CN117945558A - 水生植物在水体净化的应用及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水生植物在水体净化中的应用及其方法，所述的水生植物由挺水植物、浮叶植物和沉水植物搭配组合形成植物修复生态系统，其中，所述挺水植物选自美人蕉、千屈菜、再力花中的至少一种；所述浮叶植物为睡莲；所述沉水植物为苦草。与现有技术相比，本发明通过对几十种水生植物的实验研究，确定各自的水体净化能力后，通过搭配组合各类型水生植物，组合形成了对水体具有高效净化效率的植物修复生态系统。
Description
技术领域
本发明涉及水体生态治理领域，具体涉及水生植物在水体净化中的应用及其方法。
背景技术
水是生命之源，是人类生存不可或缺的物质基础，同时也是生态系统的重要组成部分，在城市供水、调节气候等方面发挥着重要作用。近年来，含有氮、磷等营养物质的工业废水和生活污水被大量排入河流、湖泊等水体中，加剧了水环境的富营养化程度。当水体出现富营养化时，一方面，由于水体的透明度下降，使得太阳光线很难透过水层，从而导致水生植物的光合作用受到抑制，水中氧气不足，鱼类和其他水生生物因缺氧而死亡，加剧水体发臭，形成生态的恶性循环。另一方面，富营养化的水域表面会被覆盖着大量的浮游生物及藻类，导致水体的生态稳定受到极大的影响，造成水质恶化等问题，破坏水生生态系统的平衡与稳定，藻类的大量繁殖所释放出来的一系列毒性成分甚至对人类生存和公众健康造成严重威胁。因此，选择一种有效且适宜的水体修复技术净化水体中污染物对保障人们的身体健康至关重要。
为有效解决水体污染问题，国内外研究学者积极探究水体修复技术，根据其所涉及的原理，水体修复技术主要被划分为物理技术、化学技术和生物技术三大类。其中，生物技术具有净化效果显著、成本低、环保持久、不易造成二次污染等优点，成为近年来净化水体污染物普遍使用的方法。水生植物是生物技术中重要的净化材料，是水生生态系统中重要的结构和功能组成，不仅具有较高的水质净化能力，而且具有较高的观赏价值，能够美化环境、营造良好的水域景观效果。
水生植物是指能够长期正常生长在水中或潮湿土壤中的一类植物，具有发达的通气组织。按照不同生活习性和形态特征把水生植物分为挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物4种类型，其中，挺水植物是指植物的根生长在泥土中，茎、叶伸出水面，如美人蕉、再力花和千屈菜等；浮叶植物是指根扎于泥土中，无明显的茎不能保持直立，叶片或植株浮于水面，如睡莲和萍蓬草等；漂浮植物是指根部不生长在泥土中，全部植株漂浮在水面上。如大漂和凤眼莲等；沉水植物其指根茎扎于底泥中，整棵植株沉没于水下，此类水生植物具有良好的通气组织，可有效吸收水中养分，如苦草、马来眼子菜和黑藻等。
通过将不同类型的水生植物搭配，能够构建更稳定的植物修复生态系统，实现对污染水体的高效净化。如专利CN106561238A公开了一种水生生物功能群的构建方法，通过挺水植物功能群的构建、沉水植物功能群的构建、鱼类功能群的构建和底栖动物功能群的构建，稳定水生系统中的生物功能群。专利CN105858898A公开了一种水体生态修复方法，通过种植沉水植物、挺水植物和浮叶植物净化水体。然而，不同的水生植物对水体净化效果不同，如何根据不同植物的净化水体特点，将不同类型的水生植物搭配，以进一步提高污染水体中TN、TP、COD的去除率，实现污染水体的高效净化处理，仍需要进一步研究。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供水生植物在水体净化中的应用及其方法。本发明通过对几十种水生植物的实验研究，确定各自的水体净化能力后，通过合理搭配组合各类型水生植物，组合形成了对水体具有高效净化效率的植物修复生态系统。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
