浮萍在污水處理中的應(yīng)用研究
摘要 浮萍科植物是漂浮生長(zhǎng)在水流相對(duì)平緩的湖泊河灣水面上植物類群，整個(gè)植株完全退化為一個(gè)呈圓形或橢圓形的葉狀體，主要是通過(guò)根或葉狀體從水中吸收所需的氮磷等各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。浮萍科植物的氮磷含量和生長(zhǎng)速率高并可以耐受多種污水條件，因此這個(gè)類群是污水處理生態(tài)工程中重要的水生植物類群。以浮萍為主的污水處理系統(tǒng)已得到較多的研究和應(yīng)用，這類系統(tǒng)最大特點(diǎn)是浮萍的生長(zhǎng)可以大量吸收污水中的氮磷，從而具有較高的氮磷去除率，同時(shí)生成的生物量可多種方式利用。因此利用這類系統(tǒng)對(duì)污水進(jìn)行氮磷的處理與轉(zhuǎn)化，并將生成的浮萍生物量適當(dāng)?shù)刭Y源化利用是未來(lái)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 浮萍污水處理氮磷生態(tài)技術(shù)
1 引言
隨著水污染的日益加劇，為了尋找高效低耗的污染防治技術(shù)，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，多種以大型水生植物為核心的污水處理和水體修復(fù)的生態(tài)技術(shù)被廣泛研究和應(yīng)用。大量工程實(shí)踐表明，這項(xiàng)技術(shù)具有低投資、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)已成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在眾多水生植物種類中，浮萍科植物是被研究應(yīng)用較多的類群之一。浮萍科(Lemnaceae)植物，通常簡(jiǎn)稱浮萍，共有4個(gè)屬約40個(gè)種，世界各地均有分布舊1。它們大多漂浮生長(zhǎng)在水流相對(duì)平緩的湖泊河灣水面上，主要是通過(guò)根或葉狀體從水中吸收所需的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。本文對(duì)浮萍科植物的特點(diǎn)及其在水污染治理中的研究與應(yīng)用進(jìn)行綜述。
2 浮萍科植物適用于污水處理的特點(diǎn)
2．1快速吸收轉(zhuǎn)化污水中氮磷
在適宜的環(huán)境條件下，浮萍植物具有非常高生長(zhǎng)速率，根據(jù)Reddy等的研究統(tǒng)計(jì)，北美地區(qū)浮萍的年生產(chǎn)力為6—26 t(DW)／a·hm。而Oron曾經(jīng)報(bào)道自然條件下，在污水中生長(zhǎng)的浮萍相對(duì)生長(zhǎng)速率可以達(dá)到0．10～0．35 g(DW)／g(DW)·d，相當(dāng)于每2～7 d生物量即增加一倍。除此之外，浮萍植物組織的氮磷含量較高，明顯高于鳳眼蓮、蘆葦?shù)绕渌参?表1)，這使得在污水中生長(zhǎng)的浮萍植物可以大量帶走氮磷。
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2．2可耐受多種污水條件
浮萍科植物對(duì)污水中的氨、重金屬等均具有較高的耐受性，因此它們能在多種富含營(yíng)養(yǎng)的污水中生長(zhǎng)。表2是浮萍科植物在各種廢水中的生長(zhǎng)情況，從中我們可以看出，不管是在原生活污水還是經(jīng)過(guò)一定處理的生活污水中，浮萍都可以生長(zhǎng)。但是由于污水組成、所利用浮萍種類以及環(huán)境條件不同，浮萍生物量的增長(zhǎng)速率表現(xiàn)出了很大的差異，如在人工模擬養(yǎng)豬場(chǎng)廢水中浮萍生物量增長(zhǎng)速度可達(dá)到29 g(DW)／m2 d，而在沼氣廢液中只有1．06 g(DW)／m2 d。
3 以浮萍為主的污水處理系統(tǒng)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
3．1浮萍處理系統(tǒng)的起源及形式
