富营养化水体净化研究进展

2017-03-23朱丽丽张路李换平谢梦薇江解增

绿色科技 2017年4期

朱丽丽+张路+李换平+谢梦薇+江解增

摘要：指出了我国水体富营养化问题的严重性，主要从富营养化水体的概念、危害、成因、修复等方面进行了论述，重点探讨了其防治策略，主要包括控制减少外源营养物质、清除自身营养物质以及生态修复等，其中生态修复又包括浮游动物、细菌的投加，引种水生植物（沉水、挺水、漂浮），建立植物浮床系统（蕹菜、水芹、豆瓣菜）等，最后对富营养化水体净化的前景进行了展望。

关键词：富营养化；净化；生态修复；水生植物；植物浮床

1 引言

随着人类工业化的发展以及农田排水的面源污染不断加剧，水体富营养化问题日趋严重[1]。水体发生富营养化后，水中藻类以及浮游生物的大量繁殖會造成水中溶解氧的消耗，进而使水中鱼类等其他生物缺氧死亡，水质恶化，破坏水生生态系统[2]。富营养化水体的净化策略多样，笔者系统地介绍了各种净化修复方式，旨在为富营养化水体的净化提供参考。

2 富营养化水体成因

氮、磷等营养物质的积累是水体富营养化的主要原因，关于其富营养化物质的来源可以分为两类：第一类指的是内因，主要指的是水体自身的深度、流速、循环周期等[3]，其中水体越浅，水体流速越慢，循环周期越长则更易导致水体富营养化的产生。第二类为外因，主要指的是人为因素，且人为因素对富营养化水体的形成占据主要成分，其中对富营养化水体的产生影响最大的是农田排水导致的面源污染，主要原因是化肥农药的盲目施用；其次，生活污水、未经处理的工业废水以及植被的破坏也会造成水体不同程度的水体富营养化。因此，根据富营养化水体多样化的成因，可为其防控或修复提供参考。

3 防治措施

富营养化水体的形成为一个不断累积的过程，因此，可首先采取预防策略，减少营养物质的富集，避免富营养化水体的形成，其措施主要包括减少外源营养物质的输入以及清除水体自身营养物质。其次，在已经形成富营养化的河流中可采取修复策略，主要包括物理方法、化学方法和生物方法三种，物理方法可采用更换水体、促进水体流动、引入外源水进行稀释以及河道疏浚等措施；化学方法主要指的是添加一些试剂等，可包括除臭的氧化剂高锰酸钾、自由氯、二氧化氯和臭氧等，除藻剂硫酸铜、二氧化氯等[6]，物理方法和化学方法虽然具有一定效果，但成本较高，且易产生副作用，生物修复效果显著，且副作用较小，因此被广泛引用。

3.1 减少外源营养物质

富营养化水体的成因主要分为内因和外因两部分，其中外因即外源营养物质的输入同时也是绝大部分富营养化河流的成因，因此，控制或减少外源营养物质进入水体有助于从根本上避免水体的富营养化，其具体的防控策略主要包括制定相应环保策略；控制农田污染，提高农药、化肥利用率；对城市生活污水中排放的氮、磷等营养物质实行截流，减少其对水体的污染[4]。

3.2 清除水体自身营养物质

氮磷等营养物质在水体不断累积的过程中，会促进藻类等的异常繁殖，恶化水体环境，因此，可采取人工打捞富营养化生物，减少水体营养物质的累积量，但其只适用在水体富营养化的初期，且工作量较大，适用范围较窄；且富营养化水体的底泥中所含有的大量营养物质会不断向河水中释放，因此，可向发生水体富营养化的湖泊投加铝盐抑制湖底的磷释放，改善水质，底泥疏浚，即把富含磷的湖泊底泥表层挖掉，也是一种最有效、最直接的办法，但费用较高[5]。

3.3 生态修复

水体富营养化的生态修复，是通过利用特定的微生物、水生植物以及部分水生动物对水体中的营养素进行降解、吸收和转化，逐渐降低水体中有机物浓度，消除水体污染，最终恢复水生生态系统，生物修复可自发或人工设计建立并受控[7]。

