水葫芦修复污染水体的功能及其在工程应用中所面临的挑战

张志勇，严少华，徐寸发，刘海琴，张迎颖*

水葫芦修复污染水体的功能及其在工程应用中所面临的挑战

张志勇1，严少华1，徐寸发2，刘海琴1，张迎颖1*

1. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014；2. 江苏省农业科学院中心实验室，江苏 南京 210014

水葫芦（凤眼莲，Eichhornia crassipes (Mart) Solms）具有繁殖速度快、生物产量大、吸收氮磷能力强等特点，被广泛地用于净化污染水体，是国内外学术界公认的水体修复的优势物种。然而，目前水葫芦修复污染水体多停留在研究试验阶段，并未在水体污染治理生态工程中得到大规模应用。文章系统地总结了水葫芦修复污染水体的功能，并分析了水葫芦规模化应用于污染水体治理工程中面临的挑战。有关研究表明，水葫芦对生活污水、工业废水、畜禽养殖废水、地表径流水与富营养化河流、湖泊、水库水体中的氮、磷、重金属、有机污染物等均有较强的去除效果；规模化种养水葫芦修复污染水体面临的主要挑战包括：潜在的生态风险高，收获难度大、成本高，处置利用困难，商业化生产可行性低等。针对这些瓶颈问题，文章提出了破解的思路和今后的研究重点：（1）研究规模化安全种养的可靠技术，如种养围栏设施的研发、水葫芦适宜种养水域的选择和适宜的水面覆盖度等，以防范规模化种养的潜在生态风险；（2）加强研发快速高效、规模匹配的打捞-运输联动专用装备，优化打捞、运输技术方案，以期提高打捞效率，降低打捞成本；（3）深入研究水葫芦固、液分离技术，研发高效机械脱水装备，解决水葫芦含水量高、挤压脱水难题；（4）创新水葫芦资源化利用工艺，充分开发水葫芦经济价值，并探索政府生态补偿政策和办法，建立生态补偿机制，吸引企业参与，推动规模化种养水葫芦治污的产业化生产、企业化运行。

凤眼莲；富营养化水体；生态修复；工程应用；挑战

水葫芦（Eichhornia crassipes (Mart) Solms），又名凤眼莲，是一种大型漂浮水生植物，喜高温湿润环境，可在 1～40 ℃范围内生长，最适宜生长温度为25～27.5 ℃（Wilson et al.，2005）。水葫芦可进行无性和有性繁殖。无性繁殖通过匍匐茎增殖，在适宜的温度和湿度条件下，每株水葫芦每5天能繁殖1株新植株，每公顷水葫芦年产量（干质量）从几十吨到上百吨不等（Reddy等，1984；Abbasi，1999；Carina et al.，2007）。水葫芦是世界上生长繁殖速率极快，产量极高的水生植物之一。虽然水葫芦被视为世界上危害最严重的水生杂草，但其对无机养分、重金属、持久性有机污染物等具有更强的吸收积累与分解转化能力。因此，水葫芦被成功应用于处理各类废水并在世界范围内得到了广泛的认可（Brix，1993；Tchobanoglous et al.，1989；Fox et al.，2008）。相对其他一些水生植物，水葫芦是污水净化和富营养化水体修复的优选植物Mishra et al.（2008）。

研究水葫芦、水浮莲（Pistia stratiotes）和紫萍（Spirodela polyrhiza）对含Cu、Zn、Cr、Cd污水的处理情况，结果表明，3种水生植物对污水中Cu、Zn、Cr、Cd去除率均高于 90%，且以水葫芦处理效果最佳；徐寸发等（2015）通过比较水葫芦、轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)和香蒲(Typha orientalis)对富营养化水体的净化效果，发现水葫芦对水体TN、TP和COD的去除率均优于其他两种水生植物。

水葫芦对水体污染的耐受能力很强，在水体中能够忍受高浓度的氮、磷污染（Jukkrit et al.，2001；Hu et al.，2010）和多种重金属污染（Soltan et al.，2003；Mishra et al.，2009）。水葫芦对氮、磷等营养物质的吸收能力依其生长环境的不同而存在差异。例如，水葫芦净化TN、TP初始质量浓度分别为2.06～20.08 mg∙L-1和0.14～1.43 mg∙L-1的4种富营养化水体时，每吨新鲜水葫芦对TN、TP的吸收量随水体初始 TN、TP浓度的升高而增加，分别为1.05～1.51 kg 和 0.21～0.35 kg（张志勇等，2010）；在水力负荷为 0.14～1.0 m3∙m-2∙d-1，富营养化水体TN、TP 质量浓度分别为 4.85 mg∙L-1和 0.50 mg∙L-1试验条件下，每吨新鲜水葫芦对氮、磷的吸收总量随水力负荷的提高而增加，分别为0.94～1.35 kg和0.20～0.31 kg（张志勇等，2011）；而在滇池水葫芦治理污染试验性工程中，每吨新鲜水葫芦吸收的TN、TP 量高达 1.70 kg 和 0.42 kg（张迎颖等，2011）。文献报道水葫芦对水中的重金属有很强的富集能力（Reddy等，1984；Zhou，2000）。在重金属含量较高的水体中，水葫芦植株体内能够积累大量的重金属，但受到重金属胁迫，其处理效率也随之降低（Malar et al.，2014）。

