馮奇，張志猛，黃一豪

1.城發(fā)水務(wù)有限公司；2.知和環(huán)保科技有限公司；3.鄭州大學(xué)

一、水生植物的概述與其生態(tài)功能

（一）水生植物的概述

水生植物在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)主要類(lèi)群，其典型代表是水生維管束植物。水生維管束植物機(jī)械組織發(fā)達(dá)，有挺水、漂浮、浮葉與沉水4種生活型。挺水植物是指植物的根莖生長(zhǎng)在底泥中，而上部從水面上挺出，具有代表性的有香蒲和蘆葦?shù)?；漂浮植物是指整個(gè)植物體漂浮在水面上，有能適應(yīng)漂浮生長(zhǎng)要求的特殊組織結(jié)構(gòu)，具有代表性的有浮萍和鳳眼蓮等；浮葉植物是指植物的根莖生長(zhǎng)在底泥中，但葉片漂浮在水面上，具有代表性的有荇菜和睡蓮等；沉水植物是指整個(gè)植物體沉在水面下部，其根部進(jìn)入底泥或懸浮在水中，具有代表性的有金魚(yú)藻和狐尾藻等。

（二）水生植物的生態(tài)功能

在光合作用下，水生植物可以將光能轉(zhuǎn)化為有機(jī)能，同時(shí)釋放氧氣。它們是初級(jí)生產(chǎn)者，可以發(fā)揮許多生態(tài)功能。例如，它可以在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存植物生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分；吸收和凈化水中所含的污染物；減少低級(jí)藻類(lèi)的數(shù)量，加快水生生物的新陳代謝。與藻類(lèi)相比，水生植物更易于管理和控制。基于這一特點(diǎn)，水生植物可用于污水處理，尤其是富營(yíng)養(yǎng)化水體。

二、水生植物系統(tǒng)的具體運(yùn)行方式

根據(jù)水生植物的生命類(lèi)型，以水生植物為核心的污水處理系統(tǒng)可分為三種（浮葉植物目前暫未研究）。一是利用挺水植物的污水處理系統(tǒng)主要用于濕地，包括人工濕地。其處理范圍包括城市污水（二級(jí)及以下）、工業(yè)廢水和降雨徑流，通過(guò)植物吸收和微生物代謝去除污染物。常用的植物包括蘆葦、香蒲、燈芯草和菰等。近年來(lái)，該系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用和研究，其流程設(shè)計(jì)也較為成熟。二是采用浮式植物的污水處理系統(tǒng)，主要用于類(lèi)似于強(qiáng)化氧化池的環(huán)境。其處理范圍包括城市污水（二級(jí)及以下）、工業(yè)廢水、降雨徑流和污染的天然水，通過(guò)植物吸收和微生物代謝去除污染物。常用植物有鳳眼萍、浮萍、大漂、水花生與滿江紅等。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但對(duì)工藝優(yōu)化的研究較少，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性[1]。三是采用沉水植物的污水處理系統(tǒng)，主要用于天然水體?？捎糜诨謴?fù)水中的植被，修復(fù)受污染的水體，并通過(guò)在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存養(yǎng)分來(lái)管理水體的富營(yíng)養(yǎng)化。由于操作困難，目前研究和應(yīng)用較少。

在上述處理系統(tǒng)中，水生植物處于核心位置，它們的光合作用使處理系統(tǒng)能夠直接利用太陽(yáng)能。同時(shí)，植物不斷生長(zhǎng)所創(chuàng)造的棲息環(huán)境也可以提高生物多樣性，使污染物存在于水生植物和微生物中，協(xié)同降解。與傳統(tǒng)的單一微生物處理方法相比，水生植物系統(tǒng)的投資和能耗較低，處理過(guò)程可以很好地與自然生態(tài)系統(tǒng)融合，但處理時(shí)間較長(zhǎng)，且直接受氣候因素影響。值得一提的是，上述三種方法可以結(jié)合應(yīng)用，也可以與其他加工方法結(jié)合使用。隨著研究和應(yīng)用的不斷深入，不同的聯(lián)合系統(tǒng)以水生植物為核心，在污水處理的基礎(chǔ)上充分考慮其他功能，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)長(zhǎng)避短[2]。