水生植物在水体净化中的应用，所述的水生植物由挺水植物、浮叶植物和沉水植物搭配组合形成植物修复生态系统，用于净化V类甚至劣V类水体，
其中，所述挺水植物选自美人蕉、千屈菜、再力花中的至少一种；
所述浮叶植物为睡莲；
所述沉水植物为苦草。
作为本发明优选的技术方案，按种植株数，所述挺水植物、浮叶植物和沉水植物的比例为1～3：0.1～0.4：2～5。
作为本发明进一步优选的技术方案，按种植株数，所述挺水植物、浮叶植物和沉水植物的比例为1～3：0.2～0.3：3～4。
作为本发明优选的技术方案，所述挺水植物种植数量为每平方米污染水体种植8～18株，优选为10～15株；
所述浮叶植物种植数量为每平方米污染水体种植1～5株，优选为1～2株；
所述沉水植物种植数量为每平方米污染水体种植20～30株，优选为22～25株。
作为本发明优选的技术方案，所述的水生植物为以下植物的组合：
千屈菜、再力花、苦草、睡莲，株数比例为1～2：1～2：2～4：0.1～0.3；
或者，美人蕉、再力花、苦草、睡莲，株数比例为0.5～1.5：1～2：3～5：0.1～0.3；
或者，美人蕉、千屈菜、苦草、睡莲，株数比例为0.5～1.5：1～2：3～5：0.1～0.3；
或者，美人蕉、苦草、睡莲，株数比例为2～3：3～5：0.1～0.3。
一种水生植物用于水体净化的方法，将上述所述的水生植物种植在水体中形成植物修复生态系统。
作为本发明优选的技术方案，在水体中布置泥土种植层，所述挺水植物、浮叶植物、沉水植物种植于所述泥土种植层。
作为本发明优选的技术方案，所述泥土种植层的厚度为0.1-0.7m，所述泥土种植层位于水深0.3-1.2m处，优选地，所述泥土种植层的厚度为0.2-0.5m，所述泥土种植层位于水深0.3-1m处。
作为本发明优选的技术方案，所述泥土种植层中的泥土为污水周边自然土壤，经过破碎混拌均匀后平铺底部或承载装置中，通过用污水周边自然土壤种植植物，能够提高植物的适应能力。
作为本发明优选的技术方案，所述泥土种植层内加入装有处理剂的可降解囊体，所述处理剂由微生物制剂、硝酸钠和乙酸钠组成。
进一步地，所述微生物制剂包括芽孢杆菌、硝化菌、酵母菌中的一种或多种。
所述可降解囊体由可水溶性树脂制成，选自聚乙烯醇系聚合物，可以由乙烯酯聚合而成，可以是乙酸乙烯酯，也可以是其它的脂肪酸乙烯酯(例如，丙酸乙烯酯等)，可水溶性树脂选自醇解度为92-95％的聚乙烯醇。
可降解囊体经过30-55天后开始分解，释放内部物质，其中，乙酸钠作为有机碳源添加到底泥中，促进微生物的生长和代谢活动，硝酸钠作为氧化剂，能够提供氧气供给微生物进行氧化降解过程，微生物制剂将泥中的有机质、有机磷、有机氮等组分分解，为水生植物后期生长提供充分的可吸收物质，提高水生植物后期生长繁殖能力，有助于提高水体净化能力。
