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水生植物载体在水环境治理中的应用

2018-03-13 11:54 来源:环境治理论文 人参与在线咨询

摘要:指出了水生植物种植载体因为其经济高效、具有良好的区域美化效果以及持久耐用而被人们广泛采用。探讨了不同类型水生植物载体在水环境治理中的应用,分析了不同类型水生植物载体的特点,总结了不同类型水生植物载体应用现状以及对水体的净化效果等,同时展望了水生植物载体的发展前景。

关键词:水生植物载体;水环境治理;应用现状

1引言

目前,我国地表水的污染状况不容乐观,尤其是水体的富营养化问题日益加剧,水体中的氮、磷等元素严重超标,水环境修复成为一项艰巨的工程。物理和化学的修复方法,如添加磷酸铵镁来去除氮磷,虽然去除率高,反应速率快,但容易引起二次污染。种植水生植物来修复污染水体,一方面可以达到净化水质、去除水中氮磷元素的效果,另一方面种植的水生植物价格低廉,投资少,有的还可以作为经济植物并且有一定的区域美观效果。常见的水生植物种植载体有人工浮床、人工沉床、生态护坡等。其主要机理都是利用高分子材料作为基质的载体,种植不同种类水生植物、选取不同种类的填料,通过植物发达的根系以及吸附在植物根系上的微生物来去除水体中的氮磷等污染物。近年来,我国的水生植物种植技术取得了一系列成果,对污染地表水的生态修复起到了积极的作用。笔者总结了水生植物种植载体在水环境修复方面的应用,展望了其发展前景。

2人工浮床

人工浮床又称为人工浮岛、生态浮床等,是一种无土栽培技术,人工浮床种植的大型水生植物在生长过程中对氮、磷等元素进行吸收,并且植物的根系具有巨大的比表面积,能为水体中的微生物提供吸附载体,形成生物膜,对水体中的悬浮物质进行吸附,而且植物根系还能够富集水体中的一系列的重金属元素和有机污染物,最终在植物生长成熟之后,将植物搬离水体,使水体中的污染物大幅度减少,水质得到改善[1]。自1991年以来,我国利用生态浮床技术,成功地在大型水库、湖泊、河道、运河等不同水域种植了46个科的130多种陆生植物,累积面积达10余hm2。其中种植的大面积单季水稻产量在8.5t/hm2以上,最高可达10.07t/hm2;黑人蕉、旱伞草等花卉比在陆地种植取得了更好的群体和景观效果[2]。人工浮床因其植物茂密的根系和为水生动物提供相对稳定的特点而具有良好的发展前景。

2.1人工浮床的类型

人工浮床分为两类———湿式浮床和干式浮床。干式浮床是水生植物与水面相互不接触的浮床,湿式浮床为植物与水面相互接触的浮床。干式浮床没有净化水质的效果,主要起到美化水域的作用。一般的大型干式浮床是用混凝土或者发泡聚苯乙烯制作的。湿式浮床植物与水面直接接触,净化效果相对来说比较好。湿式浮床又分为两类,有框型和无框型浮床。通常来说,有框型浮床的框架由高强度轻型材料如塑料、混凝土、不锈钢加发泡聚苯乙烯板材、盐化乙烯合成树脂、特殊发泡聚苯乙烯加特殊合成树脂等高强度新型材料制成。无框型浮床通常采用椰子纤维编制而成。根据统计,使用湿式浮床的大约占70%左右[3,4]。传统的生态浮床一般是由3部分组成:浮床的整体框架、水下固定装置和水生植物。框架采用最多的是硬聚氯乙烯(UPVC)管材和竹子框架等,水生植物一般所采用的是湿生植物,美人蕉、鸢尾、菖蒲等。一般基本的固定方法有重力型、杆定型和锚定型等。将3部分很好地结合在一起,组成了传统式人工浮床[5]。组合式人工生态浮床是传统浮床技术的改进,主要包括2种类型,即在植物和浮体的基础上增加基质和在植物、填料和浮体的基础上增加滤食性动物[6]。传统水生植物浮床仅种植一些大型水生植物,生物组成相对来说较单一,构成完整生态系统的水生生物及微生物环节较为薄弱,阻碍了生态功能的发挥,有限的植物和生物量也制约了其水质净化效能的进一步提高[7,8]。组合型生态浮床则是在原有浮床基础上增加了水生动物与微生物的数量从而提高净水效果。

