水生植物在水污染治理中的净化机理及其应用

1、工业安全m环保Inckislrial Saftiv anri Ejivimniwntal Protection2005年第31卷第1期JiUHury 2)05 # 污水处理水生植物在水污染治理中的净化机理及其应用*程伟程丹李强（华中科技大学环境科学与工程学院 武汉430074）摘 要 综述了水生植物在水汚染治理屮的净化作川、净化效果及其应用现状，此外，还报道了生物浮甜等应用水生値 物治理污水的新技术.最后展望了这种污水净化技术的前杲。关键词水牛维符束植物水污染治理净化作用生物浮需Hie Purification Principle and Application of Aquatic Vasc

2、ular MacrophytesOiefig Vi ei Chei卑 Dan lj Qiai毂(SchrnJ (f EnrironmFnt Engiewi咚 & Enffim&ring, llutcluvif! I iurersil, tf Scicire & TwheH电yHuh(m 430074)Abstract In this jiqier the ctiirtit research of a(|untie nutn<)f)li>1 es in llr ivater pollulkm trejitmtit b *immarDed inchiling |

3、iirfic<iii<Mi |rinci|Je« piirificat i>n effici«icy and it> qplicaibn In «Ki<£t i)n. hhv te(4)ni(|um .ni tlit* Iivatnuil (/ wa?<e waler will acpalic n)acn)f)ln le> Aich m biology- float ii- Uaul air repoittMl and tliefutum devebimettf pimped is described.Keywo

4、rds <y|iKdic vascular plait w<ilcr |i)lhi bn tritnvmt piriGntfioti biok特一 flcui! iig- bland随着城曲建设速度的加快.人a污水、废水的排放严巫 污染了环境和水源.适成水质ri益恶化水资源口益不足. 为了寻找髙效低耗的水污染处理技术.越来越多的专家与学 者关注生物处理尤苴是水牛维管束杭物处理法。水生维管 束杭物是水生生物群落中的一大生态类群它们种类多，分 布广.产量高。大量匸程实践表明，这项技术不仅能起到净 化水的作用，还能改善生态环境促进退化水生态系的恢1L 并ILH冇低投资、低能耗的特点,近年

5、來己成为环境领域的 研究热点之一.1水生植物概述水生植物主要包括三大类：水生维管束植物、水生鲜类 和高等藻类.在污水治理中应用较多的是水生维管束植物 （aquati<- vascular plant）,它具有发达的机械组织，植物个体比 较高大，按生活型，可分为挺水、浮叶、漂浮和沉水4种类 型.见表1.表1大型水生植物的4种生活型牛活空生长特点代表种类挺水植物根茎生于底泥中，植物体上部挺出水面芦枳香蒲浮叶植物 根茎生r底泥.叶涤浮水面睡莲、杆菜漂浮植物植物体完全漂浮丁水而.ji右特殊的适 应漂浮生活的组织结构风眼莲、浮萍沉水植物杭物体完全沉水气界面以卜;榊扎丁底泥或漂浮丁水中2水生植物的净

6、化机理2.1物理作用水生植物的存在减小了水中的风浪扰动.附低了水流速 度叫并减小了水面风遡叭这为悬浮固体的沉淀去除创造了更好的条件，并减小了固体重新悬浮的可能性。另外，覆 盖在人工湿地上的植物对稳定人工湿地的上壤也I分重要， 因为其稠密的根系阻止了冲蚀缝隙的形成。植物另一重要作用是它的隔热性.在冬季，当人丁湿 地中的水生植物死门并被雪覆盖后.它就为人工湿地提供了 一个隔热层，这样有利于防止人工湿地上壤冻结。2.2植物的吸收作用植物需耍氮、磷等营养物质，以维持生氏和緊殖的需 要。冇权的杭物通过根部摄取营养物质，某匹浸没在水中的 茎叶也从周用的水中摄取营养物质。水生植物产屋髙.大就 的营养物被固定

