水生植物在污水处理和水质改善中的应用

冯奇，张志猛，黄一豪

1.城发水务有限公司；2.知和环保科技有限公司；3.郑州大学

一、水生植物的概述与其生态功能

（一）水生植物的概述

水生植物在生态学领域是一个主要类群，其典型代表是水生维管束植物。水生维管束植物机械组织发达，有挺水、漂浮、浮叶与沉水4种生活型。挺水植物是指植物的根茎生长在底泥中，而上部从水面上挺出，具有代表性的有香蒲和芦苇等；漂浮植物是指整个植物体漂浮在水面上，有能适应漂浮生长要求的特殊组织结构，具有代表性的有浮萍和凤眼莲等；浮叶植物是指植物的根茎生长在底泥中，但叶片漂浮在水面上，具有代表性的有荇菜和睡莲等；沉水植物是指整个植物体沉在水面下部，其根部进入底泥或悬浮在水中，具有代表性的有金鱼藻和狐尾藻等。

（二）水生植物的生态功能

在光合作用下，水生植物可以将光能转化为有机能，同时释放氧气。它们是初级生产者，可以发挥许多生态功能。例如，它可以在短时间内储存植物生长所需的各种养分；吸收和净化水中所含的污染物；减少低级藻类的数量，加快水生生物的新陈代谢。与藻类相比，水生植物更易于管理和控制。基于这一特点，水生植物可用于污水处理，尤其是富营养化水体。

二、水生植物系统的具体运行方式

根据水生植物的生命类型，以水生植物为核心的污水处理系统可分为三种（浮叶植物目前暂未研究）。一是利用挺水植物的污水处理系统主要用于湿地，包括人工湿地。其处理范围包括城市污水（二级及以下）、工业废水和降雨径流，通过植物吸收和微生物代谢去除污染物。常用的植物包括芦苇、香蒲、灯芯草和菰等。近年来，该系统得到了广泛的应用和研究，其流程设计也较为成熟。二是采用浮式植物的污水处理系统，主要用于类似于强化氧化池的环境。其处理范围包括城市污水（二级及以下）、工业废水、降雨径流和污染的天然水，通过植物吸收和微生物代谢去除污染物。常用植物有凤眼萍、浮萍、大漂、水花生与满江红等。该系统设计比较简单，但对工艺优化的研究较少，在实际应用中存在一定的局限性[1]。三是采用沉水植物的污水处理系统，主要用于天然水体。可用于恢复水中的植被，修复受污染的水体，并通过在短时间内储存养分来管理水体的富营养化。由于操作困难，目前研究和应用较少。

在上述处理系统中，水生植物处于核心位置，它们的光合作用使处理系统能够直接利用太阳能。同时，植物不断生长所创造的栖息环境也可以提高生物多样性，使污染物存在于水生植物和微生物中，协同降解。与传统的单一微生物处理方法相比，水生植物系统的投资和能耗较低，处理过程可以很好地与自然生态系统融合，但处理时间较长，且直接受气候因素影响。值得一提的是，上述三种方法可以结合应用，也可以与其他加工方法结合使用。随着研究和应用的不断深入，不同的联合系统以水生植物为核心，在污水处理的基础上充分考虑其他功能，实现扬长避短[2]。

三、水生植物在污水处理中的处理方法

（一）植物吸收

植物可以吸收和降解的污染物主要有两大类：第一类是植物养分，如氮、磷等；第二类是一些有机物和重金属，这些污染物的存在会影响水生生物的生存。其中，第一类污染物被吸收后可直接促进植物的生长发育，而第二类污染物被吸收后解毒，然后储存在植物体内逐渐降解。