三、水生植物在污水處理中的處理方法

（一）植物吸收

植物可以吸收和降解的污染物主要有兩大類(lèi)：第一類(lèi)是植物養(yǎng)分，如氮、磷等；第二類(lèi)是一些有機(jī)物和重金屬，這些污染物的存在會(huì)影響水生生物的生存。其中，第一類(lèi)污染物被吸收后可直接促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而第二類(lèi)污染物被吸收后解毒，然后儲(chǔ)存在植物體內(nèi)逐漸降解。

水生植物可以直接吸收沉積物和水層中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，吸收后迅速同化成核酸和蛋白質(zhì)。同化率主要與植物的生長(zhǎng)速度和水體的養(yǎng)分含量有關(guān)。在環(huán)境適宜的情況下，無(wú)性繁殖可以大大增加生物量。氮、磷是植物生長(zhǎng)必不可少的物質(zhì)，一些水生植物具有較高的固定能力。由于藻類(lèi)的生命周期比水草短，而水草中儲(chǔ)存的養(yǎng)分只有在死亡后才會(huì)釋放出來(lái)，所以水草對(duì)養(yǎng)分的儲(chǔ)存比藻類(lèi)更穩(wěn)定，可以種植水草在嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化的水中。發(fā)揮治理作用，獲取一定的生物資源。漂浮植物更容易收獲，生長(zhǎng)更快，因此有很多實(shí)際應(yīng)用[3]。但是，通過(guò)大量實(shí)踐可以看出，雖然水草可以在污水環(huán)境中生存，但為了達(dá)到預(yù)期的處理效果，不應(yīng)該隨意種植，而應(yīng)該按照基本原則科學(xué)地進(jìn)行種植。根據(jù)植物種群的生長(zhǎng)規(guī)律和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化效率，因地制宜。

有些重金屬和有機(jī)物不是植物生長(zhǎng)所必需的，具有一定的毒性，而有些植物獨(dú)特的生理機(jī)制可以將它們解毒。其中，重金屬主要通過(guò)區(qū)室化和螯合去除，具體形式為耐受性和吸收性。許多水生植物都有這種機(jī)制。例如，水葫蘆吸附重金屬后，通過(guò)絡(luò)合形成金屬硫肽，從而富集重金屬；風(fēng)信子發(fā)達(dá)的根系可以吸收和富集水中的汞和銅；平嘎和滿江紅生長(zhǎng)快，能分泌藻類(lèi)化合物，能吸收鎘、鉻、銅、鎳、鉛、汞等重金屬，同時(shí)抑制藻類(lèi)過(guò)度發(fā)育；蘆葦和香蒲具有各種植物的優(yōu)點(diǎn)，去除水中的化學(xué)需氧量（BOD）和總氮。

（二）微生物降解

與其他以生物為中心的處理系統(tǒng)一樣，在利用水生植物進(jìn)行污染控制時(shí)，微生物對(duì)污染物也有一定的降解作用。微生物的代謝活動(dòng)會(huì)降解水中的有機(jī)物。需要注意的是，在脫氮方面，雖然一些水生植物可以直接吸收，但硝化和反硝化仍是主要的脫氮機(jī)制，占比高達(dá)90%。水生植物的生長(zhǎng)可以為微生物的生存創(chuàng)造良好的微環(huán)境。根系為了呼吸，往往通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)在根、莖、葉之間傳遞氧氣，剩余的氧氣直接釋放出來(lái)，使根區(qū)成為好氧環(huán)境。根系可以為微生物提供附著界面，根系分泌的部分有機(jī)質(zhì)也可以促進(jìn)新陳代謝。即使在根區(qū)之外，也為厭氧微生物完成反硝化和有機(jī)物的厭氧降解創(chuàng)造了有利的環(huán)境[4]?？梢?jiàn)，微生物對(duì)污染物的降解起著決定性的作用，但需要以水生植物為主，兩者相輔相成。

