水生植物在污水处理和水质改善中的应用
贺 锋 吴振斌
②
(中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室 武汉 430072)
①
摘要 介绍了水生植物在污水治理中的应用。通过与其他方法的比较,说明了水生植物净化法有其独特的优点。分别阐述了低等植物藻类及高等水生植物净化污水的应用类型、方式,应用范围及净化机理,还对高等水生植物的选取标准作了描述。指出了该方法使用的可行性,并对其应用前景作出了展望。
关键词 污水治理,应用类型,水生植物,净化机理
ApplicationofAquaticPlantsinSewageTreatment
andWaterQualityImprovement
HEFeng WUZhen_Bin②
(StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology,Instituteof
Hydrobiology,theChineseAcademyofSciences,Wuhan430072)
Abstract Thispaperintroducesapplicationofaquaticplantsinsewagetreatment.Comparedwith
othermethods,aquaticplantpurificationmethodshowsuniquefeature.Theapplicationtype,appli-cationscopeandpurificationmechanismofsewagetreatmentwithalgaeandmacrophytesarede-scribedrespectively,andtheselectionstandardsofmacrophytesarealsogivenhere.Theapplicationfeasibilityhasbeenlaidout,anditsapplicationinfuturehasbeenprospectedtoo.Keywords Sewagetreatment,Applicationtype,Aquaticplants,Purificationmechanism
水污染是一个世界性问题,它会导致水资源的可利用性能降低,自然水生态系的逐渐退化。我国是水资源短缺的国家,全国600多个城市目前大约有一半的城市缺水,而水污染使得水环境形势显得更为严峻。70年代以来,许多江、河、湖泊、水库的水质一直在下降。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能,还进一步加剧了水资源的短缺,对我国正在实施的资源可持续利用战略带来了严重的负面影响,尤其严重地威胁到城乡居民的饮水安全和人民群众的身体健康。
传统的生化二级处理是污水处理中用得较广泛的技术,虽然其工艺成熟、处理效果理想,但建造、运行、管理费用过高。此外,对于污水的处理,通常还有化学法(如加入硫酸铜等)和换水法等,虽然均有一定效果,但化学法易产生二次污染;换水法不够方便、经济,且仅适宜于小型水体。目前,越来越多的专家与学者关注生物学处理法,尤其是水生、湿生植物处理法。它不仅能起到净化水的作用,还能改善生态环境,促进退化水生态系的恢
①中国科学院知识创新工程重要方向项目(KSCX2-SW-102);国家杰出青年科学基金(39925007);武汉市晨光计划(20025001035);中国科学院水生生物研究所研究领域前沿课题;湖北省科技攻关项目资助。②通讯作者。Authorforcorrespondence.作者简介:贺锋,男,1973年生,助理研究员,在职博士,现从事水污染生物工艺学研究。吴振斌,男,1956年生,研究员,博士生导师,国家杰出青年基金获得者,欧盟项目评委,发表论文100余篇。收稿日期:2002-09-17 接受日期:2002-11-25 责任编辑:崔郁英642 植物学通报20卷
复。
1 低等植物———藻类在水处理中的应用
藻类污水处理法具有净化效率高、系统建造运行费用低等特点。另外,处理后产生的沉积物(主要是死藻)干燥后还可作为很好的肥料和鱼饲料添加剂,由于藻类在污水净化过程中产生大量的氧气,可减少水体因缺氧而形成的恶臭气味。因此,用藻类处理污水在水质的改善中得到越来越广泛的应用(彭清涛,1998)。1.1 常见应用类型
1.1.1 藻类塘 氧化塘的研究是利用藻菌共生系统,使藻类等对营养物的分解和利用来达到处理污水的目的(李穗中,1991)。综合生物塘技术的出现使得中等城镇进行污水综合治理有了可能,其中藻类系统单元就起到了相当重要的作用(王德铭等,1990;夏宜铮等,1993)。