3.3.1 浮游动物

浮游动物种类多样，向富营养化水体中投加合适的浮游动物不仅可取食水中大量繁殖的藻类等水生植物，避免其与水中其他生物争夺氧气，减少生物因缺氧导致的死亡量，且浮游动物的投加还可进一步丰富水生生态系统的多样性，提高其自我恢复功能。

3.3.2 细菌

水体本身含有部分细菌等微生物可达到净化水体的作用，但当水体富营养化程度较为严重时，其细菌数量较少或环境条件限制其大量繁殖，从而净化能力较弱，因此，可向水体中投入人工培养的高效微生物，调节水体环境以促进其大量繁殖，从而增强富营养化水体的净化能力。

3.3.3 水生植物

富营养化水体的修复包括引入植物、动物、微生物，其中在富营养化水体中引进植物进行修复不仅成本低，效果显著，且生态效益较高，值得广泛应用。水生植物种类丰富，按生态类型，可分为沉水植物、挺水植物、飘浮植物等，不同水生植物在富营养化水体修复中具有不同的效果，筛选适宜不同水体的水生植物具有重要的意义。

（1）沉水植物。沉水植物种类丰富，主要有金鱼藻、轮藻、狐尾藻、眼子菜等，沉水植物对富营养化水体的净化效果较为显著主要依赖于其各部分均可以从水中吸收养分，因此即使水体中养分较少依然可以维持生命，继续生长，因此与其他植物相比具有很大的竞争优势，且种类丰富多样也对富营养化水体的植株引种提供了较多的选择空间，可依据不同植株的净化效果合理选择。

宋福等[8]研究发现伊乐藻、苦草、狐尾藻、菌齿眼子菜、金色藻、范草、轮藻对富营养化水体中总氮、总磷均有显著去除作用。田琦等[9]通过室内模拟实验，分析了金鱼藻、伊乐藻、苦草、菹草、马来眼子菜 5 种不同种类沉水植物对水环境质量的改善能力，结果表明，金鱼藻和马来眼子菜对总氮的去除能力较强，对总磷、总溶解态磷的去除能力上，金鱼藻、菹草明显优于其他植物，综合来说，金鱼藻对富营养化水体的净化能力优于其余4种。

沉水植物整株都沉于水下，对光照的接收能力较弱，其生长繁殖也受到一定限制，从而就在一定程度上制约了沉水植物在富营养化水体中的大量广泛的应用。因此，在富营养化水体净化中植物的选择可采取搭配引种，避免植物的过于单一，提高其净化效果。

（2）挺水植物。挺水植物在水体的净化过程中应用较为广泛，首先取决于其较大的生物量，生长繁殖需吸收大量养分，能有效降低水体中的营养物质含量，其次，挺水植物还具有较高的观赏价值，不仅可净化富营养化水体同时还可以美化环境，比如香蒲、水葱、芦苇、菖蒲、黄花莺尾、水生美人蕉等，其合理的搭配种植可显著提高其观赏价值，同时，部分挺水植物还具有食用价值，如慈姑等，因此，挺水植物以其多种价值共有的特性在富营养化水体中的应用日益广泛。

黄时达[10]以灯心草、芦苇和菖蒲三种植物为研究对象，探究其水体净化能力的差异，结果发现灯心草去除能力高于芦苇、菖蒲。朱华兵[11]研究發现香蒲净化系统对TN（总氮）、TP（总磷）的去除率分别66.0%～92.8%、77.0%～93.8%，因此，其对富营养化水体的净化能力较强。徐秀玲等[12]研究鸢尾、香蒲、菖蒲这3种植物对由低到高3种不同浓度的富营养化水体中的氮、磷的去除率，结果发现这三种植物均对浓度为中等的富营养化水体净化效果最好，其去除率分别为88.8%、77%、82.2%；鸢尾对由低到高不同富营养化程度水体总磷的去除率鸢尾为70%、87.7%、77.5%，菖蒲为54%、80%、55.8%，香蒲为44%、60.5%、61.6%。说明3种植物对净化富营养化水体均有净化效果，且不同植株存在差异，综合对氮磷的去除率分析得出，鸢尾对富营养化水体的净化效果显著高于香蒲。

