利用水生高等植物淨化汙水研究的探討

自20世紀60年代起，國內外的學者們就相繼採用植物進行汙水治理的研究。 1974年西德建成了第一個用於廢水處理的人工溼地，我國也於20世紀80年代實施了以鳳眼蓮淨化塘為主的汙水處理與利用生態工程，達到治汙與增產雙重效益。近年來沿海地區利用紅樹林溼地處理廢水也收效顯著。可見，不論是人工溼地、淨化塘，還是土地處理系統，利用水生高等植物淨化汙水都具有廣泛的應用發展前景。為了取得更好的淨化效果和更高的淨化效率，有必要對水生高等植物淨化汙水的機制進行實驗研究探討。

　　1水生高等植物對廢水的淨化機制探討

　　1.1香蒲植物淨化鉛/鋅礦廢水例項研究

　　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展成群體，能形成水生植物淨化塘中佔絕對優勢的種群。中山大學環科所和韶關凡口鉛/鋅礦環保監測站針對凡口尾礦廢水排放量大且重金屬含量大的汙染狀況，設計和利用當地的廢礦石和沙礫建造了一個香蒲淨化塘。根據實驗結果分析，未處理的鉛/鋅礦廢水含Pb、Zn、Cd、總懸浮物含量均超標，但經過淨化塘後，SS去除率達99％，Pb、Zn、Cd去除率達84％～90％，各項指標達到工業排放標準。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，塘內還出現了多種藻類、魚類和茳芏植物。

　　1.2紅樹林植物淨化含油廢水和城市汙水例項研究

　　紅樹林屬於熱帶海岸特有的溼地生態系統，包括陸生生態系統和水生生態系統，具有防風浪，保護農田的生態功能，且因其生物資源豐富、景色美觀，具有較高的經濟價值和觀賞價值。對於汙水處理，紅樹林也有獨特作用。

　　李玫等用秋茄人工模擬溼地進行了為期一年的含油廢水淨化試驗，發現隨含油廢水處理濃度升高，植物對油的相對淨化率是：50mg／L組為 75.76％，100mg／L組為67.55％，而800mg／L組為42.94％，可見淨化效率隨濃度的增大而增大。含油量大小為根>葉> 莖>枝。實驗還表明：秋茄淨化含油廢水的適宜濃度應不大於200mg／L.

　　白骨壤也是一種多年生的紅樹植物。同樣將正常、5倍、10倍濃度的人工合成汙水排放到白骨壤人工模擬溼地中，一年的實驗證明：白骨壤模擬溼地對汙水中重金屬淨化率均在88％以上，其中Pb淨化率達97.91％，Zn淨化率為89.47％；N淨化率為88.04％。因N、Pb、Zn被白骨壤吸收作為植物體的架構元素，吸收量較大，故而淨化同一種人工汙水時與桐花樹（淨化率N：60.58％，Pb：93.62％）、秋茄（淨化率 N：60.58％，Pb：93.44％）相比，淨化率最大。可見，白骨壤對含有重金屬的汙水有很強的適應性和耐受性。

　　1.3草本植物淨化造紙廢水例項研究

　　郝登峰等選用7種水生植物：水葫蘆、水花生、大漂、浮萍、風車草、寬葉香薄及茭白，建立植物處理系統處理造紙廢水，將廢混合製成3個濃度級廢水注入植物系統裡。通過實驗，7種植物對廢水中懸浮物去除率均在70％以上，其中水葫蘆、水花生、風車草為84％以上；對TN、TP的去除能力大小為：水葫蘆>大漂>水花生>浮萍，風車草>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73.33％，水葫蘆可達54.67％，使得發黑發臭的水處理得比較清澈。

　　1.4淨化機理探討

　　1.4.1植物自身的性狀和抗效能力

　　水生植物由於長期生活在一種缺氧、弱光的環境中，本身的形態解剖結構上形成特殊性狀。根、莖、葉形成完整的通氣組織，保證器官和組織對O2的需要；葉片呈肉質，如香蒲表皮有厚角質層，柵欄組織發達，汙染點處的根、莖、葉表皮細胞排列緊密等結構能抵抗因汙染受害而引起的同化功能下降、水分過分蒸騰，增強了香蒲植物的耐汙性和抵抗力。

　　1.4.2植物的吸收、富集作用

　　水生植物根系發達，利於吸收水中物質。如鳳眼蓮長年過程需要大量的N、P營養物，它吸收後生長迅速，對於淨化富營養化水體效果明顯；香蒲植物吸收廢水中的重金屬時，吸收能力大小依次是根>地下莖>葉，並且按照一定的比例從生境中吸取各種元素，形成新的動態平衡，防止對某元素吸收過多而引起毒害。植物吸收汙染物後，尤其是重金屬離子、農藥和其他人工合成有機物等，便富集、固定在體內或土壤中，減少水體中汙染物量。研究表明，Pb、Zn 進入香蒲體內，主要積聚在皮層細胞中的細胞壁上，只有少量進入原生質，可見細胞壁對重金屬有較高的親和力。

　　1.4.3淨化塘的沉降、吸附和過濾作用

　　淨化塘裡水生植物生長旺盛，根系發達，與水體接觸面積大，形成密集的過濾層。如香蒲，它的地下莖和根形成縱橫交錯的地下莖網，水流緩慢時重金屬和懸浮顆粒被阻隔而沉降，防止其隨水流失。同時又在其表面進行離子交換、螯合、吸附、沉澱等，不溶性膠體為根系黏附和吸附，凝集的菌膠團把懸浮性的有機物和新陳代謝產物沉降下來。