水生植物可以直接吸收沉积物和水层中的氮、磷等营养物质，吸收后迅速同化成核酸和蛋白质。同化率主要与植物的生长速度和水体的养分含量有关。在环境适宜的情况下，无性繁殖可以大大增加生物量。氮、磷是植物生长必不可少的物质，一些水生植物具有较高的固定能力。由于藻类的生命周期比水草短，而水草中储存的养分只有在死亡后才会释放出来，所以水草对养分的储存比藻类更稳定，可以种植水草在严重富营养化的水中。发挥治理作用，获取一定的生物资源。漂浮植物更容易收获，生长更快，因此有很多实际应用[3]。但是，通过大量实践可以看出，虽然水草可以在污水环境中生存，但为了达到预期的处理效果，不应该随意种植，而应该按照基本原则科学地进行种植。根据植物种群的生长规律和养分的转化效率，因地制宜。

有些重金属和有机物不是植物生长所必需的，具有一定的毒性，而有些植物独特的生理机制可以将它们解毒。其中，重金属主要通过区室化和螯合去除，具体形式为耐受性和吸收性。许多水生植物都有这种机制。例如，水葫芦吸附重金属后，通过络合形成金属硫肽，从而富集重金属；风信子发达的根系可以吸收和富集水中的汞和铜；平嘎和满江红生长快，能分泌藻类化合物，能吸收镉、铬、铜、镍、铅、汞等重金属，同时抑制藻类过度发育；芦苇和香蒲具有各种植物的优点，去除水中的化学需氧量（BOD）和总氮。

（二）微生物降解

与其他以生物为中心的处理系统一样，在利用水生植物进行污染控制时，微生物对污染物也有一定的降解作用。微生物的代谢活动会降解水中的有机物。需要注意的是，在脱氮方面，虽然一些水生植物可以直接吸收，但硝化和反硝化仍是主要的脱氮机制，占比高达90%。水生植物的生长可以为微生物的生存创造良好的微环境。根系为了呼吸，往往通过通风系统在根、茎、叶之间传递氧气，剩余的氧气直接释放出来，使根区成为好氧环境。根系可以为微生物提供附着界面，根系分泌的部分有机质也可以促进新陈代谢。即使在根区之外，也为厌氧微生物完成反硝化和有机物的厌氧降解创造了有利的环境[4]。可见，微生物对污染物的降解起着决定性的作用，但需要以水生植物为主，两者相辅相成。

（三）物理化学分解

水中的一些污染物会在物理化学作用下被去除，包括沉降、挥发和吸附。水体中的大多数污染物都被植物去除，但过去很少有这方面的研究。基于此，为提高污水处理效率，保证处理效果，有必要分析水生植物的功能及其与微生物的共生关系。存在于水体和底泥中的一些养分会在植物吸收和挥发的影响下逐渐被去除。对于一些存在于湖边的水生植物，由于土壤表面或水体附近的风速降低，水体中悬浮物的沉积量大大减少，进而降低了重新悬浮的风险。沉积物，并促进水体与植物之间的关系。接触时间大大延长，为保证水环境的稳定提供了完备的条件，对降低水体浊度起到了重要作用。

（四）抑制藻类生长

对于水生植物来说，由于其生命周期长，吸收更多养分的能力，在竞争过程中比藻类具有更大的优势，这也是它们抑制藻类生长的主要原因。一些水生植物抑制藻类生长的能力由于其自身的渗滤液而增强。此外，水生植物的大规模种植促进了空间生态的增加，对于改善水中的光和溶氧条件具有极其重要的现实意义，进而为一系列水生植物提供了完整的食物和生活。条件，即维持生物多样性。状态的关键因素[5]。一些以藻类为主要食物的小型水生生物也将逐渐聚集在植物旁边生长，为藻类生长减缓奠定基础。

四、水生植物在污水处理中的选种与配置原则

（一）水生植物选种

水生植物在处理污染物中的作用很大程度上取决于植物类型。当要去除的主要污染物为有机物和氮时，应优先选择能够为微生物的生存提供良好的附着界面并具有较强的氧传递能力的水生植物；强壮和快速生长的水生植物；当需要同时去除多种污染物时，应选择具有多种生态功能的水生植物，也可以合理搭配不同功能的植物。此外，还要综合考虑气候条件是否适宜，植物是否具有良好的抗逆性和抗病性，以及植物管理的难易程度。