1.1.2 活性藻 通过人工强化培养高浓度藻类,可缩短处理时间,因其具有良好的沉降性能,便于收获、出水澄清等特点,目前国外已有利用活性藻处理污水的实例(AzizandNg,1993),况琪军和谭渝云(2001)证实了该方法的可行性。
1.1.3 固定化藻 通过人工调控以满足藻类生长所需的最佳环境条件,超浓度的密集藻类培养,利用载体通过物理或化学方法将藻类细胞固定,形成固定化藻类系统的高效生物反应器,克服了传统藻类污水处理系统停留时间长、占地面积大、处理效率不稳定的缺陷。还具有藻细胞浓度高、易于收获等优点。固定分为吸附法和包埋法,载体通常为褐藻酸钙、角叉菜聚糖、琼脂、聚丙烯酰鞍、多孔硅胶、聚乙烯和聚氨基甲酸乙酯泡沫等。近年来固定化藻研究取得了显著成绩(严国安等,1993;1995;严国安和李益健,1994)。1.2 应用范围和去除污染物种类
藻类污水处理法应用范围广泛,不仅可用于治理生活污水,还可用于治理其他类型废水(NoueandNi-Eidhin,1988;Rodriguesetal,1987;Przytocka,1984)。在南非开普敦附近的一个污水处理场,采用一面积为1000m2充满螺旋藻的水池,成功地处理着1000人产生的生活污水。在纳米比亚和德兰士瓦等地的多家制革厂利用螺旋藻处理生产废水。Semple和Cain(1996)应用丹麦赭球藻成功处理含苯酚工业废水。藻类除对污水中的氮、磷等营养物有明显的去除效果外,对其他有机物和重金属亦有较强的富集和去除作用。
对营养物的去除 Tam和Wong(1989)将小球藻和栅藻分别培养在一级处理出水和二级处理出水中,结果表明,两种藻类在一级处理水中生长得较好,对氮、磷的去除率在培养一周后即达到70%以上。Govindan(1984)在利用藻类处理混合污水时发现,除了氮磷被大量去除外,BOD(生物需氧量)和COD(化学需氧量)也减少了90%。
对重金属的去除 Soeder(1978)认为,空星藻在温度为23℃时,20h后从含铅1mg/L溶液中吸收100%的铅,在温度为30℃时,仅1.5h就能从溶液中吸收90%的铅,对镉的吸收效率要低一些,24h后仅从40mg/L镉溶液中吸收60%的镉。杨红玉和王焕校(1990)认为在低于0.5mg/L浓度的镉溶液中,绿藻能有效吸收镉,此时的富集系数也最大。
对有机物的去除 Hosetti(1988)认为单种藻类对BOD的去除比单种细菌或原生动物6期贺 锋等:水生植物在污水处理和水质改善中的应用 643
更有效,其中普通小球藻(Chlorellavulgaris)对BOD的去除率可达到83%。林毅雄(1984)通过斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)、策哈衣藻(Chlamydomonasreinhardi)和普通小球藻对丙体-666有机农药的去除效果表明,当污水中丙体-666浓度为1mg/L时,处理时间从0.5
h至96h,丙体-666的残留量为0.4943~0.3193μg/mL,藻体内的富集量为34.65~33.73μg/mL。Maguuire(1987)对金属有机物净化的研究发现,纤维藻能在25μg/L的三丁锡中生长,并能将三丁锡降解为二丁锡、单丁锡和无机锡。邓星明等(1982)利用藻菌生物膜净化炼油废水发现,坑形席藻能去除正十四烷。刘厚田等(1993)证明,在藻菌共生系统中,藻类也能单独降解偶氮染料。
2 高等植物———水生维管束植物在水处理中的应用
水生维管束植物有33科,124属,1000余种。按生态类型,可分为湿生植物、挺水植物、浮叶植物、飘浮植物和沉水植物。已经发现其中很多种类对有机污染和重金属污染具有很强净化能力(蒋志学和邓士谨,1989)。2.1 应用方式
2.1.1 沉水植物净化系统 沉水植物可以提高水体透明度,增加水体溶解氧,降低氮磷营养物含量。沉水植物系统的存在有利于湖泊富营养化的防治(宋碧玉等,1999)。吴玉树和余国营(1991)发现,菹草(PotamogetoncrispusL.)对富营养化和重金属污染的水体和底泥可起到一定的净化作用。金送笛等(1994)认为,菹草对氮磷有较强的吸收能力,能在一定程度上减轻水体的营养负荷。通过野外生态围隔沉水植物恢复试验发现,在植被恢复后围隔水体自净能力大大加强(邱东茹和吴振斌,1997;邱东茹等,1997;Qiuetal,1997)。2.1.2 综合生物塘系统 利用综合生物塘处理污水已有不少报道(Wuetal,1993a,1993b,1994)。在污水稳定塘的基础之上,将多种大型水生植物塘单元有机组合,形成综合生物塘。其中植物仍然起着重要的作用。吴振斌等(1994)采用漂浮植物塘、挺水植物塘和藻菌共生塘的串联系统可有效地净化城镇污水。王国祥等(1998)采用漂浮、浮叶及沉水植物塘相间连接,较理想地实现了对太湖局部水域水质的改善。阮宜纶等(1994)用三棱草塘、芦苇塘、香蒲塘和水葫芦塘的串联系统有效地处理了地热尾水。吴玉树等(1988)利用不同种类维管束植物塘组合在滇池局部区域的研究发现,该综合生物系统对污水和底泥都有一定的净化效果。