衣十妹[13]选取7种挺水植物探究其对富营养化水体中全氮（TN）、全磷（TP）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）高锰酸盐指数的修复效果，结果发现不同种类植株对同一指标的吸收能力存在差异，且同一植株对不同指标的去除率也有较大差异，菖蒲和水葱对氮的去除能力较强；花叶芦竹和水生美人蕉对磷的去除能力较强。水生植物不仅对氮磷具有去除能力，同时其自身还具有一定的吸附功能，研究发现黄花莺尾、水生美人蕉和慈菇体内积累的氮磷量较高，说明其可以吸收富营养化水体中的氮磷含量，显著改善水体，7种植物底泥中的全磷含量始终低于对照，说明挺水植物可吸收底泥中的磷，有效避免水体环境中磷的释放。

（3）漂浮植物。漂浮植物对富营养化水体也具有一定的净化效果，其中以水葫芦和浮萍最具代表性，一般来说，水葫芦对污水中氮、磷等营养物质的净化效率与污水中氮、磷营养的浓度存在较大关联，研究发现水葫芦对富营养化水体中氮、磷的去除效果随着营养物质浓度的增加而增加，但若氮、磷负荷过高，超过其吸收速率，则净化效率反而降低[14]。蒋艾青[15]研究发现，水葫芦对城郊富营养化水体鱼塘中的NH3-N，NO3-N，COD，TN去除率分别为70%，88.1%，56%，73.1%，说明其对硝态氮的吸收效果最好，此外，水葫芦对多种重金属元素也有着较强的吸附能力，可有效降低水体中重金属含量。水葫芦浮生水面，相比其他植株具有较强的光照优势，生长迅速，对营养物质的吸收更为高效。

水体中营养物质浓度的高低同样会影响水葫芦的吸收效果，张春雨[16]研究发现放有水葫芦的富营养化水体中氮、磷、钾含量均降低，且高、中、低三种不同浓度的水体中，氮含量分别降低85%，72%，84%；磷含量分别降低94%、88%、89%；钾分别降低了96%、95%、95%，说明水葫芦对营养物质浓度较高的富营养化水体净化效果较好，且对磷、钾的净化效果优于氮。因此，可根据水体中营养物质的种类合理选择植株。

富营养化水体中营养物质的种类以及各营养物质的浓度均会影响浮萍对富营养化水体的净化效果，研究发现：在水体中氮素较高时，浮萍优先选择吸收的是氨氮（NH+4），当氮素含量较低时，浮萍会选择吸收其他形式的氮，如硝态氮等，蒋跃平等[17]研究同样发现浮萍对氨氮和硝态氮的最大吸收速率和亲和力存在显著差异，其对氨氮的亲和力和吸收能力都优于硝态氮等其他形式的氮。然而，水体中氮浓度过高也会抑制其对氮的吸收[18]，主要因为高浓度的氮会使浮萍细胞膜发生极化反应，抑制阳离子传输，对浮萍生长产生影响。

3.3.4 建立植物浮床系统

生物修复方法具有无副作用、价格低廉和易操作等特点，是当前富营养化水体治理研究的热点[19]。而作为一种新兴的生物生态修复方法—植物浮床技术，由于它运行简单，成本低，易管理，且所种植株不仅可具有观赏价值，同时还可具备食用价值，正受到越来越多研究者与使用者的青睐[20]。植物浮床技术是以浮床为载体实现高等植物在水面的种植，并通过植物根部的吸收吸附作用和物种竞争相克机理，降低富营养化水体中聚集的氮磷及有机物质，从而达到净化水质的目的。但不同植株其净化效果存在较大的差异，众多的研究结果表明，水蕹菜适应强、生长快、氮磷去除率高，可大范围推广用作建立植物浮床系统[21]。