2.2人工浮床的应用现状

人工浮床在我国已经有20多年的发展历史,近几年来,利用浮床技术原位修复污染水体,取得了许多研究成果。例如,王金丽等(2011)[9]研究了人工浮岛对模拟滞流景观水体的水质改善效果,并比较了5种植物对污染物的去除效率,发现鸢尾对TN、NH3-N和COD的去除效果较好,美人蕉对藻类暴发的延缓与抑制作用最强,千屈菜和旱伞草的除磷效果较好。王芳等(2014)[10]构建新型立体组合式生态浮床系统,在实验中发现浮床种植美人蕉对NH3-N的去除效果比黄菖蒲好,并且美人蕉与黄菖蒲两者混合栽种对NH3-N的去除效果比单一美人蕉的效果明显。王郑等[11]研究由水生植物与人工填料构建的组合型生态浮床对某农家乐污水的净化效果,对化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH+4-N)和总磷(TP)都有较好的去除效果,去除率分别达到79.71%、73.88%、88.67%和85.61%。陈友媛等(2017)[12]研究了盐生植物碱蓬和微生物构建的组合型浮床对富营养化微盐碱水体的净化效果,组合型浮床对水体中的总氮、总磷、高锰酸盐指数的平均去除率分别为70.5%、34.7%、70.7%,其中微生物对污染物的去除率高于植物。常雅军等[13]运用天然矿物海泡石、膨胀蛭石、工业副产物炉渣、粉煤灰以及微生物固定化载体海藻酸钙(包埋反硝化聚磷菌-DPAOs)制成低价高效的浮床复合基质,制成的生态浮床对富营养化水体具有高效脱氮除磷效果,尤其解决了植物浮床在水体磷去除方面效果较差的缺陷。赵艺[14]提出了一种新型生态浮岛———风光互补曝气污水处理系统,将人工浮岛与风光互补技术结合。将风能和太阳能转换为电能带动曝气装置的运行,增加了水中的溶解氧,使植物和微生物更好地生长,提高了处理脱氮的效率,且该装置利用太阳能和风能,具有良好的生态效益,同时具有区域美观的作用。从生态浮床的应用现状看,传统生态浮床已经远远不能满足对水质净化效果的要求,组合式生态浮床的形式越来越多样化,越来越复杂,生态浮床的应用范围也越来越广泛。但形式多样、结构复杂的浮床背离了“植物是浮床净化水质的主体”的初衷,更应该被称为“水体净化的组合装置”。

2.3人工浮床在应用中的问题

(1)选择合适的水生植物来净化污染水体。据国内外研究调查,约有240种以上的水生植物有利于治理富营养化水体,如美人蕉、芦苇、菖蒲、水芹、黄花水龙等。不同植物对富营养化水体修复的效果不同。如在总氮、总磷的去除方面,不同植物去除氮、磷的能力不同,有研究表明,在水葱、虉草、宽叶香蒲等几种植物中,水葱的效果最好,虉草最差[15]。从对氮磷的去除率、植物是否易于存活以及经济适用性4个方面综合考虑,优先考虑种植慈菇和茭白,其次为金鱼藻、水花生和满江红,最后考虑菹草和菱角。有些水生对富营养化水质也有很好的净化效果,如凤眼莲、黄花水龙等,种植时需严格控制。(2)浮床载体的选择也影响水质净化效果。现大部分浮床载体材料多由高强度轻型材料塑料、混凝土、不锈钢加发泡聚苯乙烯板材、盐化乙烯合成树脂、特殊发泡聚苯乙烯加特殊合成树脂等高强度新型材料制成。但这种载体比表面积较小,且表面较为光滑,不易于挂膜,长期使用将产生白色污染。1999年郑世华等[16]研制出一种陶瓷浮岛。这种浮岛以火山灰碳化硅为原料烧制而成,呈板状,可浮于水面,能承重,具有较高的强度,材料稳定性高,可在各种水体环境使用,不污染水体,不为微生物破坏,重复利用率高,克服了聚苯乙烯泡沫板强度低的缺点和造成的白色污染问题,更避免了植物根茎浮岛的微生物分解所造成水质污染的问题。(3)如何改善生态浮床在冬季的净化效果。生态浮床对污染水质的净化是利用植物与微生物的结合而起到较好的净化效果。冬季温度较低,植物体内酶活性降低,植物的生存能力也随之降低甚至死亡。且有学者[17]认为,硝化细菌和亚硝化细菌的生长繁殖速率和活性会受到低温的抑制,受温度的影响较大,微生物硝化反硝化反应速率降低,污水的净化效果受到严重严重影响。此外,温度降低,水面结冰,水中的溶解氧量逐渐减少,植物微生物无法继续生长,水质处理效果受到影响。改善生态浮床在冬季的净化效果,可以通过改变进水速率或在浮床装置中安装曝气装置,提高水中的溶解量。在浮床滤料表面增加覆盖物,对浮床具有保热效果。覆盖物的选择,一方面要注重其保温效果,另外一方面要也要注意覆盖物是否会在使用过程中产生污染,影响水体。有资料显示,若用含碳量较高的木屑,会使植物生长期引起氮缺乏,此类覆盖物分解,将会降低系统处理效果[18]。另选用耐低温的植物和微生物也可以改善其净化效果。