本发明的机理如下：受污染水体中的N、P等营养元素被各类水生植物体直接吸收、利用转化为自身所需物质。根系发达的沉水植物以及浮叶植物对微生物的生长代谢有着重要影响，植物根系与微生物共同作用改善区域水环境。一方面，水生植物根系为微生物提供了适宜的附着载体和栖息环境，有利于微生物的繁殖生长，提高其对污染物的矿化、分解能力。另一方面，光合作用通过水生植物将氧气传输到根系周围，增加水体中的氧气含量，促进根系区域好氧环境的形成，能够保证好氧微生物的代谢活动；同时，根系区域之外形成的厌氧区则能够满足厌氧微生物的代谢活动，整个根系区域构成了好氧区与厌氧区并存的生境，使得微生物的丰度和种类更加完善，有利于硝化、反硝化作用的进行，最终实现脱氮除磷。发达的根系在与水体接触过程中能够形成过滤层，通过吸附、粘黏悬浮物和不溶性胶体降低其在水中的含量，从而提高水体透明度。另外，叶枝发达的挺水植物和浮叶植物的存在使植株附近水面的风速降低，稳定水流速度、减少对底泥的扰动，有利于水体中固体悬浮物的沉降，有效避免重新悬浮的可能性，防止底泥中N、P的释放。
本发明将挺水植物、浮叶植物和沉水植物进行搭配组合，形成了植物修复生态系统，充分发挥了挺水植物对水体中TN、TP高吸收能力、沉水植物苦草和马来眼子菜，以及浮叶植物睡莲对水体中TP高吸收能力，综合考虑水生植物在水体中的空间利用率和种植布置情况，将不同类型的水生植物组合搭配，构建了高效的植物修复生态系统，实现污染水体的高效净化，具有协同复配效果，相比单体水生植物种植方案，能够进一步提高污染水体中TN、TP、COD的去除效果。
附图说明
图1-4为不同水生植物在75天时对TN的去除率；
图5-8为不同水生植物在75天时对TP的去除率；
图9-12为不同水生植物在75天时对COD的去除率；
图13-15为不同水生植物组合在75天时对TN的去除率；
图16-18为不同水生植物组合在75天时对TP的去除率；
图19-21为不同水生植物组合在75天时对COD的去除率。
具体实施方式
【不同水生植物对水体净化效率研究】
本发明在自然光照、避雨条件下，研究了28种不同水生植物对模拟富营养化水体中TN、TP、COD的净化效率。
本发明所研究的28种不同水生植物包括挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物，其中挺水植物包括：再力花、梭鱼草、菖蒲、石菖蒲、黄菖蒲、香蒲、芦苇、花叶芦竹、美人蕉、千屈菜、水葱、旱伞草、荷花、鸢尾；浮叶植物包括：睡莲、芡实、萍蓬草、菱；漂浮植物包括：槐叶萍、凤眼莲、大薸、满江红；沉水植物包括：苦草、黑藻、菹草、马来眼子菜、金鱼藻、伊乐藻，表1展示了28种水生植物的基本信息。
表1水生植物基本信息
实验用水取自上海某公园水体，通过在原水中添加硝酸铵、磷酸二氢钾和醋酸镁试剂使水体中TN、TP和COD的初始浓度分别为2.58mg/L、0.56mg/L和55.67mg/L，达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)劣Ⅴ类标准。
选取生长状况良好且长势一致的健康植株，分别带土种植在长×宽×高＝0.9m×0.6m×0.9m的塑料箱中，箱底置厚度约0.3m的底泥，底泥上层水深0.5m，漂浮植物通过限位装置布置在水体中，共设置28个植物组和1个空白对照组(无植物)，每组设置3个重复。
为保证采样条件一致，避免其他因素影响，取样时间定在上午8:00-9:00，为补充水分蒸发、植物吸收和采样所消耗的水分，每次取样后向箱内添加纯水来保持水位恒定，试验持续时间75天，每隔7天取样一次检测水体中TN、TP和COD的浓度，计算其去除率。
