植物修復技術在環境治理的應用

朱國華

(山西省忻州市生態環境局監控中心,山西 忻州 034000)

引 言

隨著城市污水中重金屬含量以及營養元素的日益增加，使得一些水體如海洋、湖泊以及河流造成一定的富營養化及重金屬污染，金屬中毒時有發生。針對水體中的總氮、總磷、化學需氧量(COD)和生化需氧量(BOD5)以及低濃度重金屬離子等凈化，傳統工藝雖可以對前三者產生較佳的治理效果，但對水中低濃度重金屬離子的處理仍存在局限性。植物修復技術則可以通過遷移的方式來治理這些難降解和高穩定性的重金屬離子，該方法安全、無損且低能耗。對比國內外的相關植物修復技術發現，一些植物如燈心草、香蒲和蘆葦等作為常用研究對象，可對污水中的總氮、總磷、COD、BOD5等具有較好的凈化應用效果，但對重金屬離子的凈化處理工作未提及。本文將針對除這些常見植物的修復作用外，開展新型植物對于污水凈化治理的效果評價，達到社會環保效益、經濟效益雙贏的目的，具有一定的指導借鑒意義[1]。

1 實驗概況

本文通過模擬濕地的工作環境，選擇千屈菜、黃花鳶尾、菖蒲、石菖蒲、澤瀉以及玉帶草等6種植物應用于處理城市污水的過程中。這些植物都需經過一定的處理，位于直徑20 cm、高20 cm的桶內其生長基質厚約12 cm，且為保證實驗的準確性，生長基質需用鹽酸浸泡處理12 h后用去離子水進行洗滌，最終維持基質以上水位高度為8 cm。城市污水則選用某城市污水試樣，且其總氮、總磷、COD、BOD5的初始質量濃度為34.05、4.42、357 mg/mL。除此之外，各類重金屬(Pd、Cd、Cr)的初始質量濃度如表1所示，其值已超過環境規定的允許濃度。

2 實驗方法

整體實驗采取對照的實驗方法，包括空白組和實驗組。實驗組內分別栽培6種植物于實驗桶內，且在每個桶內放置植物的數量為3株。使用這些植物處理污水的天數分別為5 d、10 d及15 d。測量水中總氮的方法利用堿性過硫酸鉀氧化法；測量水中總磷的方法利用鉬藍比色法；COD和BOD5的測量方法分別使用HH-6化學耗氧量測定儀以及890型微機測定儀；針對污水中重金屬濃度的測定選用島津原子吸收/火焰發射分光光度計。

該植物修復技術對水體凈化效果評價的指標為計算其去除率，計算方式如下：

3 應用評價

本部分主要闡述植物修復技術對污水中總氮、總磷、COD、BOD5以及重金屬的凈化效果。

3.1 植物修復技術對總氮的凈化

目前，通過人工濕地除氮主要是基于基質吸附、硝化與反硝化作用、植物萃取、氨化以及揮發等作用。總結除氮的相關研究發現，在除氮等方面起主要作用的是基于硝化與反硝化作用[2]，而一些重金屬離子(Pd、Cd)等則對一些綠色植物的除氮起抑制作用[3]。本項工作選擇的6種植物經實驗研究得出，它們均可對水體中的氮元素去除達到良好的效果評價。在第一階段，處理時間為5 d時，黃花鳶尾、菖蒲、玉帶草3種植物達到較佳的處理效果，石菖蒲處理效果最佳。在第二階段，處理時間為10 d時，表現突出的為黃花鳶尾和石菖蒲，對水體中總氮的凈化率可達91.50%和91.40%，優于其他幾種植物。在第三階段，處理時間為15 d時，6種植物都能達到不錯的總氮凈化效果，黃花鳶尾和石菖蒲也仍保持為最佳的去除率。總結來說，6種植物對水體中的總氮均能達到強凈化、持續時間長的處理能力，這主要是基于微生物的硝化與反硝化作用、植物自身的吸收作用。

