目前我國絕大部分的城市污水處理廠均采用傳統(tǒng)的二級(jí)活性污泥法處理工藝,而高額的工程投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用則制約了其推廣和應(yīng)用,尤其是對(duì)我國欠發(fā)達(dá)地區(qū),資金和能源短缺問題普遍,許多中小城鎮(zhèn)仍沒有完善的污水處理系統(tǒng)。大量的研究結(jié)果表明,即使是在資金有保障的前提下,僅靠建立污水處理廠對(duì)點(diǎn)源進(jìn)行處理,也很難使水污染得到有效控制。通常植物在生長過程中,能忍耐土壤中高濃度的污染物,植物的這種抗毒性作用,為植物對(duì)土壤和水體中的污染物吸收和降解奠定了基礎(chǔ)。該技術(shù)與我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng),對(duì)于解決中小城鎮(zhèn)的污水處理和生態(tài)環(huán)境的改善具有重要的實(shí)踐意義。
1 水生植物的生態(tài)效應(yīng)
水生植物除了直接吸收、固定、分解污染物外,通常只是間接地參與污染物的分解,通過對(duì)土壤中細(xì)菌、真菌等微生物的調(diào)控來進(jìn)行環(huán)境的修復(fù),植物在水污染控制中生態(tài)效應(yīng)主要表現(xiàn)在以下方面。
1.1物理作用
覆蓋于濕地中的水生植物,使風(fēng)速在近土壤或水體表面降低,有利于水體中懸浮物的沉積,降低了沉積物質(zhì)再懸浮的風(fēng)險(xiǎn),增加了水體與植物間的接觸時(shí)間,同時(shí)還可以增強(qiáng)底質(zhì)的穩(wěn)定和降低水體的濁度。此外,植物的存在削弱了光線到達(dá)水體的強(qiáng)度,阻礙了植物覆蓋下的水體中藻類的大量繁殖,尤其是在浮萍類植物的濕地系統(tǒng)中比較常見。植物的存在對(duì)基質(zhì)具有一定的保護(hù)作用,在溫帶地區(qū)的冬季,當(dāng)枯死的植物殘?bào)w被雪覆蓋后,植物則對(duì)基質(zhì)起到很好的保護(hù)膜作用,可以防止基質(zhì)在冬季凍結(jié),以維持冬季濕地系統(tǒng)仍具有一定的凈化能力。植物對(duì)基質(zhì)的水力傳導(dǎo)性能產(chǎn)生一定的影響,植物的根在生長時(shí)對(duì)土壤具有干擾和疏松作用,當(dāng)根死亡或腐爛后,會(huì)留下一些管型的大孔隙,在一定程度上增加了基質(zhì)的水力傳導(dǎo)性。淹沒于水中的水生植物的莖和葉形成的生物膜,為大量的光合細(xì)菌、藻類和原生微生物等在植物組織上的生長提供了一定空間,埋藏于土壤中的根和根區(qū)也為微生物的活動(dòng)提供了巨大的物理活動(dòng)表面,植物根系也是重金屬和某些有機(jī)物的沉積場(chǎng)所。因此,植物地上和地下的生物膜對(duì)于濕地中發(fā)生的所有微生物過程都具有重要作用。
1.2植物對(duì)污染物的吸收作用
植物的生長和繁殖離不開營養(yǎng)物質(zhì),水體中的相當(dāng)部分的營養(yǎng)物被植物轉(zhuǎn)化或保存在植物體內(nèi)。對(duì)于不同生活型的水生植物,普遍認(rèn)為漂浮植物吸收能力強(qiáng)于挺水植物,沉水植物最差。與木本植物相比草本植物對(duì)污水中的污染物則具有較高的去除率,如有蘆葦?shù)臐竦貙?duì)NH+4-N的去除率接近100%,而無蘆葦時(shí),僅為40%～75%。定期和持續(xù)地從濕地系統(tǒng)中收獲成熟的植物,并能妥善處理收獲的植物,是保證污水中的養(yǎng)分被有效去除和防止對(duì)水體造成二次污染的唯一途徑。植物的對(duì)污水的凈化作用是植物吸收和微生物綜合作用的結(jié)果,植物的存在有利于硝化、反硝化細(xì)菌的生存。張鴻等研究表明,在種植水芹、鳳眼蓮的濕地中,硝化和反硝化細(xì)菌的數(shù)量均高于沒有植物的濕地,水芹濕地的細(xì)菌數(shù)量多于鳳眼蓮濕地的細(xì)菌數(shù)量,但前者對(duì)氨氮的去除率卻低于后者,說明人工濕地系統(tǒng)中對(duì)N的去除植物的吸收占主導(dǎo)地位。吳振斌等在進(jìn)行的上、下行流的復(fù)合人工濕地系統(tǒng)的研究中,分別種植不同植物的濕地對(duì)COD、BOD5、TN、TP的去除效果均好于沒有種植植物的對(duì)照濕地。濕地植物直接吸收和利用可利用態(tài)P,起到去P的作用,并且植物的生長狀況直接影響到植物的去除效果,植物的良好長勢(shì)是對(duì)P去除的保證。