试验持续75天(d)，在第75d试验结束后，测试不同水生植物对水体中TN、TP、COD的去除率，其中，去除率＝(初始浓度-最终浓度)/初始浓度×％，并空白试验CK做比较，试验结果详见图1～12及表2。
表2
由表2可知，以水体中TN、TP、COD的平均去除率考量，水体净化效率较佳的水生植物为：美人蕉、香蒲、芦苇、花叶芦竹、千屈菜、菖蒲、石菖蒲、苦草、旱伞草、水葱、黄菖蒲、梭鱼草、荷花、睡莲等。
分别按TN、TP、COD的去除率排序，筛选效果较好的水生植物，具体参见表3。
表3
由表3可知，针对水体中TN的去除，挺水植物对TN的去除效果表现优秀，总体要优于浮叶植物、漂浮植物和沉水植物，其中，挺水植物香蒲表现出最高的去除效率，水体中的TN去除率高达61.24％，主要是因为挺水植物个体大、生长速度快，发达的根系不仅能够吸收、富集水体中的氮元素，并且为微生物提供适宜的生长环境，促进硝化和反硝化作用，能提高对TN的净化效果。另外，浮叶植物睡莲也表现出了良好的TN去除能力，TN去除率达到55.43％。
针对水体中TP的去除，挺水植物的去除效果同样整体要表现优秀，包括芦苇、美人蕉、香蒲、花叶芦竹、千屈菜等，TP去除率在70％左右，浮叶植物中睡莲保持了优异的TP去除能力，沉水植物中，苦草的TP去除率比较好。磷元素在植物体内发挥着重要作用，能够参与植物体内主要代谢过程，水生植物对磷的去除主要依附于植物的吸收、沉降等作用，通过直接吸收底泥中的可溶性磷、促进悬浮物沉降来降低水体中TP的浓度。
针对水体中COD的去除率，漂浮植物凤眼莲表现出最优异的COD去除率，主要原因是凤眼莲根系可以释放出抑藻物质，进一步通过遮光作用、竞争营养物质来抑制藻类生长，从而净化水质，消除COD。剩余为挺水植物美人蕉、花叶芦竹、香蒲等，沉水植物苦草。水生植物对COD的去除主要可归结于植物的微生物作用，通过植物的光合作用向根系输送氧气，形成适宜微生物生存的好氧、厌氧环境，促进微生物分解有机物，进而降低水体中的有机物含量。
结合上述试验结果，综合考虑实际种植水深且景观效果良好的植物为：美人蕉、千屈菜、再力花、睡莲、苦草，虽然漂浮植物凤眼莲表现出最优异的COD去除率，但考虑到凤眼莲为外来入侵物种，易危害本地物种的生态，不适于引入。
【不同水生植物组合对水体净化效率研究】
考虑到水生植物在水体中的空间利用率和种植布置情况，结合上述实验结果，本发明进一步将不同类型的水生植物组合搭配，构建更高效的植物修复生态系统，按种植株数，挺水植物、浮叶植物、沉水植物的比例控制在1～3：0.1～0.4：2～5，不同水生植物组合搭配方案详见表4。
表4不同水生植物组合类型
试验结果详见图13～21及表5。
表5不同水生植物组合去除率
由上述实验结果可知，相较于其他两种组合，挺水-沉水-浮叶组合对TN的去除效果稍优，挺水-沉水组合(C1)、挺水-浮叶组合(F1)和挺水-沉水-浮叶(T4)组合对TN的去除率最高分别为65.5％、61.62％、89.86％，均与对照差异显著。通过对比分析发现，3个处理组中均种植有美人蕉和千屈菜，说明美人蕉和千屈菜的组合对水体中TN的净化效果较好。但当加入再力花和睡莲后处理组T7的去除率反而下降了29.98％，这可能是受种植空间的影响，植株之间竞争养分激烈，不利于自身生长；同时睡莲的存在会遮挡部分光照影响下层沉水植物的新陈代谢，进而影响沉水植物对于氮的吸收。
