水葫芦等水生植物对污水净化影响的研究.docx
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水葫芦等水生植物对污水净化影响的研究
水葫芦等水生植物对污水净化影响的研究
作者:
李红峰
摘要从我们对放养水生植物前、后污水水样中氮、磷和重金属铜离子含量测试,结果表明:
1、在新城区苏岗河涌污水水样放养水葫芦等水生植物5天后,水样中氨氮的平均含量降低了64.98%;磷的平均含量降低了44.57%;重金属铜的平均含量降低了52.78%;2、三种水生植物中,吸收氨氮、磷、重金属铜能力最强的是水葫芦(65.29%、56.52%、58.33%);3、三种水生植物中,吸收重金属铜能力比吸收磷要强。
从我们的实验得出:
水葫芦、浮萍、金鱼藻等植物,有很好的净化污水能力,特别是对富营养化水质。
只要我们科学管理和转化利用水葫芦等水生植物,对改善我区河涌水质有重要的作用。
关键词水葫芦污水净化
1问题的提出和设想
在我国华南各地水域里及长江流域,常常可以看到盖满水面的水葫芦。
它是来自委内瑞拉的水生植物,学名叫做风眼莲。
由于水葫芦含有大量蛋白质、脂肪和纤维素,而且繁殖能力强,容易成活,本世纪50年代,粮食极度短缺的中国从南美引进水葫芦,将水葫芦广泛放养于南方乡村河塘。
由于水葫芦蔓延的速度极快,它们覆盖了很多南方许多河流、湖泊。
浓密的水葫芦降低了光线对水体的穿透能力,影响水底生物的生长,并增加水中二氧化碳的浓度,堵塞河道,在我们珠江三角洲水域特别是河涌都存在水葫芦泛滥成灾的问题。
近几年来有科学家实验时意外发现,水葫芦等水生植物的根茎能吸收和分散水体中铅、镉、汞、铜、锶等重金属离子,工业废水中含有大量重金属离子,城市生活污水中含有大量氮和磷,工业废水和城市生活污水排放到河流中,增大水体重金属离子、氮磷化合物含量,使水体富营养化,造成水体污染,由此我们设想,利用水生植物吸收氮和磷、重金属离子的特性,探讨水葫芦、浮萍、金鱼藻等水生植物净化污水是否有帮助?
效果如何?
结合高中学生研究性学习,指导我校高一级学生张銮坤等参阅了有关资料,设计了实验和统计的方法并付诸实践。
2实施的内容和过程
2.1活动准备:
2.1.1买3个60×85×50cm塑料水箱用于放养水生植物
2.1.2到水塘采集水葫芦、浮萍和金鱼藻三种水生植物
2.2活动的实施
2.2.1取样:
4月14日到新城区苏岗村的河涌取生活污水,用于测定数据以及放养水生生物,进行实验对比。
2.2.2为取得水样中所含氮、磷及各种金属离子的准确含量,将所取水样送顺德区环境监测站进行放养水生植物前定量测定,并记录数据。
2.2.3在送检同时,将三种不同水生植物(水葫芦、浮萍和金鱼藻)分别放入1、2、3号水箱中(有等量河涌污水)进行放养,并做好放养期间的纪录工作。
2.2.4放养水生植物一段时间(5天)之后,分别从1、2、3号水箱取水样1000ml,送顺德区环境监测站进行进行放养水生植物后的定量测定,并记录数据。
2.2.5将放养水生植物前的水样与此同时放养水生植物后的水样中所含氮、磷及各种金属离子含量进行对比分析,探讨水生植物对污水净化的影响。
3结果统计与分析
3.1结果统计
放养水生植物前、后水样中氮、磷和重金属铜离子含量统计表
单位:
mg/L
放养水生植物前水样
放养水生植物后水样
水葫芦
浮萍
金鱼藻
氨氮
1.449
0.503
0.523
0.546
磷
0.175
0.076
0.097
0.119
Cu2+
0.012
0.005
0.006
0.006
注:
本表所有各项目数据均由顺德区环境监测站测定
3.2结果分析
顺德地处珠江三角洲腹地,位于西、北江中下游的河网地区,河涌纵横交错,四通八达,水资源丰富。
主要河道5条,内河涌1394条。
根据2001年市(区)环境保护监测站监测的水环境数据分析,顺德境内河道和内河涌的主要污染源为生活污水,并造成水体富营养化。
从我们对放养水生植物前、后污水水样中氮、磷和重金属铜离子含量测试,结果表明:
