水生植物修復(fù)技術(shù)

水生植物修復(fù)技術(shù)9.1.1水生植物凈化水體的機(jī)理水生植物對污染物的凈化作用原理主要在植物的根、莖和葉對污染物的吸收。水溶態(tài)污染物到達(dá)水生植物根、請安莖和葉表面水溶態(tài)的污染物到達(dá)水生植物根表面，主要有兩個途徑：一條是質(zhì)體流途徑，即污染物隨蒸騰拉力，在植物吸收水分時與水一起到達(dá)植物根部；另一條是擴(kuò)散途徑，即通過擴(kuò)散而到達(dá)根表面。到達(dá)根表面的污染物不一定被植物根所吸收。水生植物吸收河湖底泥中污染物的種類和數(shù)量除受底泥特性、污染物種類和濃度影響外，還取決于植物的特性。水溶態(tài)污染物到達(dá)水生植物莖和葉表面，主要也有兩個途徑：一條是莖和葉的氣孔吸收途徑，即水體污染物吸附在氣孔而進(jìn)入植物體內(nèi)；另一條是角質(zhì)層途徑，水體污染物在水生植物莖和葉表面，表面活性劑能顯著降低水溶液的表面張力而進(jìn)入植物體。水溶態(tài)污染物進(jìn)入細(xì)胞的過程植物的細(xì)胞璧是污染物進(jìn)入橫物細(xì)胞的第一道屏障。在細(xì)胞壁中的果膠質(zhì)成分為結(jié)合污染物提供了大量的交換位點(diǎn)。細(xì)胞膜調(diào)節(jié)著著物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的過程，它與細(xì)胞壁一起構(gòu)成了細(xì)胞的防衛(wèi)體系。污染物通過植物細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞的過程，日前認(rèn)為有兩種方式；一種是被動的擴(kuò)散，物質(zhì)順著本身的濃度梯度或細(xì)胞壁的電化學(xué)勢流動；另一種是物質(zhì)的主動傳遞過程，這種傳遞需要能量。這兩種過程都與細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)。生物膜是非極性的類脂雙層膜，在脂質(zhì)雙分子層內(nèi)外表面鑲嵌著蛋白質(zhì)特異載體分子，正常情況下對物質(zhì)的吸收具有選擇性。Park把細(xì)胞膜透過機(jī)理歸納為以下幾個主要方面：①②③流動輸送：生物膜有許多孔隙和細(xì)孔，水溶性的化學(xué)物質(zhì)和難脂溶性的微粒子化合物隨水流通過細(xì)胞膜。如果水溶性和難脂溶性的粒子直徑在8.4nm以上就不能通過膜。②脂質(zhì)層受控?cái)U(kuò)散：脂溶性化合物受這類擴(kuò)散的影響。脂溶性化臺物在水中擴(kuò)散是以乳液狀態(tài)存在，當(dāng)與生物體膜接觸，部分脂溶性化合物溶解在細(xì)胞膜中，借助于擴(kuò)散作用而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。③媒介輸送與動能載體輸送；擔(dān)任化合物輸送任務(wù)的是生物膜內(nèi)的載體，它使化合物在生物體內(nèi)得以輸送。促使媒介輸送的能量為濃度比，促使能動載體輸送的能量來自生物化學(xué)作用。9.1.2水生植物的凈化作用水生植物主要包括三大類：水生維管束植物、水生蘚類和高等藻類。全球在污水治理中應(yīng)用較多的是水生維管束植物，它具有發(fā)達(dá)的機(jī)械組織，植物個體比較高大，通?？煞譃橥λ∷?、漂浮和沉水4種類型，見表9.1。表9.1水生植物類型及生長特點(diǎn)類型生長特點(diǎn)代表種類挺水植物根莖生于底泥中，植物體上部挺出水面蘆葦、香蒲浮葉植物根莖生于底泥中，葉漂浮于水面睡蓮、荇菜漂浮植物植物體完全漂浮于水面，具有特殊的適應(yīng)漂浮生活組織結(jié)構(gòu)鳳眼鏈、浮萍沉水植物植物體完全沉于水氣界面以下，根扎于底泥或漂浮于水中狐尾藻、金魚藻植物對水體的凈化具有非常重要的作用。污染的凈化作用主要表現(xiàn)在：(1)物理作用水生植物的存在減小了水中的風(fēng)浪擾動，降低了水流速度，并減小了水面風(fēng)速，這為懸浮固體的沉淀去除創(chuàng)造了更好的條件，并減小了固體重新懸浮的可能性。植物的另一重要作用是它的隔熱性。