水葫蘆處理高氨氮廢水的植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

許岳香，冒學(xué)勇，姚 堅(jiān)

（1.蘇州市生態(tài)環(huán)境保護(hù)技術(shù)運(yùn)用推廣中心；2.蘇州高新區(qū)生態(tài)環(huán)境局；3.蘇州高新區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 蘇州 215000）

氮是生物蛋白質(zhì)和核酸的基本元素。在自然條件下，氮根據(jù)不同的氧化態(tài)以多種形式存在。在廢水處理中，主要關(guān)注的氮類型有總氮（TN）、總凱氏定氮（TKN）、氨氮（NH3-N）、有機(jī)氮（ON）、硝酸鹽氮（NO3-N）和亞硝酸鹽氮（NO2-N）。氨氮是一種重要的常見(jiàn)氮形態(tài)，廣泛存在于農(nóng)業(yè)污水、生活污水和工業(yè)廢水中[1]，具有高氨氮含量特征的工業(yè)廢水有半導(dǎo)體工業(yè)、制革工業(yè)、著色劑制造工業(yè)、炸藥工業(yè)和釀酒工業(yè)的廢水。值得注意的是，與其他氮形態(tài)（硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮）相比，某些污水源的氨氮濃度顯著更高，因此有必要采用氨氮處理工藝。

研究表明[2]，將氨氮從廢水中去除的主要原因有3 點(diǎn)：由于氨氮的存在，水流中的氧含量耗盡；過(guò)量的氨氮會(huì)對(duì)水體中的生物產(chǎn)生毒性；氨氮與氯的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氯胺，干擾溶解作用。植物修復(fù)技術(shù)已被認(rèn)為是降低工業(yè)廢水中氨氮含量的有前途的解決方案，它利用植物來(lái)處理受污染的土壤或水。植物修復(fù)因其運(yùn)行成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，成為污水處理領(lǐng)域新興的綠色技術(shù)。植物修復(fù)候選植物的選擇是成功修復(fù)的關(guān)鍵因素，因此必須選擇吸收污染物能力強(qiáng)、適應(yīng)污水條件、生長(zhǎng)速度快、易于控制的大型植物[2]。水葫蘆是一種漂浮型水生植物，具有增殖快、適應(yīng)范圍廣、養(yǎng)分吸收能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是植物修復(fù)的適宜候選者。本文綜述植物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足，為利用水葫蘆處理各種高氨氮廢水提供思路。

1 常規(guī)的脫氮技術(shù)

現(xiàn)有脫氮技術(shù)可分為物理化學(xué)脫氮和生物脫氮兩大類。經(jīng)比較，5 種常規(guī)脫氮生物技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限如表1所示。研究表明，離子交換、吸附和生物技術(shù)是最常被研究的氨氮廢水處理技術(shù)[3]。然而，這些傳統(tǒng)脫氮技術(shù)在生產(chǎn)、操作和維護(hù)方面成本高昂，因?yàn)樗鼈冃枰瘜W(xué)試劑或補(bǔ)充設(shè)施。

表1 常規(guī)脫氮生物技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)是一種自然發(fā)生的過(guò)程，早在300 多年前就被人類記錄下來(lái)。植物修復(fù)是指利用植物和根際微生物去除土壤、沉積物、地下水、地表水甚至大氣中的污染物。植物修復(fù)可以利用植物和相關(guān)微生物從土壤和水環(huán)境中固定（植物穩(wěn)定化）、去除（植物萃?。?、蒸發(fā)（植物蒸發(fā)）或降解（植物降解、根降解）污染物。根據(jù)王嘉偉[4]的研究，水生植物修復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行有3 個(gè)原則：一是識(shí)別和構(gòu)建有效的水生植物系統(tǒng)；二是植物對(duì)氮、磷、金屬等溶解性養(yǎng)分的吸收；三是從修復(fù)系統(tǒng)中收獲及利用植物生物量。為了確保最佳的植物密度，有必要定期從水體中收獲成熟生物量，否則，死亡的植物組織將分解，隨后將儲(chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放回環(huán)境中。