水葫芦繁殖速率高、生物产量大、吸收氮磷能力强，其净化水质效率高在国际学术界是不争的事实。然而，水葫芦修复污染水体多停留在研究试验阶段，并未在水体污染治理生态工程中得到大规模应用。本文系统地归纳了水葫芦在富营养化水体生态修复与污染水体净化中的应用实例，分析了水葫芦规模化应用所面临的挑战，指出其潜在的生态安全性问题；收获难度大、成本高；处置、利用困难，商业化生产可行性小等原因是制约水葫芦规模化应用于污染水体治理工程中的瓶颈问题，并提出破解上述难题的思路与今后研究重点，为水葫芦在污染水体净化中的规模化应用提供参考。

1 水葫芦生态修复污染水体的功能

1.1 净化生活污水和工业废水

近 40年来，基于水葫芦修复的污水处理生物塘和人工湿地技术发展迅速，与典型的化学处理方法相比，该技术具有投资少、能耗低、见效快和景观美等优点（Koottatep et al.，1997）。早在1971年，Wooten et al.（1976）利用5个以管道串联的池塘（每个池塘面积465 m2，深0.8 m，总容积370 m3）放养水葫芦来处理城镇污水处理厂二级尾水，结果表明，在进水流量为480 L∙min-1条件下，水葫芦在各个塘中生长旺盛，生长季（105 d）平均生物量达64.5 kg∙m-2；尾水流经净化塘后，出水中的铵态氮和硝态氮被快速去除，TP浓度明显下降。Sinha et al.（2000）将水葫芦与浮萍和蓝绿藻适当组合后用于处理生活污水，取得了良好的污染物去除效果，对重金属和BOD的去除率分别为20%～100%和97%，对硝酸盐和磷酸盐的去除率均在90%以上。Sajn et al.（2005）利用水葫芦表面流人工湿地处理污水处理厂二级尾水，为期一年的中试结果表明：人工湿地对污染物的去除效果明显优于以藻类为主的稳定塘，对SS、TN、COD和BOD的去除率分别为64.6%、38%、67.2%和72.1%。

水葫芦也被成功地应用于各类工业废水的处理中。Jayaweera et al.（2004）报道了水葫芦处理不同浓度人工模拟工业废水的效果，并探讨了水葫芦去除TN、TP的机理，研究发现：在水力停留时间为21 d，废水TN、TP浓度分别为7.0～56.0、1.92～15.4 mg∙L-1条件下，经过9周后，水葫芦对所有浓度工业废水的TN、TP去除率均达到100%，并指出植物吸收和反硝化作用是废水中 TN去除的主要机制，而植物吸收和吸附作用是TP去除的主要机制。Kulkarni et al.（2007）进行了水葫芦处理纺织废水的研究，结果表明：经过18 d处理后，废水中COD和重金属的去除率分别为80.0%和25%～45%。

此外，水葫芦对重金属具有极高的亲和力和累积能力，能够有效去除造纸废水、果胶废水和屠宰废水中的 Cd、Zn、Hg、Ag、Co、Cr、Cu、Ni、Pb和 As等（Zaranyika et al.，1994；Polprasert et al.，1998；Zhu et al.，1999）。

1.2 处理畜禽养殖废水

畜禽养殖废水中含有大量残留的抗生素、重金属和氮、磷等物质，成为水体环境污染的主要污染源之一。国内外已开发出多种处理技术，这些技术对畜禽养殖废水均显示很好的处理效果，其中，有关以水葫芦为主要植物的人工湿地和氧化塘处理系统的研究较多。陈小洁等（2012）利用水葫芦处理含盐酸四环素、氨苄青霉素等4种抗生素的废水，处理72 h后，水葫芦对其中的盐酸四环素、氨苄青霉素的去除率分别达90%、70%以上。Polprasert et al.（1992）开展了水葫芦生物塘处理养猪场废水的试验，结果显示：水葫芦生物塘处理猪场废水的最佳 COD负荷为 200 kg∙hm-2∙d-1，最佳水力滞留时间为10～20 d；小试试验中水葫芦塘对COD的去除率为 74%～93%，而中试试验中 COD的去除率为52%～72%；猪场废水中 TN的去除效果接近于COD；同时指出，为获得更理想的废水处理效果，生物净化塘数量最好在2个以上，并采用串联方式排列。Lu et al.（2008）将面积为688 m2的集约化养鸭场建于以水葫芦为核心植物的湿地上，考察水葫芦湿地对养鸭废水的净化能力，研究表明，COD的去除率为 64.44%，TN的去除率为 21.78%，TP的去除率为23.02%，并且废水中的溶解氧和透明度都得到明显改善。Alex et al.（2014）利用水葫芦表面流人工湿地处理罗非鱼（Oreochromis spp）、白鲳鱼（Colossoma brach ypomum）的养殖池塘废水，结果表明，在水力停留时间为1.6 d条件下，人工湿地对养鱼废水中的污染物表现出良好的去除效果，NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TP和 BOD5的去除率分别为32.1%、16.7%、27.0%、23.0%和67.9%。