1.3植物根系釋放
濕地系統(tǒng)具有明顯的缺氧環(huán)境,濕地中氧的傳播速率約為陸地環(huán)境氧的傳播速率的萬分之一。水生植物則具有適合在缺氧條件下生存的結(jié)構(gòu)與特征,包括莖肥大,莖和根的中心具有較大的組織,莖中空,具淺根系等。植物的這種特殊結(jié)構(gòu),有利于氧在其體內(nèi)的傳輸并能傳遞到根區(qū),不僅滿足了植物在缺氧環(huán)境的呼吸作用,而且還可以促進(jìn)根區(qū)的氧化還原反應(yīng)與好氧微生物的活動(dòng)。將光合作用產(chǎn)生的氧傳遞到根區(qū),在根區(qū)的還原態(tài)的介質(zhì)中形成氧化的微環(huán)境,根區(qū)有氧區(qū)域與缺氧區(qū)域的共同存在為根區(qū)的好氧、兼氧和厭氧微生物提供了各自的小生境,使不同微生物都能發(fā)揮各自的作用。氧在植物根部的釋放主要取決于植物內(nèi)部氧的濃度、周圍基質(zhì)的需氧量以及植物根壁的滲透性。植物通過吸收而在根部釋放氧是由其本身的結(jié)構(gòu)所決定的,植物的結(jié)構(gòu)阻止了其在徑向的泄露,并努力使釋放到根區(qū)的氧的損失減少到最小。氧的釋放率一般在根的亞頂端區(qū)域最高,并隨距離根尖的增大而降低。水生植物具有對(duì)流型通氣組織,其根區(qū)和根部都具有較高的內(nèi)部氧的濃度,這種對(duì)流型的氣體的流動(dòng)明顯增加了可供氧根的長度,同時(shí)還可以通過氧化和脫毒減少根部一些潛在的有害物質(zhì)。除了根系可以釋放氧外,根系還可以釋放其它物質(zhì)。一些植物的根系分泌物能殺死污水中的細(xì)菌和病原微生物,濕地運(yùn)行過程中對(duì)細(xì)菌的高去除率,驗(yàn)證了上述結(jié)論。一些植物釋放的克生物質(zhì)對(duì)其它植物的生長產(chǎn)生抑制或促進(jìn)作用,表現(xiàn)植物間的相生相克作用。鳳眼蓮、水花生、水浮蓮、寬葉香蒲等可以分泌出克藻物質(zhì),對(duì)水體中藻類的繁殖具有明顯的克制作用。同樣藻類也可以對(duì)高等水生植物產(chǎn)生克制作用,尤其是當(dāng)藻類大量繁殖形成水華時(shí),高等水生植物的生長率和葉綠素均呈下降趨勢(shì)。
2 水生植物對(duì)水污染控制的影響因素
大量實(shí)踐證明,水污染的控制與植物的類型、群落構(gòu)成、覆蓋度、水體透明度等因素相關(guān)。
2.1植物類型和群落構(gòu)成
在提高植物處理效果研究方面,一個(gè)重要的研究內(nèi)容是如何選擇合適的植物種類和確定不同植物的組合。漂浮植物是人工濕地中常用的一類植物,就去除效果而言,鳳眼蓮的凈化效果最好。挺水植物蘆葦、香蒲的使用頻率最高。很顯然,不同的物種或同一物種在不同濕地環(huán)境中的凈化效果都會(huì)有較大的差異性。作者在宜興進(jìn)行的以多種植物構(gòu)成的人工濕地系統(tǒng)凈化河水的試驗(yàn)結(jié)果表明,多種植物合理的搭配較單一植物具有較好的處理效果,混合種不僅使?jié)竦氐膬艋侍岣?且凈化效果更穩(wěn)定,夏漢平的研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn),且混合種有可能解決NO-3-N的凈化問題。吳振斌、邱東茹等利用在武漢東湖建成的大型圍隔生態(tài)系統(tǒng),對(duì)水生植物特別是以沉水植物為主的水生植物群落對(duì)水質(zhì)的改善作了定性、定量研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,沉水植物可以顯著改善水體的理化性質(zhì),在不同營養(yǎng)級(jí)水平上具有維持水體清潔和自身優(yōu)勢(shì)穩(wěn)定狀態(tài)的機(jī)制,水生植物有過量吸收營養(yǎng)物質(zhì)的特性,可降低水體富營養(yǎng)化水平。