姜建华

(上谷环境科技有限公司，上海 200030)

1 引言

社会的快速发展破坏了人与自然原有的生态平衡，大量氮、磷等营养物质进入河、湖、库等水体内；在营养物充足的情况下，藻类及其他浮游生物大量繁殖，溶氧下降，底部有机物缺氧腐化发黑发臭，其他生物缺氧死亡，水质恶化。就目前工程经验可见，水体一旦富营养化，其治理成本将非常高。我国重要的“三河三湖”中滇池、太湖、巢湖，均出现过蓝藻频繁爆发现象；为此，国家多年致力于为“三湖”治病，但湖泊富营养化问题依旧不容乐观。

入湖氮、磷主要来自农业面源和生活生产点源；国内大部分生活生产污水均被截留至污水厂处理后排放，但当前我国污水厂出水标准多执行《城镇污水厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A标和B标，从指标控制的污染浓度来讲，一级标准的控制浓度本身就高于地表水Ⅴ类[1,2]；若大量的污水厂出水进入河湖库内，在长期富集过程中，水体极易富营养化。因此，对污水厂出水进一步脱氮除磷是防治水体富营养化的重要途径。

目前，水体深度脱氮除磷的方法主要分物理、化学、生物三大类。化学法和物理法普遍效果明显，但造价及后期维护成本较高，甚至造成二次污染；而生物法多用特定的微生物及水生植物实现水体净化，成本低、效果好，操作简便，易于维护；且水生植物具生态环保性，可同时实现水体脱氮除磷和水生态改善，实现水体生态系统的恢复，提高水体自净能力。

目前利用水生植物进行水体深度脱氮除磷，防治水体富营养化已成为当前工程应用的重要手段。实际工程中，主要通过水生植物构建生态湿地、生态塘库等系统来实现水体深度脱氮除磷。为更有效的指导实际工程应用，本文就利用水生植物对水体进行深度脱氮除磷及水体富营养化防治的相关机理及影响因素等展开论述。

2 利用水生植物脱氮除磷及防治水体富营养化的机理

2.1 植物吸收富集作用

水生植物是生态系统的生产者，可以通过光合作用和同化作用固定碳源和吸收富集氮、磷等营养物质。氮、磷是植物生长过程中重要物质的合成元素，是其生长必不可少的物质。水生植物通过根系和叶面从水体及底泥中获得营养物质，之后同化合成自身的组成部分，最终被收割移出水体，实现水体的脱氮除磷。但通过该途径去除的氮含量对水体深度脱氮的贡献率较低。有研究表明，其去除率占比仅2%～5%[3]。对磷而言，植物吸收富集后收割移出水体是除磷的关键途径。

2.2 根系微生境-微生物作用

微生物群落是利用水生植物进行深度脱氮除磷过程中最重要的参与者，微生物的丰度及种类直接决定该生态系统的脱氮除磷效果。就微生物丰度而言，水生植物庞大的根、叶表面为微生物的附着和生物膜的形成提供了必要条件。

就水体内微生物的脱氮周期而言，首先需要氨氧化菌将无机氮氨化成氨态氮，之后在好氧条件下，经硝化菌转化成硝酸盐氮，最后在缺氧条件下，经反硝化菌转化为氮气，并排出系统。可见，微生物脱氮过程同时需要缺氧、好氧环境并存。而水生植物庞大的根系周围因光合作用形成局部好氧区，再远处则为缺氧区甚至厌氧区，形成了厌氧好氧缺氧并存的环境，为脱氮提供了必要条件。

缺氧反硝化是实现完全脱氮最终的环节。反硝化菌群大多为异养型，代谢过程中要求C/N约为5∶1。就碳源而言，目前我国污水处理工艺决定，多数污水厂出水COD/TN小于8，为低碳氮比废水，不利于反硝化脱氮[4]。为保证反硝化过程的顺利进行，需进行人工补充碳源，增大了投资费用[5]。但利用水生植物组成的生态系统中，水生植物死亡的根、茎、叶部分可以在微生物的分解作用下，为水体补充一定的碳源，进而促进反硝化脱氮。

就除磷而言，微生物吸收转化水体中的磷元素供自身代谢生长，之后絮凝、沉积在水体底部，形成底泥。就水体系统而言，磷元素从水体转移到底泥中，经过长期的累积，底泥老化，很容易出现二次释放。但水生植物尤其是沉水植物其庞大的根系可有效抑制底泥的再悬浮和氮磷等营养盐的再释放。