浮萍應(yīng)用于污水處理開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，是隨著以大型水生植物為主的污水處理生態(tài)技術(shù)的發(fā)展逐漸發(fā)展起來(lái)的。污水生態(tài)處理技術(shù)根據(jù)選用的水生植物類型不同主要分為2種：以挺水植物為主的人工濕地系統(tǒng)和以漂浮植物為主的池塘系統(tǒng)。
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漂浮植物的塘系統(tǒng)是在曾被廣泛應(yīng)用的氧化塘基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。氧化塘的出水經(jīng)常由于藻類濃度過(guò)高而導(dǎo)致出水總懸浮固體物(TSS)和生物需氧量(BOD)不能達(dá)到要求。研究人員發(fā)現(xiàn)，在其中引入漂浮植物不僅能夠抑制藻類生長(zhǎng)，還可促進(jìn)有機(jī)污染物的降解，并可通過(guò)對(duì)生物量的打撈回收氮磷。相對(duì)于鳳眼蓮等其他漂浮植物，由于浮萍科植物在打撈收獲、加工利用、耐受條件等方面的優(yōu)點(diǎn)而被越來(lái)越多地應(yīng)用，逐漸形成以其為主的處理系統(tǒng)。
目前研究應(yīng)用較多的浮萍污水處理系統(tǒng)主要是浮萍與氧化塘的結(jié)合形式。浮萍往往在塘表面形成一個(gè)墊層，生物量密度根據(jù)環(huán)境條件不同存在較大差異，最大可達(dá)130 g／m2(干重)。由于浮萍在塘的水面上極易被風(fēng)攪動(dòng)，因此大部分浮萍處理塘?xí)捎靡恍┢〉墓潭ㄑb置來(lái)避免浮萍被風(fēng)吹散，這些裝置通常根據(jù)具體情況由竹子、PVC管或塑料框制成。另外，在塘的出水口處通常會(huì)設(shè)置截留浮萍的裝置。浮萍生物量的收獲根據(jù)處理系統(tǒng)規(guī)模的不同采取人工或特定的機(jī)械來(lái)完成。
3．2 浮萍處理系統(tǒng)的污染物去除機(jī)理及設(shè)計(jì)參數(shù)
浮萍?jí)|層的下面根據(jù)氧含量的不同形成3個(gè)層：好氧層、兼氧層和厭氧層。3個(gè)層中存在對(duì)應(yīng)的好氧、兼氧、厭氧微生物群落。處理系統(tǒng)依靠浮萍和這些微生物共同完成對(duì)各項(xiàng)污染物的處理。由于浮萍沒(méi)有龐大的根系，它不能通過(guò)根部向水中釋放大量的氧氣；并且浮萍?jí)|層的形成也阻礙了空氣中氧向水中擴(kuò)散，因此浮萍塘的好氧層通常較淺，在浮萍?jí)|層以下只有約10 cm深。再向下則是兼氧層和厭氧層。由于浮萍根系較小，為微生物提供附著的面積非常小，塘內(nèi)的微生物主要是以懸浮狀態(tài)存在。塘內(nèi)有機(jī)物的降解主要通過(guò)微生物來(lái)完成。研究發(fā)現(xiàn)在塘中盡管好氧菌群可以降解一些有機(jī)物，但大部分有機(jī)物的降解是靠厭氧微生物群來(lái)完成的，浮萍塘可耐受的進(jìn)水最大COD濃度約為300—500 mg／L。塘中氮的去除主要是通過(guò)4個(gè)過(guò)程完成：(1)浮萍的吸收；(2)隨固體顆粒物的沉降；(3)微生物硝化作用和反硝化作用；(4)氨的揮發(fā)。磷的去除主要是通過(guò)的浮萍的吸收和沉降作用。
為了避免溫度的分層，塘的水深通常在0．6—1．5 m之間。系統(tǒng)通常采用推流式，流速在0．1 m／s左右。有機(jī)物去除率與溫度和停留時(shí)間有關(guān)，處理生活污水時(shí)，在熱帶地區(qū)水力停留時(shí)間在10—20 d內(nèi)即可將出水BOD，降低到30～20 mg／L。浮萍處理系統(tǒng)多在自然條件下運(yùn)行，其具體的設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)由于所處地區(qū)氣候條件的不同而有較大的差別，但大都是以BOD；和TSS的負(fù)荷為主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。Smith等曾對(duì)熱帶地區(qū)BOD，為主要去除目標(biāo)的浮萍污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行進(jìn)行了總結(jié)。他們假定塘中有機(jī)物的降解以微生物的厭氧分解過(guò)程為主，采用推流式多點(diǎn)進(jìn)水模式，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)污染物的去除效率主要是溫度的參數(shù)(表3)。
