目前我國絕大部分的城市污水處理廠均采用傳統的二級活性污泥法處理工藝,而高額的工程投資和運轉費用則制約了其推廣和應用,尤其是對我國欠發達地區,資金和能源短缺問題普遍,許多中小城鎮仍沒有完善的污水處理系統。大量的研究結果表明,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。該技術與我國的經濟發展水平相適應,對于解決中小城鎮的污水處理和生態環境的改善具有重要的實踐意義。
1 水生植物的生態效應
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、真菌等微生物的調控來進行環境的修復,植物在水污染控制中生態效應主要表現在以下方面。
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的穩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中比較常見。植物的存在對基質具有一定的保護作用,在溫帶地區的冬季,當枯死的植物殘體被雪覆蓋后,植物則對基質起到很好的保護膜作用,可以防止基質在冬季凍結,以維持冬季濕地系統仍具有一定的凈化能力。植物對基質的水力傳導性能產生一定的影響,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物質,水體中的相當部分的營養物被植物轉化或保存在植物體內。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,如有蘆葦的濕地對NH+4-N的去除率接近100%,而無蘆葦時,僅為40%～75%。定期和持續地從濕地系統中收獲成熟的植物,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量均高于沒有植物的濕地,水芹濕地的細菌數量多于鳳眼蓮濕地的細菌數量,但前者對氨氮的去除率卻低于后者,說明人工濕地系統中對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
濕地系統具有明顯的缺氧環境,濕地中氧的傳播速率約為陸地環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。植物的這種特殊結構,有利于氧在其體內的傳輸并能傳遞到根區,不僅滿足了植物在缺氧環境的呼吸作用,而且還可以促進根區的氧化還原反應與好氧微生物的活動。將光合作用產生的氧傳遞到根區,在根區的還原態的介質中形成氧化的微環境,根區有氧區域與缺氧區域的共同存在為根區的好氧、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揮各自的作用。氧在植物根部的釋放主要取決于植物內部氧的濃度、周圍基質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構所決定的,植物的結構阻止了其在徑向的泄露,并努力使釋放到根區的氧的損失減少到最小。氧的釋放率一般在根的亞頂端區域最高,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,其根區和根部都具有較高的內部氧的濃度,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。除了根系可以釋放氧外,根系還可以釋放其它物質。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,驗證了上述結論。一些植物釋放的克生物質對其它植物的生長產生抑制或促進作用,表現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,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凈化河水的試驗結果表明,多種植物合理的搭配較單一植物具有較好的處理效果,混合種不僅使濕地的凈化率提高,且凈化效果更穩定,夏漢平的研究結果也證明了這一點,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系統,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的改善作了定性、定量研究。試驗結果表明,沉水植物可以顯著改善水體的理化性質,在不同營養級水平上具有維持水體清潔和自身優勢穩定狀態的機制,水生植物有過量吸收營養物質的特性,可降低水體富營養化水平。水生生態系統逐步恢復,關鍵取決于其自身的自凈能力和環境容量,而自凈能力和環境容量又取決于穩定的和優化的水生植物群落的形成。沉水植物群落的是建立草海優化生態系統的基礎,草海歷史上長期以來,沉水植物就是湖泊中最主要的生產者。隨著水體富營養化的加劇,沉水植物大量消亡,草海的水生植物群落的構成發生了很大的變化,漂浮植物鳳眼蓮成為草海的單優勢群落,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,研究結果表明,隨著磷營養鹽水平的提高,葉內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生不利影響。該研究結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,國內外目前還存在一些的爭議。絕大多數的室內和現場試驗都表明,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、適宜其生存環境的物種是一項優先考慮的工作。多個物種的合理搭配無疑會增強系統的對水體的凈化效果,而根據各地的具體情況進行植物篩選和系統觀測研究,則是選擇理想物種,發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生,無疑為我國日益惡化的水環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
