植物修复对黑臭水体底泥中氮磷的去除研究

杜月 胡滨 毕业亮 胡清

摘要：水体底泥在吸纳了大量的污染物质之后，逐渐成为引起水体污染和富营养化的内源污染源，严重时可引起水体黑臭。黑臭水体底泥的污染控制与修复对水体水质的提升和生态功能的恢复至关重要。植物修复因其投资少，对生态环境扰动小、持续有效时间长、处理污泥量大等优点而备受关注。本文对植物修复原理、高效植物筛选、植物氮磷去除效果及影响因素、植物修复注意事项等问题进行了分析研究。

关键词：植物修复;黑臭水体;氨磷去除

中图分类号：X173 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）03-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.073

Removal of nitrogen and phosphorus from sediments in black and stink water by phytoremediation

Du Yue1，Hu Bin1，Bi Yeliang2，Hu Qing1

（1.School of Environmental Science and Engineering，Southern University of Science and Technology，Shenzhen Guangdong 518055，China;

2.College of Water Resources and Hydropower，Hebei University of Engineering，Handan Hebei 056038，China）

Abstract：After absorbing a large amount of pollutants，the sediment in the water body gradually becomes an endogenous pollution source that causes water body pollution and eutrophication，and can cause black body odor in severe cases.Pollution control and restoration of black and odorous water sediments are very important for the improvement of water quality and the restoration of ecological functions.Phytoremediation has attracted much attention due to its advantages such as low investment， small disturbance to the ecological environment，long duration of effective time， and large sludge treatment.This article analyzes and researches on the principles of phytoremediation，efficient plant selection， effects and factors of plant nitrogen and phosphorus removal，and precautions for phytoremediation.

Key words：Phytoremediation;Black smelly water body;Ammonia phosphorus removal

河流底泥是河流生态系统的重要组成部分。水体中污染物质的不断沉积，导致底泥中污染物质浓度高于上覆水几个数量级。近年来，随着外源污染控制力度的加大，底泥内源污染已成为引起水体污染和富营养化的重要因素，严重时可引起水体黑臭。底泥也是底栖生物的主要生存场所和掠食场所，底泥中的污染物质可以对底栖生物和水体中生物产生毒害作用，并通过生物富集和食物链的放大过程影响人类健康。对黑臭水体的底泥的处理和处置，可消除黑臭现象，改善感官效果，对提升河流水质和恢复生态功能至关重要。

1 植物修复原理

植物修复（Phytoremediation）是生物修复技术的一种，主要是通过向污染水体和底泥中引入优良的水草品种，利用水生植物的生长，吸收和降解污染物质，起到削减污染物的作用。相对于环保疏浚、原位覆盖等目前常用的工程措施，植物修复具有投入低，对生态环境的扰动小、持续有效时间长、处理污泥量大等特点，不但可以恢复和重建底泥和水体的自然生态功能，而且具有一定的观赏价值和经济价值。植物修复的概念最早在20世纪80年代，由美国科学家Chaney提出。植物修复是一个复杂的系统工程，水生植物是该系统中的主体，此外包括微生物、浮游生物、底栖生物、水生动物等多个组成部分，各部分协同作用起到对污染物质转化和去除的目的。

某些水生植物在生长过程中可以过量富集氮、磷、重金属等污染物质，将这些污染物质固定在生物体内，人们可以通过对植物的收割将污染物质去除。吸附作用也是植物修复过程去除污染物的重要机制之一，水生植物有巨大的比表面积，给悬浮污染物提供附着载体，从而有效的降低水体中污染物的浓度。此外，水生植物的种植有助于改善河道的水流状态，稳定河床表面、固定泥沙，加速水体中污染物质的沉降，控制底泥中污染物质的迁移和释放。Moore等选取密西西比三角洲上两条富营养化的農业排水渠，并在其中一条排水渠中种植宽叶香蒲、黑三棱、灯芯草等作物，发现与未种植植物的水渠相比，降雨期间水体中悬浮固体占总固体物质的比例从95%下降到28%。微生物是植物修复系统中重要的组成部分。水生植物发达的根系可以为微生物的栖息和繁殖场所，提高系统的生物多样性和生物量;植物根系分泌出一定的聚多糖、氨基酸等物质，可以提高微生物的代谢活性，促进难降解污染物的转化和去除;植物根系存在富氧和缺氧区，可以为生物脱氮过程提供有利的环境条件。植物修复对底泥污染物的削减通常是以上多个途径共同作用的结果。Wu等研究了人工湿地植物修复过程中不同的作用机制对沉积物中TN迁移转化的贡献，植物吸收量约占总氮去除率的8.4%～34.3%，底泥中的沉积量占20.5%～34.4%，由微生物硝化和反硝化造成的N2O排放量为0.6%～1.9%，包括N2排放、NH3挥发在内的其他TN损失约占2.0%～23.5%。