7、在其牛物体内.当收割后营养物就能从 系统中被去除。有研究表明：挺水植物的吸收能力为30 150 kg«/（ h年）,2 000- 2 500 kg./（ lia2-年）（S,.在 Sharon A. Branwdl进行的用风眼莲净化二级处理出水的实验中, 7天后植物组织中的氮fit增加了 2.9%,磷増加了 6. 7%. 2.3植物的富集作用许多的水生植物冇较高的耐污能力，能富集水中的金属 离子和有机物质比如凤眼莲.由于其线粒体中含有多酚氧 化酶可以通过多酚氧化酶对外源苯酚的羟化及氧化作用而 解除酚对植物株的毒害Hl,所以对車金属和含酚仃机物仃很 强的吸收富集能力。在M.E.Soha

8、i181的研究中，凤眼莲每克 干物质能吸收猛1 485 ± 110也,锌295 士 10 Pg, 185 ±13 也.铜142±19 Pgo当水中含酚0.36mg/L时.用凤眼莲经过 30- 40h.酚可降至0.005 mg/Lo在温度为17 37C范用内. 随着温皮的升高风眼莲除酚速度也增加。2.4与微生物的协同降解作用污水屮对仃机营养物起降解作川的主耍是微生物卩°1。© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 工业安

9、全m环保Inckislrial Saftiv anri Ejivimniwntal Protection2005年第31卷第1期JiUHury 2)05 # © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 工业安全m环保Inckislrial Saftiv anri Ejivimniwntal Protection2005年第31卷第1期JiUHury 2)05 7 基金项目：国家*卜五” 863课瞪城市污水生物/生态处理技术示范".课題编号:2XBAA

10、601110© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, # 例如 Gersgug1 叭Hwbeit 和 I¥ifle?121 > Reerf B,的研究表明,氨 氮的主要去除途径是硝化、反硝化作用而不是靠植物的吸 收。但水生植物群落的存在，为微生物和微樂动物提供了附 着基质和栖息场所.其浸没在水中的茎叶为形成生物脱提供 了广大的表面空间埋任湿地上壤中的根系也为微生物提供 J"竝质。植物机体匕寄居着稠密的光合口养藻类、细菌和原 生动物这

11、些生物的新冻代谢能大大加速栽昭在根系周网的 有机胶体或忍浮物的分解M。2.5气体传输和释放作用水生维管束桥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氣气或大气中的値气输送至根 系一部分供植物呼吸作用一部分通过根系向根区禅放，扩 散到周用缺氧的环境中.在还原性的底泥中形成了氣化态的 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，并有助于硝化菌的生长阿。水生植物根 系任人工湿地底部的扩展有利丁微生物特别圧好氧细菌向 湿地深处分布W冇研究报itf 161,在莎罰（ Cyperusjiapyrus）枝条与大气之 间口天没有02的交换但夜间，6 rh大气进入枝

12、条的速率 为116 mmol/ （in2- s） 从而保证了植物夜间呼吸需氧.而从 枝条向根系输送Qj的速率,白天为3. 19 mmol/Cm2* s）,夜间 则更高达 427 mmol/（ in-* s）。根系除了氧气外还释放别的物质。來口徳国Maxplanek 机构的Seidel博L报道说灯心草通过其根部释放抗生索，当 污水通过灯心草后，一些细菌（大肠杆菌、沙门M及肠球菌） 明显消失了.2.6对藻类的生化他感作用生化他感作用一方面表现在水生植物个体大，吸收、储 存营养物质和利用光能的能力强能与藻类形成竞争.从而 抑制浮游漢类的生长引。另一方面.水生植物向水中分泌化学物质，如帖类化合 物、类