深圳万丰猪场（年产肉猪 10万头）在废水处理工程后段采用水葫芦生物系统处理废水（余远松等，2000）。厌氧发酵后的猪场废水经兼性氧化塘自然氧化后进入水葫芦生物处理系统，先经增氧氧化塘氧化，然后进入一级水葫芦净化塘；出水经自然氧化塘氧化后进入二级水葫芦净化塘，再经沙滤床流入氧化塘达到净化废水的目的。在废水 COD质量浓度为 800 mg∙L-1，TN 质量浓度为 600 mg∙L-1，水葫芦覆盖面积占总面积70%的情况下，水葫芦对猪场废水 COD及 TN的去除效果分别为 69%和75%，达到了废水净化的目的。

1.3 净化地表径流水

就全球范围来看，由地表径流产生的非点源污染是当前所有河流水污染的基本来源，是河流 70%氮素的来源（USEPA，2000）。国内外学者对以水葫芦为主的生态工程技术控制地表径流污染的效果进行了研究。Reddy et al.（1982）开展了为期1年的水葫芦塘处理农田灌溉排水的现场试验，结果表明，在水力滞留时间为3.6 d条件下，水葫芦塘对输入的NO3-和NH4+的去除率达78%～81%，对TP的去除率为54%。Polomski et al.（2009）采用室内模拟试验方法研究了水葫芦、水浮莲和狐尾藻(Myriophyllum verticillatum L.)3种人工湿地修复苗圃径流的效果，结果表明，为期8周的试验期内，湿地接纳径流水的 TN、TP 质量浓度分别为 0.39～36.81 mg∙L-1和0.07～6.77 mg∙L-1，植物组织内氮、磷的含量随径流水的TN、TP浓度增加而升高，并与TN、TP负荷呈正相关；水葫芦和水浮莲对 TN的去除率接近100%，自身吸收的TN量与TN负荷量呈正相关；3种植物对苗圃经流水中TP的去除率相近，但均低于TP负荷量；试验结论指出，水葫芦等3种水生植物均可用于人工湿地净化苗圃径流。

为减少或控制稻田排放水体对外河水体的污染，夏小江（2012）构建了稻田-水葫芦塘水循环系统，研究了水葫芦对不同氮磷养分浓度稻田排水的净化效果，以及系统对稻田氮磷等养分径流流失的控制作用。结果表明：水葫芦对3种不同浓度的稻田排放水 TN的去除率分别为 62.04%、76.75%、88.46%；对TP的去除率分别为93.52%、88.46%、78.57%，其对水体中氮、磷养分的净化效果与水体中氮、磷养分浓度具有显著的相关性，对氮的去除率随着水体氮素浓度的升高而降低，但对磷的去除率则随着水体中TP浓度的升高而不断上升；整个稻季，水葫芦塘截留的稻田径流氮、磷量分别为8.13、0.57 kg∙hm-2；此外，由于水葫芦塘对雨水具有拦蓄作用，整个稻季，水葫芦塘拦截雨水中氮、磷的能力分别达 1.49 kg∙hm-2和 0.03 kg∙hm-2。

1.4 修复富营养化河流、湖泊、水库

水体富营养化已成为当今世界性难题，是全球范围内普遍存在的环境问题（Heisler et al.，2008；Ansari et al.，2011）。利用水葫芦来净化富营养化水体的研究在国内外报道很多。水葫芦在生长过程中能吸收水体中大量的氮、磷等营养元素（齐玉梅等，1999），不仅能在池塘、河渠、小型湖荡的湖湾或氧化塘内生长去污，而且在湖泊等开阔水域放养得当也可实施净化水质的生态工程（窦鸿身等，1995）。上世纪90年代，Pu et al.（1998）在太湖—五里湖内采用毛竹桩、不透水材料建设围隔，围隔内放养水葫芦、水花生（Alternanthera philoxeroides）和蕹菜（Ipomoea aquatic Forsk）等植物，进行了物理-生态工程（PPE）修复水体的研究，为期1年的工程试验结果表明，该工程能有效地除藻和净化水质，对水的浊度、色度、NH4+-N、NO2--N的改善效果较好，去除率分别为82%、46%、69%和69%。

Mariana et al.（2012）调查研究了美国哥伦比亚 Tomine′水库在自然生长了 300 hm2水葫芦前后的水质变化情况，结果表明，整个水库水质得到明显改善，水体中NO3--N和NH4+-N浓度显著低于水葫芦生长之前，特别是水体透明度，由植物生长之前的0.3 m增加到了生长后的2.0 m。

泰国实施了水葫芦修复他金河（Tha-chin River）富营养化水体生态工程，Jukkrit et al.（2001）在持续收获水葫芦获取最高生物产量的基础上，研究了水葫芦潜在的生物产量和对水体中营养物质的去除效果，建立了雨季和旱季长期控制河流水质的水葫芦收获模型；通过获得最高收获量的方法，水葫芦对他金河水体中的TN和TP消减速率分别达到 0.42 g∙m-2∙d-1和 0.09 g∙m-2∙d-1。

江苏省农业科学院于 2011—2013年作为“水葫芦治理滇池水体污染试验性工程”的技术支撑单位，在滇池草海开展了安全控制性种养水葫芦修复滇池水体的生态工程；利用管架泡沫浮球围栏设施规模化控养 4.30 km2水葫芦，草海湖体的 TN、NH4+-N和 NO3--N浓度由河道入湖口的 13.8、4.7和5.8 mg∙L-1分别降低到出湖口的3.3、0.02和0.8 mg∙L-1；对草海湖体氮素输入-输出平衡估算结果显示，水葫芦吸收作用是草海湖体氮去除的主要途径，植物吸收的TN量对湖体入湖氮负荷量的去除贡献率为52%；生态工程实践结果表明，规模化控养水葫芦消减富营养化湖泊水体氮污染负荷效果显著且具有可行性（Wang et al.，2013）。