经大量试验，研究人员已经选出很多可在污染物去除中使用的植物，这些植物已经在水污染治理中得到大量应用，比如，芦苇和凤眼莲在湿地系统及氧化塘中发挥了很大作用。然而，这些植物的应用大多将附生微生物作为重点，即通过根部附着大量微生物来去除污染物，较少依靠植物自身的吸收功能实现水污染治理，其主要原因为水生植物的吸收功能、吸收污染物后对生长的影响与产生的生物质资源化利用还有待进一步研究。

（二）水生植物配置原则

在对水生植物进行群落配置时，应考虑以下几点：

（1）是天然湖滨带，即以天然湖滨为基础，将高效酶填料和吸附剂放入水底，然后种植水生植物，形成一个天然的净水系统，包括不同的植物类型，具有景观观赏价值。该系统可实现二级处理，所选植物应满足功能要求并具有一定的观赏品质。

（2）是生物浮岛，使水生植物在底泥中生根，而不是在水中生根，用泡沫塑料作为植物温床，在泡沫塑料上钻小孔，为植物生长提供空间，然后利用目前先进的无土栽培使植物正常生长的措施。实践表明，该技术可以有效消除水污染，对植物生长及其功能没有任何负面影响，还可以降低植物对泥沙等环境的要求，增加美观。

（3）空间布置。根据天然湖泊中水生植物群落在空间梯度上的分布规律（水平和垂直结构），根据水深和设计需要，从水体深水区到陆地海岸带，根据对沉水植物群落、浮叶植物群落、挺水植物群落、湿生植物群落系列进行空间配置。

（4）根据湖泊种植环境，选择合适的水生植物。收集湖底形态、底质、水质、水深等基本信息。在不影响湖区通航的前提下，进行水生植物的空间配置。一般来说，如果湖盆的形状比较规则，水动力特征和地质条件比较相似，那么水生高等植物可以呈环状分布。挺水植物抗风浪能力强，有底质条件布置在迎风岸和进出水通道上；浮叶植物适用于深湖或靠近静水的环境；沉水植物可布置在挺水植物、浮水植物的最外缘叶植物。

（5）植物多样性。多种水生植物的种植，不仅可以保证水生植物群落具有较强的生态环境功能和连续性，也可以保证湖泊中多种污染物的去除以及不同季节都有生长期的水生植物可以吸收湖泊中的污染物。在湖泊水体修复过程中，常用的水生植物的生长习性、种植密度以及部分植物对氮、磷的净化能力对比情况见表1和表2。表1、表2分别列举了挺水植物、浮叶植物。

表1 水体生态修复中常见挺水植物

表2 水体生态修复中常见浮叶植物

五、结束语

在水质改善工程中，水生植物对水中污染物的吸收和净化起着非常重要的作用。选择适宜的水生植物是恢复自然湿地生态环境的关键措施。采用水生植物净化污水技术，投资少，能耗低。该处理工艺与自然生态系统具有更大的相容性，无二次污染，可实现水体营养平衡，提高水体自净能力，消除水体主要污染物。具有良好的处理效果，被认为是最有发展前景的水体修复技术。水生植物净化富营养化水体在理论上是可行的。植物修复应以沉水植物为主。植物的选择和配置应考虑植物去除特定污染物的能力、成活率、生长环境和湖泊水力特性和其他因素。富营养化水体中水生植被的恢复是一个长期的过程，水生植物群落的有效恢复是水体生态恢复成功的关键。现有研究成果大多基于实验室模拟和对特定水体的研究，水生植物对水体的净化效果有待进一步论证。在实际应用工程中，需要综合考虑项目要求、研究区水环境、水生植物等因素。