2.1.3 湿地系统 利用湿地系统净化污水,目前已发展成为一种完备和独立的污水处理技术(Galeetal,1993;朱彤等,1991;吴振斌等,2001a;2001b;2001c;贺锋等,2002)。通常将该污水处理系统称之为“根区法”,可见植物在该系统中的重要地位与作用。大型水生植物是湿地生态系统一个不可分割的组成部分。它在该污水处理系统中起着关键的作用,主要表现在以下几个方面:牢固湿地床表面,为物理过滤提供良好条件;形成隔离层,在冬季可防止霜雪直接冻结湿地表面;给根区微生物及部分野生生物提供良好生境;通过根系的输氧作用改善系统中的生物地化循环;吸收部分营养物质,降低污染负荷;改善景观等。
常规天然湿地系统 湿地是处于陆地和水生生态系统之间的转换区,通常其地下水644 植物学通报20卷
位达到或接近地表,或者处于浅水淹没状态,以周期性的水生植物生长为优势,底层以排水不良的水成土为主,并且在每年生长季的部分时间水浸或水淹,它包括沼泽地、湿原、泥炭地、浅水湖泊等(陈宜瑜,1995)。植物的有无是界定湿地的重要条件之一。通常天然湿地可作为废水净化缓冲区、野生动物栖息地,具有生物多样性保护等功用。
特殊天然湿地系统———红树林 红树林虽属于自然湿地系统的一种,具有其特殊性:①是热带和部分亚热带沿海潮间带滩涂上特有的木本植物群落,属于长绿阔叶林;②典型分布于南北回归线之间,最南至南纬33度,最北至北纬32度。红树林有许多经济价值及生态效应,可净化污水、改善水质(陈映霞,1995)。其具有潜在的污水净化能力,已越来越被人们作为污水和废水排放的便利场所(黄立南等,2000)。红树林沼泽对稀释的有机废水具有较强的净化潜力(DwivediiandPadkumar,1983),红树林的底泥可作为重金属的沉积地(TamandWong,1995)。
目前,对红树林湿地污水处理系统的研究已越来越广泛开展(陈桂珠等,1996;缪绅裕和陈桂珠,1999;章金鸿等,1999)。
人工湿地系统 是指人为构筑的湿地系统,多用于污水处理。自德国1974年首先建造人工湿地以来,该工艺相继在欧洲、美国和加拿大等国得到推广应用。目前欧洲已有数以百计的人工湿地投入废水处理运行,这种人工湿地的规模大小差别很大,小的可为单个家庭处理排放的废水,大的可以处理千人以上村镇排放的污水及大中型湖泊水质的改善。应用人工湿地处理污水,其投资和日常运行费用仅为常规二级污水处理场的1/10~1/2和1/5~1/3,但其出水水质可达到或超过二级污水处理水平,且适用范围广泛,除处理城镇生活污水外,也能广泛应用于农业、畜牧业、食品、矿山等工农业废水的处理。自20世纪70年代以来,湿地系统发展迅速。据统计捷克共和国到1995年止已建起了39个人工湿地,美国在1988年至1993年间就建起了几百个人工湿地。我国对人工湿地的研究开始较晚,直到“七五”期间才开始了较大规模的研究。1990年7月,国家环保局华南环保所在深圳白泥坑建造了处理规模为3100m/d的人工湿地示范工程,此外,在北京昌平和天津等地也先后建立了人工湿地系统,并对人工湿地处理污水规律进行了比较系统的研究。
2.2 应用范围
高等植物不仅可用于生活污水的处理,还可应用于行业废水的处理。吴振斌等(1987a,1987b)用凤眼莲(Eichhorniacrassipes(Mart)Solms)净化石化废水,郑瑛和李晖(1996)用香蒲(TyphalatifoliaL.)净化矿山废水,夏汉平(2000)用香根草(Vetiveriazizanioides)和水花生净化垃圾污水,钱明浩等(1997)用雍菜_多花黑麦草净化浸出油厂废水,艾尔肯热合曼(1996)利用水浮莲净化酿酒废水,杨凤江和李立明(1996)用水葫芦和细绿萍(Azollaimricata)净化淀粉废水,曾健等(1997)用水葫芦、水浮莲和浮萍净化高能液体燃料废水,胡焕斌等(1997)用芦苇床处理铁矿炸药污水,吴振斌等(2000)用芦苇和香蒲床处理藻毒素水体,均取得良好效果。2.3 高等净化植物选取的标准