2 高效植物筛选

不同植物对氮磷的吸收效果存在显著差异，影响植物修复对底泥氮磷去除效果的关键因素在于高效富集植物的选用。植物修复中常见的水生植物有夏威夷草、芦苇、菖蒲、凤眼莲、千屈菜、睡莲、梭鱼草等。唐相臣等考察了聚草、圆币草等七种植物对氮磷的去除效果，发现浮萍、槐叶萍、聚草、圆币草每千克干物质对应的氮元素积累量分别为38.2 g、33.6 g、33.1 g、30.6 g，而聚草和圆币草对磷的富集作用最为明显，每千克物质对应的磷元素积累量分别为23.6 g和16.3 g，远高于浮萍（9.5 g）和大漂（5.9 g）。解岳等以西安市长安湖为富营养化水体的典型，研究不同植物对N、P去除效果和机理，结果表明各植物体内TN含量高低依次为：美人蕉>水菖蒲>鸢尾>香蒲>旱伞草>芦苇>荻，其中美人蕉植株的含氮量为1.72%;植物中磷含量依次为美人蕉>旱伞草>鸢尾>香蒲，美人蕉修复单位磷富集量为26.6 g/m2。Zhu等对比研究了人工植草沟和有植物覆盖的自然沟渠对氮磷的去除效果，人工植草沟对TN和TP的去除率分别为64.28%和58.02%，远高于自然沟渠氮磷去除率31.16%和27.49%，其中人工植草沟中种植的美人蕉对氮磷的累积量约为216.59 kg N/（ha·yr）和30.73 kg P/（ha·yr），而自然沟渠中的水芹对氮磷的累积量仅为96.66 kg N/（ha·yr）和7.94 kg P/（ha·yr）。

木本植物一般比草本植物生物量大，寿命更长，对氮磷有更强的生物积累能力。Lu等构建了生态沟渠，分别种植了木本植物（柳树、桃叶珊瑚）和草本植物（菖蒲、美人蕉），对照研究植物的生长情况和净化能力，研究表明柳树对氮磷的拦截效果明显优于其他的三种植物。木本植物在底泥修复中的应用，关键在于对植物耐水性和耐污性的筛选，根据以往研究数据，花叶冬青、月季、八角金盘、白千层属、互叶白千层、秋枫、串钱柳、风箱树、两栖榕、水翁等都适于污染水体和底泥的修复。木本植物根茎发达，泌氧能力强，有利于氧的传输，且在冬季等恶劣环境下可以安然越冬，不存在倒伏腐烂等现象，更容易控制由植物植株腐烂造成的二次污染。

底栖微藻是潮间带生态系统的主要初级生产者，在海岸带和河口潮间带普遍分布着密集的底栖微型藻类，其生物量和初级生产力可超过上覆水中的浮游植物，对氮磷等营养物质的吸收能力很强。相对于上覆水中的浮游藻类，底栖微藻可以直接作用于底泥，对底泥中污染物质表现出高效的吸收和储存。Kwon等报道了四种底栖微藻曲壳藻属、双眉藻属、舟形藻属、菱形藻属对底泥中氮磷修复效果，其中菱形藻属对硝酸盐的最大吸收速率为0.97 pmol/（cell·h），对磷酸盐的最大吸收速率为0.30 pmol/（cell·h），在氮缺乏和磷缺乏环境中的生长速率分别为0.73/d和0.70/d。

3 氮磷元素在植株中的分布

氮磷元素在水生植物不同组织结构中的含量有较大的差异，文献中的相关报道很多，但莫衷一是。一般认为，这与物种以及植物所处的生长环境有关。Tian等在碎石基底和沉积物基底上分别种植芦苇和香蒲，氮元素在芦苇与香蒲中的分布呈现相似的规律，即氮元素含量叶>茎>根，而磷元素在根中的含量明显高于植株的地上部分含量。Meitei等对Loktak湖流域11种植物对氮磷的富集效果进行了为期2年的跟踪研究，结果表明紫萍植株的地上部分含氮量高达16511.4±30.6 mg/kg，而水芹最大含氮量则出现在根部19308.7±200.1 mg/kg;植物对磷元素的吸收差异也较大，磷在植株中的最大浓度分别出现在菱角的地上部分（1175.84± 30.19 mg kg-1）和菰的地下部分（2820.97 ± 29.78 mg·kg-1）。

此外，生长环境也影响了氮磷在植株中的分布。Xu等研究了沉水植物菹草在不同营养条件下对氮磷的吸收途径，结果表明在贫养条件下，菹草主要是通过根系从沉积物中吸收氮磷等营养元素;而在富营养状态下，则同时存在着根部吸收和芽从水体中吸收两种方式，此时嫩芽吸收TN、TP的比例分别占到49.85%和18.35%，这也导致氮磷在植株各部分累积量的变化。