　1.4.4生化作用

　　植物淨化汙水的過程中生化作用也起到很大作用，這方面已有大量的研究。光合作用產生的O2和大氣中的O2直接輸送到植株各處，並向水中擴散，一方面根系通過釋放O2，氧化分解根系周圍的沉降物；另一方面使水體底部和基質土壤形成許多厭氧和好氧小區，為微生物活動創造條件，進而形成“根際區”。這樣，植物代謝產物和殘體及溶解的有機碳給溼地中的菌落提供食物源；同時，大量微生物在基質表面形成灰色生物膜，增加了微生物的數量和分解代謝的面積，使植物根部的汙染物（富集或沉降下來的）被微生物分解利用或經生物代謝降解過程而去除。富營養化水體中，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的轉化過程，便於水生植物的吸收與利用，減少底泥向水體中的營養鹽釋放。

　　1.4.5對浮游藻類的競爭抑制作用

　　富營養化嚴重的水體中，藻類瘋長，水質惡化。栽種水生植物後，同浮游藻競爭營養物質以及所需的光熱條件，同時分泌出抑藻物質，破壞藻類正常的生理代謝功能，迫使藻類死亡，以防止其帶來的毒素。這樣可以提高水體透明度，改善水中的DO含量，促進沉水植物與共生菌的生長，進一步淨化水質。

　　1.5植物淨化效應的影響因素

　　1.5.1淨化植物的選擇

　　淨化汙水的高等植物有許多，常見的有鳳眼蓮、水花生、香蒲等，但考慮到具有較高的淨化率、低成本、耐衝擊負荷等因素時，需選擇出理想的淨化物種來。華南環科所進行了2年的實驗，對華南地區11種高等水生植物從淨化能力、抗逆性、管理難易、綜合利用價值和美化景觀等5項方面綜合評價，篩選出黑藻和假馬齒莧為較優淨化物種。因此可見，植物淨化能力大小關係到淨化效率的高低。

　　1.5.2廢水pH值的大小

　　pH值不同，廢水能植物的生長狀況影響不同，進而影響其淨化效率。用水葫蘆、水花生等7種草本植物淨化酸性造紙廢水結果表明，廢水的pH值最低不能低於5.84，否則植物的生理機制受損，淨化功能下降，導致植物不能很好地吸收重金屬。

　　1.5.3廢水的性質

　　廢水中有機汙染物濃度高低、N和P含量大小以及汙染物是否易降解等性質，對植物淨化效率而言很重要。如鳳蓮處理煉油廢水實施執行最佳條件為：65mg／L<COD<130mg／L，臨界有效點為COD＝262.6mg／L13.一旦超過臨界點，植物受傷程度越大，淨化作用就越小。同樣，N、P營養物質是植物生長所必需的，但高濃度反而有害。對水葫蘆而言，造紙廢水中N、P濃度為15mg／L～20mg／L左右淨化最好。

　　1.5.4淨化時間

　　淨化時間的長短及季節變化對植物淨化效率的影響也不容忽視。水生植物鳳蓮淨化富營養化湖水滯留時間≤2d時，淨化結果不明顯；延至7d時，淨化效率提高50％～80％。同時，植物在溫度變化不大的氣候下正常發揮其功能，但嚴寒天氣就會使一些植物凍壞，生理代謝受阻，不能很好地淨化汙水。如華南地區氣溫下降至4攝氏度時，靜態培養的鳳眼蓮就會發生凍害，難以越冬。

　　當然，植物抗病蟲害能力、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淨化能力。

　　2植物淨化的利用與發展

　　2.1水生高等植物淨化技術的優勢

　　水生高等植物治理汙水是一種新興的生物工程技術，有以下4個優點：①成本低，對環境擾動小；②有利於保護和改善原有環境，有較高的美化環境價值；③治理汙染時可以收穫植物和生物能源，獲得經濟效益，如水葫蘆淨化塘，每年每公頃可產沼氣58400m3，摺合節約標準煤46.72t；④操作簡單，投資少，其基建投資、運轉費用和能耗均為常規二級處理方法的1／3～1／5.

　　2.2現狀問題

　　目前水生高等植物淨化汙水還存在著一些問題。首先，管理上控制不當，未能及時打撈過剩的或乾枯的植物殘體，就會致使二次汙染的產生（如富營養化、有毒物質的釋放）。其次，一種植物一般只能吸收降解一種或有限的幾種環境汙染物，而對其他濃度高的汙染物可能會中毒，因此對於推廣作用有侷限性。再次，水生植物自身在汙水生長，極易在水面遮蔽產生自遮蔽效應，會壓迫環境；同時，密度過大也會滋生蚊蟲細菌。第四，不能科學地篩選出抗性大的植物，並且淨化的系統工藝設計也未考慮最優化配置和後處理問題，導致淨化效果不明顯，效率不高。

　　2.3今後的發展方向

　　⑴可繼續採用水生植物多種組合建配置或多級水生植物串聯塘，形成一定的淨化層次，這樣有利於生長期和淨化功能的季節性交替互補。

　　⑵對於冬季低溫期處理汙水，要對其中不耐寒的植物採取覆膜或改變生態位的越冬措施。

　　⑶可與其他工程技術結合，建成複合汙水處理工藝。如有學者採用煤灰吸附和植物氧化塘複合處理廢水，分為三個系統：混合吸附→快速沉降→水葫蘆氧化塘自淨系統，去除COD為80％以上，水也可以供生產迴圈使用。

　　⑷可將分子生物學和基因工程技術應用於治汙的高等植物，推廣超累積植物，通過改進、改變使其生長週期縮短，生長速率加快，提高淨化能力。

　　⑸對水生植物淨化系統要有後處理清潔工藝，使其變廢為寶，提供豐富的生物資源和能量資源。