬時(shí)，吸收能力大小依次是根>地下莖>葉，并且按照一定的比例從生境中吸取各種元素，形成新的動(dòng)態(tài)平衡，防止對(duì)某元素吸收過(guò)多而引起毒害。植物吸收污染物后，尤其是重金屬離子、農(nóng)藥和其他人工合成有機(jī)物等，便富集、固定在體內(nèi)或土壤中，減少水體中污染物量。研究表明，Pb、Zn 進(jìn)入香蒲體內(nèi)，主要積聚在皮層細(xì)胞中的細(xì)胞壁上，只有少量進(jìn)入原生質(zhì)，可見(jiàn)細(xì)胞壁對(duì)重金屬有較高的親和力。
1.4.3凈化塘的沉降、吸附和過(guò)濾作用
凈化塘里水生植物生長(zhǎng)旺盛，根系發(fā)達(dá)，與水體接觸面積大，形成密集的過(guò)濾層。如香蒲，它的地下莖和根形成縱橫交錯(cuò)的地下莖網(wǎng)，水流緩慢時(shí)重金屬和懸浮顆粒被阻隔而沉降，防止其隨水流失。同時(shí)又在其表面進(jìn)行離子交換、螯合、吸附、沉淀等，不溶性膠體為根系黏附和吸附，凝集的菌膠團(tuán)把懸浮性的有機(jī)物和新陳代謝產(chǎn)物沉降下來(lái)。
1.4.4生化作用
植物凈化污水的過(guò)程中生化作用也起到很大作用，這方面已有大量的研究。光合作用產(chǎn)生的O2和大氣中的O2直接輸送到植株各處，并向水中擴(kuò)散，一方面根系通過(guò)釋放O2，氧化分解根系周?chē)某两滴?；另一方面使水體底部和基質(zhì)土壤形成許多厭氧和好氧小區(qū)，為微生物活動(dòng)創(chuàng)造條件，進(jìn)而形成“根際區(qū)”。這樣，植物代謝產(chǎn)物和殘?bào)w及溶解的有機(jī)碳給濕地中的菌落提供食物源；同時(shí)，大量微生物在基質(zhì)表面形成灰色生物膜，增加了微生物的數(shù)量和分解代謝的面積，使植物根部的污染物（富集或沉降下來(lái)的）被微生物分解利用或經(jīng)生物代謝降解過(guò)程而去除。富營(yíng)養(yǎng)化水體中，也可依靠水生植物根莖上的微生物使反硝化菌、氨化菌等加速NH3－N向NO2－N和NO3－N的轉(zhuǎn)化過(guò)程，便于水生植物的吸收與利用，減少底泥向水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽釋放。
1.4.5對(duì)浮游藻類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用
富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的水體中，藻類(lèi)瘋長(zhǎng)，水質(zhì)惡化。栽種水生植物后，同浮游藻競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及所需的光熱條件，同時(shí)分泌出抑藻物質(zhì)，破壞藻類(lèi)正常的生理代謝功能，迫使藻類(lèi)死亡，以防止其帶來(lái)的毒素。這樣可以提高水體透明度，改善水中的DO含量，促進(jìn)沉水植物與共生菌的生長(zhǎng)，進(jìn)一步凈化水質(zhì)。
1.5植物凈化效應(yīng)的影響因素
1.5.1凈化植物的選擇
凈化污水的高等植物有許多，常見(jiàn)的有鳳眼蓮、水花生、香蒲等，但考慮到具有較高的凈化率、低成本、耐沖擊負(fù)荷等因素時(shí)，需選擇出理想的凈化物種來(lái)。華南環(huán)科所進(jìn)行了2年的實(shí)驗(yàn)，對(duì)華南地區(qū)11種高等水生植物從凈化能力、抗逆性、管理難易、綜合利用價(jià)值和美化景觀等5項(xiàng)方面綜合評(píng)價(jià)，篩選出黑藻和假馬齒莧為較優(yōu)凈化物種。因此可見(jiàn)，植物凈化能力大小關(guān)系到凈化效率的高低。
1.5.2廢水pH值的大小
pH值不同，廢水能植物的生長(zhǎng)狀況影響不同，進(jìn)而影響其凈化效率。用水葫蘆、水花生等7種草本植物凈化酸性造紙廢水結(jié)果表明，廢水的pH值最低不能低于5.84，否則植物的生理機(jī)制受損，凈化功能下降，導(dǎo)致植物不能很好地吸收重金屬。
1.5.3廢水的性質(zhì)
