植物在水体富营养化治理工程中的应用与前景

陶元+陈莎+黄碧捷

摘要：针对水体的富营养化在我国情况越来越恶劣的情况，分析了水体富营养化的成因，并对使用植物净化富营养化水体技术进行了阐述。结合目前利用植物净化受污染水环境技术的发展，指出了植物在富营养化水体净化方面表现出良好的效果、植物改善富营养化水体的实际工程应用及该技术的良好发展前景。

关键词：水体富营养化；植物净化；治理工程

中图分类号：X703

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）24-0036-03

1 引言

近年來，我国经济发展迅猛，人民生活水平得到逐步改善，人们对环境问题也愈来愈重视。当前水体污染、水体富营养化问题也逐渐暴露在人们的视野，不达标工业废水，农业施肥及生活污水向水体中大量排放氮、磷，引起水体富营养化。大量的氮、磷等营养物质的积累，使生物在水体大量的繁殖，从而造成对水生生态系统的破坏。中国湖泊很多，有2300多个大于1 km2的湖泊，湖泊总面积约70988 km2，相当于0.8%陆地的总面积，其中统计湖泊中有56% 的湖泊处于富营养化状态[1]。针对我国愈来愈严峻的水质环境，环境保护部发布了“十三五”期间，全国需完善的水体质量的国控单元信息343个，涉及29个省（自治区、直辖市），197个地级及以上城市，956个县（区，市）。由此可见，我国对水环境的质量越来越重视。

2 水生植物及其作用机理

2.1 水生植物

当下水生植物的定义仍有很大的差异。笔者认为，水生植物是生长在水中，并能够在营养物和水环境的支持下，其所有部分可以繁殖；或在正常条件下，当其中的营养成分逐渐降低时，还可以诱导发生有性繁殖的植物。

2.2 作用机理

富营养化水体利用植物净化的机理不同于其他净化污染水体的方法。该技术主要是用水生植物和根区微生物一起产生作用，从而达到净化污水的目的。植物也会对水体中的氮、磷和悬浮颗粒进行吸收、微生物转化、物理吸附和沉淀作用，同时对有机物进行吸收，对重金属进行富集。植物利用污水中的氮、磷，来维持自身生长，且能吸收某些重金属，在脱毒后于植物体内被降解。

2.2.1 物理作用机理

水生植物的物理效应：其根、茎、叶等吸附有机质、氮、磷和多种微生物。例如，水生植物根系与水体有较多接触。这相当于产生一个致密的过滤网，使污水中的污染物质被吸附或滞留在根部，细菌同样会被根系吸附。污染物和细菌沉积物中磷含量增加，会使释放的磷在上层水含量降低，而达到湖水净化的效果。同时，大型水生植物可通过生长茂盛的水生植物的茎、叶以覆盖阳光并减少水中藻类的光合作用来抑制水体中藻类的生长。

2.2.2 生物作用机理

通过生物作用来改善水质是水生植物改善受损水环境的主要途径。①水生植物根茎上的生物膜能起到有效净化水体的作用。②水生植物中根际微生物的氧化分解是生物修复的主要过程。根际微生物的生长情况和活性会直接影响生态恢复的效果。③大型水生植物的同化也可以达到净化水体的作用，不同植物种类对根际微生物丰度，种群和活性的影响也不同。一般认为，在生态恢复过程中，水生植物的同化量占总污染物总量的20%。他们大多数只能去除5%～13%，不同的水生植物净化污水的能力也不尽相同。

此外，在光合作用下，金属元素在植物自身离子交换过程螯合。这改变了植物根际附近的酸碱度，会影响到金属元素的活性。所以若植物能大量吸附矿物元素，则会增强植物净化水体的能力，这对水体净化具有重要作用。

2.2.3 协同作用机理

协同效应是微生物和大型水生植物对污水中污染物降解的过程。有机营养物的降解是微生物在净化过程中的重要组成部分。水生植物根系会产生一些促进微生物繁殖生长的有机物。从而增加根际微生物数量，最终达到净化效果。 同时，微生物可在根系生长繁殖。微生物活动也增加了水生植物的根长、根部面积等，彼此互补和相互促进。