现有文献报道充分证实了水葫芦在治理各类污染水体方面的净化优势。但利用水葫芦修复污染水体，特别是河流、湖泊和水库等公共性质的水体时，无论其控养工程规模多大，在规划、设计、实施以及后期生物量的打捞和处置等方面均面临诸多的挑战和风险。

2 水葫芦修复技术工程应用所面临的挑战

水葫芦在污染水体治理中具有突出的生态修复功能，但在世界各国高度关注污染治理和环境保护的今天，却鲜见有关水葫芦在污水治理生态工程中规模化应用的报道。主要存在以下原因：

2.1 潜在的生态风险

水葫芦繁殖速度惊人，在适宜生长环境下，每年累积的生物干物质量可高达 140 t∙hm-2（Adelhamid et al.，1991）。同时，水葫芦具有在湖泊和河流中随风力或水流漂移的能力（Gettys et al.，2009）。因此，对于水葫芦治污生态修复工程，人们首先关注的是生态安全性问题，担心一旦缺乏科学的管理和控制，水葫芦会逃逸到下游水域，覆盖水面进而导致各种生态问题，诸如降低生物多样性，阻塞水上交通，影响行洪，堵塞灌溉、水电、供水系统，引发疾病威胁人类健康，增加蒸散量造成地表水损失，影响渔业生产等（Calvert，1998）。此外，如若不能将水葫芦及时收获上岸，残留在水中的植株死亡分解后会降低溶解氧浓度，改变水体的营养和碳平衡（Greenfield et al.，2007）；而且较低的溶解氧可促使沉积物向水体释放磷元素，从而加重水体的富营养化，甚至导致后续水葫芦或藻类生物量增加（Perna et al.，2005；Bicudo et al.，2007）。也有研究者担心水葫芦能够富集水中的重金属，制成青贮饲料后为动物所食用，重金属在食物链中累积，进而威胁人类健康（李博等，2004）。

因此，利用水葫芦生态修复污染水体时，首先要考虑水体生态系统的安全问题，诸如控养水域、控养规模，如何避免溶解氧降低，以及如何解决后续打捞、处置和利用等问题（Bicudo et al.，2007）。

2.2 水葫芦收获难度大、成本高

人工和机械收获是目前控制水葫芦最常用、最有效的方法之一。人工收获是劳动密集型的工作，强度大、效率低、成本高。当水葫芦靠近岸边时，一个人以轻松且可承受的速度，每小时大约只能收获200 kg的水葫芦（Gunnarsson et al.，1997）。据悉，中国的多个省份每年都要组织人工收获水葫芦，仅浙江温州市和福建莆田市每年用于人工收获水葫芦的费用分别为1000万元和500万元（江洪涛等，2003）。人工收获仅适用于较小规模的水葫芦群体；并且在一些地区，收获工作中还可能存在严重的安全隐患（Calvert，1998）。相比而言，机械化收获效率高、见效快、成本低，是短期内清除水葫芦的最佳方法。

利用重型机械来打捞和控制水葫芦始于 1937年的美国陆军工程师团（Little，1979）。机械收获通常使用陆基“抓斗式”起重机、挖掘机，或者水基机械，如切割船、破碎机、水草收割船等，同时还需配备一支具备水、陆机械设备的队伍，专门负责将数量巨大的水葫芦转运上岸（Calvert，1998）。机械收获虽然见效快，但水葫芦生物量巨大，其收获成本极其昂贵，每公顷约需600～1200美元，而且处理收获的水葫芦也要额外的费用（Malik，2007；Villamagna et al，2010）。来自欧洲环境暑的资料显示，2005—2008年间，采用机械收获葡萄牙—西班牙边境瓜迪亚纳河流域的 20万吨水葫芦，总费用达14680000欧元；中国每年用于收获水葫芦的费用约达10亿欧元（EEA，2012）；再如西非的马里机械收获水葫芦的费用大约为每年 80000～100000美元（Dagno et al.，2007）。

此外，在分析机械打捞水葫芦所需投入的费用时，除了考虑到植株含水量高达 93%～95%（Cifuentes et al.，1976），还须考虑到收货后的水葫芦是否具有商业价值。要破解这些难题，目前有两个办法：（1）在打捞期间或上岸后缩减水葫芦体积，降低植株体内的含水量；（2）找到具备经济价值的商业利用途径，从而弥补机械打捞的高成本（Babourina et al.，2011）。总而言之，为了使水葫芦生物量得以资源化利用（如产甲烷或青贮饲料），必须形成一套高效率、低成本的脱水技术（Cifuentes et al.，1976）。