廢水中有機(jī)污染物濃度高低、N和P含量大小以及污染物是否易降解等性質(zhì)，對(duì)植物凈化效率而言很重要。如鳳蓮處理煉油廢水實(shí)施運(yùn)行最佳條件為：65mg／L<COD<130mg／L，臨界有效點(diǎn)為COD＝262.6mg／L13.一旦超過(guò)臨界點(diǎn)，植物受傷程度越大，凈化作用就越小。同樣，N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是植物生長(zhǎng)所必需的，但高濃度反而有害。對(duì)水葫蘆而言，造紙廢水中N、P濃度為15mg／L～20mg／L左右凈化最好。
1.5.4凈化時(shí)間
凈化時(shí)間的長(zhǎng)短及季節(jié)變化對(duì)植物凈化效率的影響也不容忽視。水生植物鳳蓮凈化富營(yíng)養(yǎng)化湖水滯留時(shí)間≤2d時(shí)，凈化結(jié)果不明顯；延至7d時(shí)，凈化效率提高50％～80％。同時(shí)，植物在溫度變化不大的氣候下正常發(fā)揮其功能，但嚴(yán)寒天氣就會(huì)使一些植物凍壞，生理代謝受阻，不能很好地凈化污水。如華南地區(qū)氣溫下降至4攝氏度時(shí)，靜態(tài)培養(yǎng)的鳳眼蓮就會(huì)發(fā)生凍害，難以越冬。
當(dāng)然，植物抗病蟲(chóng)害能力、廢水流量及流速、廢水中溶解氧的大小等因素同樣制約著水生高等植物的凈化能力。
2植物凈化的利用與發(fā)展
2.1水生高等植物凈化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
水生高等植物治理污水是一種新興的生物工程技術(shù)，有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①成本低，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)?。虎谟欣诒Ｗo(hù)和改善原有環(huán)境，有較高的美化環(huán)境價(jià)值；③治理污染時(shí)可以收獲植物和生物能源，獲得經(jīng)濟(jì)效益，如水葫蘆凈化塘，每年每公頃可產(chǎn)沼氣58400m3，折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤46.72t；④操作簡(jiǎn)單，投資少，其基建投資、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和能耗均為常規(guī)二級(jí)處理方法的1／3～1／5.
2.2現(xiàn)狀問(wèn)題
目前水生高等植物凈化污水還存在著一些問(wèn)題。首先，管理上控制不當(dāng)，未能及時(shí)打撈過(guò)剩的或干枯的植物殘?bào)w，就會(huì)致使二次污染的產(chǎn)生（如富營(yíng)養(yǎng)化、有毒物質(zhì)的釋放）。其次，一種植物一般只能吸收降解一種或有限的幾種環(huán)境污染物，而對(duì)其他濃度高的污染物可能會(huì)中毒，因此對(duì)于推廣作用有局限性。再次，水生植物自身在污水生長(zhǎng)，極易在水面屏蔽產(chǎn)生自屏蔽效應(yīng)，會(huì)壓迫環(huán)境；同時(shí)，密度過(guò)大也會(huì)滋生蚊蟲(chóng)細(xì)菌。第四，不能科學(xué)地篩選出抗性大的植物，并且凈化的系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)也未考慮最優(yōu)化配置和后處理問(wèn)題，導(dǎo)致凈化效果不明顯，效率不高。
2.3今后的發(fā)展方向
?、趴衫^續(xù)采用水生植物多種組合建配置或多級(jí)水生植物串聯(lián)塘，形成一定的凈化層次，這樣有利于生長(zhǎng)期和凈化功能的季節(jié)性交替互補(bǔ)。
?、茖?duì)于冬季低溫期處理污水，要對(duì)其中不耐寒的植物采取覆膜或改變生態(tài)位的越冬措施。
?、强膳c其他工程技術(shù)結(jié)合，建成復(fù)合污水處理工藝。如有學(xué)者采用煤灰吸附和植物氧化塘復(fù)合處理廢水，分為三個(gè)系統(tǒng)：混合吸附→快速沉降→水葫蘆氧化塘自?xún)粝到y(tǒng)，去除COD為80％以上，水也可以供生產(chǎn)循環(huán)使用。
?、瓤蓪⒎肿由飳W(xué)和基因工程技術(shù)應(yīng)用于治污的高等植物，推廣超累積植物，通過(guò)改進(jìn)、改變使其生長(zhǎng)周期縮短，生長(zhǎng)速率加快，提高凈化能力。
⑸對(duì)水生植物凈化系統(tǒng)要有后處理清潔工藝，使其變廢為寶，提供豐富的生物資源和能量資源。