①净化能力:所选取的植物必须具有一定的净化能力,这是关键,亦是目的之所在。②抗逆性:包括耐污能力和抗虫害能力。③引种及管理难易:所选取的植物应该是易于引3
6期贺 锋等:水生植物在污水处理和水质改善中的应用 645
种,最好是当地种,另外应该是管理简单、方便。④综合利用价值:资源化程度高,即植物便于再利用,如用作饲料、肥料、沼气、药材等。⑤美化景观:特别是用于城镇污水处理,由
于其地处城区或市郊,故美化景观亦是相当重要的。
3 净化机制
3.1 对营养物的去除
营养物质是藻类生长的限制因子之一,但藻类生长良好,对氮磷营养物质去除效率也高。藻类对营养物质去除取决于污水中营养物质浓度、氮磷比例和营养物利用度及藻细胞内营养物浓度等。对氮的去除,一般为吸收利用,且优先吸收氨氮和其他还原态氨,由于藻类不产生活性硝酸还原酶,它对硝态氮的吸收仅仅发生在氨氮浓度极低或耗尽时。对磷的去除通常受N/P比影响,当污水中氮浓度高而磷浓度低时,藻类对磷的去除率升高,反之,藻类对磷的去除率下降。适宜比值在N/P=7~15/1(Reynolds,1984)。对于高等植物来说,营养物质是它们重要的生长基础,通过吸收将其转化为自身的组分。许多水生维管植物的生长速度很快,能吸收大量的氮、磷、钾等营养元素,如每公顷凤眼莲每年可吸收氮1989kg,磷322kg,钾3188kg;香蒲每年每公顷可吸收氮2630kg,磷403kg,钾4570kg。利用水生维管植物亦可防治水华出现,在治理富营养化方面可收到一定效果。3.2 对重金属的去除
藻类对重金属的去除取决于光照、温度、pH、重金属浓度及其化学形态、其他离子和螯合剂的有无及水硬度等物理、化学因素。通常认为藻类去除重金属的过程分为吸附和转移两个阶段。吸附的途径很多:重金属与藻细胞表面的负电荷反应点(一般为多糖类)的结合发生吸附;转移是一种主动运输的过程,需要代谢提供能量(严国安等,1995)。高等植物对重金属去除主要是吸收,如铅、镉、砷、汞、铬等可被植物吸收,之后多以金属螯合物的形式蓄积于植物体内的某些部位(蒋志学和邓士谨,1989)。3.3 对有机物的去除
污水中有机物可为藻类生长提供重要的碳源。藻类对有机物的去除主要是通过富集和降解。对于不同藻类,不同污染物其富集机制亦不相同(严国安等,1995)。水生维管植物对有机污染物的净化包括附着、吸收、积累和降解等。水生维管植物可以其巨大的体表吸附大量有机物,相对减少水中有机物的浓度,尽管这不能根本消除有机物的存在,还随时可能将其释放到水中,但在一个相对时间内,还是可以起到净化作用的(蒋志学和邓士谨,1989)。
水生维管植物对有机污染物的净化效果明显。茭白、慈菇对城市污水BOD的去除率可达80%以上。芦苇、香蒲、眼子菜和凤眼莲等可去除石油废水的有机污染物达95%以上。水葱可使食品厂废水中COD降低70%~80%,使BOD降低60%~90%。盐生灯心草、灯心草和水葱等对酚的净化能力都很强,100g植物在100h之内对酚的吸收分别为204mg/L,230mg/L和202mg/L。
一些水生维管束植物对有机农药的净化能力也很强。当水中DDT浓度为0.445μg/L时,眼子菜体内浓度达1.0mg/L,富集系数为2220,水中DDT浓度为2.1mg/L时,富集系数可达3500。水中DDT浓度为0.30μg/L时,蓼属植物体内浓度可达30.3mg/L,富集系数为10万。水生维管束植物对富营养化水体中的藻类除了发生光照、营养、生存空间的646 植物学通报20卷
竞争外,还存在着相生相克作用,即一种植物通过向环境释放某些化学物质,在其周围形成一个微环境区域,从而影响该区域内藻类生长的现象(贺锋,1999)。
4 小结
采用植物净化污水,较符合我国的国情。它不仅投资少,运行费用低,还有以下优点:(1)处理污水中营养物质(N、P)及其他污染物等方法简单,易操作;(2)植物资源可回收再利用,并获得一定经济效益;(3)环境扰动少;(4)有较高美化环境价值易为社会接受。
当然,它也有不足之处:1.植物系统易遭虫害,应注意防虫;2.植物的枯枝败叶易造成营养释放,应注意及时清理,另外植物死亡后应该及时补栽;3.在冬季多数植物地上部分枯死,净化效果有所降低;4.植物净化系统一般占地面积较大。
如果我们充分发挥其优点,弥补或避免其不足,合理进行利用,那么植物净化在发展中乃至发达国家的应用应该具有广阔的前景。
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