（三）物理化學(xué)分解

水中的一些污染物會(huì)在物理化學(xué)作用下被去除，包括沉降、揮發(fā)和吸附。水體中的大多數(shù)污染物都被植物去除，但過(guò)去很少有這方面的研究。基于此，為提高污水處理效率，保證處理效果，有必要分析水生植物的功能及其與微生物的共生關(guān)系。存在于水體和底泥中的一些養(yǎng)分會(huì)在植物吸收和揮發(fā)的影響下逐漸被去除。對(duì)于一些存在于湖邊的水生植物，由于土壤表面或水體附近的風(fēng)速降低，水體中懸浮物的沉積量大大減少，進(jìn)而降低了重新懸浮的風(fēng)險(xiǎn)。沉積物，并促進(jìn)水體與植物之間的關(guān)系。接觸時(shí)間大大延長(zhǎng)，為保證水環(huán)境的穩(wěn)定提供了完備的條件，對(duì)降低水體濁度起到了重要作用。

（四）抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)

對(duì)于水生植物來(lái)說(shuō)，由于其生命周期長(zhǎng)，吸收更多養(yǎng)分的能力，在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中比藻類(lèi)具有更大的優(yōu)勢(shì)，這也是它們抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)的主要原因。一些水生植物抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)的能力由于其自身的滲濾液而增強(qiáng)。此外，水生植物的大規(guī)模種植促進(jìn)了空間生態(tài)的增加，對(duì)于改善水中的光和溶氧條件具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義，進(jìn)而為一系列水生植物提供了完整的食物和生活。條件，即維持生物多樣性。狀態(tài)的關(guān)鍵因素[5]。一些以藻類(lèi)為主要食物的小型水生生物也將逐漸聚集在植物旁邊生長(zhǎng)，為藻類(lèi)生長(zhǎng)減緩奠定基礎(chǔ)。

四、水生植物在污水處理中的選種與配置原則

（一）水生植物選種

水生植物在處理污染物中的作用很大程度上取決于植物類(lèi)型。當(dāng)要去除的主要污染物為有機(jī)物和氮時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇能夠?yàn)槲⑸锏纳嫣峁┝己玫母街缑娌⒕哂休^強(qiáng)的氧傳遞能力的水生植物；強(qiáng)壯和快速生長(zhǎng)的水生植物；當(dāng)需要同時(shí)去除多種污染物時(shí)，應(yīng)選擇具有多種生態(tài)功能的水生植物，也可以合理搭配不同功能的植物。此外，還要綜合考慮氣候條件是否適宜，植物是否具有良好的抗逆性和抗病性，以及植物管理的難易程度。

經(jīng)大量試驗(yàn)，研究人員已經(jīng)選出很多可在污染物去除中使用的植物，這些植物已經(jīng)在水污染治理中得到大量應(yīng)用，比如，蘆葦和鳳眼蓮在濕地系統(tǒng)及氧化塘中發(fā)揮了很大作用。然而，這些植物的應(yīng)用大多將附生微生物作為重點(diǎn)，即通過(guò)根部附著大量微生物來(lái)去除污染物，較少依靠植物自身的吸收功能實(shí)現(xiàn)水污染治理，其主要原因?yàn)樗参锏奈展δ堋⑽瘴廴疚锖髮?duì)生長(zhǎng)的影響與產(chǎn)生的生物質(zhì)資源化利用還有待進(jìn)一步研究。

（二）水生植物配置原則

在對(duì)水生植物進(jìn)行群落配置時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）是天然湖濱帶，即以天然湖濱為基礎(chǔ)，將高效酶填料和吸附劑放入水底，然后種植水生植物，形成一個(gè)天然的凈水系統(tǒng)，包括不同的植物類(lèi)型，具有景觀觀賞價(jià)值。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二級(jí)處理，所選植物應(yīng)滿足功能要求并具有一定的觀賞品質(zhì)。

