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水生态修复植物水质净化能力概述

2023-06-20 11:25:00

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[摘要] 水生态修复植物水质净化能力概述 由于工业化和城市化的不断推进,大量污染物进入水体影响了人类的生产生活与健康,怎样有效去除水体污染物成了至关重要的问题。处理水体中各类污染物的方法多种多样,传统方法常使用物化修复技术,但与生态修复技术相比则略逊一筹,生态修复技术因操作简单、成本低廉、生态友好和可持续性强等

水生态修复植物水质净化能力概述

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由于工业化和城市化的不断推进,大量污染物进入水体影响了人类的生产生活与健康,怎样有效去除水体污染物成了至关重要的问题。处理水体中各类污染物的方法多种多样,传统方法常使用物化修复技术,但与生态修复技术相比则略逊一筹,生态修复技术因操作简单、成本低廉、生态友好和可持续性强等优点被广泛应用。水生植物是水生态修复的关键要素,目前,水生植物对水体中各种污染物去除的研究与应用已十分广泛,但由于不同植物针对的目标污染物及其净化能力不同,若对它们认识不足容易导致水生态修复净化水质应用时出现选择盲目性问题。本文对比总结了常见水生植物对氮、磷营养盐、多种重金属和化学需氧量(COD)的净化能力及影响因素,以期为污染水域水生态修复时水生植物的筛选提供参考。


氮、磷营养盐净化植物

氮、磷营养盐净化植物筛选

氮净化植物


通过对多篇文献的总结发现,挺水植物对水中总氮去除率较高,其中有45%的挺水植物总氮去除率达到90%以上,美人蕉、芦苇、芦竹的总氮去除率更是高达99.1%;氨氮是水生植物优先利用的无机氮形态,沉水植物对氨氮的去除率相对较高,氨氮去除率在90%以上的沉水植物高达58%,其中粉绿狐尾藻对氨氮去除率达到98.6%;水生植物对硝态氮的去除研究多集中在挺水植物,90%以上的挺水植物适用于水中硝态氮的净化,其中芦苇、水葱、慈姑对硝态氮的去除率较高。

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去除效率是指单位时间内水生植物单位生物量的污染物去除量,可用于表征水生植物对污染物的去除能力和效率,通常有单位质量生物量氮去除效率、单位水域面积生物量氮去除效率和单位植株生物量氮去除效率3种指标。通过对文献的总结发现,沉水植物单位质量生物量氮去除效率和单位水域面积生物量氮去除效率总体高于其他生活型的水生植物,这可能与其个体矮小且完全生长在水中有关。但用单位植株生物量氮去除效率表征时,体型较大的挺水植物表现出较大优势,如芦苇、菖蒲等。


总体而言,沉水植物和挺水植物中有较多水生植物对水中氮的去除率和去除效率相对较高,特别是沉水植物中的粉绿狐尾藻和挺水植物中的美人蕉、芦苇、芦竹、水葱、慈姑、菖蒲等。


磷净化植物


通过对多篇文献的总结发现,不同生活型的水生植物中都有对总磷去除率较高的植物,许多可以达到去除率90%以上,有挺水植物中的泽泻、芦苇、香蒲、菖蒲、芦竹、旱伞草,沉水植物中的金鱼藻、粉绿狐尾藻、苦草、轮叶狐尾藻,漂浮植物中的凤眼莲、槐叶萍、满江红、大薸,浮叶植物中的睡莲、菱等,其中泽泻对总磷的去除率最高可达99.2%。

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漂浮植物和挺水植物的总磷去除效率总体上优于其他生活型的水生植物,特别是漂浮植物中的凤眼莲、大薸和挺水植物中的菰。


因此,综合不同水生植物的总磷去除率和去除效率,磷高效净化植物主要属于漂浮植物和挺水植物,可选择的植物有凤眼莲、大薸、泽泻、菰等。比较水生植物对水中氮、磷的净化能力发现,存在着可同时高效净化水中氮、磷的物种,其中漂浮植物中的凤眼莲、大薸可谓是最佳物种。


水生植物去除氮、磷的影响因素


水生植物对氮、磷营养盐的去除受到温度、PH、水深、水流流态等环境因素的影响,为提高水生态修复植物水质净化效果和效率,有必要了解不同环境因素对水生植物净化水中氮、磷的影响。

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水体温度与PH是影响水生植物生长的重要因素。研究表明,在不同温度、PH条件下水生植物的营养盐去除能力不同。根据水生植物的耐温特性、PH适应能力和营养盐去除能力筛选出适合不同温度、PH的高效净化植物(见上表)。粉绿狐尾藻、菹草等适用于低温环境,凤眼莲、大薸等则适用于高温环境。苦草、浮萍适用于弱碱性水体,而水蕴草、金鱼藻适用于弱酸性水体。


此外,水环境中的水深、流速等条件也会影响水生植物的营养盐去除能力。挺水植物通常只能生长在水深较浅的地方,根茎叶截面积较大、强化组织比例高、根冠比较大,抵御水流波动的能力较强。沉水植物和漂浮植物因个体小、体态柔软而适宜的水深范围较广。