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3．3浮萍處理系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)
浮萍污水處理系統(tǒng)在許多國(guó)家都有應(yīng)用。在美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，它與氧化塘處理系統(tǒng)一樣，主要是用于小城鎮(zhèn)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的污水處理。如在1992年，美國(guó)至少有15個(gè)這樣的系統(tǒng)用于偏遠(yuǎn)城郊或度假地的污水處理。在美國(guó)還有一些污水處理公司專門致力于浮萍污水處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用，并開(kāi)發(fā)出了一系列具有專利的處理工藝與設(shè)備，如穩(wěn)定浮萍的框，打撈收獲的機(jī)械等。浮萍處理系統(tǒng)也已被美國(guó)環(huán)保局列為污水處理的替代技術(shù)之一。在一些發(fā)展中國(guó)家，特別是熱帶地區(qū)，由于不能負(fù)擔(dān)活性污泥法等傳統(tǒng)污水處理技術(shù)昂貴的建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用；這類投資費(fèi)用小，運(yùn)行維護(hù)方便的生態(tài)技術(shù)就成了適用的污水處理技術(shù)。其中利用浮萍的系統(tǒng)因?yàn)榫哂谢厥召Y源的潛力，正在逐漸受到重視舊。世界銀行、美國(guó)的非政府組織PRISM和孟加拉國(guó)農(nóng)業(yè)部曾經(jīng)在孟加拉國(guó)的Mirzapur合作進(jìn)行了一個(gè)利用浮萍將廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)資源化的示范項(xiàng)目。這個(gè)示范項(xiàng)目將浮萍污水處理系統(tǒng)和草魚(yú)養(yǎng)殖結(jié)合起來(lái)，通過(guò)出售草魚(yú)獲得收入，經(jīng)過(guò)4年的運(yùn)行已成功地達(dá)到了目的。
與氧化塘等處理系統(tǒng)相比，浮萍處理系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于其快速的生長(zhǎng)及收獲可從水中帶走大量的氮磷，因此有更高的氮磷去除率舊，并且通過(guò)生物量資源化利用還可獲得一定的收益。如：在孟加拉一個(gè)生活污水的中試處理系統(tǒng)，收獲所去除氮磷的速率分別為0．26 g N／m2·d和0．05 g P／m2 d，約占整個(gè)系統(tǒng)去除率的60％～80％。此外塘表面浮萍?jí)|層的存在還可以防止蚊子的孳生和異味的揮發(fā)。
浮萍處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還在于可通過(guò)生物量資源化利用獲得一定的收益。相比鳳眼蓮等其他水生植物，浮萍生物量具有更加多樣化的利用方式。首先，浮萍類植物的干萍粉粗蛋白含量較高，自然水體中生長(zhǎng)萍體粗蛋白含量通常在20％以上，而污水中生長(zhǎng)的則高達(dá)30％以上。浮萍蛋白質(zhì)的質(zhì)量也比較好，其所含8種必需氨基酸的量除了蛋氨酸和色氨酸外都比較高舊，因此浮萍生物量可作為水產(chǎn)及家禽飼料。我國(guó)及許多國(guó)家很早就靠種養(yǎng)和投喂浮萍來(lái)養(yǎng)殖草食性魚(yú)類，其中的某些種類如蕪萍還是專門用于魚(yú)苗飼養(yǎng)的優(yōu)選餌料。。除了氮磷含量較高外，浮萍類植物碳氮比較低，約在8：1左右，很容易腐爛分解，因此也可以作為優(yōu)良的綠肥舊。在我國(guó)南方及東南亞一帶，農(nóng)民經(jīng)常在水塘中培養(yǎng)浮萍，收獲后做綠肥施于田中。飼料和肥料是浮萍植物生物量最廣泛的利用方式。
