水生植物在水污染治理中的应用研究

褚福友

（国环正源（江苏）生态有限公司，南京 210000）

如今，水污染已经成为困扰人类文明发展与危害人体健康的重要问题，虽然社会的不断发展催生了很多水污染治理技术，但这些技术普遍需要投入大量资金或者使用化学品，容易产生有毒有害副产物。而水生植物是水环境的重要组成部分，合理种植水生植物，能起到良好的污染治理作用，但这需要明确不同水生植物的功能和基于水生植物的污染处理系统运行方式。

1 水生植物与其生态功能

水生植物在生态学领域是一个主要类群，其典型代表是水生维管束植物。水生维管束植物机械组织发达，有挺水、漂浮、浮叶与沉水4种生活型。挺水植物是指植物的根茎生长在底泥中，而上部从水面上挺出，具有代表性的有香蒲和芦苇等；漂浮植物是指整个植物体漂浮在水面上，有能适应漂浮生长要求的特殊组织结构，具有代表性的有浮萍和凤眼莲等；浮叶植物是指植物的根茎生长在底泥中，但叶片漂浮在水面上，具有代表性的有荇菜和睡莲等；沉水植物是指整个植物体沉在水面下部，其根部进入底泥或悬浮在水中，具有代表性的有金鱼藻和狐尾藻等。

水生植物在光合作用下可以将光能变成有机能，同时释放氧气，属初级生产者，可发挥很多生态功能。比如，能对植物生长所需各类营养物质进行短期储存；对水中含有的污染物进行吸收净化；减少低等藻类数量，加快水生生物代谢速度。相较于藻类，水生植物便于管控，基于该特点，水生植物可以应用于污水处理中，尤其是富营养化水体。

2 水生植物系统的具体运行方式

按水生植物生活型，以水生植物为核心的污水处理系统可以分成三种（浮叶植物目前暂未研究）。一是采用挺水植物的污水处理系统，主要在湿地中使用，包括人工湿地。其处理范围包括城镇污水（二级及以下）、工业废水和降雨径流，通过植物吸收与微生物代谢去除污染物，常用植物有芦苇、香蒲、灯心草和菰等。近几年，该系统得到广泛应用和研究，其工艺设计相对成熟。二是采用漂浮植物的污水处理系统，主要应用在与强化氧化塘相似的环境中。其处理范围包括城镇污水（二级及以下）、工业废水、降雨径流、被污染的天然水，通过植物吸收与微生物代谢去除污染物，常用植物有凤眼萍、浮萍、大漂、水花生与满江红等。该系统设计比较简单，但工艺优化研究较少，导致实际应用受到一定限制。三是采用沉水植物的污水处理系统，主要在天然水体中使用。其可以用于恢复水中植被，对遭到污染的水体进行修复，通过短时间储存营养物质实现对水体富营养化的治理，因为操作难度较大，所以当前的研究与应用都很少。

在以上处理系统中，水生植物均处在核心地位，其光合作用能使处理系统对太阳能进行直接利用，同时植物不断生长创造的栖息环境还能提高生物多样性，使污染物在水生植物与微生物协同作用下得到降解。相较于传统单一采用微生物进行处理的方法，水生植物系统投资与能耗均较低，处理过程能和自然生态系统良好融合，但其处理时间较长，直接受到气候因素影响。值得一提的是，可对以上三种方式进行组合应用，也可以将其与其他处理方式相结合。伴随研究与应用不断深入，不同的联合系统都将水生植物作为核心，在污水处理基础上充分考虑其他功能，以实现扬长避短。

3 水生植物污染去除机理

3.1 植物吸收

植物可吸收降解的污染物主要有两类：第一类为植物营养物质，如氮、磷；第二类为某些有机物及重金属，这些污染物的存在会影响水生生物生存。其中，第一类污染物在被吸收后可直接促进植物的生长发育，而第二类污染物在被吸收后先进行脱毒，然后储存在植物体内逐步降解。

水生植物能直接在底泥与水层中对氮、磷等营养物质进行吸收，并在吸收后迅速将其同化成核酸及蛋白质。同化速度主要和植物生长速度及所处水体的营养物含量有关，当环境适宜时，营养繁殖能使生物量大幅增加，氮、磷是植物生长的必需物质，部分水生植物对其有很高的固定能力。因为藻类生命周期比水生植物短，水生植物只有在死亡后其存储的营养物质才会被释放，所以水生植物对营养物质的存储要比藻类稳定，可在富营养化严重的水体中种植水生植物来起到治理作用，并获得一定生物资源。漂浮植物的收获比较容易，而且生长速度较快，所以其实际应用很多。然而，通过大量实践可知，虽然水生植物可以在污水环境下存活，但要想达到预期治理效果，不可随意种植，而要根据植物种群自身生长规律和营养物质转化效率，按照因地制宜的基本原则进行科学设计。