挺水-沉水组合、挺水-浮叶组合和挺水-沉水-浮叶组合对TP的去除率稍高于单一水生植物。其中，挺水-沉水组合和挺水-沉水-浮叶组合对TP的平均去除率分别比挺水-浮叶组合高4.54％和8.61％，说明有沉水植物的组合在降解水体中TP方面有更好的效果。处理组T4表现出最高的去除效率，表明挺水植物的生物量大、生长快，可以吸收和积累更多的磷元素。空白对照组也可以去除一定的磷，可能是因为水体中磷能以磷酸盐的形式存在，与基质结合，形成难以去除的物质。
挺水-沉水-浮叶组合对COD的去除率与挺水-沉水组合相比差异显著，前者以89.64％的去除率表现最佳，后者以55.09％表现最差，总体表现为挺水-沉水-浮叶组合对COD的去除效果优于另外两种组合，主要是COD的去除依赖于微生物活动，植物活动仅占COD去除总量的15％～19％，3种不同类型的水生植物组合在一起，可以为微生物提供更加多样的生境，从而有利于对有机物的降解。
综合TN、TP、COD三者的平均去除率，挺水-沉水-浮叶组合的净水效率最高，分别为T4(美人蕉+千屈菜+苦草+睡莲)、T5(美人蕉+再力花+苦草+睡莲)、T6(千屈菜+再力花+苦草+睡莲)、T1(美人蕉+苦草+睡莲)，平均去除率均在76％以上，尤其是T4(美人蕉+千屈菜+苦草+睡莲)的组合，达到了89％以上，相比其他组具有明显的优势。
在具体实施中，作为更优选的技术方案，将水生植物种植在泥土种植层时，泥土种植层中的泥土为污水周边自然土壤，经过破碎混拌均匀后平铺底部或承载装置中，通过用污水周边自然土壤种植植物，能够提高植物的适应能力。其中，泥土种植层内加入装有处理剂的可降解囊体，可降解囊体掺杂量为泥土的0.1-1wt％，处理剂由微生物制剂、硝酸钠和乙酸钠组成(按重量比1:2-3:3-4配置)，微生物制剂包括芽孢杆菌、硝化菌、酵母菌中的一种或多种。可降解囊体由可水溶性树脂制成，选自聚乙烯醇系聚合物，可以由乙烯酯聚合而成，可以是乙酸乙烯酯，也可以是其它的脂肪酸乙烯酯(例如，丙酸乙烯酯等)，可水溶性树脂选自醇解度为92-95％的聚乙烯醇。
以T4(美人蕉+千屈菜+苦草+睡莲)方案，在泥土种植层内加入0.5wt％的可降解囊体，可降解囊体中的处理剂由重量比1:2:3的微生物制剂、硝酸钠和乙酸钠组成，微生物制剂包括有芽孢杆菌、硝化菌、酵母菌，细菌总数为7×1010～8×1010cfu/ml，可降解囊体由聚乙烯醇系聚合物制备，按上述同样的方法测试，分别测试试验持续到35天(d)、45天(d)、55天(d)、65天(d)、75天(d)，水生植物对水体中TN、TP、COD的去除率，试验结果详见表3，由表3实验结果可知，泥土种植层内加入含有处理剂的可降解囊体后，能够在更短的时间内净化水体，在45-55天的时间里，就可以达到90％左右的污染物去除率。
表3
| 处理时间 | TN去除率(％) | TP去除率(％) | COD去除率(％) | 平均去除率(％) |
| 35天 | 82.67 | 83.32 | 82.17 | 82.72 |
| 45天 | 88.45 | 89.61 | 88.74 | 88.93 |
| 55天 | 89.26 | 90.23 | 88.79 | 89.43 |
| 65天 | 90.24 | 90.48 | 89.45 | 90.06 |
| 75天 | 90.68 | 90.88 | 90.14 | 90.57 |
实施案例
以上述T4(美人蕉+千屈菜+苦草+睡莲)的组合方案，用于上海市某公园水体治理，水体面积约34000m2，初始水质数据为：主湖区平均COD含量在地表水质量标准IV-V类水之间，平均总氮含量在地表水III-IV类水之间，平均总磷含量在地表水III-IV类水之间；南湖区平均COD含量高于地表水V类水标准，平均总氮含量高于地表水V类水标准，平均总磷含量高于地表水V类水标准。水体水色偏黄，透明度低，污染物以氮磷为主，富营养化问题突出。
