植物去除大氣顆粒物的機理及空氣凈化作用

植物能夠有效去除大氣顆粒物，改善空氣質(zhì)量。本項目開展了北京市65種常見園林植物的葉面滯塵能力與葉表面微觀形態(tài)特征、代表植物的葉面附著顆粒物的動態(tài)變化及理化特征的觀測研究，探討了葉面滯塵能力的影響因素和植物去除大氣顆粒物的機理。65種測試植物依據(jù)葉面滯塵能力，被劃分為強滯塵能力（Ⅰ級）、較強滯塵能力（Ⅱ級）、中等滯塵能力（Ⅲ級）、較弱滯塵能力（Ⅳ級）、弱滯塵能力（Ⅴ級）5個等級。葉面滯塵能力主要由葉表面微觀形貌和蠟質(zhì)兩者共同決定。強滯塵能力和較強滯塵能力的植物，葉表面通常具有復(fù)雜的微觀形貌；而弱滯塵能力和較弱滯塵能力的植物，葉表面均有發(fā)達的蠟質(zhì)。葉表面蠟質(zhì)層的破裂、脫落會導(dǎo)致吸附顆粒物的增加。相對于20 ~ 40 μm尺度的葉表面微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，寬1 ~ 3 μm、高0.6 ~ 1.2 μm的脊狀突起和溝槽更有利于葉面吸附大氣顆粒物，該有效結(jié)構(gòu)的密度是葉面滯塵能力的重要影響因素。榆樹（Ulmus pumila）、垂柳（Salix babylonica）和銀杏（Ginkgo biloba）的葉面分別代表膜狀、板狀和管狀3種葉表皮蠟質(zhì)超微結(jié)構(gòu)，其滯塵能力差異顯著。膜狀結(jié)構(gòu)能夠最有效地吸附大氣顆粒物，尤其是PM2.5；管狀結(jié)構(gòu)因極大地降低了與顆粒物之間的接觸面積而具有最低的滯塵能力；板狀結(jié)構(gòu)的滯塵能力介于膜狀結(jié)構(gòu)和管狀結(jié)構(gòu)之間。3種植物，在葉芽破裂至葉片成熟期間，在降雨作用下，其葉面附著顆粒物數(shù)量不會持續(xù)增加，而是維持動態(tài)平衡，上、下表面顆粒物覆蓋面積平衡值分別為10% ~ 50%和3% ~ 35%。葉芽破裂后，大氣顆粒物在幼葉葉面快速累積，在4 ~ 7天即達到較高數(shù)量。在北京較高大氣顆粒物濃度下，因為濕沉降作用，降雨經(jīng)常增加葉面附著顆粒物的數(shù)量。對于一次降雨事件，降雨強度、降雨量和大氣顆粒物濃度共同決定降雨對葉面附著顆粒物的影響。植物葉面能夠有效吸附PM2.5，葉面附著粒徑小于1 μm的顆粒物占附著顆粒物總量的80% ~ 92%，粒徑小于2.5 μm的顆粒物占附著顆粒物總量的90% ~ 99%。本項目在理論上進一步揭示了植物去除大氣顆粒物的機理，提出葉面特性，包括微觀結(jié)構(gòu)的物理特性和組成成分與結(jié)構(gòu)的化學(xué)特性是植物去除大氣顆粒物最重要的內(nèi)在控制因素。在實踐上，積累了65種常見園林植物滯塵能力和葉表面微觀形貌圖像及三維數(shù)據(jù)，為園林綠化樹種選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

植物能夠有效去除大氣顆粒物，改善空氣質(zhì)量。本課題擬以風(fēng)沙科學(xué)、自然地理學(xué)、植物學(xué)等理論為基礎(chǔ)，以北京市園林植物為對象，利用環(huán)境掃描電鏡、ICP、XRD等儀器分析手段，通過調(diào)查、采樣和分析，探討65種植物葉表面微形態(tài)特征與滯塵能力和附著顆粒物理化特征的相關(guān)性，弄清不同葉表面微形態(tài)特征對滯塵能力的貢獻，據(jù)此對葉表面微形態(tài)特征進行分類及定義；以葉片生長過程和沙塵天氣過程為切入點，結(jié)合天氣（大風(fēng)、降雨）、交通狀況和季節(jié)的時空變化，重點考察代表不同葉表面微形態(tài)特征的6種植物葉面附著顆粒物的動態(tài)變化，闡明大氣顆粒物在植物葉面的附著、滯留和脫離等動態(tài)變化過程及其影響因素，揭示植物去除大氣顆粒物的機理；對比葉面附著顆粒物與對照采集的大氣顆粒物和降塵的理化特征差異，明確植物去除PM2.5和重金屬等高危顆粒物的效率及空氣凈化作用。研究結(jié)果對完善植物與沙塵相互作用理論有重要意義，同時為園林建設(shè)方案調(diào)整提供依據(jù)。

SS的去除主要靠物理沉淀、過濾作用，BOD的去除主要靠微生物吸附和代謝作用，代謝產(chǎn)物均為無害的穩(wěn)定物質(zhì)，因此可以使處理后水中殘余的BOD濃度很低。污水中COD去除的原理與BOD基本相同。