2.3 水葫芦处置利用难，商业化生产可行性小

在过去的几十年里，为了控制水葫芦，世界各地开展了大量有关水葫芦处置和利用方面的研究（Ndimele et al.，2011）。但水葫芦利用面临的基本问题之一是脱水处置难以解决（Malik，2007）。Gettys et al.（2009）研究认为处置机械化收获后的水葫芦是一件耗资大和十分棘手的事情。水葫芦含水量高达95%以上，含有丰富的海绵组织，密度约为0.3 g·cm-3。这意味着每立方米的新鲜水葫芦生物量仅为300 kg，其中水分含量约285 kg。低密度和高含水量阻碍了水葫芦的运输，也制约了其资源化开发利用（National Acadamy of Sciences (NAS)，1977）。

Mathur et al.（2004）设计了一个岸基式破碎机，可将新鲜水葫芦的体积减少64%，即每立方米的生物量增加到830 kg，该机械破碎处理新鲜水葫芦的效率为 1 t∙h-1。然而，在大型湖泊中，如在东非的胜利湖或西非的拉各斯湖，每年要打捞处理水葫芦的生物量高达几百万吨，若利用上述效率的破碎机就不切合实际了。计算可知，假设水葫芦现存生物量为100.0万吨，每天植株生长新增生物量则可达7.0万吨，即使破碎机每天连续工作8 h，需9000台破碎机同时工作，才能将新增生物量处理掉，而原有的100万吨现存量却并未减少。因此，要处理数量巨大的水葫芦，关键是研发先进的处理技术和高效运行的专用装备。

水葫芦的利用，首先需进行脱水处理，以获得适宜的水分含量（Carina et al.，2007）。目前，国内外关于水葫芦脱水技术的报道相对较少。小规模利用水葫芦时，最佳的脱水办法就是将其晒干。但文献显示，将含水量 95.8%的水葫芦在温度 25 ℃、湿度68%的环境下晾晒15 d后，水葫芦含水量仅可降至 72%（Solly，1984）。因此，要将水葫芦含水量降至较低的水平，必须考虑机械脱水的方法。

Innocent et al.（2008）为了设计适合的烘干设备，开展了水葫芦烘干脱水特性研究，结果表明，随着烘干温度的升高，其烘干率相应提高；虽然采用自然晾干与机械直接烘干等方式，可有效降低水葫芦水分，但因其脱水时间长或成本高，均难以在实践中大规模应用。Cifuentes et al.（1976）设计了一种螺旋压榨脱水方法，并测试了该方法对水葫芦的脱水效果，得出在最优限压600 kPa时，水葫芦残渣含水量为84%。但含水量84%的水葫芦残渣依然无法满足制作有机肥、饲料和固态发酵的要求，必须进一步降低含水量（蒋磊等，2011；施林林等，2012）。杜静等（2010）以人工控制性放养的水葫芦为试验材料，比较了不同挤压方式的脱水效果，并对水葫芦粉碎粗细程度、挤压筛孔孔径等工艺参数进行了筛选，试验结果表明，以螺旋式挤压方式对水葫芦脱水的效果最佳，出渣含水率由95.38%降至86.23%，脱水率可达69.67%；若采用螺旋挤压方式对酸化处理7 d后的水葫芦进行脱水，则出渣含水量可降到76.77%，脱水率达到82.61%，此脱水效果可完全达到后续资源化利用的基本要求。

3 结论

综上所述，水葫芦对各类污染水体和污染物均表现出了显著的净化效果和较强的净化能力，是公认的污染水体生物修复优势物种。在当前水环境污染日趋严重，水质日益恶化的现状下，破解水葫芦规模化应用于污染水体生态修复及其资源化利用中面临的关键技术难题，对充分利用水葫芦的生态修复功能控制水体富营养化具有重要意义。有关水葫芦修复污染水体效果与机理方面的研究已取得众多成果，但有关水葫芦生态修复污染水体工程化技术，特别是规模化安全种养技术、机械化打捞技术、工厂化加工处置技术和资源化利用技术方面的研究却极其缺乏。因此，今后的研究应着重以下几方面：（1）构建及比选安全可靠的围栏设施、探索水葫芦适宜种养的水域和适宜的水面覆盖度、定期监测评估种养过程对水生生态系统的安全性影响等，以防范规模化种养的潜在生态风险；（2）针对现有机械化打捞、运输和机械化脱水装备效率低、成本高的问题，进一步研发具备可移动性、快速高效、规模匹配的打捞-运输联动专用设备，优化打捞、运输技术方案，大幅提高打捞、运输效率，降低成本；研究水葫芦固、液分离技术，研发高效机械脱水装备，解决水葫芦含水量高、挤压脱水难题；（3）创新水葫芦资源化利用工艺，如汁、渣分开厌氧发酵制沼气、高温堆肥和复合青贮发酵饲料生产等，充分开发水葫芦经济价值；并进一步探索政府生态补偿政策和办法，建立生态补偿机制，吸引企业参与，建立政府主导、生态补偿、企业实施的运作模式，推动规模化种养水葫芦治污的产业化生产、企业化运行。

ABBASI S A, RAMASAMY E V. 1999. Biotechnological Methods of Pollution Control [M]. India Ltd, Hyderabad, Orient Langman Universities, 21: 165-168.

ADELHAMID A M, GABRA A. 1991. Evaluation of water hyacinth as feed for ruminants [J]. Archives of Animal Nutrition, 41(7-8): 745-756.

ALEX D C, ATENCIO V G, SANDRA P C. 2014. Assessment of an artificial free-flow wetland system with water hyacinth (Eichhornia crassipes) for treating fish farming effluents [J]. Revista Colombiana Ciencias Pecuarias, 27(3): 202-210.