2.3 化感作用

含氮、磷水体中，藻类的爆发生长是水质恶化的重要原因，抑制藻类的生长是控制水体富营养化的重要手段。相关报道指出，植物可以通过向环境中释放化感物质，进而抑制水体藻类的生长[6]。化感物质多为脂肪酸类、多酚类等，属于植物生长过程中的次代谢物质，易分解，不会造成生态污染[7]；可通过挥发、溶出从植物根茎叶释放，也可从腐败的残体中释放。化感作用主要通过影响藻的酶促反应的酶活、呼吸作用、光合作用和细胞膜的合成及稳定等，来实现抑藻除藻。目前已报道的具有抑藻作用的水生植物主要以沉水植物和浮水植物为主，挺水植物发现的种类相对最少[8]。研究表明芦苇分离出的2-甲基乙酰乙酸乙酯(EMA)对铜绿微囊藻和小球藻具有强抑制作用[7]。

3 影响因素

3.1 水体营养物质含量

水生植物的生长需要氮、磷营养物质，但过量的氮磷会引起植物中毒，导致植物枯萎甚至死亡，其中氨氮对植物的毒性尤为明显。因此，每种植物对氮、磷的耐受性存在安全阈值；在阈值范围内，水生植物对氮、磷的去除率随底物浓度的增加而提高[9]。于曦等[10]研究表明，槐叶萍可承受的氮、磷含量范围较宽，但在低氮、磷水体中生长更优，净化率更高。氮磷含量过高也会影响到微生物群落的构成，无机氮含量过高时，氨氧化菌占主导地位，大量消耗氧气进行氨化作用，在根系附近的好氧区内，与好氧硝化菌形成竞争关系，硝化菌的代谢生长受到抑制，最终降低系统脱氮性能。

3.2 植物配置情况

不同种类的水生植物其生长速率不同，对营养物的需求量不同；根系发达程度不同，对微生物的富集和传氧能力不同；产生的化感物质种类、含量不同，对藻类的抑制效果不同；因此，不同种类的植物配置直接影响水生植物对氮、磷水体的脱氮除磷效果。研究表明，轮叶黑藻、伊乐藻和金鱼藻中，轮叶黑藻对氮、磷的去除能力最强，金鱼藻相对最弱[11]。

3.3 其他因素

水体的温度、透明度及微生物群丰度都会影响水生植物对氮、磷的去除率。

植物的生长和微生物的代谢过程主要为酶促反应，温度直接影响酶活，当温度在酶活反应的适宜范围内，植物生长和微生物代谢保持着较高的速率，对氮、磷的去除率也较高；但当温度超出该范围内，代谢速率下降，脱氮除磷效率降低。因此，在实际工程应用中，有些地方会采用大棚保温法，为生态系统提供适宜的温度。

植物的生长需要光照，当光照强度小于植物光补偿点，植物的呼吸作用超过光合作用，植物吸收代谢能力减弱，对氮、磷的去除效率降低。而水体透明度与水下光照强度呈正相关关系，水体透明度越高，其接受光强越大，最终植物生长和微生物代谢速率越快。

水生植物根系上微生物的丰度在直接关系到系统的脱氮除磷，提高系统微生物丰度能够提高水生植物对氮、磷的去除率。目前污水处理厂常规工艺中多采用加氯消毒，出水中的余氯不利于水体进一步的生物降解。因此建议，如果水厂出水后端要采用生态法脱氮除磷，其消毒环节应设置在生态处理后。

4 结语

利用水生植物进行水体深度脱氮除磷和防治水体富营养化，周期能耗低、治理效果好、后期维护简单，是目前污水厂出水氮、磷提标的重要手段。该防治技术由太阳能驱动，在净化水体的同时，可实现能源固定和资源回收；另外，零化学药品避免了化学二次污染，市场潜力巨大。但水生植物防治技术具有局限性：①不同性质的水体，其最适合使用的水生植物种类不同；即：该技术存在空间特异性，不利于标准化产品的形成和推广；②不同季节水生植物对水体营养物的去除效率波动较大；即：该技术存在时间差异性，不利于系统维持长期稳定性。③植物配置中，物种选择应谨慎，为防止生态污染，避免外来物种入侵，应优先以本地物种为主；即：该技术存在生态风险性。此外，为优化水生植物在富营养化水体防治中的实际应用效果，提出以下研究建议：①发现更多高效的脱氮除磷水生植物物种；②不同水生植物耐受污染因子的生存阈值有待进一步优化；③针对季节交替的环境变化下，完善适合各个季节的最优物种配置；④结合生物菌剂，根据系统需求，人工投加生物菌剂，增加微生物丰度，强化优势菌群，提高脱氮除磷效果。