3.2 植物修復技術對總磷的凈化

通過人工濕地除磷主要是基于生物同化、絡合及沉淀、植物萃取以及吸附等過程。與研究6種植物對水體除氮的效果類似，隨著3個時間節點的延伸，去除效果也呈上升狀態。當處理時間為5 d時，黃花鳶尾的除磷效果優先得到最佳且極為顯著，占空白組的167%。對比于其他種類植物，其除磷占比則在130%～162%。當處理時間為5 d、10 d時，各類植物對于除磷的效果均達到飽和狀態，其除磷率都達到95%以上，整個水體中的總磷也維持于一定的濃度。在這6種植物中，黃花鳶尾植物達到最佳的凈化磷效果，為98.5%，石菖蒲排在第二位。總體來說，6種植物對水體中的總磷處理效果均能達到強凈化、短周期的凈化效果。

3.3 植物修復技術對COD和BOD5的影響

在人工濕地環境中，根據其基質中的含氧量，可分別進行好氧微生物及厭氧微生物對有機物的降解。但是針對濕地環境中的植物來說，它們主要是基于好氧微生物對有機物的降解，主要基于植物中導管將氧氣至其根系。有相關研究表明，金屬離子的存在并未能夠限制水生植物對COD和BOD5的影響。

首先，針對水生植物對COD的去除效果影響，在處理時間為第5天時，千屈菜、菖蒲以及石菖蒲的去除效果較為明顯，但玉帶草的處理效果相對較差。而在隨后實驗的第10天，結果表明，各類植物的去除率存在較大的差距，黃花鳶尾和石菖蒲的去除效果最佳，可達92%以上，其余種類的植物之間的去除效果則相差不大。除此之外，還需討論水生植物對BOD5的影響，在第一階段即處理時間為5 d，各類植物對BOD5的去除影響較小，當達到第三階段時，結果仍為黃花鳶尾和石菖蒲的去除效果最佳，與空白組BOD5的占比相差高于8%以上。

3.4 植物修復技術對重金屬的凈化

雖有研究報道稱，在水體中存在的重金屬離子會抑制水生植物的生長[4]。但在本次實驗中，所選取的植物對重金屬的凈化效果良好。植物修復對重金屬的凈化主要是基于植物刺激、植物降解、植物揮發、植物濾過、植物穩定以及植物萃取等作用。經分析，本實驗得出植物修復技術主要是基于植物濾過、植物穩定以及植物萃取。各類植物對于3種重金屬的去除效果分析如下：黃花鳶尾對三種重金屬去除能力最強且去除排序為Cr、Pd、Cd，且高出空白組中各類金屬占比為25%、22%以及15%；菖蒲以及石菖蒲對不同重金屬離子的去除效果不同，其中，菖蒲對Cr的去除效果僅次于黃花鳶尾，石菖蒲則對其余兩種重金屬離子的去除效果較佳；其余三種水生植物中，玉帶草和澤瀉僅對Cd的有著良好的去除效果，千屈菜可去除Cr、Pd。不僅如此，水生植物的生長基質對重金屬離子也起一定的去除作用，依據空白組實驗表明，其基質可去除70%以上重金屬離子，占有非常重要的作用。

4 結論

本文通過選擇千屈菜、黃花鳶尾、菖蒲、石菖蒲、澤瀉以及玉帶草6種植物在處理城市污水中對總氮、總磷、化學需氧量(COD)和生化需氧量(BODS)以及低濃度重金屬離子的凈化效果，結果表明，這6種植物均可以達到良好的凈化效果，但針對不同的植物凈化效果不同，處理效果最佳的是黃花鳶尾，石菖蒲次之，但兩者都表現較為突出。本項研究工作旨在表現植物修復技術在凈化能力以及經濟效益方面有重大作用，值得后續進一步深入研究。