浮萍污水脫氮處理的研究進(jìn)展及應(yīng)用展望

李志蘭，連彥峰

（1.浙江省自然科學(xué)基金委員會辦公室，浙江杭州 310012；2.浙江省環(huán)科環(huán)境認(rèn)證中心，浙江杭州 310007）

浮萍污水脫氮處理的研究進(jìn)展及應(yīng)用展望

李志蘭1，連彥峰2

（1.浙江省自然科學(xué)基金委員會辦公室，浙江杭州 310012；2.浙江省環(huán)科環(huán)境認(rèn)證中心，浙江杭州 310007）

浮萍具有易生長、廣分布、富集氮等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于水治理中進(jìn)行污水脫氮處理。本文對浮萍脫氮作用的相關(guān)機(jī)制、影響因子及局限性進(jìn)行了綜述。浮萍脫氮的作用途徑可分為直接吸收和間接影響2種，其中間接影響主要包括調(diào)控氨揮發(fā)和水體硝化/反硝化反應(yīng)。浮萍脫氮作用的影響因子包括水體總氮量、水流條件、光強(qiáng)、溫度、酸堿度及有機(jī)質(zhì)含量等。

浮萍；污水處理；脫氮作用

浮萍，隸屬于浮萍科，是一種分布于全球的水面浮生植物，常見于富營養(yǎng)化的淡水或低鹽水體。浮萍科植物包括4個(gè)屬（Lemna，Spirodela，Wolffia和Wolfiella）37個(gè)種［1］。相對于其他植物，浮萍不需要大量的纖維來支持葉和莖，因此其纖維含量只占整個(gè)植株的5%左右。浮萍能吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)并轉(zhuǎn)化為植物蛋白。在適宜的生長環(huán)境中，浮萍體內(nèi)的蛋白積累量可高達(dá)干重的40%，這些植物蛋白類似于動(dòng)物蛋白，亮氨酸和蛋氨酸的含量相對較高；同時(shí)，其體內(nèi)還富含微量元素及色素，因此多用于動(dòng)物飼料的原料［2］。

基于其高效的氮磷富集作用，浮萍被廣泛應(yīng)用于污水治理，大量研究表明其脫氮效果顯著［3_4］。當(dāng)浮萍初始覆蓋率為60%時(shí)，可去除豬場廢水中83.7%的總氮［5］，對的去除率也可以達(dá)到53.6%［6］，而定期收獲浮萍可使氮素去除率明顯提高［7］。將浮萍應(yīng)用到污染河道修復(fù)中，總氮去除率達(dá)到81.5%［8］。此外，浮萍對市政廢水、工業(yè)廢水以及生活污水中總氮的去除率均可達(dá)到60%以上［9_11］。為方便推廣應(yīng)用，研究者開發(fā)了浮萍池（duckweed-based pond）系統(tǒng)，該污水治理模式已經(jīng)在中國、孟加拉國、比利時(shí)及美國等多地全面推廣［5，7_8，12］。研究證明，該系統(tǒng)具有高效的污水脫氮作用，并基本明確了其作用機(jī)制和作用途徑以及相關(guān)的影響因子。

1 浮萍污水脫氮的作用機(jī)制

1.1 植株直接吸收氮素

浮萍可通過直接吸收水體中的氮素或間接影響水體的理化性質(zhì)與微環(huán)境對污水進(jìn)行脫氮。有研究認(rèn)為直接吸收是浮萍脫氮的主要途徑，吸收量可占總氮去除量的10%～30%［13］。在適宜的條件下，浮萍可吸收水中60%～80%的氮素，吸收氮素的速度可達(dá)到4.9 kg·hm_2·d_1［14］。其對生活污水中氮的吸收量更高，為6.2 kg·hm_2·d_1［9］。有研究通過測定浮萍體內(nèi)含氮量發(fā)現(xiàn)，被去除的總氮中有18%是經(jīng)浮萍吸收后收獲而帶走的［15］。沈根祥等［16］的研究結(jié)果表明，豬場厭氧污水中17.3%的被浮萍吸收或吸附，而則完全通過浮萍吸收或吸附被去除。

1.2 調(diào)控水體內(nèi)硝化/反硝化反應(yīng)