在冬季，當(dāng)人工濕地中的水生植物死亡并被雪覆蓋后，它就為人工濕地提供了一個隔熱層，這樣有利于防止人工濕地土壤凍結(jié)。(2)植物的吸收作用水生植物能直接吸收利用污水中的營養(yǎng)物質(zhì)，供其生長發(fā)育。有根的植物通過根部攝取營養(yǎng)物質(zhì)，某些浸沒在水中的莖葉也從周圍的水中攝取營養(yǎng)物質(zhì)。水中植物產(chǎn)量高，大量的應(yīng)用物質(zhì)被固定在其生物體內(nèi)。當(dāng)收割后，營養(yǎng)物就能從系統(tǒng)中被除去。廢水中的有機(jī)氮就能被微生物分解與轉(zhuǎn)化，而無機(jī)氮作為植物生長過程中不可缺少的物質(zhì)被植物直接攝取，再通過植物的收割而從廢水中除去。(3)植物的富集作用許多的水生植物有較高的耐污能力，能富集水中的金屬離子和有機(jī)物質(zhì)。如鳳眼蓮，由于其線粒體中含有多酚氧化酶，可以通過多酚氧化酶對外源苯酚的羥化及氧化作用而解除酚對植物的毒害，所以對重金屬和含酚有機(jī)物有很強(qiáng)的吸收富集能力。水生植物還能吸附、富集一些有毒有害物質(zhì)，如重金屬鉛、鎘、汞、砷、鈣、鉻、鎳、銅等其吸收積累能力為：沉水植物＞漂浮植物＞挺水植物，不同部位濃縮作用也不同，一般為：根＞莖＞葉，各器官的累積系數(shù)隨污水濃度的上升而下降。(4)氧的傳輸作用一般來講，缺氧條件下，生物不能進(jìn)行正常的有氧呼吸，還原態(tài)的某些元素和有機(jī)物的濃度可達(dá)到有毒的水平。河道水體中的污染物需要的氧主要來自大氣自然復(fù)氧和植物輸氧。有研究表明，水生植物的輸氧速率遠(yuǎn)比依靠空氣向液面擴(kuò)散速率大，植物的輸氧功能對水體的降解污染物好氧的補(bǔ)充量遠(yuǎn)大于由空氣擴(kuò)散所得氧量。植物輸氧是植物將光合作用產(chǎn)生得氧氣通過氣道輸送至根區(qū)，在植物根區(qū)的還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)的微環(huán)境。(5)為微生物提供棲息地微生物是水體凈化污水的主要“執(zhí)行者”，水體中微生物的種類和數(shù)量很豐富，因?yàn)樗参锏母党Ｐ纬梢粋€網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，并在植物關(guān)系附近形成好氧、缺氧和厭氧的不同環(huán)境，為各種不同微生物的吸附和代謝提供了良好的生存環(huán)境，也為水體污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分解者。大型挺水植物在水中部分能吸附大量的藻類，這也為微生物提供了更大的接觸表面積。研究表明，有植物的水體系統(tǒng)，細(xì)菌數(shù)量顯著高于無植物系統(tǒng)，且植物根部的分泌物還可以促進(jìn)某些嗜磷、氮細(xì)菌的生長，促進(jìn)氮、磷釋放、轉(zhuǎn)化、從而間接提高凈化率。(6)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定維持水體系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的首要條件就是保證系統(tǒng)的水力傳輸，水生植物在這方面起了重要作用。植物根和根系對介質(zhì)具有穿透作用，從而在介質(zhì)中形成了許多微小的氣室或間隙，減小了介質(zhì)的封閉性，增強(qiáng)了介質(zhì)的疏松度，使得介質(zhì)的水力傳輸?shù)玫郊訌?qiáng)和維持。植物的生長能加快天然土壤的水力傳輸程度，且當(dāng)植物成熟時，根區(qū)系統(tǒng)的水容量增大。當(dāng)植物的根和根系腐爛時，剩下許多的空隙和通道，也有利于土壤的水力傳輸。有人認(rèn)為植物根系可維持底質(zhì)的疏松狀態(tài)，也有研究表明，植物根的生長和擴(kuò)展，會在其上層建立一個較密集的根區(qū)，從而使孔隙度下降。另外，水生植物還有美觀可欣賞性、可以通過收割回收以達(dá)到一定經(jīng)濟(jì)效益，可作為介質(zhì)所受污染程度的指示物、有助于酶在水體系統(tǒng)的擴(kuò)展等作用。