ANSARI A A, GILL S S, KHAN F A. 2011. Eutrophication: threat to aquatic ecosystems [M]. Dordrecht, Netherlands: Springer Netherlands: 143-170.

BABOURINA O, RENGEL Z. 2011. Nitrogen removal from eutrophicated water by aquatic plants [M]. Dordrecht, Netherlands: Springer Netherlands: 355-372.

BICUDO D D, FONSECA B M, BINI L M, et al. 2007. Undesirable side-effects of water hyacinth control in a shallow tropical reservoir [J].Freshwater Biology, 52(6): 1120-1133.

BRIX H. 1993. Macrophytes mediated oxygen transfer in wetlands:Transport mechanism and rate [J]. Constructed Wetlands for Water Quality Improvement: 391-398.

CARINA C, GUNNARSSON C, MATTSSON P B. 2007. Water hyacinths as a resource in agriculture and energy production: A literature review[J]. Waste Management, 27(1): 117-129.

CAFFREY J, BARRETT P R F, FERREIRA M T, et al. 1999. Biology,ecology andmanagement of aquatic plants [J]. Hydrobiologia, 415(1):21-27.

CALVERT P. 1998. Water hyacinth control and possible uses [M]. United Kingdom, Practical Action: 1-11.

COUNCIL N. 1976. Making aquatic weeds useful: some perspectives for developing countries [J]. Making Aquatic Weeds Useful SomePerspectives for Developing Countries: 174.

CIFUENTES J, BAGNALL L O. 1976. Pressing characteristics of water hyacinth [J]. Journal of Aquatic Plant Management, 14: 71-75.

DAGNO K, LAHLALI R, FRIEL D, et al. 2007. Review: problems of the water hyacinth, Eichhornia crassipes in thetropical and subtropical areas of the world, in particular its eradication using biological control method by means of plantpathogens [J]. Biotechnology, Agronomy,Society and Environment, 11(4): 299-311.

USEEA. 2012. The impacts of invasive alien species in Europe [J/OL].http://www.eea.europa.eu/publications/impacts-of-invasive-alien-species.

USEPA. 2003.National management measures for the control of nonpoint pollution from agriculture [J]. United States Environmental Protection Agency.

FOX L J, STRUIK B L, RULE J H. 2008. Nitrogen phytoremediation by water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) [J]. Water, Air and Soil Pollution, 194(1-4): 199-207.

GREENFIELD B K, SIEMERING G S, ANDREWS J C, et al. 2007.Mechanical shredding of water hyacinth (Eichhornia crassipes): effects on water quality in the Sacramento-San Joaquin River Delta, California[J]. Estuaries and Coasts, 30(4): 627-640.

GUNNARSSON C, MATTSSON C. 1997. Water hyacinth trying to turn an environmental problem into an agricultural resource [R] Swedish University of Agriculture, Uppsala: 25.

HEISLER J, GLIBERT P M, BURKHOLDER J M, et al. 2008.Eutrophication and harmful algal blooms: a scientific consensus [J].Harmful Algae, 8(1): 3-13.

HU L M, HU W P, DENG J C, et al. 2010. Nutrient removal in wetlands with different macrophyte structures in eastern Lake Taihu, China [J].Ecological Engineering, 36 (12): 1725-1732.

INNOCENT C O, AKENDO, LAWRENCE O, et al. 2008. Dewatering and drying characteristics of water hyacinth (Eichhornia crassipes) Part II.Drying characteristics [J]. Agricultural Engineering Internationa, 3(6):7-33.

JAYAWEERA M W, KASTURIA J C. 2004. Removal of nitrogen and phosphorus from industrial wastewaters by phytoremediation using water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) [J]. Water Science Technology, 50(6): 217-225.

JUKKRIT M, SABURO I. 2001. Modelling of environmental phytoremediation in eutrophic river-the case of water hyacinth harvest in Tha-chin River, Thailand [J]. Ecological Modelling, 142(1-2):121-134.

KOOTTATEP T, POLPRASERT C. 1997. Role of plant uptake on nitrogen removal in constructed wetlands located in the tropics [J]. Water Science and Technology, 36(12): 1-8.

KULKARNI B V, RANAD S V, WASIF I. 2007. Phytoremediation of textile process effluent by using water hyacinth-a polishing treatment [J].Journal of Industrial Pollution Control, 23(1): 97-101.

LITTLE E C. 1979. Handbook of utilization of aquatic plants [M]. Rome,Italy: Food and Agriculture Organization of the United Nations.

LU J B, FU Z H, YIN Z Z. 2008. Performance of a water hyacinth(Eichhomiacrassipes) system in the treatment of wastewater from a duck farm and the effects of using water hyacinth as duck feed [J].Journal of Environmental Sciences, 20(5): 513-519.

MALAR S, SAHI S V, FAVAS P J, et al. 2014. Mercury heavy-metalinduced physiochemical changes and genotoxic alterations in water hyacinths [Eichhornia crassipes (Mart.)] [J]. Environmental Science and Pollution Research, 22(6): 4597-4608.

MALIK A. 2007. Environmental challenge vis a vis opportunity: the case of water hyacinth [J]. Environment International, 33(1): 122-138.

