植物去除大氣顆粒物的機(jī)理及空氣凈化作用結(jié)題摘要

植物能夠有效去除大氣顆粒物，改善空氣質(zhì)量。本項(xiàng)目開(kāi)展了北京市65種常見(jiàn)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(dòng)態(tài)變化及理化特征的觀測(cè)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(jī)理。65種測(cè)試植物依據(jù)葉面滯塵能力，被劃分為強(qiáng)滯塵能力（Ⅰ級(jí)）、較強(qiáng)滯塵能力（Ⅱ級(jí)）、中等滯塵能力（Ⅲ級(jí)）、較弱滯塵能力（Ⅳ級(jí)）、弱滯塵能力（Ⅴ級(jí)）5個(gè)等級(jí)。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(qiáng)滯塵能力和較強(qiáng)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(dá)的蠟質(zhì)。葉表面蠟質(zhì)層的破裂、脫落會(huì)導(dǎo)致吸附顆粒物的增加。相對(duì)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?fàn)钔黄鸷蜏喜鄹欣谌~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(shù)（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(huì)持續(xù)增加，而是維持動(dòng)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(dá)到較高數(shù)量。在北京較高大氣顆粒物濃度下，因?yàn)闈癯两底饔茫涤杲?jīng)常增加葉面附著顆粒物的數(shù)量。對(duì)于一次降雨事件，降雨強(qiáng)度、降雨量和大氣顆粒物濃度共同決定降雨對(duì)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(xiàng)目在理論上進(jìn)一步揭示了植物去除大氣顆粒物的機(jī)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(shí)踐上，積累了65種常見(jiàn)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(shù)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(duì)象，利用環(huán)境掃描電鏡、ICP、XRD等儀器分析手段，通過(guò)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(duì)滯塵能力的貢獻(xiàn)，據(jù)此對(duì)葉表面微形態(tài)特征進(jìn)行分類(lèi)及定義；以葉片生長(zhǎng)過(guò)程和沙塵天氣過(guò)程為切入點(diǎn)，結(jié)合天氣（大風(fēng)、降雨）、交通狀況和季節(jié)的時(shí)空變化，重點(diǎn)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(dòng)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(dòng)態(tài)變化過(guò)程及其影響因素，揭示植物去除大氣顆粒物的機(jī)理；對(duì)比葉面附著顆粒物與對(duì)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(duì)完善植物與沙塵相互作用理論有重要意義，同時(shí)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(guò)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(wú)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(jī)理：對(duì)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(guò)濾，通過(guò)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(xì)菌的代謝作用將懸浮物、膠體、可溶性固體分解成無(wú)機(jī)物；通過(guò)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(xì)菌和病毒處于不適宜環(huán)境中會(huì)引起自然衰敗及死亡，植物植物代謝利用植物對(duì)有機(jī)物的吸收而去除，植物根系分泌物對(duì)大腸桿菌和病原體有滅活作用植物吸收相當(dāng)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(guò)濾吸附作用

污水進(jìn)入濕地系統(tǒng)，污水中的固體顆粒與基質(zhì)顆粒之間會(huì)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(shí)，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?yàn)榇嬖谛跄w粒的架橋作用而被吸附。 　此外，由于濕地床體長(zhǎng)時(shí)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(jìn)水中的懸浮顆粒。 　物理過(guò)濾和吸附作用是濕地系統(tǒng)對(duì)污水中的污染物進(jìn)行攔截從而達(dá)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(shì)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(lèi)型。濕地中的植物對(duì)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(jìn)行光合自養(yǎng)的有機(jī)體一樣，具有分解和轉(zhuǎn)化有機(jī)物和其他物質(zhì)的能力。植物通過(guò)吸收同化作用，能直接從污水中吸收可利用的營(yíng)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(guò)這種作用被植物體吸收，最后通過(guò)被收割而離開(kāi)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(qiáng)。在不同的植物種類(lèi)中，沉水植物的吸附能力較強(qiáng)。根系密集發(fā)達(dá)交織在一起的植物亦能對(duì)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(zhǎng)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(chǎng)所。相關(guān)文獻(xiàn)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?yàn)樗w輸送氧氣，增加水體的活性。

由此可見(jiàn)，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(guò)呼吸作用，將廢水中的大部分有機(jī)物分解成為二氧化碳和水，厭氧細(xì)菌將有機(jī)物質(zhì)分解成二氧化碳和甲烷，硝化細(xì)菌將銨鹽硝化，反硝化細(xì)菌將硝態(tài)氮還原成氮?dú)?，等等。通過(guò)這一系列的作用，污水中的主要有機(jī)污染物都能得到降解同化，成為微生物細(xì)胞的一部分，其余的變成對(duì)環(huán)境無(wú)害的無(wú)機(jī)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(dòng)物及后生動(dòng)物，甚至一些濕地昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)也能參與吞食濕地系統(tǒng)中沉積的有機(jī)顆粒，然后進(jìn)行同化作用，將有機(jī)顆粒作為營(yíng)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(duì)空氣顆粒物去除技術(shù)，主要有機(jī)械過(guò)濾、吸附、靜電駐極過(guò)濾、高壓靜電集塵、負(fù)離子和等離子體法等。

機(jī)械過(guò)濾

一般主要通過(guò)以下4種方式捕獲微粒：直接攔截，慣性碰撞，布朗擴(kuò)散機(jī)理，篩選效應(yīng)，其對(duì)細(xì)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(guò)濾

相對(duì)機(jī)械式過(guò)濾，靜電駐極過(guò)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(xì)菌等。

高壓靜電集塵

利用高壓靜電場(chǎng)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(duì)較大顆粒和纖維捕集效果差，會(huì)引起放電，且清洗麻煩費(fèi)時(shí)，易產(chǎn)生臭氧，形成二次污染。

負(fù)離子和等離子體法

通過(guò)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(shí)際上并未移除，只是附著于附近的表面上，易導(dǎo)致再次揚(yáng)塵。