(7)對藻類的生化他感作用生化他感作用一方面表現(xiàn)在水生植物個體大，吸收、儲存營養(yǎng)物質(zhì)和利用光能的能力強(qiáng)，能與藻類形成競爭，從而抑制浮游藻類的生長。另一方面，水生植物向水中分泌化學(xué)物質(zhì)，如萜類化合物、類固醇等，來抑制藻類的生長。試驗(yàn)表明，水花生、棱、金魚藻和浮萍均能不同程度的減少水體中藻細(xì)胞數(shù)量，促進(jìn)藻細(xì)胞內(nèi)葉綠素a的破壞與脂質(zhì)過氧化物含量升高，抑制超氧化物歧化酶的活性，從而抑制了藻類的生長。(8)其它作用水生植物還有一些不直接與水處理過程相關(guān)的作用。如它為動物如魚類、鳥類、爬行動物提供食物；在處理系統(tǒng)中采用荷花花、睡蓮等有較高的觀賞性的水生植物，可以便系統(tǒng)更加美觀。9.1.3水生植物物種的適應(yīng)性增加水體透明度后，可以有效促進(jìn)沉水植物的生長，改善水生生態(tài)，恢復(fù)大型水生植物的生長。大型水生植物的繁殖和生長，能夠促進(jìn)淺水性河湖形成大規(guī)模生態(tài)濕地。9.1.3.1水生植物物種選型在水質(zhì)相對好一些的湖區(qū)，可有層次地種植一些大型水生植物，如岸邊蘆葦?shù)取Ｔ?.0?1.2m水深之間主要發(fā)展茭草；在水深1.2?1.5m之間發(fā)展眼子菜、苦草和野菱，還有聚草、大茨藻、依樂藻等沉水植物，并且要定期移出成熟的這些水生植物，或建立人工調(diào)節(jié)的生態(tài)食物鏈系統(tǒng)，目的就是最大量地將營養(yǎng)物N、P從水中移出，使得水質(zhì)有明顯的好轉(zhuǎn)。不同植物對營養(yǎng)鹽的吸收和水體凈化效果差異較大，而且對于同一種植物來說，也是某一方面效果好，可能另一方面效果會相對差些。因此，在開展植物修復(fù)工程時，要合理搭配植物，進(jìn)行多種植物組合。同時要考慮植物功能方面的季節(jié)性差異，以保證能夠周年循環(huán)。另外，對當(dāng)?shù)貧夂虻倪m應(yīng)、植物的抗逆性及對病蟲害的抵抗能力也需要充分地考慮?？捎糜谒虏糠盅a(bǔ)種或栽種的高等水生植物有蘆葦、睡蓮、小香蒲、營莆、鶯尾等挺水植物以及伊樂藻、微齒眼子菜、輪葉黑藻、苦草等沉水植物；岸灘交錯帶宜于栽種落羽杉、水杉、池杉、垂柳、楓楊、合歡、水青樹等耐水喬木，恢復(fù)生態(tài)緩沖帶。在岸坡種植溫生植物香根草、風(fēng)車草等。9.1.3.2水生植物種植與培植水質(zhì)凈化過程實(shí)際上是一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，是微生物生命活動的結(jié)果。水生高等植物如蘆葦?shù)扔邪l(fā)達(dá)的根系，能吸附大量水體污染物。同時，也寄居著眾多的微生物，水體中微生物對富營養(yǎng)化人工水體的凈化有重要作用。水生植物為根系微生物創(chuàng)造了良好的棲息場所并提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，而根系微生物在功能上的協(xié)同效應(yīng)加速了水體中污染物的凈化。水生植物和根系微生物有利共生關(guān)系，結(jié)合成微生態(tài)凈化系統(tǒng)。結(jié)合自然式河岸的處理，栽種水生植物、近水植物和耐水植物這樣的自然河岸式的植物種植，減少人工干預(yù)和人工管理的痕跡，增加整個河岸的自我維持和自我循環(huán)，也有利于形成富有景觀特色的生態(tài)廊道。9.1.4水生植物的凈污效果（1）超積累植物目前水生植物修復(fù)主要依靠直接從水體吸收N、P,但其中一些重金屬及其化合物亦可以離子形式轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)并得到富集，此類植物即超積累植物。超積累植物修復(fù)過程的機(jī)理是：通過螯合離子交換和選擇性吸收等物理和化學(xué)過程吸收金屬離子；給根際微生物提供附著和形成菌落的場所，并促進(jìn)微生物群落的生長，而在根際微生物的體內(nèi)，重金屬離子和細(xì)胞壁上的活性基團(tuán)（包括羧基、羥基、磷酸基、胺基等）發(fā)生定量結(jié)合反應(yīng)，通過物理吸附或形成無機(jī)沉淀沉積在細(xì)胞壁上；植物還通過根部釋放的分泌物的作用將金屬離子以沉淀物的形式沉降下來。