水生生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù),關(guān)鍵取決于其自身的自凈能力和環(huán)境容量,而自凈能力和環(huán)境容量又取決于穩(wěn)定的和優(yōu)化的水生植物群落的形成。沉水植物群落的是建立草海優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ),草海歷史上長期以來,沉水植物就是湖泊中最主要的生產(chǎn)者。隨著水體富營養(yǎng)化的加劇,沉水植物大量消亡,草海的水生植物群落的構(gòu)成發(fā)生了很大的變化,漂浮植物鳳眼蓮成為草海的單優(yōu)勢(shì)群落,致密生長的鳳眼蓮使湖水復(fù)氧受阻,水體中溶解氧得不到補(bǔ)充。鳳眼蓮雖具有很強(qiáng)的吸收N、P的能力,但過度繁盛的鳳眼蓮腐爛造成的二次污染反而加重了水體的富營養(yǎng)化水平。
2.2植物的覆蓋度、污水濃度
菹草對(duì)水體和底泥中的N、P、Pb、Zn、Cu、As等有較強(qiáng)的吸收、富集作用。吸收能力的大小與其生物量和群體的覆蓋度有關(guān),當(dāng)菹草的保持覆蓋度為50%時(shí),生物量最大,凈化效率也達(dá)到最大。陳國強(qiáng)等研究了不同磷濃度對(duì)睡蓮和菱葉片生理活性的影響,研究結(jié)果表明,隨著磷營養(yǎng)鹽水平的提高,葉內(nèi)無機(jī)磷的含量也逐漸增加,而葉綠素則隨磷含量的增加而降低。綜合考慮磷對(duì)兩種植物各指標(biāo)的影響,認(rèn)為菱的最適宜的濃度為0.1mmol/L,睡蓮為0.5mmol/L,超過或低于該濃度,都會(huì)對(duì)其生理活性產(chǎn)生不利影響。該研究結(jié)果間接反映了不同植物對(duì)磷的吸收作用,為去磷植物的選擇提供了參考。
2.3環(huán)境因子
影響水生植物去除率的因素有光照、水溫、溶解氧、pH、營養(yǎng)鹽和風(fēng)浪等因素有關(guān),不同生活型的水生植物對(duì)這些因素的敏感性不同。所有水生植物都有其適合生長的季節(jié)和適宜的溫度,水體的透明度則成為沉水植物的限定因子。大量的研究結(jié)果表明,在水體的一定深度存在光補(bǔ)償點(diǎn)和補(bǔ)償深度,只有在光補(bǔ)償(點(diǎn))深度以上,沉水植物才能進(jìn)行正常的光合作用和呼吸作用,植物才能生長。
植物在水污染控制中的作用已在很多水體恢復(fù)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證,但水生植物在其中的作用,國內(nèi)外目前還存在一些的爭(zhēng)議。絕大多數(shù)的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都表明,水生植物的作用是高效的或有效的。水生植物能否發(fā)揮其最大的凈化及應(yīng)用潛力,關(guān)鍵在于植物種類的選擇和植物群落的搭配,特別是通過試驗(yàn)選擇耐污性強(qiáng)、凈化效果好、適宜其生存環(huán)境的物種是一項(xiàng)優(yōu)先考慮的工作。多個(gè)物種的合理搭配無疑會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的對(duì)水體的凈化效果,而根據(jù)各地的具體情況進(jìn)行植物篩選和系統(tǒng)觀測(cè)研究,則是選擇理想物種,發(fā)揮植物最大潛能的有效途徑。利用水生植物對(duì)污水的凈化作用對(duì)污染水體的修復(fù)過程,很少有廢物和排放物產(chǎn)生,無疑為我國日益惡化的水環(huán)境修復(fù)提供了一個(gè)良好的途徑,具有廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。
訪廣州新電視
建筑師張永和