3.2.1在新城区苏岗河涌污水水样放养水葫芦等水生植物5天后,水样中氨氮的平均含量降低了64.98%;磷的平均含量降低了44.57%;重金属铜的平均含量降低了52.78%;
3.2.2三种水生植物中,吸收氨氮、磷、重金属铜能力最强的是水葫芦(65.29%、56.52%、58.33%);其次是浮萍(63.91%、44.57%、50.00%);第三是金鱼藻(62.32%、32.00%、50.00%)
3.2.3三种水生植物中,吸收重金属铜能力比吸收磷要强。
从我们的实验得出:
水葫芦、浮萍、金鱼藻等植物,有很好的净化污水能力,特别是对富营养化水质,对改善我区河涌水质有重要的作用。
科学家们总结了许多研究成果后认为,水葫芦等在生长过程中需要大量的氮、磷等营养物质,并对重金属离子、农药等有极强的富集能力。
水葫芦的吸污能力在所有的水草中是最强的。
在适宜条件下,一公顷水葫芦能将800人排放的氮、磷元素当天吸收掉,水葫芦还能从污水中除去镉、铅、汞、铜、银、钴、锶等重金属元素。
4建议
尽管水葫芦等水生植物在温暖、向阳及富含有机质的水域(特别是在富营养化水体)中生长旺盛,泛滥成灾,堵塞河道,影响航运,阻碍排灌。
但适量的水葫芦等水生植物生长对水质的净化是有利的,关键是科学管理和转化利用。
水体富营养化的主要成因是生活污水,对其治理,必须除去生活污水中的氮、磷等营养元素。
在污水处理厂净化污水除氮、磷等营养元素时,主要用硝化法即用活性污泥进行处理,速度较快,但有大量的污泥沉淀,难以处理。
据此学生提出以下建议:
4.1利用水生植物对水中氮、磷等营养元素和污染物的吸收及分解作用,通过选择不同的水生植物及其组合来适应不同的受污染水体,通过控制水生植物的数量来调控净化能力的大小,以修复受污染水体和保持水质。
4.2将按照易种植、生长快、去污能力强等标准,筛选若干种水生植物,在污水处理厂和河涌将种植的水生植物群落局限在特定范围内,防止其随波逐流任意扩散。
4.3由于水葫芦等水生植物在富营养化的水体中生长旺盛,为防止其二次污染水体,要及时打捞,利用水葫芦等水生植物中含有大量氮磷钾的特点,制作有机、无机复合肥;将水葫芦的枯叶干枝掩埋,作为多种植物的绿肥等综合利用。
5收获与体会
5.1通过这次的实践活动,使学生更加清楚认识到河涌在生态环境方面所起的重要作用。
净化污水,去除富营养化,改善了我区水域的生态环境,提高了我区水环境的生态效益。
5.2在这次研究活动中,使学生初步掌握了进行科学探究问题的一些基本方法;促进了学生对理论知识的掌握,提高了信息资料搜集和利用的能力、分析和解决问题的能力以及合作交流的能力。
5.3研究活动的开展,对学生在情感、态度和价值观取向方面起到了教育引导作用,并初步形成了主动参与社会决策的意识。
5.4通过这次活动,使学生认识到我区提出“青、碧、蓝”工程,是一项高瞻远瞩、造福当代、福荫后代的重要决定,它既维护了生态环境,又在环境方面支持社会经济的可持续发展。
对顺德建成花园式河港城市将发挥重要的作用。
参考文献
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水生植物净化水质的机理及其应用方式
更新时间:
9-1111:
01
[摘要]综述了水生植物在污水处理中的应用及其净化水质的机理,以及利用水生植物营造的净化塘、人工湿地系统、水域浮床技术和根际过滤技术等方式净化污水的研究进展。
[关键词]水生植物;水环境;净化作用
地球表面积71%被水覆盖,大洋承纳了整个生物圈内97%的水体,极地冰固化了生物圈内2%的水体,只有不到1%的水体以淡水形态存在于江、河、湖泊中,这也是人类和其他生物赖以生存的基础。
但是,随着工业化进程的加快和人口数量的不断增加,生态环境不断受到破坏,水污染日趋严重,大多数水体超过国家地表水环境质量四类标准[1]。
水体污染问题受到了广泛的关注,前人对如何预防和治理水体污染做了大量的研究[2~4]。
