浮萍污水脫氮處理的研究進展及應用展望

李志蘭，連彥峰

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

浮萍污水脫氮處理的研究進展及應用展望

李志蘭1，連彥峰2

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

浮萍具有易生長、廣分布、富集氮等特點，被廣泛地應用于水治理中進行污水脫氮處理。本文對浮萍脫氮作用的相關(guān)機制、影響因子及局限性進行了綜述。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。浮萍脫氮作用的影響因子包括水體總氮量、水流條件、光強、溫度、酸堿度及有機質(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個屬（Lemna，Spirodela，Wolffia和Wolfiella）37個種［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干重的40%，這些植物蛋白類似于動物蛋白，亮氨酸和蛋氨酸的含量相對較高；同時，其體內(nèi)還富含微量元素及色素，因此多用于動物飼料的原料［2］。

基于其高效的氮磷富集作用，浮萍被廣泛應用于污水治理，大量研究表明其脫氮效果顯著［3_4］。當浮萍初始覆蓋率為60%時，可去除豬場廢水中83.7%的總氮［5］，對的去除率也可以達到53.6%［6］，而定期收獲浮萍可使氮素去除率明顯提高［7］。將浮萍應用到污染河道修復中，總氮去除率達到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到60%以上［9_11］。為方便推廣應用，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)境對污水進行脫氮。有研究認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

這項研究主要是指浮萍通過各因素影響水中細菌的硝化/反硝化反應效率。浮萍生長可改變水體微環(huán)境，發(fā)達的通氣系統(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作用［17_21］。浮萍發(fā)達的葉和根可吸附水體中的有機物，有機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微生物的硝化及反硝化反應或其他化學脫氮作用［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種機制，對于3種機制在各個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，歸納原因可能與計算方法或試驗條件有關(guān)。許多研究在計算氮素去除率時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行定量評價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：水力停留時間（4.26±0.61）d，流速（0.234± 0.027）m3·d_1，水壓負荷（0.22±0.03）m· d_1。Alahmady等［27］和Giblin等［28］進一步證實了水流條件對浮萍池治污效果具有顯著的影響。

2.3 光強

Zhao等［24］研究發(fā)現(xiàn)光強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；當光照強度大于10 000 lx時，這種增強效果消失。

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，生長最為旺盛［19］。浮萍對溫度有很高的適應性，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。當溫度達到30～34℃時，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，浮萍會形成一種鱗莖的形式，沉入水底，進入休眠狀態(tài)，待來年水溫回升后重新恢復生機［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］。也有研究認為，浮萍對pH值的耐受范圍為5～9，當pH值為6.5～7.5時，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，在一個收獲期內(nèi)，浮萍收獲時水體的pH值比原來降低了9%～13%［34］。

2.6 有機質(zhì)

水體中有機質(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/低有機質(zhì)、低溫/高有機質(zhì)、高溫/高有機質(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，但在推廣應用的過程中，仍然出現(xiàn)了很多問題。如意大利在利用浮萍進行污水處理時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進行，導致大量氮素會再次進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態(tài)過程進行模擬，明確最佳脫氮時間與收割時間，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酸類等化感物質(zhì)來影響其他植物或生物對水體無機氮等養(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一步研究。

由于其他因素的影響，如高有機質(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，浮萍的過量生長或死亡都需要進行人工撈除，并需要對撈出的浮萍及時處理。如果以上問題得不到解決，浮萍本身將成為一個環(huán)境問題。

4 應用展望

浮萍在污水處理中的作用得到了科學界及實踐者的廣泛認可，為了進一步完善該產(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、簡便，而且處理效果較好。浮萍池可推廣應用于養(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。

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