2.4人工浮床的价值

浮床应用广泛。一方面因为浮床的成本较低,并且可以用来种植的水生植物种类多;另一方面,浮床的治污原理是利用植物发达的根系来吸收水中的有机物、N、P等元素,因此不需要专业的机械设备,并且治污效果明显。生态浮床也可以作为景观美化环境,如干式浮床。但生态浮床也存在着一些不足之处,如生态浮床制作施工周期较长、生态浮床上的植物大都不能过冬,而且生态浮床如若想要大规模推广,则需要经常及时采收,需要大量的人力等。

3人工沉床

人工沉床主要由填料、沉水植物和附着在基质与植物体表面的微生物三大部分组成,可通过浮力来调整床体在水体中的位置,克服水体透明度低的不利因素,提高植物的存活率。20世纪70年代以来,水生植物开始受到人们的关注,许多植物的耐污及治污能力被发现,多种以大型水生植物为核心的污水处理和水体修复生态工程技术被开发[19,20]。然而,有些污染严重的水体透光度较差,水中的一些植物尤其是沉水植物难以存活,在水体中腐烂又造成了水体的二次污染。人工沉床技术则是根据这一问题而设计出的生物—生态水体原位修复技术。其主要用法是:一方面,利用水生植物对水体氮磷元素的吸收,另一方面,人为的调控床体的高度来克服水深和透明度的问题,防止植物在水体中腐烂造成二次污染。人工沉床对水体的净化是一个复杂的物理、化学和生物过程,既包括植物的吸收、植物及填料的物理吸附,也包括生物化感及微生物降解等作用[21]。其净化过程主要由植物与微生物协同构成。植物的根系为微生物提供了良好的附着界面,易形成生物膜。根区以内的好氧微生物进行硝化反应而根区以外的厌氧微生物则进行反硝化以及对厌氧水中的有机物进行厌氧分解。植物通过根还可释放很多有机复合物,这种释放的数量目前还不清楚,有报道的值一般占光合作用固定碳的10%~40%,在某些植物中,由根分泌的这种有机碳可作为反硝化者的碳源从而增加了硝酸盐的去除[22,23]。

3.1人工沉床对水体的净化效果

近年来,我国的人工沉床技术飞快发展。人工沉床的净化效果不仅受所种植的植物的影响,还取决于填料。常用的填料有陶粒、活性炭、沸石、炉渣等。程鹏飞等[24]研究了不同填料人工沉床修复轻度污染水体的试验,结果表明所选取的3种填料:炉渣、陶粒和锯末,其中锯末对CODMn、氨氮以及总氮的去除率效果最好,其原因在于锯末具有较好的孔隙率和干容重,属于轻质多孔型填料。李金中等[25,26]选取页岩、陶粒、砾石和麦饭石4种填料进行研究,通过对化学需氧量、总氮和总磷的去除效果的综合比较,陶粒是一种较为理想的人工沉床的填料选择。上述的两个研究表明,轻质多孔的无机填料为较理想的人工沉床的填料选择。蒋欢等[26]采用改良型人工沉床技术———生态悬床技术构建水生生态系统,对河道水体进行原位生态净化。生态悬床是一种悬浮式沉水植物床,由可种植沉水植物的种植床与种植床连接的浮力系统和防护系统组成。在悬床工艺中,悬浮于水中距离水面一定深度的种植床中装有种植基质,为沉水植物提供生长基质和适宜的光照条件。项目实施后,对于河道型微污染水源地中有机物的去除效果不显著,对于总磷、氨氮的去除效果较好。

3.2人工沉床的优缺点

人工沉床是一种由载体和人工基质、水生植物结合成的小型水体生态系统,是一种生物生态水体修复技术,形成植物———微生物的协同净化,能够比较全面系统的修复水体。并且人工沉床通过人为的对植物在水中高度的调控,易于优化水体现有的生物群落,可以有效的解决由于水深较大,透明度较差,水下光照条件较弱,直接载种于水底的沉水植物存活率较低的问题,避免了对水体的二次污染。但人工沉床要对承载植物和基质的载体进行人工调控,需要较高的机械技术,对于处在离河岸较远的水域,安装工艺的要求变高,难度较大,并且不易进行标准化推广应用。不同的水域流体,其污染程度不同,水流、温度、流速等都不尽相同,需要相应地进行植物设计组合搭配,才能较大程度的解决污染问题,很难制定一个统一的标准[21,25]。