现有的研究结果显示，浮床水蕹菜对富营养化水体的适应性很强，试验存活率可达 99% ，且根茎叶生长效果比土培更好[22]。众多研究结果表明水蕹菜对富营养化水体中的铵氮（NH4-N）、总氮（TN）、总磷（TP）和 COD 均有去除效果。黄婧等[22]研究发现水蕹菜浮床对湖北大学环境工程污水（沙湖水）TN的吸收量为73.06 g / m2，对 TP 的吸收量为20.21 g/m2，唐林森[23]研究发现水蕹菜浮床对武汉市郊带有大量生活污水排入的池塘水TN的吸收量为82.95 g/m2，对TP的吸收量为11.58 g/m2。可见，水蕹菜可吸收富营养化水体中的氮、磷营养成分，对水体的净化起着重要的作用，且水蕹菜还具有重大的经济价值，因此，可大力推广其在水体净化中的应用。

水蕹菜不同品种间对富营养化水体的净化效果存在差异。胡雄等[24]以大叶青梗、细叶青梗、大叶白梗、柳叶白梗4个华中地区常见的水蕹菜品种为试验材料探究不同品种水蕹菜对水体净化效果的差异，结果发现大叶白梗水蕹菜去除氮磷的效果明显好于其余3个品种，因此，可大力推广其在富营养化水体净化中的应用。

水蕹菜对富营养化水体修复效果不仅存在品种差异，同时其栽植密度以及采收期也会产生一定影响。黄海平等[25]研究了不同栽植密度水蕹菜对富营养化水质的净化效果，结果发现10 g/L的栽植密度对水体修复效果显著好于其余密度，且此时水蕹菜长势也最佳。贾悦等[26]研究发现水蕹菜每2周、3周、4周后采收一次其对水体营养物质的去除存在差异，且采后水蕹菜的留茬高度不同，对水体N，P的吸收量也存在差异，综合研究结果发现，每21 d采收1次、留茬15cm的采收方式效果最佳，且采后水蕹菜对水体的适应能力依旧较强，对其正常生长影响较小。

水蕹菜较耐高温，低温下生长缓慢，因此，在冬季浮床生态系统中的应用受限，水生蔬菜水芹和豆瓣菜为喜冷凉性作物，其在浮床生态系统的应用可大力弥补冬季低温浮床植物的匮乏问题。胡绵好等[27]以水芹和豆瓣菜为试验材料，研究其对富营养化水体的净化效果，结果发现，两者在营养物质含量较高的水体中均可以生长良好，且对水体的净化效果随着处理时间的延长而提高，处理20 d，水芹对富营养化水体中的TN、NH+4-N、TP、CODMn、Chla的去除率分别达到76.86%、69.39%、90.45%、95.03%和89.81%，豆瓣菜对富营养化水体中的TN、NH+4-N、TP、CODMn、Chla的去除率分别达到78.27%，67.95%，89.98%，95.38%和91.28%，可以看出其对修复富营养化水体具有显著的净化作用，且采收的水芹、豆瓣菜符合食用标准，不影响其产品价值。因此，可大力推广水芹、豆瓣菜在富营养化水体修复中的应用，不仅可以净化水体且具有较高的经济价值。

向文英等[28]以水芹为生态浮床材料探究栽植密度以及基质的不同对富营养化水体的净化效果影响。结果发现水芹生态浮床对TP的去除效果随着栽植密度的加大而增强，水芹浮床的基质不同其对TN的去除也存在较大差异，研究发现陶粒基质的去除效果优于黄砂基质，因此，在选用不同植株建立浮床系统时可充分考虑其不同因素对水体凈化效果的影响，进而建立最佳的植物浮床系统，使净化效果达到最优。

4 展望

目前，我国水体富营养化正日益严重，其不仅危害水质，还会造成溶解氧减少，危害水生动植物的安全，其治理策略主要有浮床技术，主要植株有蕹菜、水芹、豆瓣菜等水生蔬菜，引种水生植物，如黄花莺尾、水生美人蕉、慈菇以及水葫芦浮萍等，均能显著降低水中的全氮、全磷含量，改善水体，且植株也能产生一定经济价值，但对于源头治理作用较小。目前，水体富营养化主要由农业的面源污染引起，因此，接下来可以大力倡导减量施肥，减少农业面源污染，其不仅能缓解水体富营养化，更符合农业的可持续发展，是一项有利于农业长远发展的举措。

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