這項(xiàng)研究主要是指浮萍通過各因素影響水中細(xì)菌的硝化/反硝化反應(yīng)效率。浮萍生長可改變水體微環(huán)境，發(fā)達(dá)的通氣系統(tǒng)使得根際環(huán)境富含氧氣，形成有氧微環(huán)境，而根區(qū)周圍則多為厭氧環(huán)境。研究表明，這種條件對硝化和反硝化作用具有促進(jìn)作用［17_21］。浮萍發(fā)達(dá)的葉和根可吸附水體中的有機(jī)物，有機(jī)物會隨植物死亡而降解，在降解過程中一些次生代謝產(chǎn)物或者化感物質(zhì)得到釋放，水體環(huán)境由此改變，這些變化被證明可促進(jìn)微生物的硝化及反硝化反應(yīng)或其他化學(xué)脫氮作用［22］。此外，最新研究還發(fā)現(xiàn)浮萍的根系分泌物對水體中營脫氮功能的細(xì)菌具有顯著的影響，其中中性物質(zhì)成分（功能成分為脂肪酸甲酯和脂肪酸酰胺）表現(xiàn)出促進(jìn)作用，而酸性成分則表現(xiàn)出一定的抑制作用，但根系粗提液對脫氮作用總的呈現(xiàn)促進(jìn)效果［23］。

1.3 調(diào)控水體氨揮發(fā)

除了本身吸收氮素之外，浮萍還可通過覆蓋作用降低水中的溫度、pH值和蒸發(fā)量［17］，從而降低7%～37%的水體氨揮發(fā)量［18］。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)浮萍覆蓋后，水體的氨揮發(fā)量增加［19］；或認(rèn)為浮萍對氨揮發(fā)的作用受不同施肥條件和不同浮萍品種的影響［20］。目前針對浮萍對氨揮發(fā)的影響還存在很多爭議，仍待進(jìn)一步深入研究。

總的來說，浮萍在污水脫氮的過程中主要涉及以上3種機(jī)制，對于3種機(jī)制在各個(gè)處理過程中的主次問題尚存在很大的爭議，各研究結(jié)果存在很大差異，歸納原因可能與計(jì)算方法或試驗(yàn)條件有關(guān)。許多研究在計(jì)算氮素去除率時(shí)通常采用各途徑去除量占總氮去除量的比例來表示，而忽視了原污水池中的總氮量，因此這種對各途徑重要性進(jìn)行定量評價(jià)的方法仍存在一定的缺陷。

2 浮萍生長及其污水脫氮作用的影響因子

2.1 水體NH3·H2O總量

2.2 水流

水流條件是影響浮萍脫氮效果的重要因素之一。Ran等［26］研究發(fā)現(xiàn)，最佳水流條件：水力停留時(shí)間（4.26±0.61）d，流速（0.234± 0.027）m3·d_1，水壓負(fù)荷（0.22±0.03）m· d_1。Alahmady等［27］和Giblin等［28］進(jìn)一步證實(shí)了水流條件對浮萍池治污效果具有顯著的影響。

2.3 光強(qiáng)

Zhao等［24］研究發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)可顯著影響浮萍的生長勢，高光照（5 000 lx）下浮萍的生長率是低光照（2 000 lx）下的2倍；當(dāng)光照強(qiáng)度大于10 000 lx時(shí)，這種增強(qiáng)效果消失。

2.4 溫度

浮萍能在6～33℃內(nèi)生長，最適溫度范圍為18～30℃，其中在25～30℃時(shí)，生長最為旺盛［19］。浮萍對溫度有很高的適應(yīng)性，但溫度過高或過低都會影響到浮萍的生長。Kad lec等［29］研究發(fā)現(xiàn)，冬季浮萍對污水中總氮的吸收率是夏季的2倍多。當(dāng)溫度達(dá)到30～34℃時(shí)，浮萍會慢慢變黃，且伴隨著生產(chǎn)力的下降［30］；在5～7℃的水中，浮萍也能正常生長，但水溫繼續(xù)下降時(shí)，浮萍會形成一種鱗莖的形式，沉入水底，進(jìn)入休眠狀態(tài)，待來年水溫回升后重新恢復(fù)生機(jī)［31］。有研究表明（20± 4）℃環(huán)境中浮萍對氮的吸收量比（10±3）℃環(huán)境下的要高20%［13］。

2.5 酸堿度

浮萍能承受的pH值范圍為3～10，最佳范圍為5～7［32］。也有研究認(rèn)為，浮萍對pH值的耐受范圍為5～9，當(dāng)pH值為6.5～7.5時(shí)，浮萍的生長情況最佳［25］。Caicedo等［33］研究表明在適宜范圍內(nèi)（5～7.4），浮萍的生長勢隨pH值升高而減弱。最新研究表明，雖然浮萍生長受環(huán)境pH值的影響，但浮萍在生長過程中也可影響環(huán)境的pH值，在一個(gè)收獲期內(nèi)，浮萍收獲時(shí)水體的pH值比原來降低了9%～13%［34］。