13、固醇等出，来抑制藻类的生长。试鲨Z表明,水花生、 菱、金鱼泓和浮萍均能不同程度地减少水体中漠细胞数显, 促进漠细胞内叶绿素“的破坏与脂质过氧化物含量升髙, 抑制超氣化物歧化酶（SOD）的活性，从而抑制了漠类的生 长。风眼莲根系的分泌物能使栅溪叶绿体、线粒体肿胀、解 体胞内可溶性蛋H及光全速率急剧卜降汕刀从而破坏其生 长。2.7提髙水力传导性人工湿地中根系在生长时会分开并松动上壌并且，当 根茎死匚腐烂后它们会留下管状的孔隙和渠道这被认为 增加并稳定了土壤的水力传导性口 o冇研究报逍:，土壤任经 历3年（3个完整的杭物成长期）后，都会形成10- 3m/s的水 力传&性，而H-H产生将会稳定

14、并自我保持下来I。 2.8其他作用水生植物还有一些不直接与水处理过程相关的作用。 如它能为动物如鱼类、鸟类、爬行动物提供代物:在处理系统 中采用荷花、睡莲等冇较高观赏性的水生植物.可以使系统3水生维管束植物在水处理中的应用3.1城市污水处理水生植物任城市污水中多用于净化二级处理的出水以 进一步弓虽化出水水质。主要有综合塘系统、人工土快滤床及 人工湿地等应用方式。IMtr Van Dr Steen! 2,1等采用2个浮萍塘一3个稳定塘一 5个浮浮塘串联來浄化经UASB处理的城i|j污水的出水。稳 定塘对SS和HOD去除率较低，这可能足宙于漠类死亡后在 水中深沉或分解而造成的1221;而浮萍塘能抑

15、制藻类的生长. 所以对营养物去除率较髙但对细菌的作用却很小.所以将 两种系统串联起来就能发挥冬自的优势提高净化效果. 系统平均HOD去除率为60%, COD为54%. NH4 - N为 46%, SS为57%,而大肠杆菌在通过稳定塘后可去除99.6% 99.95%.这可能与光照、高富氧及由丁人虽藻类而产生的 高pH值有关.3.2工业废水处理丁业废水中含有大屋的有机污染物、重金属等而某些 水生植物具何对这些汚染物高效上除的特殊功能。戴树桂等1刖的研究指出，凤眼莲对介成洗涤剂净化率 为81. 48%，而对有机氮农药六六六、PD- DDE也有一 定净化率.在田淑媛1绚的研究中，凤眼莲对含有大量硫化

16、氢的不同浓度印染废水.在10天左右有60% 70%的去除 率。E. I.Hozluiia1251用阔叶香蒲和芦苇來处理西伯利亚一个 金属矿山的废水.该废水富含伸、挪、铁和猛。这两种植物的富集效果见农2。表2生长在废水收集塘植物体中的重金属运（干重）Mft/g诵铁猛阔叶香蒲水上部分5.815390630水卜部分85()1 3(1)13 (MI)<M)水:部分111569015092水F部分2703206 800230从表中叫以看出，水主植物冇极強的富集市金属的能 力H.水下根茎部分的富集能力大大髙于其它部分显示出 植物潜在的阳止有毒物质大戢渗透到水上萃叶部分从而进 入食物链威胁人类和动物健

17、康的一种保护机制。3.3富营养化水体的治理对富营养化水体治理的一项重耍描施就足重建和恢复 水牛杭被尤其是沉水植被大就学者对恢复水牛植被进行了 研究。吴振斌口I等在东湖利用用隔移栽苦草、狐尾猱和范 草等沉水植物经过3年的时间，围隔内水体透明度显著升 髙水质有了较大改善,HOD和COD大大降低。吴注271于1999年对杭州西湖浮游植物群落进行了为期2 不的逐H调査分析,结果表明大部分采取截污、疏浚、引水冲污 治理措施的湖区浮游杭物群落结构与治理前琏木相同,20年来 的富营养化仍在发展而西湖子湖之一小南湖区经一系列T程 治瑰重建和恢复大面枳的沉水植物后水体透明度大大提 A,藻呈明显卜降.水体特征止在