采用本方案治理后，主湖区COD平均浓度由原来的38mg/L降低到9.6mg/L，COD平均去除率为75％；南侧湖区COD平均浓度由原来的73mg/L降低到11mg/L，COD平均去除率为85％。主湖区TP平均浓度由0.250mg/L下降到0.086mg/L，TP平均去除率为66％；南侧湖区TP平均浓度由0.583mg/L下降到0.093mg/L，TP平均去除率为84％。主湖区TN平均浓度始终低于1.5mg/L，符合地表水质量标准Ⅳ类标准；南侧湖区TN平均浓度3.3mg/L下降到1.29mg/L，TN平均去除率为61％。
植物种植75天后，主湖区及南侧湖区透明度大幅提升，水体主要水质指标(总氮、总磷、COD)达国家地表水环境质量标准(GB 3838-2002)Ⅳ类及以上标准，水生态系统相对完整并具备持续自净能力。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.水生植物在水体净化中的应用，其特征在于，所述的水生植物由挺水植物、浮叶植物和沉水植物搭配组合形成植物修复生态系统，
其中，所述挺水植物选自美人蕉、千屈菜、再力花中的至少一种；
所述浮叶植物为睡莲；
所述沉水植物为苦草。
2.根据权利要求1所述的水生植物在水体净化中的应用，其特征在于，按种植株数，所述挺水植物、浮叶植物和沉水植物的比例为1～3：0.1～0.4：2～5。
3.根据权利要求2所述的水生植物在水体净化中的应用，其特征在于，按种植株数，所述挺水植物、浮叶植物和沉水植物的比例为1～3：0.2～0.3：3～4。
4.根据权利要求1所述的水生植物在水体净化中的应用，其特征在于，所述挺水植物种植数量为每平方米污染水体种植8～18株，优选为10～15株；
所述浮叶植物种植数量为每平方米污染水体种植1～5株，优选为1～2株；
所述沉水植物种植数量为每平方米污染水体种植20～30株，优选为22～25株。
5.根据权利要求1所述的水生植物在水体净化中的应用，其特征在于，所述的水生植物为以下植物的组合：
千屈菜、再力花、苦草、睡莲，株数比例为1～2：1～2：2～4：0.1～0.3；
或者，美人蕉、再力花、苦草、睡莲，株数比例为0.5～1.5：1～2：3～5：0.1～0.3；
或者，美人蕉、千屈菜、苦草、睡莲，株数比例为0.5～1.5：1～2：3～5：0.1～0.3；
或者，美人蕉、苦草、睡莲，株数比例为2～3：3～5：0.1～0.3。
6.一种水生植物用于水体净化的方法，其特征在于，将权利要求1-5任一所述的水生植物种植在水体中形成植物修复生态系统。
7.根据权利要求6所述的一种水生植物用于水体净化的方法，其特征在于，在水体中布置泥土种植层，所述挺水植物、浮叶植物、沉水植物种植于所述泥土种植层。
8.根据权利要求7所述的一种水生植物用于水体净化的方法，其特征在于，所述泥土种植层的厚度为0.1-0.7m，所述泥土种植层位于水深0.3-1.2m处，优选地，所述泥土种植层的厚度为0.2-0.5m，所述泥土种植层位于水深0.3-1m处。
9.根据权利要求8所述的一种水生植物用于水体净化的方法，其特征在于，所述泥土种植层中的泥土为污水周边自然土壤，经过破碎混拌均匀后平铺底部或承载装置中。
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