N、P去除人工濕地主要利用生物脫氮及植物吸收方法。

作用機理：對污染物的去除與影響物理沉淀可沉淀固體在濕地中重力沉降去除、過濾，通過顆粒間相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固體被阻截而去除；化學(xué)微生物代謝：利用懸浮的底泥和寄生于植物上的細菌的代謝作用將懸浮物、膠體、可溶性固體分解成無機物；通過生物硝化-反硝化作用去除氮；部分微量元素被微生物、植物利用氧化并經(jīng)阻截或結(jié)合而被去除。自然死亡：細菌和病毒處于不適宜環(huán)境中會引起自然衰敗及死亡，植物植物代謝利用植物對有機物的吸收而去除，植物根系分泌物對大腸桿菌和病原體有滅活作用植物吸收相當數(shù)量的氮和磷能被植物吸收而去除，多年生沼澤生植物，每年收割一次，可將氮、磷吸收、合成后分移出人工濕地系統(tǒng)。

1.濕地基質(zhì)的過濾吸附作用

污水進入濕地系統(tǒng)，污水中的固體顆粒與基質(zhì)顆粒之間會發(fā)生作用，水流中的固體顆粒直接碰到基質(zhì)顆粒表面被攔截。水中顆粒遷移到基質(zhì)顆粒表面時，在范德華力和靜電力作用下以及某些化學(xué)鍵和某些特殊的化學(xué)吸附力作用下，被粘附與基質(zhì)顆粒上，也可能因為存在絮凝顆粒的架橋作用而被吸附。 　此外，由于濕地床體長時間處于浸水狀態(tài)，床體很多區(qū)域內(nèi)基質(zhì)形成土壤膠體，土壤膠體本身具有極大的吸附性能，也能夠截留和吸附進水中的懸浮顆粒。 　物理過濾和吸附作用是濕地系統(tǒng)對污水中的污染物進行攔截從而達到凈化污水的目的的重要途徑之一。

2. 濕地植物的作用

植物是人工濕地的重要組成部分。人工濕地根據(jù)主要植物優(yōu)勢種的不同，被分為浮水植物人工濕地，浮葉植物人工濕地，挺水植物人工濕地，沉水植物人工濕地等不同類型。濕地中的植物對于濕地凈化污水的作用能起到極重要的影響。

首先，濕地植物和所有進行光合自養(yǎng)的有機體一樣，具有分解和轉(zhuǎn)化有機物和其他物質(zhì)的能力。植物通過吸收同化作用，能直接從污水中吸收可利用的營養(yǎng)物質(zhì)，如水體中的氮和磷等。水中的銨鹽、硝酸鹽以及磷酸鹽都能通過這種作用被植物體吸收，最后通過被收割而離開水體。

其次，植物的根系能吸附和富集重金屬和有毒有害物質(zhì)。植物的根莖葉都有吸收富集重金屬的作用，其中根部的吸收能力最強。在不同的植物種類中，沉水植物的吸附能力較強。根系密集發(fā)達交織在一起的植物亦能對固體顆粒起到攔截吸附作用。

再次，植物為微生物的吸附生長提供了更大的表面積。植物的根系是微生物重要的棲息、附著和繁殖的場所。相關(guān)文獻表明，植物根際的微生物數(shù)量比非根際微生物數(shù)量多得多，而微生物能起到重要的降解水中污染物的作用。

最后，植物還能夠為水體輸送氧氣，增加水體的活性。

由此可見，濕地植物在控制水質(zhì)污染，降解有害物質(zhì)上也起到了重要的作用。

3. 微生物的消解作用

濕地系統(tǒng)中的微生物是降解水體中污染物的主力軍。好氧微生物通過呼吸作用，將廢水中的大部分有機物分解成為二氧化碳和水，厭氧細菌將有機物質(zhì)分解成二氧化碳和甲烷，硝化細菌將銨鹽硝化，反硝化細菌將硝態(tài)氮還原成氮氣，等等。通過這一系列的作用，污水中的主要有機污染物都能得到降解同化，成為微生物細胞的一部分，其余的變成對環(huán)境無害的無機物質(zhì)回歸到自然界中。

此外，濕地生態(tài)系統(tǒng)中還存在某些原生動物及后生動物，甚至一些濕地昆蟲和鳥類也能參與吞食濕地系統(tǒng)中沉積的有機顆粒，然后進行同化作用，將有機顆粒作為營養(yǎng)物質(zhì)吸收，從而在某種程度上去除污水中的顆粒物。

空氣凈化器針對空氣顆粒物去除技術(shù)，主要有機械過濾、吸附、靜電駐極過濾、高壓靜電集塵、負離子和等離子體法等。

機械過濾

一般主要通過以下4種方式捕獲微粒：直接攔截，慣性碰撞，布朗擴散機理，篩選效應(yīng)，其對細小顆粒物收集效果好但風(fēng)阻大，為了獲得高的凈化效率，濾網(wǎng)需要致密從而導(dǎo)致壽命降低，所以需定期更換濾網(wǎng)。

吸附

利用材料的大表面積及多孔結(jié)構(gòu)捕獲氣體污染物，去除效果更顯著；顆粒污染物體積較大，很容易堵塞。

靜電駐極過濾

相對機械式過濾，靜電駐極過濾能有效阻隔空氣中大于0.1微米的顆粒污染物，如粉塵、毛屑、花粉、細菌等。

高壓靜電集塵

利用高壓靜電場使氣體電離從而使塵粒帶電吸附到電極上的收塵方法，其風(fēng)阻雖小但對較大顆粒和纖維捕集效果差，會引起放電，且清洗麻煩費時，易產(chǎn)生臭氧，形成二次污染。

負離子和等離子體法

通過使空氣中的顆粒物帶電，聚結(jié)形成較大顆粒而沉降。但顆粒物實際上并未移除，只是附著于附近的表面上，易導(dǎo)致再次揚塵。