MARIANA R J, GUILLERMO R, MANUELS R G. 2012. Water Quality Improvement of a reservoir Invaded by an exotic macrophyte [J].Invasive Plant Science and Management, 5(2): 290-299.

MATHUR S, SINGH P. 2004. Development and performance evaluation of a water hyacinth chopper cum crusher [J]. Biosystems Engineering, 88(4): 411-418.

MISHRA V K, TRIPATHI B D. 2008. Concurrent removal and accumulation of heavy metals by the three aquatic macrophytes [J].Bioresource Technology, 99(15): 7091-7097.

MISHRA V K, TRIPATHI B D. 2009. Accumulation of chromium and zinc from aqueous solutions using water hyacinth (Eichhornia crassipes)[J]. Journal of Hazardous Materials, 164(2-3): 1059-63.

NDIMELE P, JIMOH A. 2011.Water hyacinth (Eichhornia crassipes [Mart.]Solms.) in phytoremediation of heavy metal polluted water of Ologe lagoon, Lagos, Nigeria [J]. Research Journal of Environmental Sciences, 5(5): 424-433.

PERNA C, BURROWS D. 2005. Improved dissolved oxygen status following removal of exotic weed mats in important fish habitat lagoons of the tropical Burdekin River floodplain, Australia [J]. Marine Pollution Bulletin, 51(1-4): 138-148.

POLOMSKI R F, TAYLOR M D, BIELENBERG D G, et al. 2009. Nitrogen and phosphorus remediation by three floating aquatic macrophytes in greenhouse-based laboratory-scale subsurface constructed wetlands [J].Water, Air and Soil Pollution, 197(1-4): 223-232.

POLPRASERT C, KHATIWADA N R.1998.An integrated kinetic model for water hyacinth ponds used for wastewater treatment [J]. Water Research, 32(1): 179-185.

POLPRASERT C, KESSOMBOON S, KANJANAPRAPIN W. 1992.Wastewater treatment in water hyacinth ponds [J]. Water Science &Technology, 26(9-11): 2381-2384.

PU P M, HU W P, YAN J S, et al. 1998. A physico-ecological engineering experiment for water treatment in a hypertrophic lake in China [J].Ecological Engineering, 10(2): 179-190.

REDDY K R, CAMPBELL K L, GRAETZ D A, et al. 1982. Use of biological filters for treating agricultural drainage effluents [J].Environment Quality, 11(4): 591-595.

RUSKULIS O. 1998. Water hyacinth control and potential uses [J].Appropriate Technology, 24: 17-20.

SAJN S A, BULC T G, VRHOVSEK V D. 2005. Comparison of nutrient cycling in a surface-flow constructed wetland and in a facultative pond treating secondary effluent [J]. Water Science Technology, 51(12):291-298.

SINHA A K, SINHA R K. 2000. Sewage management by aquatic weeds(water hyacinth and duckweed): economically viable and ecologically sustainable biomechanical technology [J]. Environmental Education and Information, 19: 215-26.

SOLLY R K,THYAGARAJAN G. 1984. Integrated rural development with water hyacinth [C]. International Conference on Water Hyacinth :Hyderabad, India, February 7-11.

SOLTAN M E, RASHED M N. 2003. Laboratory study on the survival of water hyacinth under several conditions of heavy metal concentrations[J]. Advance in Environmental Research, 7(2): 321-334.

TCHOBANOGLOUS G, MAITSKI F K, THOMSON K, et al. 1989.Evolution and performance of city of San Diego pilot scale a quatic waste water treatment system using water hyacinth [J]. Water Pollution Control Federation, 61(11/12): 11-20.

VILLAMAGNA A M, MURPHY B R. 2010. Ecological and socio-economic impacts of invasive water hyacinth (Eichhornia crassipes): a review [J]. Freshwater Biology, 55(2): 282-298.

WANG Z, ZHANG Z, ZHANG Y, et al. 2013. Nitrogen removal from Lake Caohai,atypical ultra-eutrophic lake in China with large scale confined growth of Eichhornia crassipes [J]. Chemosphere, 92(2): 177-183.

WILSON J R, HOLST N, REES M. 2005. Determinants and patterns of population growth in water hyacinth [J]. Aquatic Botany, 81(1): 51-67.WOOTEN J W, DODD J D. 1976. Growth of Water Hyacinths in Treated Sewage Effluent [J]. Economic Botany, 30(1): 29-37.

ZARANYIKA M F, NDAPWADZA T. 1995. Uptake of Ni, Zn, Fe, Co, Cr,Pb, Cu and Cd by water hyacinth (Eichhornia crassipes) in mukuvisi and manyame rivers, Zimbabwe [J]. Journal of Environmental Scienceand Health, 30(1): 157-169.

ZHOU H Y. 2000. Mercury accumulation in freshwater fish with emphasis on dietary influence [J]. Water Research, 34(17): 4234-4242.

ZHU Y L, ZAYED A, QIAN M, et al. 1999. Phtoaccumulation of trace elements by wetland plants:Ⅱ. water hyacinth [J]. Journal of Environmental Quality, 28(1): 339-344.

陈小洁, 李凤玉, 郝雅宾. 2012. 两种水生植物对抗生素污染水体的修复作用[J]. 亚热带植物科学, 41(4): 1-7.