有些重金属与有机物不是植物生长所需物质，具有一定毒性，而某些植物的独特生理机制能对其进行脱毒。其中，重金属主要通过区室化与螯合来脱除，具体形式为耐受和吸收，很多水生植物都具有该机制。比如，凤眼莲在吸收重金属后可通过络合形成金属硫肽，使自身富集重金属；大漂根系发达，可对水中的汞和铜进行吸收、富集；浮萍、紫萍、槐叶萍与满江红生长速度快，能分泌出克藻化合物，进而在吸收镉、铬、铜、镍、铅、汞等重金属的同时，抑制藻类过度发育；芦苇和香蒲则兼具多种植物的优点，可去除水中的化学需氧量（BOD）和总氮。

不同种类的有机物被植物吸收后，植物体内完成的代谢过程完全不同。以酚类为例，其被植物吸收后会参与植物的糖代谢过程，生成酚糖苷，当植物含有多酚氧化酶时，还能发生氧化反应，从而实现脱毒。研究表明，凤眼莲能直接对水中酚类进行吸收和降解，放养后水体酚类去除速度比放养前快2～3倍。此外，狐尾藻能对水中三硝基甲苯进行直接吸收与降解。植物吸收酚类后，可逐步将其分解成生长所需的营养物质，但具体降解机制目前还不知晓，需要进行更深入的研究。

3.2 微生物降解

和其他以生物为核心的处理系统相同，采用水生植物进行污染治理时，微生物同样对污染物有一定降解作用。微生物自身代谢活动会降解水中有机物，需要注意的是，在氮的去除方面，虽然有些水生植物可直接吸收，但硝化与反硝化依然为主要去除机制，其占比最高可达90%。水生植物生长能为微生物生存创造良好微环境，其根部为了呼吸，往往通过通气系统使氧在根与茎叶之间转移，剩余氧气直接释放，使根区成为有氧环境；与此同时，植物根系能为微生物提供附着界面，根系分泌的部分有机物还能促进代谢。即便在根区外部，也能为厌氧微生物创造良好环境，促进其完成反硝化，并对有机物进行厌氧降解。由此可见，微生物在污染物降解上起到决定性作用，但需要以水生植物为前提，两者相辅相成。

3.3 物化作用

水体中的某些污染物会在物化作用下被去除，具体包含沉降、挥发与吸附几种。水体中的大多数污染物会在植物作用下得到去除，但过去对这方面进行的研究较少。基于此，要想提高污水处理效率，保证处理效果，必须对水生植物的功能及其和微生物的共生关系进行分析。

4 水生植物选型及搭配

水生植物在污染物处理过程中发挥的作用主要取决于植物类型。当主要去除的污染物为有机物与氮时，应优先选择可以为微生物生存提供良好附着界面且氧传递能力较强的水生植物；如果需要去除水中的氮、磷及重金属，应优先考虑吸收能力较强和生长速度较快的水生植物；当需要同时去除多种污染物时，要选择有多种生态功能的水生植物，也可对不同功能的植物进行合理搭配。除此之外，还需要综合考虑气候条件是否适宜、植物是否具备良好的抗逆性与抗病害能力、植物管理难易程度等内容。

经大量试验，研究人员已经选出很多可在污染物去除中使用的植物，这些植物已经在水污染治理中得到大量应用，比如，芦苇和凤眼莲在湿地系统及氧化塘中发挥了很大作用。然而，这些植物的应用大多将附生微生物作为重点，即通过根部附着大量微生物来去除污染物，较少依靠植物自身的吸收功能实现水污染治理，其主要原因为水生植物的吸收功能、吸收污染物后对生长的影响与产生的生物质资源化利用还有待进一步研究。

在实际应用中，可采用全新的技术形式。一是天然湖滨带，即将天然湖滨作为基础，在水底投入高效酶促填料及吸附料，然后种植水生植物，以此形成一个包含不同植物类型并兼具景观观赏价值的自然净水系统。该系统可实现二级处理，选择的植物应满足功能要求，兼具一定观赏性。二是生物浮岛，使水生植物从在底泥中扎根变为在水中扎根，将塑料泡沫作为植物温床，在塑料泡沫上钻出小孔为植物生长提供空间，之后借助当下先进的无土栽培措施，使植物正常生长。实践表明，这项技术能有效消除水污染，对植物生长及其功能的发挥没有任何负面影响，还能降低植物对底泥等环境的要求，增添美观性。

5 结语

现阶段，将活性污泥作为核心的污水处理方式需要耗费大量电能，运行及管理费用始终居高不下，二级处理投资费用较高，很多经济欠发达地区根本无法承受。而采用水生植物进行污水处理，大多将太阳能作为能量来源，而且整个处理过程无须添加化学品，还能回收资源，所以这是一种潜力巨大的绿色污水处理方式。未来，通过不断的改进与完善，这项技术会得到越发广泛的应用，在我国污水处理领域发挥巨大作用。