18、从浮游植物响应型向人型髙等 水生植物响应型转化。因此截污、疏浚和引水等工程治理措 施.并不能根木改善湖泊水质匝建和恢复沉水植物系统才圧治更迥卑聽準2012 China Academic Journal Electronic Publis轄轡删盍齣ts reserved, 11 4.4将这悯樋跖嵌訪酿W酬籍榊ublis關器鶯经过晾'物鬻熟'器'硼鮎3.4生态杲观的恢父北京动物园I绚的水鸟湖和牡丹亭湖,由F大量的水吗 与It它动物的排泄物排入Jt中.水体污染严重，大部分湖区 水呈黑绿色.史天，湖水散发出腥臭味.珍稀水禽死亡率明 显增加。为了恢复湖水水质.1993年在湖内种植

19、了漂浮植 物（凶眼莲、戡类）、沉水植物（范草、苦草、聚草）、浮叶植物 （印度莲花）和挺水杭物（喜旱莲子草），放养了食草血类、食 忑仏类及喜食腐质鱼类，形成了一个多功能、多级循环的 综介处理系统。经过1年多时间的观测，冬项水质指标7A 去除率为 73. 25% , TP 为 62. 52% , COD 为 44. 29% , BODs为53. 59%, TSS为75. 05%.水质得到了明显改善，公 园又恢复了昔日的茂景。成都活水公园（别同样也是利用水生杭物一微生物一动 物这种多级循环处理系统来恢复生态系统的。町见这种净 化系统不仅能恢复生态.为游人创造优美的景规还能在带 来社会效益的同时获得一

20、定的经济效益。3.5其它方面水生植物还有其它众多方面的应用。如丈汉平内利用S 根半和水花生处理垃圾污水.香根%芦苇、宽叶乔蒲和蒲住被 用來处理炼油废水I. S. IMbmd卫I利用凤眼莲和阔叶香蒲处理 化粪池出水，杨凤江和李立明13,用水葫芦和细绿萍净化淀粉废 水.田淑媛導M利用芦苇、香蒲等水生维管束杭物.对地热尾水 处理进疔中试试验，均取得了良好的效果.4水生植物应用以及后期综合利用中的新技术4.1生物浮骷技术所谓生物浮岛足一种像復子一样的人工浮体.浮册的载 体大多采用白色訥料泡沫。在泡沫上钻出若干小孔后.利用 无上栽培技术将一些耐污并具有观赏效果的水牛杭物如美 人蕉、早伞草等种到里面.再将

21、泡沫板用铁丝、竹片连接起 来,固定在水中早已打好的桩子上。浮岛可以像船一样从深 水区拉到浅水区收割、栽种祁很方便。生物浮陥工程的关键是利川生物治污原理将原本只能 任陆地上种杭的花卉移植到富营养化水体的农而.植物的根 系扎在水中会大虽吸收水中的氮、磷等营养,在美化水域杲 观的同时通过植物的吸收利用和吸附作用削减水体中富 含的氮、磷等净化水质.重建并恢复水生生态系统。据报道生物浮岛用来治理水华建成2个月就能初步 形成景观，水体的异味会得到控制，水体透明度得到人福提 高，而3个月后，水华将得到有效控制。目前,国内许多城市 如北京、贰汉等已开始利用此技术处理富营养化水体。利用人工浮岛治污，早期成本较高

22、.在日本，浮岛由椰 子绞做成以测钢做框架用锚固定在水面，每in2要花费上 百美元。目前国内的浮岛用舉料泡沫和海绵做成，用竹杆固 定,加上植物栽培，佔计每m2的成本在28 30元人民币,有 推广的条件。4.2人工水厚生态净化基技术人工水吐圧矣国研制成功的-种有着水草形状的人适 聚介物.它足由超编织技术制适的H冇高比表而积的织物. 水屮微生物，这些微生物种群在这里将水屮仃机污染物进行 高效的降解，使水质变得洁净.从而修父受污染水体。人工水草对修复水体有三大功能：（1）利用门然界微生物对水体有机污染物进行降解.人 工水草的最大特点是具有巨大的生物附着表面积（I亦阿科 蔓能够提供的表面积高达245 m