重金属净化植物

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水生植物对多种重金属的去除能力


重金属具有毒性大、难降解、易吸附在悬浮物上等特点,会对水生生物产生毒害作用,经过食物链进入人体后更是可能产生严重的健康危害。水生植物去除水中重金属的途径包括植物提取、植物固化、植物挥发、植物降解等。不同生活型的水生植物对多种重金属的去除率总结于上表。总体而言,漂浮植物在去除水中多种重金属方面具有明显优势,是水体受多种重金属污染时应首先考虑的修复植物生活型。凤眼莲、大薸、浮萍、紫萍对很多重金属的去除率可达到或接近90%。

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水生植物去除重金属的影响因素


水生植物对重金属的去除受到温度、PH以及其他水溶性离子等的影响,不同水域条件需找到适宜的水生植物种类才能高效去除水中的重金属。温度对植物的代谢活性影响较大,在水生植物适宜的生长温度范围内重金属的富集效果才会比较好。通常,30℃以上受多种重金属污染的高温水域可选用凤眼莲、大薸、浮萍等水生植物,10℃以下的重金属污染水域可优先考虑伊乐藻,芦苇、长苞香蒲、黄菖蒲等则可在10-30℃的重金属污染水域里生长良好。


PH会影响水生植物的生长状态及重金属与H+或OH-的结合情况。一般水生植物生长适宜的PH为4-8,而重金属通常在碱性条件下易形成悬浊物而不利于植物吸收。因此,当水体PH处于弱酸性时能较大程度地发挥水生植物的重金属去除作用。


环境中其他水溶性离子的存在也会影响水生植物对重金属的去除情况,如牛毛毡对镓、铜、锌、镉和铅的去除率会随溶解性硅的增加而提高。适当增加水中NO3-、NH4+和PO43-的浓度可为水蕴草的生长提供充足养分,提高其对水中镉的耐受性并积累。也有研究表明,水中盐度是影响篦齿眼子菜、芦苇对镁、钠、锂、锶、锑等积累的重要因素之一,而且芦苇水下部分的钠和镁含量与水中盐度之间存在显著的正相关关系。


此外,重金属初始浓度、水力停留时间、底泥氧化还原电位等也是影响水生植物对重金属富集和转化的重要环境因素,在对水中重金属净化时应因地制宜选取合适的水生植物或为其构造适宜的环境,从而充分、高效地实现水生植物对重金属的去除。


COD净化植物

COD净化植物筛选

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COD常作为综合指标用于表征水体中有机物的污染程度。水生植物可通过吸附、截留或与附着微生物协同去除水中COD。COD去除率较高的水生植物如上表所示。挺水植物对水中COD的去除率高的种类较多,并且去除率普遍高于其他生活型的水生植物。其中,香根草对COD的去除率最高可达96.0%,旱伞草、黄菖蒲、金钱蒲对COD的去除率最高也均高于90%。可以发现,根系庞大、泌氧能力强、易附着微生物的水生植物对水中COD去除具有优势。


水生植物去除COD的影响因素

水生植物对COD的去除受到温度、PH、营养盐等因素的影响。首先,温度是一个重要的影响因素,可通过影响水生植物的生长状态和附着微生物活性而影响COD的去除情况。因此,一般来说水中COD的去除效果在春末夏初温度适宜的水域中相对较好。但一些可在高温条件下生长且COD去除性能良好的水生植物如金鱼藻、轮叶狐尾藻等也可用于温度较高的水域中COD净化。其次,PH可影响水生植物的生长状态及水中有机物的存在形态,水生植物一般在近中性时生长状态较好,COD去除效率也相对较高。金鱼藻、轮叶狐尾藻等可在弱酸性水域中发挥高效COD去除作用,而一些耐弱碱植物如芦苇可对弱碱性水域中的COD进行去除。此外,在一定范围内营养盐浓度越高,COD的去除率也相应越高,这是由于高营养盐为微生物和水生植物的生长提供了良好的营养条件,同时也可通过对有机物絮凝沉淀而进行去除。已有研究发现,菖蒲、香蒲、线叶水芹、石龙芮、浮萍和金鱼藻在总氮、总磷浓度较高的高营养废水中对COD去除效果要优于相应低营养废水。

 

总结

粉绿狐尾藻、美人蕉、芦苇、芦竹、水葱、慈姑、菖蒲对氮的去除效果较好,凤眼莲、大薸、泽泻、菰对磷的去除具有优势。漂浮植物凤眼莲、大薸、浮萍、紫萍可作为水中多种重金属污染时首先考虑的修复植物。根系庞大、泌氧能力强、易附着微生物的水生植物对水中COD去除具有优势。


水生植物的污染物去除效果通常与植物生长状态、附着微生物情况等有关,往往受温度、PH、水深、水流流态、其他水溶性离子、营养盐的影响,选择时需要考虑其对环境的适应条件或为其构造适宜的环境。

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