在污水处理中,传统污染水处理方法如生化二级处理法,工艺成熟、处理效果理想,但建造、运行、管理费用过高;化学法(如加入硫酸铜等)和换水法处理污水,虽然均有一定效果,但化学法易产生二次污染,换水法不够方便、经济,且仅适宜于小型水体。
为了寻找高效低耗的水污染处理技术,自20世纪70年代起,水生植物开始受到人们的关注。
水生植物不仅具有较高的观赏价值,还能主动吸收水体中的养分物质,对富营养化水体可起到净化作用。
为此,笔者就水生植物对水质的净化作用和机理进行了概述与分析,同时就其在净化污水方面的应用方式进行了简要论述,以期为科技工作者治理水体污染提供一些参考。
1水生植物在污水处理中的应用
凡生长在水中或湿土壤中的植物,以大型的草本植物为主,包括水生、湿生和沼生植物,称为水生植物(hydrophyte)[5]。
水生植物主要包括3大类:
水生维管束植物、水生藓类和高等藻类。
在污水治理中应用较多的是水生维管束植物,它具有发达的机械组织,植物个体比较高大,可分为挺水、浮水和沉水3种生活型[6],这3种类型的水生植物在污水处理系统中存在一些不同的应用方式,详见(表1)。
2水生植物净化水质的机理
我国利用水生植物净化水质的研究始于20世纪70年代中期,包括静态条件下单一物种及多种植物配植对污染物浓度较高污水的净化作用,及动态方法研究水生植物对污水处理效果[7]。
近30年来,对东湖、巢湖、滇池、太湖、洪湖、保立湖、鸭儿湖等浅水湖泊的富营养化控制和湿地生态系统恢复的大量研究证明[8~10],水生植物可以吸收、富集水中的营养物质及其他元素,可增加水体中的氧气含量,或抑制有害藻类繁殖的能力,遏制底泥营养盐向水中的再释放,利于水体的生物平衡等。
水生高等植物能有效地净化富营养化湖水,提高水体的自净能力[11],也是人工湿地系统发挥净化作用必不可少的因素之一[12~15]。
2.1植物自身的性状和抗性能力
水生植物由于长期生活在一种缺氧、弱光的环境中,形态解剖结构上形成特殊性[16]。
根、茎、叶形成完整的通气组织,保证器官和组织对O2的需要[17];叶片呈肉质,如香蒲表皮有厚角质层,栅栏组织发达,污染点处的根、茎、叶表皮细胞排列紧密等结构能抵抗因污染受害而引起的同化功能下降、水分过分蒸腾,增强了香蒲植物的耐污性和抵抗力[12]。
2.2植物的吸收、富集作用
水生植物根系发达,利于吸收水中物质。
如凤眼莲生长过程需要大量的N、P营养物[18],它吸收后生长迅速,对于净化富营养化水体效果明显[19],李周玉等[20]研究了凤眼莲对养殖水体中Cu离子的消失率,第3dCu离子消失率达53%,第6d则可达75%。
香蒲植物吸收废水中的重金属时,吸收能力大小依次是根>地下茎>叶,并且按照一定的比例从生境中吸取各种元素,形成新的动态平衡,防止对某元素吸收过多而引起毒害。
植物吸收污染物后,尤其是重金属离子、农药和其他人工合成有机物等,便富集、固定在体内或土壤中,减少水体中污染物量。
研究表明,Pb、Zn进入香蒲体内,主要积聚在皮层细胞中的细胞壁上,只有少量进入原生质,可见细胞壁对重金属有较高的亲和力[21]。
2.3净化塘的沉降、吸附和过滤作用
净化塘里水生植物生长旺盛,根系发达,与水体接触面积大,形成密集的过滤层。
如香蒲,它的地下茎和根形成纵横交错的地下茎网,水流缓慢时重金属和悬浮颗粒被阻隔而沉降,防止其随水流失[23],同时又在其表面进行离子交换、整合、吸附、沉淀等,不溶性胶体为根系吸附,凝集的菌胶团把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来[22]。
2.4生化作用
植物净化污水的过程中生化作用也起到很大作用,这方面已有大量的研究[19,23,24]。
光合作用产生的O2和大气中的O2直接输送到植株各处,并向水中扩散,一方面根系通过释放O2,氧化分解根系周围的沉降物;另一方面使水体底部和基质土壤形成许多厌氧和好氧小区,为微生物活动创造条件,进而形成“根际区”。
这样,植物代谢产物和残体及溶解的有机碳给湿地中的菌落提供食物源;同时,大量微生物在基质表面形成灰色生物膜,增加了微生物的数量和分解代谢的面积,使植物根部的污染物(富集或沉降下来的)被微生物分解利用或经生物代谢降解过程而去除。
