馮奇，張志猛，黃一豪

1.城發(fā)水務(wù)有限公司；2.知和環(huán)?？萍加邢薰?；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)藻類的數(shù)量，加快水生生物的新陳代謝。與藻類相比，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。可用于恢復(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：第一類是植物養(yǎng)分，如氮、磷等；第二類是一些有機(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，能分泌藻類化合物，能吸收鎘、鉻、銅、鎳、鉛、汞等重金屬，同時(shí)抑制藻類過(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)程中比藻類具有更大的優(yōu)勢(shì)，這也是它們抑制藻類生長(zhǎng)的主要原因。一些水生植物抑制藻類生長(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?、吸收污染物后?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，提高水體自凈能力，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。