目前我國絕大部分的城市污水處理廠均采用傳統(tǒng)的二級活性污泥法處理工藝,而高額的工程投資和運轉(zhuǎn)費用則制約了其推廣和應用,尤其是對我國欠發(fā)達地區(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點源進行處理,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,為植物對土壤和水體中的污染物吸收和降解奠定了基礎。該技術與我國的經(jīng)濟發(fā)展水平相適應,對于解決中小城鎮(zhèn)的污水處理和生態(tài)環(huán)境的改善具有重要的實踐意義。
1 水生植物的生態(tài)效應
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,通過對土壤中細菌、真菌等微生物的調(diào)控來進行環(huán)境的修復,植物在水污染控制中生態(tài)效應主要表現(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)再懸浮的風險,增加了水體與植物間的接觸時間,同時還可以增強底質(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水體的強度,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。植物的存在對基質(zhì)具有一定的保護作用,在溫帶地區(qū)的冬季,當枯死的植物殘體被雪覆蓋后,植物則對基質(zhì)起到很好的保護膜作用,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。植物對基質(zhì)的水力傳導性能產(chǎn)生一定的影響,植物的根在生長時對土壤具有干擾和疏松作用,當根死亡或腐爛后,會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)也為微生物的活動提供了巨大的物理活動表面,植物根系也是重金屬和某些有機物的沉積場所。因此,植物地上和地下的生物膜對于濕地中發(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),水體中的相當部分的營養(yǎng)物被植物轉(zhuǎn)化或保存在植物體內(nèi)。對于不同生活型的水生植物,普遍認為漂浮植物吸收能力強于挺水植物,沉水植物最差。與木本植物相比草本植物對污水中的污染物則具有較高的去除率,如有蘆葦?shù)臐竦貙H+4-N的去除率接近100%,而無蘆葦時,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水體造成二次污染的唯一途徑。植物的對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,硝化和反硝化細菌的數(shù)量均高于沒有植物的濕地,水芹濕地的細菌數(shù)量多于鳳眼蓮濕地的細菌數(shù)量,但前者對氨氮的去除率卻低于后者,說明人工濕地系統(tǒng)中對N的去除植物的吸收占主導地位。吳振斌等在進行的上、下行流的復合人工濕地系統(tǒng)的研究中,分別種植不同植物的濕地對COD、BOD5、TN、TP的去除效果均好于沒有種植植物的對照濕地。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,植物的良好長勢是對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,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,而且還可以促進根區(qū)的氧化還原反應與好氧微生物的活動。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)構所決定的,植物的結(jié)構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,這種對流型的氣體的流動明顯增加了可供氧根的長度,同時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菌和病原微生物,濕地運行過程中對細菌的高去除率,驗證了上述結(jié)論。一些植物釋放的克生物質(zhì)對其它植物的生長產(chǎn)生抑制或促進作用,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。同樣藻類也可以對高等水生植物產(chǎn)生克制作用,尤其是當藻類大量繁殖形成水華時,高等水生植物的生長率和葉綠素均呈下降趨勢。
2 水生植物對水污染控制的影響因素
大量實踐證明,水污染的控制與植物的類型、群落構成、覆蓋度、水體透明度等因素相關。
2.1植物類型和群落構成
在提高植物處理效果研究方面,一個重要的研究內(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有較大的差異性。作者在宜興進行的以多種植物構成的人工濕地系統(tǒng)凈化河水的試驗結(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,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),對水生植物特別是以沉水植物為主的水生植物群落對水質(zhì)的改善作了定性、定量研究。試驗結(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)級水平上具有維持水體清潔和自身優(yōu)勢穩(wěn)定狀態(tài)的機制,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,關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,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)勢群落,致密生長的鳳眼蓮使湖水復氧受阻,水體中溶解氧得不到補充。鳳眼蓮雖具有很強的吸收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
菹草對水體和底泥中的N、P、Pb、Zn、Cu、As等有較強的吸收、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,當菹草的保持覆蓋度為50%時,生物量最大,凈化效率也達到最大。陳國強等研究了不同磷濃度對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。綜合考慮磷對兩種植物各指標的影響,認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,都會對其生理活性產(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)鹽和風浪等因素有關,不同生活型的水生植物對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償點和補償深度,只有在光補償(點)深度以上,沉水植物才能進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試驗中得到驗證,但水生植物在其中的作用,國內(nèi)外目前還存在一些的爭議。絕大多數(shù)的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗都表明,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用潛力,關鍵在于植物種類的選擇和植物群落的搭配,特別是通過試驗選擇耐污性強、凈化效果好、適宜其生存環(huán)境的物種是一項優(yōu)先考慮的工作。多個物種的合理搭配無疑會增強系統(tǒng)的對水體的凈化效果,而根據(jù)各地的具體情況進行植物篩選和系統(tǒng)觀測研究,則是選擇理想物種,發(fā)揮植物最大潛能的有效途徑。利用水生植物對污水的凈化作用對污染水體的修復過程,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)境修復提供了一個良好的途徑,具有廣闊的市場和應用前景。
訪廣州新電視
建筑師張永和