3 水生植物在受损水环境中的应用

3.1 城市污水

许多研究发现，城市污水中的氮、磷和有机物可被植物吸附、吸收和同化而去除。杨丹青等[2]研究发现，水翁对总氮的吸附速率为：74.54 mg（N）/（kg·d），总磷：13.39 mg（P）/（kg·d）。同时，水生植物对城市污水中的金属污染物也有一定的去除作用。与城市污水处理厂相比，植物改善城市污水能节约成本、减小能耗、美化环境等。

3.2 富营养化水体

富营养化将导致水质恶化，水中生物生长不规律，造成生态失衡。影响人们的生活，影响经济发展等。由此可见，水体富营养化问题有必要深入研究，继续探索。童昌华等[3]通过实验研究表明污水中的氮能有效地被水生植物去除，使污水总氮含量显著降低。去磷的效果较明显，一个月后总磷含量也都减少到较低水平。狐尾藻和微齿眼子菜去除硝态氮的效果最明显，去除率达95.85%和90.65%。再例如，张翔凌等[4]对人工湿地用于滨湖型校园湖泊水体修复的研究。选取复合垂直流人工湿地工艺技术治理三角湖水体富营养化问题。该技术对受污地表水中的COD、BOD5、TSS的去除率分别为53.6%、78.7%和80.2%；对总氮的去除率高达一半；春、夏季对TP的去除率可达到60%以上，冬季亦可达到40%。由此可见，水生植物对富营养化水体的具有重要作用。

4 水生植物对受损水环境的修复效果

蒋艾青[5]研究发现，水生植物对氨态氮的去除率达到70%，硝态氮：88.1%。COD：56%，总氮：73.1%，且对净化后的鱼塘多产鱼179 kg。 邵广林[6]发现应用水提取营养池净化，水浮莲净化富营养化水体效果好，具有除去水体中氮磷含量的功能，且利用完后的水浮莲可以进行综合利用。 袁向东[7]试验发现，三种植物体系对改善水体富营养化都有一定的效果，且其对总氮的平均去除率都比较高。非浮游植物体系的去除率仅为55.8%。吴振斌等[8]研究了复合垂直构造湿地系统对废水的净化效果。结果表明，三种体系的去除率分别为61%，65%和59%。没有种植植物的对照组去除率仅为28%。这些研究都表明，水生植物对富营养化水中的氮和磷具有重要去除能力。

5 水生植物改善水体富营养化的实例工程

目前，有大量学者和工程建造者设计研究关于水生植物对于污染水体治理的方法与方案。有大量的水生植物有净化水的能力，如水葫芦、水浮莲、芦苇、蒲草、菖蒲等。这些水生植物具有很强的抵抗污染，净化水体的能力[9]。 但是，怎么将它们应用到实践中也很重要，下面是一些应用实例。

5.1 人工浮岛

人工浮岛，又称生态浮床，是指将有净化能力的水生植物放置在载体上生长，根系会与污水相接触。在植物生长的过程中，可以吸收氮、磷达到净化水体的目的。 其主要优点有：改善水体富营养化；给水中生物提供栖息空间；美化环境。 生态浮床上种植的水生植物最好选择吸附氮磷效果好的，让其根系与污水完全接触，既为水生动物提供生长环境，又加强了植物对水中氮磷等污染物的吸收。

5.2 人工湿地

人工湿地是将植物种植在在特殊的填充物上。建立起人工湿地生态系统，水生植物会吸收分解污水中的污染物和营养物使污水得到净化[10]。人工湿地中存在有氧、缺氧和厌氧三种不同的环境条件。废水中的氮和磷可以直接被植物吸收，并可以通过硝化和反硝化去除[ 11 ]。

