浮萍在污水處理中的應用研究
摘要 浮萍科植物是漂浮生長在水流相對平緩的湖泊河灣水面上植物類群，整個植株完全退化為一個呈圓形或橢圓形的葉狀體，主要是通過根或葉狀體從水中吸收所需的氮磷等各種營養物質。浮萍科植物的氮磷含量和生長速率高并可以耐受多種污水條件，因此這個類群是污水處理生態工程中重要的水生植物類群。以浮萍為主的污水處理系統已得到較多的研究和應用，這類系統最大特點是浮萍的生長可以大量吸收污水中的氮磷，從而具有較高的氮磷去除率，同時生成的生物量可多種方式利用。因此利用這類系統對污水進行氮磷的處理與轉化，并將生成的浮萍生物量適當地資源化利用是未來的發展方向。
關鍵詞 浮萍污水處理氮磷生態技術
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，自20世紀70年代以來，多種以大型水生植物為核心的污水處理和水體修復的生態技術被廣泛研究和應用。大量工程實踐表明，這項技術具有低投資、低能耗等優點，因此近年來已成為環境領域的研究熱點之一。在眾多水生植物種類中，浮萍科植物是被研究應用較多的類群之一。浮萍科(Lemnaceae)植物，通常簡稱浮萍，共有4個屬約40個種，世界各地均有分布舊1。它們大多漂浮生長在水流相對平緩的湖泊河灣水面上，主要是通過根或葉狀體從水中吸收所需的氮磷等營養物質。本文對浮萍科植物的特點及其在水污染治理中的研究與應用進行綜述。
2 浮萍科植物適用于污水處理的特點
2．1快速吸收轉化污水中氮磷
在適宜的環境條件下，浮萍植物具有非常高生長速率，根據Reddy等的研究統計，北美地區浮萍的年生產力為6—26 t(DW)／a·hm。而Oron曾經報道自然條件下，在污水中生長的浮萍相對生長速率可以達到0．10～0．35 g(DW)／g(DW)·d，相當于每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、蘆葦等其他水生植物(表1)，這使得在污水中生長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養的污水中生長。表2是浮萍科植物在各種廢水中的生長情況，從中我們可以看出，不管是在原生活污水還是經過一定處理的生活污水中，浮萍都可以生長。但是由于污水組成、所利用浮萍種類以及環境條件不同，浮萍生物量的增長速率表現出了很大的差異，如在人工模擬養豬場廢水中浮萍生物量增長速度可達到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的發展歷史及現狀
3．1浮萍處理系統的起源及形式
浮萍應用于污水處理開始于20世紀70年代，是隨著以大型水生植物為主的污水處理生態技術的發展逐漸發展起來的。污水生態處理技術根據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和以漂浮植物為主的池塘系統。
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漂浮植物的塘系統是在曾被廣泛應用的氧化塘基礎上發展而來的。氧化塘的出水經常由于藻類濃度過高而導致出水總懸浮固體物(TSS)和生物需氧量(BOD)不能達到要求。研究人員發現，在其中引入漂浮植物不僅能夠抑制藻類生長，還可促進有機污染物的降解，并可通過對生物量的打撈回收氮磷。相對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點而被越來越多地應用，逐漸形成以其為主的處理系統。
目前研究應用較多的浮萍污水處理系統主要是浮萍與氧化塘的結合形式。浮萍往往在塘表面形成一個墊層，生物量密度根據環境條件不同存在較大差異，最大可達130 g／m2(干重)。由于浮萍在塘的水面上極易被風攪動，因此大部分浮萍處理塘會采用一些漂浮的固定裝置來避免浮萍被風吹散，這些裝置通常根據具體情況由竹子、PVC管或塑料框制成。另外，在塘的出水口處通常會設置截留浮萍的裝置。浮萍生物量的收獲根據處理系統規模的不同采取人工或特定的機械來完成。
3．2 浮萍處理系統的污染物去除機理及設計參數
浮萍墊層的下面根據氧含量的不同形成3個層：好氧層、兼氧層和厭氧層。3個層中存在對應的好氧、兼氧、厭氧微生物群落。處理系統依靠浮萍和這些微生物共同完成對各項污染物的處理。由于浮萍沒有龐大的根系，它不能通過根部向水中釋放大量的氧氣；并且浮萍墊層的形成也阻礙了空氣中氧向水中擴散，因此浮萍塘的好氧層通常較淺，在浮萍墊層以下只有約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，塘內的微生物主要是以懸浮狀態存在。塘內有機物的降解主要通過微生物來完成。研究發現在塘中盡管好氧菌群可以降解一些有機物，但大部分有機物的降解是靠厭氧微生物群來完成的，浮萍塘可耐受的進水最大COD濃度約為300—500 mg／L。塘中氮的去除主要是通過4個過程完成：(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。磷的去除主要是通過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。系統通常采用推流式，流速在0．1 m／s左右。有機物去除率與溫度和停留時間有關，處理生活污水時，在熱帶地區水力停留時間在10—20 d內即可將出水BOD，降低到30～20 mg／L。浮萍處理系統多在自然條件下運行，其具體的設計及運行參數由于所處地區氣候條件的不同而有較大的差別，但大都是以BOD；和TSS的負荷為主要的設計參數。Smith等曾對熱帶地區BOD，為主要去除目標的浮萍污水處理系統的設計運行進行了總結。他們假定塘中有機物的降解以微生物的厭氧分解過程為主，采用推流式多點進水模式，發現各項污染物的去除效率主要是溫度的參數(表3)。