4 植物氮磷累积量的影响因素

温度和光照是影响植物对氮磷吸收的重要因素，因此植物对氮磷的积累通常呈现季节性变化。Nandakumar等研究了亚热带地区的人工湿地对氮磷的去除效果，对TP的去除率分别为冬季55.2% 、春季78.5%、秋季80.7%和夏季85.6%，夏季人工湿地对TP的去除效率高达384.4 mg/（m2·day）;总凯氏氮（TKN）在春夏两季的去除率分别为75.6%和84.6%。Meitei等报道，夏季紫萍地上部分的TN浓度为6411.2 ± 400.08-16511.4 ± 30.64 mg·kg-1，冬季TN浓度下降为2453.4± 130.45 -7746.1±110.00 mg·kg-1，而TP的浓度则从夏季的537.8 ± 20.57-1175.8 ± 30.19 mg·kg-1下降为403.9 ± 40.07 -1042.8± 20.02 mg·kg-1。

种植密度也是影响植物对氮磷吸收效果的因素，种植密度过大，会导致种群间竞争激烈，水下光照条件受限，植物生长不佳;而种植密度稀疏时，植物的种间竞争或牧食作用能极大的影响沉水植物的生长和恢复。張萌等报道，金鱼藻种植密度为4.0 g/L时，对总氮、总磷去除率最高，分别达86.78%和91.82%;穗花狐尾藻种植密度为2.0 g/L和4.0 g/L时，对总氮、总磷去除率最高，分别达91.6%和92.10%。

人工曝气过程可以增加水体的溶解氧浓度，促进物质的混合，加速有机污染物的分解，对水生植物的生长和氮磷去除也有一定的影响。Zhao等研究了长期曝气对生长于污染水体中的梭鱼草的形态特征、生理反应和污染物去除效能的影响，结果表明曝气可以促进梭鱼草的分蘖和根系生长，提高过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性，对总氮和氨氮的去除效果分别提高了12.13%和14.16%，但是对总磷和溶解性磷的去除效果降低约10.47%和9.47%。曝气过程对植物的生理特征和根系微生物群落特征都有明显影响，因此需要根据去除的目标污染物调整曝气参数。

5 结语

植物本身是自然环境的重要组成部分，植物修复兼备良好的生态环境效益与经济效益，逐渐成为污染底泥修复的重要手段，具有可观的应用前景。在植物修复过程中对水生植物的选择尤为重要，一般应该遵循以区域内优势物种为基础，辅以净化效果好、再生能力强、入侵性低的物种。部分植物具有较强的生态破坏性，这些植物虽然在氮磷等富营养环境下有较高的生物富集能力，但是也容易出现过度繁殖的问题，可能引起水体中溶解氧的过度消耗，造成更严重的环境问题。因此在植物的筛选和应用过程中要格外慎重。植物在生长过程中将氮磷等物质转化为自身生物质，植物的不当收割将导致根茎叶留在底泥中，富集的污染物质重新释放，会造成环境的二次污染;只有通过及时收割避免有机体的腐烂，才能实现氮磷的真正去除。因此，选用植物进行水体和底泥修复时，必须重视整个修复过程的管养与维护。一般，在冬季水生植物尚未腐烂之前进行一次收割，夏季则需根据植物生长期的长短和旺盛程度，确定适合的收割次数。

参考文献

[1]Meitei M D，Prasad M N.Bioaccumulation of nutrients and metals in sediment，water，and phoomdi from Loktak Lake （Ramsar site），northeast India：phytoremediation options and risk assessment[J].Environmental Monitoring and Assessment，2016，188（6）：329.

[2]唐相臣，寧大亮，等.多种生态修复植物和人工载体对城市河流水质净化效果比较研究[J].水处理技术，2016，42（9）：101-104.

[3]Kumwimba M N，Muyembe D K.Assessing the influence of different plant species in drainage ditches on mitigation of non-point source pollutants（N，P and sediments）in the Purple Sichuan Basin[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2017，189（6）：267.

[4]许铭宇.水生动植物及其组合对富营养化园林水体净化效应研究[D].广州：仲恺农业工程学院，2017.

（下转第页）

（上接第页）

[5]Xu X，Zhou Y，Han R，et al.Eutrophication triggers the shift of nutrient absorption pathway of submerged macrophytes：Implications for the phytoremediation of eutrophic waters[J].Journal of Environmental Management 2019，239：376-384.

[6]Polechonska L，Samecka-Cymerman A，Dambiec M.Changes in growth rate and macroelement and trace element accumulation in Hydrocharis morsus-ranae L.during the growing season in relation to environmental contamination[J].Environmental Science and Pollution Research，2017，24（6）：5439-5451.

[7]Nandakumar S，Pipil H，Ray S，et al.Removal of phosphorous and nitrogen from wastewater in Brachiaria-based constructed wetland[J].Chemosphere，2019，233：216-222.

[8]张萌，李雄清，等.典型沉水植物修复富营养水体的最优种植密度[J].湖北农业科学，2016，55（20）：5218-5224.

[9]耿荣妹，胡小贞，等.太湖东岸湖滨带水生植物特征及影响因素分析[J].环境科学与技术，2016，39（12）：17-23.

收稿日期：2020-01-03

基金项目：深圳市技术创新计划（编号：JSGG2017101202620854）

作者简介：杜月（1980-），女，汉族，博士，工程师，研究方向为污水治理技术与能源化。