富营养化水体中,也可依靠水生植物根茎上的微生物使反硝化菌、氨化菌等加速NH+4—N向NO-2—N和NO-3—N的转化过程,便于水生植物吸收与利用,减少底泥向水体中的营养盐释放。
2.5对浮游藻类的竞争抑制作用
富营养化严重的水体中,藻类疯长,水质恶化。
栽种水生植物后,同浮游藻类竞争营养物质及所需的光热条件,同时分泌出抑藻物质,破坏藻类正常的生理代谢功能,迫使藻类死亡,以防止其带来的毒素[23,24]。
这样可提高水体透明度,改善水中的DO含量,促进沉水植物与共生菌的生长,进一步净化水质。
3利用水生植物净化污水的处理方式
3.1净化塘
目前在利用水生植物净化污水时通常是以净化塘的方式,如凤眼莲净化塘、香蒲植物净化塘等[25~27]。
净化塘是以某种水生植物占绝对优势而组成的特殊水生生态系统,这个系统通过水生植物群落的阻滤、沉降、吸附等物理作用以及植物体的吸收、积累等作用而达到对污水的净化效果。
最近几年,水生植物净化塘在国内外发展都比较快,能净化的污水种类越来越多,已由净化生活污水发展到工业废水和城市混合污水;处理规模也越来越大,从利用人工的净化塘发展到利用天然湖塘、湖湾放养水生植物净化水质和底泥。
在水生植物的利用上,由一种植物为主发展到多种植物搭配,以相互取长补短,达到最佳的净化效果。
比如选用耐寒植物伊乐藻和喜温植物凤眼莲及菱,组建成的常绿型人工水生植被。
不仅使试验区内常年保持较好的水质,而且对外来污染冲击有很强的缓冲能力,它可用于水源保护、局部性水质控制、污水净化生态工程、小型富营养水体的生态恢复等[28]。
3.2人工湿地系统
20世纪70年代发展起来的人工湿地系统是利用水生植物处理污水的又一发展方向[29,30]。
由于建造和运转费用低、维护简单、效果好,且为众多野生动物提供了栖息地,成了研究的重点。
如芦苇湿地可用于处理生活污水和部分工业废水,如造纸废水、纺织废水、啤酒废水、炼油废水、养殖和饲料及食品加工废水等。
其基建投资、运转费用和能耗均为常规二级处理方法的1/3~1/5,并有较好的经济效益和生态效益[31]。
Nyakang等[32]利用香蒲、芦苇、美人蕉等观赏性水生植物,经过1块湿地和3个池塘构成的宾馆和游泳池污水处理系统,在达到去污目的的同时也营造了优美的水体景观。
Koottatep等[33]还发现进入湿地约50%的总氮是被植物吸收的。
湿地系统去除污染物的机理主要是通过沉降、过滤、化学沉淀和吸附、微生物反应和植物吸收等反应过程除去水中的污染物。
所以湿地是一种低成本、易操作和高效率的污水处理方法。
3.3水域浮床技术
水域浮床技术早期仅应用于农业生产,近10年来有学者利用该技术进行水污染控制。
它采用人工新材料作浮床,并通过独特的肥料供应、植物栽培与相应的工程措施,在自然水域的水面上无土栽培植物,在改善水域环境的同时,增加水产品产量[34~37]。
3.4根际过滤技术(Rhizofiltration)
根际过滤技术是近几年发展的一种植物修复技术,用来处理放射性核素废水、重金属废水以及富含营养盐的废水。
它利用超积累植物的根系从废水中吸收、富集和沉淀污染物,是更经济、更适于现场操作的原位污染治理技术[38,39]。
4结语
众多研究表明,利用水生植物处理系统进行水污染控制具有投资、维护和运行费用低,管理简便,污水处理效果好,可改善和恢复生态环境、回收资源和能源以及收获经济植物等诸多优点,在污水处理和富营养化水体净化等方面均表现出良好的效果。
未来的研究应注重本土原生植物的特性、跨区域引进新型物种的意义、水生植物修复的机理、物质循环、根系与水或土壤的微环境关系、植物与周围微生物如何共同作用等方面。
目前利用水生植物净化污水尚有许多不足之处,但随着人们对其研究的深入,特别是在工艺选择和净化机理等方面的努力,水生植物必将在水污染控制中发挥更重要的作用,从而更大程度地造福于人类。
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