23、2）,所以其上生存了大就微 生物、原生动物、右生动物，它们能吸附、消化、分解人呈水中 的污染物。（2 JI有强大的脱氮、除磷功能。人工水草H有特殊的 三维复介结构.任其断而上由外及里能形成好氧、加氧和厌 氧三个反应区同时貝有硝化和反硝化作用，使其具有高效 的脱氮除磷功能。（3）人工水草能为血虾类营适良好的栖息地.从而建立 起4生态修ST的水生生物圈。II也我国广州冲山等城市已利用这种人工水草治理 駅观水体。据报道，使用一个月后水质开始好转，浮游漠类 消失了，水体腥臭味也得到消除，水体变得淸澈透明水中血 类健鹿地生长。4.3天然湖滨带污水净化系统在犬然湖滨带内建立组介水生植物的综介污水净化系 统

24、（见图1）是目前正在研究的新方法。这种系统利用天然 湖滨带，在水底铺浪一定数量的髙效葩促填料与吸附填料. 水中种植乞类水生植物构建成一个It!多种群水生植物、动 物和备种微牛 物组成并具有美化景观效果的多级天然生物 工态汚水净化系统对级处理出水作进一步的生物与植 物净化，净化后的水H接进入湖泊作为湖体补充水。这种 系统对环境不仅几仃净化效果，其屮种杭的水生植物如睡 莲、英人蕴等还有关化景观的作用。8r-Hi I »g oe水体 扛展仲料 鯉蹙妙料 底泥净化区I 净化区II |净化区皿图1湖滨净化带布這水生植物后期综介利川的新技术 水生植物净化污水后，如不及时利川处理，衰亡后的植 物残

25、体又回到系统会引起二次污染：即使将植物移出系统若 不加处理随意放直.也会对环境楚成二次污染。所以水主植 物的后期综合利用应尽屋变废为宝产生一定经济效益 据中国科学院上海科技査新咨询中心证实上海科研人 WC研制成功将凤眼莲变废为宝的新技术。即利川物理腐 和检测尊6道匸序，只需半个多小时就可将凤眼莲转化成肥 力充沛的有机肥料.整个生产过程不产生废气、废水、废渣。 据了解，利川这种技术将风眼莲转化成冇机肥料.毎吨成本 只需1 480元，而肥料育价约3 500元，年产3.5万I的生产 线可实现年销售收入1.22亿元。5发展前景利用水生植物净化污水具有以下优点：成本低，能耗 小，对环境扰动小，植物资源可

26、回收再利用，并获紂-定经济 效益，有较高矣化环境价值.利丁整体生态环境的改善。正是因为这些显善的优越性水生维管束植物治理受污 染和富营养化水体的发展和应用具有很广阔的询景。尤其 对于包括我国心内的发展中国家环境汚染和生态破坏都很 严巫而坏保投入乂有限水生维管束植物净化技术将是一 种很好的污染治理手段。我国河湖水面宽广，利用水生植物 的11然条件比较好。如能因地制宜发展以水生维管束植物 为核心的净化系统.在污水处理过程中利川从污水资源转化 而来的生物能源和资源将是非常有意义的。参考文献1种厶阿，胡洪营.钱易.人型水生植物任水污染治理屮的应川研究 进展.环境污染治理技术与设备.20)3(刁2 Sn

27、mes N LG. Ikven P F, and Won 吕 T II F Inleg mi ecl hydmlagic and lxHanical des 电 n of stonnu at er control wHlan<k. Preprints of the 5th Liter- luibnul Conference on Vlel linrl System for Water CunliuL University Bo- dmkultur Wien. Vienna, Austria. 1996 1 "83 Ilans lirix Do macn)ph1es play a

28、 role in motmctwl treatmrfit xvetlaiils Wat Sei Mu 1997.35(5): 11- 174 Smith I D. Bis G N. Lmuxi E R. H al A lhemial analysis <>f a mb- surfane vertical flow ronructecl wetland. Wat Sci Tech. 1997. 35( 5).5 lkbc 11. FiiMiiotis </ marr()(山ytes in <%Ni<<ru(l«1 wet Luis Wai Sci T