除此之外，浮萍還含有具有特定功能的生物化學(xué)物質(zhì)，如中醫(yī)認(rèn)為紫背浮萍具有發(fā)散風(fēng)熱、透疹和利尿之功效。研類和有機(jī)酸類成分。埃及研究人員曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)小浮萍的提取物可以殺死按蚊的幼蟲(chóng)并阻止按蚊產(chǎn)卵。而一些研究則發(fā)現(xiàn)從浮萍中提取出的酶可以降解有機(jī)磷農(nóng)藥等。因此，污水處理系統(tǒng)中所生長(zhǎng)的大量浮萍，將來(lái)有可能作為天然生化產(chǎn)品的原料。而由于浮萍類植物主要以營(yíng)養(yǎng)繁殖為主，個(gè)體之間遺傳一致性較高，同時(shí)生長(zhǎng)速度較快，它也正在被研究開(kāi)發(fā)作為新的植物基因工程載體，用于一些重組蛋白的生產(chǎn)。因此，隨著浮萍基因工程技術(shù)的發(fā)展，利用轉(zhuǎn)基因的浮萍將污水中氮磷吸收轉(zhuǎn)化為某些特定的生化產(chǎn)品也越來(lái)越成為可能。但是與其他的生態(tài)處理技術(shù)一樣，浮萍處理系統(tǒng)也具有占地面積較大、不能承受沖擊負(fù)荷和系統(tǒng)運(yùn)行受氣候影響等缺點(diǎn)。并且由于浮萍自身對(duì)有機(jī)物的降解沒(méi)有直接作用，該系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的處理效率與兼性氧化塘基本相同。但由于塘內(nèi)藻類的生長(zhǎng)被抑制，使得不能形成有利的條件殺死某些病菌，因此浮萍系統(tǒng)對(duì)病原菌去除效果并不理想。
3．4浮萍處理系統(tǒng)的發(fā)展方向
根據(jù)浮萍處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究人員正在嘗試?yán)闷渌亩?jí)生物處理系統(tǒng)先高效地去除有機(jī)物，然后再利用浮萍系統(tǒng)去除與回收氮磷日，或?qū)⒃寰趸梁透∑继谅?lián)合應(yīng)用來(lái)處理污水，已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合處理系統(tǒng)不但能更好地去除氮磷，而且還可有效去除病菌。澳大利亞新南威爾士的Northern Tablelands則嘗試在生活污水經(jīng)過(guò)活性污泥延時(shí)曝氣工藝處理的出水中培養(yǎng)浮萍吸收氮磷，結(jié)果表明，浮萍可以帶走二級(jí)出水中30％的氨氮，33％硝酸鹽氮，36％的總磷。在美國(guó)的北卡羅來(lái)那州，豬場(chǎng)廢水的處理成為重要的課題，研究人員正在嘗試將豬場(chǎng)廢水經(jīng)升流式厭氧污泥床處理后，利用浮萍來(lái)吸收其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，生成的浮萍生物量再作為禽畜飼料利用。
從浮萍科植物在污水處理中研究與應(yīng)用的發(fā)展來(lái)看，浮萍處理系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)在于吸收轉(zhuǎn)化氮磷，因此，利用浮萍的污水處理系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)這方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)則是關(guān)于浮萍生物量的收獲，但目前這方面還缺乏研究，因此如何制定可高效地實(shí)現(xiàn)氮磷轉(zhuǎn)化的浮萍生物量收獲管理策略，應(yīng)是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。
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