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3．3浮萍處理系統的應用及優缺點
浮萍污水處理系統在許多國家都有應用。在美國和歐洲等發達國家，它與氧化塘處理系統一樣，主要是用于小城鎮和偏遠地區的污水處理。如在1992年，美國至少有15個這樣的系統用于偏遠城郊或度假地的污水處理。在美國還有一些污水處理公司專門致力于浮萍污水處理系統的開發利用，并開發出了一系列具有專利的處理工藝與設備，如穩定浮萍的框，打撈收獲的機械等。浮萍處理系統也已被美國環保局列為污水處理的替代技術之一。在一些發展中國家，特別是熱帶地區，由于不能負擔活性污泥法等傳統污水處理技術昂貴的建設及運行費用；這類投資費用小，運行維護方便的生態技術就成了適用的污水處理技術。其中利用浮萍的系統因為具有回收資源的潛力，正在逐漸受到重視舊。世界銀行、美國的非政府組織PRISM和孟加拉國農業部曾經在孟加拉國的Mirzapur合作進行了一個利用浮萍將廢水中的營養物質資源化的示范項目。這個示范項目將浮萍污水處理系統和草魚養殖結合起來，通過出售草魚獲得收入，經過4年的運行已成功地達到了目的。
與氧化塘等處理系統相比，浮萍處理系統最大的優點在于其快速的生長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，并且通過生物量資源化利用還可獲得一定的收益。如：在孟加拉一個生活污水的中試處理系統，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，約占整個系統去除率的60％～80％。此外塘表面浮萍墊層的存在還可以防止蚊子的孳生和異味的揮發。
浮萍處理系統的優點還在于可通過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，自然水體中生長萍體粗蛋白含量通常在20％以上，而污水中生長的則高達30％以上。浮萍蛋白質的質量也比較好，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及家禽飼料。我國及許多國家很早就靠種養和投喂浮萍來養殖草食性魚類，其中的某些種類如蕪萍還是專門用于魚苗飼養的優選餌料。。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，因此也可以作為優良的綠肥舊。在我國南方及東南亞一帶，農民經常在水塘中培養浮萍，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物質，如中醫認為紫背浮萍具有發散風熱、透疹和利尿之功效。研類和有機酸類成分。埃及研究人員曾經發現小浮萍的提取物可以殺死按蚊的幼蟲并阻止按蚊產卵。而一些研究則發現從浮萍中提取出的酶可以降解有機磷農藥等。因此，污水處理系統中所生長的大量浮萍，將來有可能作為天然生化產品的原料。而由于浮萍類植物主要以營養繁殖為主，個體之間遺傳一致性較高，同時生長速度較快，它也正在被研究開發作為新的植物基因工程載體，用于一些重組蛋白的生產。因此，隨著浮萍基因工程技術的發展，利用轉基因的浮萍將污水中氮磷吸收轉化為某些特定的生化產品也越來越成為可能。但是與其他的生態處理技術一樣，浮萍處理系統也具有占地面積較大、不能承受沖擊負荷和系統運行受氣候影響等缺點。并且由于浮萍自身對有機物的降解沒有直接作用，該系統對有機物的處理效率與兼性氧化塘基本相同。但由于塘內藻類的生長被抑制，使得不能形成有利的條件殺死某些病菌，因此浮萍系統對病原菌去除效果并不理想。
3．4浮萍處理系統的發展方向
根據浮萍處理系統的特點，研究人員正在嘗試利用其他的二級生物處理系統先高效地去除有機物，然后再利用浮萍系統去除與回收氮磷日，或將藻菌氧化塘和浮萍塘聯合應用來處理污水，已有研究結果發現，聯合處理系統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過活性污泥延時曝氣工藝處理的出水中培養浮萍吸收氮磷，結果表明，浮萍可以帶走二級出水中30％的氨氮，33％硝酸鹽氮，36％的總磷。在美國的北卡羅來那州，豬場廢水的處理成為重要的課題，研究人員正在嘗試將豬場廢水經升流式厭氧污泥床處理后，利用浮萍來吸收其中的營養物質，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用的發展來看，浮萍處理系統主要優勢在于吸收轉化氮磷，因此，利用浮萍的污水處理系統應重點針對這方面進行設計，最重要的設計參數則是關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現氮磷轉化的浮萍生物量收獲管理策略，應是進一步研究的內容。
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