29、ech, 1994 29(4) ,71 -786 Shiran A IteinmdI. P V Devi Pnzd, Performance of a wiall Aquit icHaul U aslewater Trratnmt Ssstrin under (加ilbeanJ<nriuilof Envrotvneit Man畤nuM. 1995. (43): 213 -2207汪敏.郑师帝.凤眼莲体内多酚氣化稱的生理生化特性.刃H学报 (自然科学版),19%, 3)(2)8 M e SiJtaiu M N Hasid. 3>oruhMy !<u(k <n)th* su

30、r ival </ waler liv- aciitli nuler several awulil of I小 y in Kill Aahanresin Eiwromieiital Research. 2003( 7): 321 -3349俞井初，冯成曲.风眼莲在汚水处理中的应用.汕气山坏境保护，1995. 5( 4|10 Huuwnatal K<M4tat q>. (liongrik Pdpnisei t. Role of |J<u)t qitiike oti nitrogen removal in cwstniclrd wellanck kx-ated in the

31、 tiupics Wat Sci Tech. 1997.36( 1: 1 -811 Gfrslt-rg R M. Ekins B V , Lyon S R H al. Role (/ <K|uil ic pkul> in wasteHiiter tivafcnent Ur «utfici«il wHkuuls. Water Res, 1986, 2()(3): 363 - 36812 llalx«rl R. PtffltT R. Nilrieil removal )the rt«l 1m-<IX at S<4Tech, 1991,

32、23(4- 6).729 -73713 Ker<l S (: M il(llelr<M>ks E J. Crites B W. Natural steni f(r walewa- ter managmieil and tmafenenL In: New York, ed McGriiv Hill BookC<n)|>ain. 198814成水平.吴振斌，Stt I争.水生植物的气体交换与输导代谢.水 生生物学报.20(B. 27(4)15 Gimg Slnipiiig. Wu Zlienbii. Xia Yichrtip Studies on the |iirif

33、hg spur in arliGcia) u<*tkuils w ih cattail anl msh Reyour(*x and EnvJ nmnw<it in the Yangtz Basin. 1999. & 3)16 li M. James M B. COjand ()2 lrai|x)rt in I hr aeivnclw ma of Cy|rruspa|wms L /VfLialir1995. 52 93-10617 Maitm Scht-ffrr. Thtfc cfftMla(|iiati< vegHiit kni turt>i(lily; Iij

34、w iin-porUnt an* the filter feeders ll、<ln)biolagy 1999, 408/ 409: 307 -31618卅萍.吴国农陆长梅.等.太湖水域丿卅高等水生植物的克藻效 应农村生态环境.2001, R3):42- 44.4719叶居新.何池全.陈少风.石科蒲的克淒效应.杭物生态学报. 1999. 23( 4): 379- 38430 Kickilh P L. .Xlnvcscwdniiipig in nM)Maiki)kii rizen a inteikIrzirkm In: E Mohtt. e<L Gnindlagt*!) (ler A

35、 iMitsseireinmg. 1981. 639-66521 Peter Vai) Der Skwi, AJiei* Bn-nnti*. J(mjkI Vail Ihairetu (Jidfon ()n>n.Post- treatment dlJASB reartor eflluert in an integrated duckweed and stiduliit i(xi p<nul >st<*nt Wid Ke> 1999. M 3): 615 - 62()22 Dixo N G IL (janlrill M 1»(lUundi P F C, et al. Henunal (/pathogenic oiganbim fr<Nn thp effluent of an u|fknv unaerobic deier usirg w<istepmds. Wai Sci Tech. 1995. 31( 12) 275 一 28423俞片初.冯成此风眼莲在汚水处理中的应川.油气山环境保护. 1995.5(4)III淑媛.壬駅邯.朗铁柱.等.水住维管束杭