如重金屬誘導(dǎo)就可使鳳眼蓮體內(nèi)產(chǎn)生有重金屬絡(luò)合作用的金屬硫肽，這些機(jī)制使許多水生植物具有富集大量重金屬的能力。有研究表明，紫萍生長速度快，可富集鉻和鎳；滿江紅可富集鉛、汞、銅等；槐葉萍在6小時內(nèi)表現(xiàn)出快速吸收與凈化作用，其對水體中銀的凈化率達(dá)81.0%；濕重每kg浮萍在3d內(nèi)能夠吸收42.53mg銅、34.3mg鉛、1.11mg鎘；李衛(wèi)平等研究表明，在廢水中重金屬同等起始濃度下（3.8ug/g）,干重每kg水葫蘆富集銅1.40kg、鋅0.48g、鎳0.21g、鉻1.80g。寬葉香蒲能有效凈化鉛、鋅礦廢水，對鉛、鋅、銅和鎘的去除率分別達(dá)到93.98%、97.02%、96.87%、和96.39%，使水質(zhì)得到明顯改善。通過植物的富集作用，重金屬在環(huán)境中的濃度明顯降低，富集在植物體內(nèi)的重金屬還可通過定期收割等方式回收利用，既作到污染治理，又可回收、節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。（2）水生經(jīng)濟(jì)植物水生植物修復(fù)研究多注重處理效果，較少顧及經(jīng)濟(jì)效益，常選擇如鳳眼蓮、寬葉香蒲等植物，景觀效果欠佳且經(jīng)濟(jì)價值不高。研究表明將水生經(jīng)濟(jì)植物水蕹菜、水芹菜以無土栽培方式，河水為種植水，分別作靜態(tài)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水蕹菜（4－10月）和水芹菜（11－3月）對河水均有較好的凈化能力。當(dāng)河水停留時間為30天時，水蕹菜對污染物的去除率為：TN81.32%，NO3-N89.90%，NH3-N87.86%，TP71.34%；水芹菜對污染物的去除率為：TN82.77%，NO3-N86.64%，NH3-N86.06%，TP94.77%。根據(jù)污染物去除率負(fù)荷測算，每公斤水蕹菜（鮮重）每天可去除污水中TN26.49mg；N03-N16.70mg；NH3-N8.31mg,TP3.22mg；每公斤水芹菜（鮮重）每天可去除污水中TN24.73mg，NO3-N13.25mg，NH3-N11.25mg，TP2.71mg。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束（30天），發(fā)現(xiàn)兩植物除根部外，徑、葉部分重金屬含量均達(dá)到食用標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，若以水蕹菜一年栽種200天計(jì)，通過定期收割（25天），每平方米水面可獲水蕹菜34.4kg，同時可自河水中移除TN182.25g、TP22.15g；若以一年栽種水芹菜60天計(jì)，每平方米水面可收獲水芹菜15.2kg，同時可自河水中移除TN22.55g、TP2.47g。若實(shí)現(xiàn)輪種，則每平方米水面可收獲經(jīng)濟(jì)植物約50kg，以每公斤一元計(jì)，每平方米產(chǎn)值50元，約為投入成本（種苗、人工載體、人工管理費(fèi)等）的2倍左右。南京莫愁湖種植蓮藕，年產(chǎn)蓮藕25萬kg，去除的氮有60t之多，磷有1t多，經(jīng)過3年時間，水色由原來的14級上升到11級。進(jìn)行人工基質(zhì)無土栽培經(jīng)濟(jì)植物凈化富營養(yǎng)化水體試驗(yàn)的結(jié)果顯示，多花黑麥草、水蕹菜（又名空心菜）對氮和磷的去除率分別達(dá)到80％和90％以上，水芹對氮、磷的去除率可達(dá)到75％以上。由此可見，利用經(jīng)濟(jì)植物凈化富營養(yǎng)化水體，既改善了富營養(yǎng)化水體水質(zhì)，獲得環(huán)境效益，又有利于經(jīng)濟(jì)作物的生長，客觀的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。