（2）是生物浮島，使水生植物在底泥中生根，而不是在水中生根，用泡沫塑料作為植物溫床，在泡沫塑料上鉆小孔，為植物生長(zhǎng)提供空間，然后利用目前先進(jìn)的無(wú)土栽培使植物正常生長(zhǎng)的措施。實(shí)踐表明，該技術(shù)可以有效消除水污染，對(duì)植物生長(zhǎng)及其功能沒(méi)有任何負(fù)面影響，還可以降低植物對(duì)泥沙等環(huán)境的要求，增加美觀。

（3）空間布置。根據(jù)天然湖泊中水生植物群落在空間梯度上的分布規(guī)律（水平和垂直結(jié)構(gòu)），根據(jù)水深和設(shè)計(jì)需要，從水體深水區(qū)到陸地海岸帶，根據(jù)對(duì)沉水植物群落、浮葉植物群落、挺水植物群落、濕生植物群落系列進(jìn)行空間配置。

（4）根據(jù)湖泊種植環(huán)境，選擇合適的水生植物。收集湖底形態(tài)、底質(zhì)、水質(zhì)、水深等基本信息。在不影響湖區(qū)通航的前提下，進(jìn)行水生植物的空間配置。一般來(lái)說(shuō)，如果湖盆的形狀比較規(guī)則，水動(dòng)力特征和地質(zhì)條件比較相似，那么水生高等植物可以呈環(huán)狀分布。挺水植物抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，有底質(zhì)條件布置在迎風(fēng)岸和進(jìn)出水通道上；浮葉植物適用于深湖或靠近靜水的環(huán)境；沉水植物可布置在挺水植物、浮水植物的最外緣葉植物。

（5）植物多樣性。多種水生植物的種植，不僅可以保證水生植物群落具有較強(qiáng)的生態(tài)環(huán)境功能和連續(xù)性，也可以保證湖泊中多種污染物的去除以及不同季節(jié)都有生長(zhǎng)期的水生植物可以吸收湖泊中的污染物。在湖泊水體修復(fù)過(guò)程中，常用的水生植物的生長(zhǎng)習(xí)性、種植密度以及部分植物對(duì)氮、磷的凈化能力對(duì)比情況見(jiàn)表1和表2。表1、表2分別列舉了挺水植物、浮葉植物。

表1 水體生態(tài)修復(fù)中常見(jiàn)挺水植物

表2 水體生態(tài)修復(fù)中常見(jiàn)浮葉植物

五、結(jié)束語(yǔ)

在水質(zhì)改善工程中，水生植物對(duì)水中污染物的吸收和凈化起著非常重要的作用。選擇適宜的水生植物是恢復(fù)自然濕地生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵措施。采用水生植物凈化污水技術(shù)，投資少，能耗低。該處理工藝與自然生態(tài)系統(tǒng)具有更大的相容性，無(wú)二次污染，可實(shí)現(xiàn)水體營(yíng)養(yǎng)平衡，提高水體自?xún)裟芰?，消除水體主要污染物。具有良好的處理效果，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的水體修復(fù)技術(shù)。水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體在理論上是可行的。植物修復(fù)應(yīng)以沉水植物為主。植物的選擇和配置應(yīng)考慮植物去除特定污染物的能力、成活率、生長(zhǎng)環(huán)境和湖泊水力特性和其他因素。富營(yíng)養(yǎng)化水體中水生植被的恢復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，水生植物群落的有效恢復(fù)是水體生態(tài)恢復(fù)成功的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究成果大多基于實(shí)驗(yàn)室模擬和對(duì)特定水體的研究，水生植物對(duì)水體的凈化效果有待進(jìn)一步論證。在實(shí)際應(yīng)用工程中，需要綜合考慮項(xiàng)目要求、研究區(qū)水環(huán)境、水生植物等因素。