人工湿地系统建造中，应尽可能种植不同植物，保持物种多样性。同时，植物应具有以下特点：耐污能力强；抗寒能力强；根系发达；生长茂盛；生命力顽强；具有再次利用价值。

5.3 生态沟渠

生态沟渠不仅能给农作物灌溉和排水，而且还有农业非点源污染治理的作用。作为水生生态系统，生态沟渠在给生物提供水份和正常分配中发挥了重要的作用。为生物提供生长环境，拦截沟渠的污染物，使净化水体能力得到提高。生态沟渠的水体净化能力主要由其中种植的植物提供。生长的生物，腐殖细菌和微生物形成的生态系统进一步加强了其净化水体的能力。沟渠里的生物的数量决定了净化功能的大小。沟渠中生物数量越大，可以被沟渠吸收的污染物越多，对富营养水体净化作用更显著。同时，由于沟渠中的水生植物对水流有一定的阻力，减缓了水的流速，使植物能充分吸收污水中的有害物质达到净化效果。在生产实践中，特别是在农业发达地区，应在农田系统中建立一定的生态沟渠，配制竹筏植物载体，种植各种良好的水生植物达到净化效果。沟渠对水中氮，磷等营养物质截取，吸附，从而净化水质，减少非点源污染进入河流。如实例工程，成都市活水公园[12]。

6 植物改善水体富营养化的效益分析

植物净化污水相比于目前我国大部分城市污水处理厂来说，具有投资低、耗能小、运行管理簡单等优点。对于我国经济不发达、能源短缺的许多地方来说，大力开发具有高效、简易、低能耗的污染处理技术具有极大的意义。在应用实例中，植物改善水污染，不包含二级沉淀池，而是用植物输氧代替曝气机，能耗低，投资少。单位污水的处理费用还不到污水处理厂的十分之一[13]，且植物美化环境、易于维护。

7 植物改善水体富营养化研究展望

由于自然植物在地点、污水负荷量等方面常常与实际需要不相符，且自然植物除污能力没有人工选取的湿地植物强。近几年来，许多国家和地区都纷纷利用植物来处理大范围的水体富营养化问题。与传统的污水处理厂相比，它能去除废水处理中难去除的营养元素，且净化效果更好。植物净化对于畜牧业、农业、淀粉工业、制糖工业、食品加工等产生的废水及富营养化水体都有较好的效果。且有利于生物活动，保持高度的生物多样性，并形成较高的生产力，因此，研究富营养化水体的净化具有重要的意义。但是植物净化富营养化水体技术中的某些问题也存在争议，还有待继续研究。

参考文献：

[1]霍红梅. 水生植物对富营养化水体的净化机理及应用[J].中国科技信息，2011（23）：4.

[2]杨丹菁，靖元孝，陈兆平，等. 水翁对营养化水体氮、磷去除效果及规律研究[J].环境科学学报，2001，21（5）：637～639.

[3]童昌华，杨肖娥，濮培民. 富营养化水体的水生植物净化试验研究[J].应用生态学报，2004.15（8）：1447～1450.

[4]张翔凌，张 晟，付贵萍，等.复合垂直流人工湿地用于滨湖型校园湖泊水体修复[J].中国给水排水，2008，24（4）：62～64.

[5]蒋艾青. 凤眼莲对城郊污水鱼塘的净化试验[J].淡水渔业，2003，33（5）：43～44.

[6]邵林广.水浮莲净化富营养化湖泊试验研究[J].环境与开发，2001，16（2）：28～29.

[7]袁向东，任全进，高士祥，等. 几种湿地植物净化生活污水COD、总氮效果比较[J].应用生态学报，2004，15（12）：2337～2341.

[8]吴振斌，陈辉蓉，贺 峰，等.人工湿地系统对污水磷的净化效果[J].水生生物学报.2001，25（1）：28～35.

[9]赵 湘，惠 峰，芦建国. 水生植物在富营养化水体治理工程中的应用[J].现代农业科技，2013（4）：237～244.

[10]吴新忠，纪向东，张翠英，等. 我国农村污水处理技术应用现状[J]. 绿色科技，2015（11）：178～180.

[11] 孙震宇，李清飞，何新生. 人工湿地处理农村生活污水研究[J]. 科技创新导报，2011（19）：140

[12] 洪荷芳，胡 奕，周晓燕，等. 人工湿地系统处理生活污水工艺的改进[J]. 工业用水与废水，2011（6）：87～88.

[13] 李旭东，杨 芸. 废水处理技术及工程应用.北京：机械工业出版社，2003.