植物修复技术在环境治理的应用

朱国华

(山西省忻州市生态环境局监控中心,山西 忻州 034000)

引 言

随着城市污水中重金属含量以及营养元素的日益增加，使得一些水体如海洋、湖泊以及河流造成一定的富营养化及重金属污染，金属中毒时有发生。针对水体中的总氮、总磷、化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD5)以及低浓度重金属离子等净化，传统工艺虽可以对前三者产生较佳的治理效果，但对水中低浓度重金属离子的处理仍存在局限性。植物修复技术则可以通过迁移的方式来治理这些难降解和高稳定性的重金属离子，该方法安全、无损且低能耗。对比国内外的相关植物修复技术发现，一些植物如灯心草、香蒲和芦苇等作为常用研究对象，可对污水中的总氮、总磷、COD、BOD5等具有较好的净化应用效果，但对重金属离子的净化处理工作未提及。本文将针对除这些常见植物的修复作用外，开展新型植物对于污水净化治理的效果评价，达到社会环保效益、经济效益双赢的目的，具有一定的指导借鉴意义[1]。

1 实验概况

本文通过模拟湿地的工作环境，选择千屈菜、黄花鸢尾、菖蒲、石菖蒲、泽泻以及玉带草等6种植物应用于处理城市污水的过程中。这些植物都需经过一定的处理，位于直径20 cm、高20 cm的桶内其生长基质厚约12 cm，且为保证实验的准确性，生长基质需用盐酸浸泡处理12 h后用去离子水进行洗涤，最终维持基质以上水位高度为8 cm。城市污水则选用某城市污水试样，且其总氮、总磷、COD、BOD5的初始质量浓度为34.05、4.42、357 mg/mL。除此之外，各类重金属(Pd、Cd、Cr)的初始质量浓度如表1所示，其值已超过环境规定的允许浓度。

2 实验方法

整体实验采取对照的实验方法，包括空白组和实验组。实验组内分别栽培6种植物于实验桶内，且在每个桶内放置植物的数量为3株。使用这些植物处理污水的天数分别为5 d、10 d及15 d。测量水中总氮的方法利用碱性过硫酸钾氧化法；测量水中总磷的方法利用钼蓝比色法；COD和BOD5的测量方法分别使用HH-6化学耗氧量测定仪以及890型微机测定仪；针对污水中重金属浓度的测定选用岛津原子吸收/火焰发射分光光度计。

该植物修复技术对水体净化效果评价的指标为计算其去除率，计算方式如下：

3 应用评价

本部分主要阐述植物修复技术对污水中总氮、总磷、COD、BOD5以及重金属的净化效果。

3.1 植物修复技术对总氮的净化

目前，通过人工湿地除氮主要是基于基质吸附、硝化与反硝化作用、植物萃取、氨化以及挥发等作用。总结除氮的相关研究发现，在除氮等方面起主要作用的是基于硝化与反硝化作用[2]，而一些重金属离子(Pd、Cd)等则对一些绿色植物的除氮起抑制作用[3]。本项工作选择的6种植物经实验研究得出，它们均可对水体中的氮元素去除达到良好的效果评价。在第一阶段，处理时间为5 d时，黄花鸢尾、菖蒲、玉带草3种植物达到较佳的处理效果，石菖蒲处理效果最佳。在第二阶段，处理时间为10 d时，表现突出的为黄花鸢尾和石菖蒲，对水体中总氮的净化率可达91.50%和91.40%，优于其他几种植物。在第三阶段，处理时间为15 d时，6种植物都能达到不错的总氮净化效果，黄花鸢尾和石菖蒲也仍保持为最佳的去除率。总结来说，6种植物对水体中的总氮均能达到强净化、持续时间长的处理能力，这主要是基于微生物的硝化与反硝化作用、植物自身的吸收作用。

3.2 植物修复技术对总磷的净化

通过人工湿地除磷主要是基于生物同化、络合及沉淀、植物萃取以及吸附等过程。与研究6种植物对水体除氮的效果类似，随着3个时间节点的延伸，去除效果也呈上升状态。当处理时间为5 d时，黄花鸢尾的除磷效果优先得到最佳且极为显著，占空白组的167%。对比于其他种类植物，其除磷占比则在130%～162%。当处理时间为5 d、10 d时，各类植物对于除磷的效果均达到饱和状态，其除磷率都达到95%以上，整个水体中的总磷也维持于一定的浓度。在这6种植物中，黄花鸢尾植物达到最佳的净化磷效果，为98.5%，石菖蒲排在第二位。总体来说，6种植物对水体中的总磷处理效果均能达到强净化、短周期的净化效果。

3.3 植物修复技术对COD和BOD5的影响

在人工湿地环境中，根据其基质中的含氧量，可分别进行好氧微生物及厌氧微生物对有机物的降解。但是针对湿地环境中的植物来说，它们主要是基于好氧微生物对有机物的降解，主要基于植物中导管将氧气至其根系。有相关研究表明，金属离子的存在并未能够限制水生植物对COD和BOD5的影响。

首先，针对水生植物对COD的去除效果影响，在处理时间为第5天时，千屈菜、菖蒲以及石菖蒲的去除效果较为明显，但玉带草的处理效果相对较差。而在随后实验的第10天，结果表明，各类植物的去除率存在较大的差距，黄花鸢尾和石菖蒲的去除效果最佳，可达92%以上，其余种类的植物之间的去除效果则相差不大。除此之外，还需讨论水生植物对BOD5的影响，在第一阶段即处理时间为5 d，各类植物对BOD5的去除影响较小，当达到第三阶段时，结果仍为黄花鸢尾和石菖蒲的去除效果最佳，与空白组BOD5的占比相差高于8%以上。

3.4 植物修复技术对重金属的净化

虽有研究报道称，在水体中存在的重金属离子会抑制水生植物的生长[4]。但在本次实验中，所选取的植物对重金属的净化效果良好。植物修复对重金属的净化主要是基于植物刺激、植物降解、植物挥发、植物滤过、植物稳定以及植物萃取等作用。经分析，本实验得出植物修复技术主要是基于植物滤过、植物稳定以及植物萃取。各类植物对于3种重金属的去除效果分析如下：黄花鸢尾对三种重金属去除能力最强且去除排序为Cr、Pd、Cd，且高出空白组中各类金属占比为25%、22%以及15%；菖蒲以及石菖蒲对不同重金属离子的去除效果不同，其中，菖蒲对Cr的去除效果仅次于黄花鸢尾，石菖蒲则对其余两种重金属离子的去除效果较佳；其余三种水生植物中，玉带草和泽泻仅对Cd的有着良好的去除效果，千屈菜可去除Cr、Pd。不仅如此，水生植物的生长基质对重金属离子也起一定的去除作用，依据空白组实验表明，其基质可去除70%以上重金属离子，占有非常重要的作用。

4 结论

本文通过选择千屈菜、黄花鸢尾、菖蒲、石菖蒲、泽泻以及玉带草6种植物在处理城市污水中对总氮、总磷、化学需氧量(COD)和生化需氧量(BODS)以及低浓度重金属离子的净化效果，结果表明，这6种植物均可以达到良好的净化效果，但针对不同的植物净化效果不同，处理效果最佳的是黄花鸢尾，石菖蒲次之，但两者都表现较为突出。本项研究工作旨在表现植物修复技术在净化能力以及经济效益方面有重大作用，值得后续进一步深入研究。