2.6 有機(jī)質(zhì)

水體中有機(jī)質(zhì)濃度在適宜濃度范圍內(nèi)對浮萍生長及其對氮素的吸收能力具有促進(jìn)作用，但一旦過量則產(chǎn)生抑制效果。Zimmo等［13］研究發(fā)現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)濃度為（167±15）mg·L_1的水體中，浮萍對氮素的吸收較在2～3倍該濃度的水體中高出11%。

以上各因素之間的交互作用也可影響浮萍的脫氮作用，如高溫/低有機(jī)質(zhì)、低溫/高有機(jī)質(zhì)、高溫/高有機(jī)質(zhì)3種條件下，浮萍對氮素的吸收率分別為30%，10%和19%［26］。此外，污水中NH4+濃度可減弱浮萍對堿性環(huán)境（7.4～9）的耐受性［33］。

3 局限性

雖然浮萍具有易生長、廣分布、富集氮等特點(diǎn)，但在推廣應(yīng)用的過程中，仍然出現(xiàn)了很多問題。如意大利在利用浮萍進(jìn)行污水處理時(shí)受到了地域及氣候條件的影響，在11月，浮萍即停止生長，無法進(jìn)行脫氮作用［35］。

由于浮萍生長繁殖快、對氮素的吸收儲存與自身的死亡降解過程同時(shí)進(jìn)行，導(dǎo)致大量氮素會再次進(jìn)入水體造成二次污染，因此，需對浮萍體內(nèi)氮素含量及吸收與釋放氮素的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬，明確最佳脫氮時(shí)間與收割時(shí)間，提高浮萍的脫氮效果［36］。另外，包括浮萍在內(nèi)的水生植物可以通過釋放有機(jī)酸類等化感物質(zhì)來影響其他植物或生物對水體無機(jī)氮等養(yǎng)分的吸收，這在富營養(yǎng)化水體的藻類控制方面已有一定的研究［23］。而浮萍生長與死亡過程中分泌的物質(zhì)是否會對水體微生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響從而影響其脫氮效果還有待進(jìn)一步研究。

由于其他因素的影響，如高有機(jī)質(zhì)、高溫條件會顯著地降低浮萍的脫氮效果。因此，在利用浮萍進(jìn)行污水治理的過程中，還需要考慮足夠的水域來稀釋這些次生物質(zhì)。同時(shí)，浮萍的過量生長或死亡都需要進(jìn)行人工撈除，并需要對撈出的浮萍及時(shí)處理。如果以上問題得不到解決，浮萍本身將成為一個(gè)環(huán)境問題。

4 應(yīng)用展望

浮萍在污水處理中的作用得到了科學(xué)界及實(shí)踐者的廣泛認(rèn)可，為了進(jìn)一步完善該產(chǎn)業(yè)，眾多研究者開始著眼于如何處理撈起的大量吸收氮素的浮萍。研究表明為了防止浮萍池中的藻華現(xiàn)象，浮萍池鋪置的起始面積至少應(yīng)為污水池總面積的60%，而且在最初的8周內(nèi)需要每周撈取2次［5］。對于這些大量撈取的浮萍，除可做飼料外，也有研究者將其用于生物甲醇的制備，成為能源產(chǎn)業(yè)中的有力支持之一［37_40］。

總的來說，浮萍因其廣泛的適應(yīng)性和較好的污水凈化能力，目前世界上很多國家成功地利用浮萍來處理氮磷污染的污水，不僅經(jīng)濟(jì)、簡便，而且處理效果較好。浮萍池可推廣應(yīng)用于養(yǎng)殖廢水、生活污水與農(nóng)田排水中氮素污染的治理，如污水處理池（塘）、人工濕地等。

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（責(zé)任編輯：黃 芳）

X 70311

A

0528-9017（2015）02-0163-04

10.16178/j.issn.0528-9017.20150202

2014-11-25

李志蘭（1978_），女，天津人，副研究員，博士，從事科技管理工作。E-mail：zhilan li@zjinfo.gov.cn。

文獻(xiàn)著錄格式：李志蘭，連彥峰.浮萍污水脫氮處理的研究進(jìn)展及應(yīng)用展望［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，56（2）：163_166.