4生态护坡

人工浮床和人工沉床用于水体中,利用挺水植物和沉水植物来吸收去除水中的污染物,而生态护坡是在滨岸带进行植被重建,建立一个新的植物群落,用来截留面源污染,净化水体,以期达到修复受损水体的目的。生态护坡技术,是基于水利工程学、环境科学、力学、生物科学和生态学等学科的基本原理,利用植物与工程材料相结合,在边坡上构建具有生态功能的护坡系统,通过生态工程的自支撑、自组织与自我修复等功能,实现边坡的抗冲蚀、抗滑动和生态恢复,以达到减少水土流失、维持坡面植物生存环境、提高坡面动物和微生物栖息地的质量、营造生物多样性、提高河流自净能力,改善人居环境等目的[27]。

4.1生态护坡的类型

根据国内外的生态护坡技术的理论研究和工程实践,可以将以植物为主体结构的生态护坡关键技术分为三类:全系列生态护坡、土壤生物工程以及复合式生物稳定技术。全系列生态护坡技术是从坡脚至坡顶依次种植沉水植物、浮叶植物、挺水植物、湿生植物(乔、灌、草)等一系列护坡植物,形成多层次生态防护,兼顾生态功能和景观功能[28]。土壤生物工程是一种边坡生物防护工程技术,采用有生命力的植物根、茎(杆)或完整的植物体作为结构的主要元素,按一定的方式、方向和序列将它们扦插、种植或掩埋在边坡的不同位置,在植物生长过程中实现稳定和加固边坡,控制水土流失和实现生态修复[29]。复合式生物稳定技术是生物技术与工程技术相结合的复合式生态护坡技术。这种生态护坡技术强调活性植物与工程措施相结合,技术核心是植生基质材料,依靠锚杆、植生基质、复合材料网和植被的共同作用,达到对坡面进行绿化和防护的目的[30]。根据边坡土质条件,生态护坡还可以分为土质生态边坡防护和岩质边坡生态防护。其中岩质边坡生态防护的关键是建立创造植物生长的有利条件。常见的生态护坡支护形式有:人工自种草护坡、液压喷播植草护坡、客土植生植物护坡、平铺铺草皮护坡、浆砌片石骨架植草护坡和植生混凝土护坡等[31]。

4.2生态护坡技术在水环境保护方面的应用

目前,生态护坡的应用多集中在传统护坡改为生态护坡后,滨岸带的生态效应的改善状况。如,边博等[32]探明砌块式生态护坡对控制太湖流域降雨地表径流污染削减效果,同时发现修复后护坡植物覆盖度和种类明显增加,生物多样性更加丰富,群落结构将逐渐趋于稳定。陈小华等[28]在上海4个生态河道示范区,开展了以生态修复和河岸侵蚀控制为目标的河道生态护坡技术研究,3年后发现河岸生境得到改善,本地植物快速恢复,生物多样性增加,河岸植物群落结构由单一结构向复杂结构转变,生态稳定性逐渐增强。关于对河道、湖泊的水质改善方面,郭伟杰等[33]研究了合肥市南淝河美人蕉生态护坡对河道的水质改善作用,河水经流生态护坡后,对TSS、TN、NH+4-N、TP和COD相应的平均去除率分别为76.4%、45.6%、57.5%、40.1%和29.0%。另外,美人蕉护坡微生物的数量显著多于无植物坡岸(p<0.01)。蔡婧等[34]在上海市进木港生态河道示范区,通过现场模拟径流试验,研究了柴笼、灌丛垫、植草3种不同类型的生态护坡对地表径流的延滞作用和污染控制作用,结果表明,生态护坡在控制地表径流污染方面具有良好的生态效益,在延滞地表径流、拦截悬浮固体、截留营养盐等方面的能力均显著优于对照裸坡(p<0.05)。

5展望

利用水生植物净化水体,具有经济性、区域美观性以及不须投加药剂不会造成二次污染等优点。利用水生植物净化水体,关键在于植物的正常生长,不同类型的水生植物载体对植物的生长起到固定、稳定的作用。不同类型的污染水体,可根据实际情况,选用不同的水生植物载体,从水面到水下,从岸边到水中,全方位的进行水体修复。水生植物载体应向材料轻质化、比表面积大、便于组装、稳定性好等方面发展。将地理信息系统技术(GIS)、遥感(RS)、水下摄像技术等应用于水体修复的规划、设计、管理和评估等方面,可以提高工作效率,减少生态干扰。材料科学与信电技术的共同进步必将水生植物载体推向一个新的发展阶段。

作者:张妮 万蕾 单位:徐州工程学院

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