9.1.5水生植物修復(fù)水質(zhì)技術(shù)水生植物凈污工程是以水生植物為主體，引用物種間共生關(guān)系和充分利用水體空間生態(tài)位與營養(yǎng)生態(tài)位的原則，建立高效的人工生態(tài)系統(tǒng)，以降解水體中的污染負(fù)荷，改善系統(tǒng)內(nèi)的水質(zhì)。（1）挺水植物挺水植物可通過對水流的阻尼作用和減小風(fēng)浪擾動使懸移物質(zhì)沉降，并通過與其共生的生物群落有凈化水質(zhì)的作用。同時，它還可以通過其龐大的根系從深層底泥中吸取營養(yǎng)元素，降低底泥中營養(yǎng)元素的含量。挺水植物一般具有很廣的適應(yīng)性和很強(qiáng)的抗逆性，生長快，產(chǎn)量高，還能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此，沿岸種植挺水植物已成為水體凈污的重要方法。試驗(yàn)研究證明，河道沿岸的挺水植物（蘆葦?shù)龋Π钡哂泻軓?qiáng)的削減作用，氨氮通過河道兩岸的蘆葦帶時，濃度顯著降低，模擬模型的衰減系數(shù)是無蘆葦生長的混凝土護(hù)坡河段的3倍左右，氨氮的削減量也達(dá)無蘆葦生長河段的2倍左右。但利用沿岸挺水植物凈化水體，需注意水生植物要定期收割，防止其死亡后沉積水底，造成二次污染。（2）沉水植物沉水植物生長過程中吸收水體中的N、P等營養(yǎng)鹽，分泌他感物質(zhì)抑制浮游植物的生長，沉水植被在水體中還能起到減波消浪，減輕底泥再懸浮，減少水體中的懸浮物的作用，從而凈化水體，提高透明度，保持水體清水態(tài)。沉水植物是健康水域的指示性植物，它對水質(zhì)具有很強(qiáng)的凈化作用，而且四季常綠，是水體凈化最理想的水生植物。在大型實(shí)驗(yàn)圍隔系統(tǒng)中，沉水植物的水質(zhì)凈化作用實(shí)驗(yàn)證明，重建后的沉水植物可以顯著改善水質(zhì)，水體透明度顯著提高，水色降低。水生植物圍隔CODcr和BOD5一般分別為20mg/L和5mg/L左右，對照圍隔和大湖水體則分別約為40mg/L和10mg/L。水生植物圍隔水體中可檢出的有機(jī)污染種類也較對照圍隔和大湖水體低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明恢復(fù)以沉水植物為主的水生植被是改善富營養(yǎng)化水質(zhì)和重建生態(tài)系統(tǒng)的有效措施。（3）植物浮島河、湖中的天然島嶼是許多水生生物的主要棲息場所，在天然島嶼上形成了植物-微生物-動物供受體，它們對水體的凈化起著非常重要的作用。但由于河湖的開發(fā)、渠化、硬化工程，以及底泥疏浚等，使許多天然生態(tài)島消失，河流的自凈能力下降，河流生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。植物浮島的建立就是對水域生態(tài)系統(tǒng)自凈能力的一種強(qiáng)化。植物浮島是綠化技術(shù)和漂浮技術(shù)的結(jié)合體，植物生長的扶梯一般是采用聚氨酯涂裝的發(fā)泡聚苯乙烯制成的，質(zhì)量輕，材料耐用。島上的植物可供鳥類等休息和筑巢，下部植物形成魚類和水生昆蟲等生息環(huán)境，同時能吸收引起富營養(yǎng)化的氮和磷。日本為進(jìn)一步凈化渡良瀨蓄水池的水體，曾在蓄水池中部建了一批植物生態(tài)浮島，在到上種植蘆葦?shù)戎参?，其根系附著微生物。浮島還設(shè)置了魚類產(chǎn)卵用的產(chǎn)卵床，也為小魚及底棲動物設(shè)有棲息地，形成穩(wěn)定的植物-微生物-動物凈化系統(tǒng)。（4）植物浮床植物浮床是充分模擬植物生存所需要的土壤環(huán)境而采用特殊材料制成的、能使植物生長并能浮在水中的床體。目前，研究最多的就是沉水植物浮床和陸生植物浮床。①沉水植物浮床沉水植物浮床技術(shù)是利用沉水植物對營養(yǎng)物質(zhì)含量高的水體有顯著的凈化作用，對水體進(jìn)行凈化。水體高濃度的氮、磷營養(yǎng)鹽一直被認(rèn)為是導(dǎo)致沉水植物小時的直接原因，但水深和水下光照強(qiáng)度對沉水植物的生存有限制作用。由于