窦鸿身, 濮培民, 张圣照, 等. 1995. 太湖开阔水域凤眼莲的放养实验[J]. 植物资源与环境, 4(1): 54-60.

杜静, 常志州, 黄红英, 等. 2010. 水葫芦脱水工艺参数优化研究[J]. 江苏农业科学, (2): 267-269.

江洪涛, 张红梅. 2003. 国内外水葫芦防治研究综述[J]. 中国农业科技导报, 5(3): 72-75.

蒋磊, 白云峰, 严少华, 等. 2011. 水葫芦渣和不同添加物高水分复合青贮的效果研究[J]. 江苏农业科学, 39(6): 37-340.

李博, 廖成章, 高雷, 等. 2004.入侵植物凤眼莲管理中的若干生态学问题[J]. 复旦学报: 自然科学版, 43(2): 267-274.

齐玉梅, 高伟生. 1999. 凤眼莲净化水质及其后处理工艺探讨[J]. 环境科学进展, 7(2): 136-140.

施林林, 沈明星, 常志州, 等. 2012. 水分含量对水葫芦渣堆肥进程及温室气体排放的影响[J]. 中国生态农业学报, 20(3): 337-342.

夏小江. 2012. 太湖地区稻田氮磷养分径流流失及控制技术研究[D]. 南京: 南京农业大学.

徐寸发, 张志勇, 秦红杰, 等. 2015. 不同生活型水生植物改善滇池草海水体的效果[J]. 江苏农业科学, 43(6): 307-311.

余远松, 邓润坤. 2000. 凤眼莲水生生物系统处理大型养猪场废水的应用研究[J]. 农业环境保护, 19(5): 301-303.

张迎颖, 张志勇, 王亚雷, 等. 2011. 滇池不同水域凤眼莲生长特性及氮磷富集能力[J]. 生态与农村环境学报, 27(6): 73-77.

张志勇, 郑建初, 刘海琴, 等. 2010. 凤眼莲对不同程度富营养化水体氮磷的去除贡献研究[J]. 中国生态农业学报, 18(1): 152-157.

张志勇, 郑建初, 刘海琴, 等. 2011. 不同水力负荷下凤眼莲对富营养化水体氮磷去除的表观贡献[J]. 江苏农业学报, 27(2): 288-294.

REDDY K R, 周泽江. 1984. 利用水葫芦改善水质及提供生物量[J]. 农业环境与发展, (2): 27-32.

Abstract: Water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart) Solms) with the characteristics of fast propagation, large biological yield and strong absorption capacity for nitrogen and phosphorus, was widely used for the purification of polluted water, which was regarded as the dominant species for water restoration by national and international academic community. Many experimental studies about remediation of polluted waters by water hyacinth have been reported, and meanwhile little large-scale application of water hyacinth in treatment project of polluted waters has been carried out. Purification functions of water hyacinth to polluted water has been summarized systematically and the challenge about large-scale application of the macrophyte in treatment project has been analyzed in the paper. The results show that water hyacinth can efficiently remove nitrogen and phosphorus, heavy metals and organic pollutants from various kinds of polluted water, such as sewage, industrial wastewater, livestock and poultry breeding wastewater,surface runoff water and the eutrophic rivers, lakes and reservoirs. The challenge of large-scale application of water hyacinth in restoration project of polluted water mainly include potential ecological risk, difficult and expensive harvesting, difficult dehydration and utilization and low feasibility of commercial production. In order to solve the above problems, some solutions and the research emphases in the future have been presented in the paper. (1) In order to avoid potential ecological risk, the safe and reliable technology for planting water hyacinth should be developed, such as the improvement of planting enclosure facilities, the section of suitable cultivation area and cover ratio. (2) The specialized equipment for rapid harvesting-transport linkage should be manufactured to raise efficiency and reduce cost, and the technical measures of harvesting should be optimized in the future. (3) Solid-liquid separation technology for spongy tissue of water hyacinth should be developed, and efficient equipment of mechanical dewatering should be produced to sharply reduce the moisture content of the macrophyte. (4) The technology for resource utilization of water hyacinth should be developed, and the economic value should be exploited to attract business cooperation, then the mechanism of ecological compensation should be established as soon as possible.

Key words: water hyacinth; eutrophic waters; ecological remediation; engineering application; challenge

The Functions of Water Hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart) Solms)in Remediation of Polluted Waters and Challenges in Engineering Application

ZHANG Zhiyong, YAN Shaohua, XU Cunfa, LIU Haiqin, ZHANG Yingying*

1. Institute of Agricultural Resource and Environmental Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China;2. Central Laboratory, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.022

X52

A

1674-5906（2017）09-1612-07

张志勇, 严少华, 徐寸发, 刘海琴, 张迎颖. 2017. 水葫芦修复污染水体的功能及其在工程应用中所面临的挑战[J].生态环境学报, 26(9): 1612-1618.

ZHANG Zhiyong, YAN Shaohua, XU Cunfa, LIU Haiqin, ZHANG Yingying. 2017. The functions of water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart) Solms) in remediation of polluted waters and challenges in engineering application [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1612-1618.

江苏省农业科技自主创新资金项目（CX（15）1004）

张志勇，研究员，主要从事污染水体生态修复研究。E-mail: jaaszyzhang@126.com*通信作者，E-mail: fly8006@163.com

2017-07-20