3 濕地氨氮的去除機(jī)制

在濕地系統(tǒng)中，植物通過(guò)直接（植物吸收）和間接（根際微生物活動(dòng)）的方式去除廢水中的氨氮含量。在植物吸收方面，廢水中的氨氮可直接被根系吸收，或在植物體內(nèi)積累，以支持生物量的生長(zhǎng)發(fā)育。強(qiáng)化微生物活性是一種重要脫氮手段，它可以加速根際氮的分解，提高氮的生物有效性，促進(jìn)植物對(duì)氮的吸收。

除植物作用機(jī)制外，氮轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)濕地氨氮去除也至關(guān)重要，包括礦化、硝化、反硝化、沉降、氨再生、氨揮發(fā)以及藻類和細(xì)菌對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收。礦化也被稱為氨化作用，是微生物將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮的過(guò)程，好氧環(huán)境（pH 介于6.5～8.5）是氨化的有利條件。氨揮發(fā)是在高pH 條件下將銨（NH4+）轉(zhuǎn)化為氨氣并通過(guò)水面釋放到大氣中。硝化作用是微生物將NH4+氧化為亞硝酸鹽，再氧化為硝酸鹽的過(guò)程。氨氧化細(xì)菌在好氧條件下將NH4+氧化成亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽氧化細(xì)菌則在硝化條件下將NH4+氧化成亞硝酸鹽。反硝化作用是指在缺氧條件下，各種古菌和兼性異養(yǎng)菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2O 和N2。

4 水葫蘆在廢水處理中的應(yīng)用

從實(shí)驗(yàn)室研究到大規(guī)模應(yīng)用，以水葫蘆為基礎(chǔ)的植物修復(fù)技術(shù)對(duì)氨氮的去除效果顯著。既往文獻(xiàn)有利用水葫蘆進(jìn)行城市污水中試處理的研究，在保留時(shí)間分別為44 d 和21 d 的情況下，水葫蘆的氨氮去除率分別為81%和85%。WANG 等[5]在水葫蘆覆蓋面積4.3 km2的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊（面積10.5 km2）進(jìn)行7 個(gè)月的植物調(diào)節(jié)，氨氮濃度從0.02 mg/L 降低到4.70 mg/L。研究表明，水葫蘆在處理氨氮廢水方面具有很高的潛力。

植物修復(fù)技術(shù)與人工濕地相結(jié)合是處理污水的有效方法。人工濕地設(shè)計(jì)和建造的目的是利用濕地植被、土壤及其相關(guān)微生物組合來(lái)促進(jìn)廢水處理。20世紀(jì)50年代以來(lái)，人工濕地已被證明可以有效地處理農(nóng)業(yè)污水、生活污水和工業(yè)廢水。人工濕地有許多優(yōu)點(diǎn)，包括建造簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便、成本效益高、環(huán)境友好、強(qiáng)度高、過(guò)程穩(wěn)定性好、污泥生成量低、對(duì)水力和有機(jī)負(fù)荷波動(dòng)有較高的緩沖能力。

人工濕地系統(tǒng)有三種類型，即地表流人工濕地、潛流式人工濕地和復(fù)合型人工濕地。水葫蘆人工濕地系統(tǒng)分為好氧區(qū)、兼氧區(qū)和厭氧區(qū)。好氧區(qū)是指靠近水面的水柱區(qū)域，水葫蘆是一種自由漂浮的大型植物，會(huì)覆蓋大部分水面，導(dǎo)致大氣擴(kuò)散提供的氧氣不足。氧氣將通過(guò)通氣組織輸送到植物根部，其中30%～40%的氧氣在植物根際釋放，以支持需氧微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)。水深越大，氧濃度越低，因?yàn)橹参锔祩鬟f氧的效率降低，從而形成兼氧區(qū)，有利于厭氧微生物的生長(zhǎng)。因此，采用水深14～15 cm 的水葫蘆人工濕地系統(tǒng)，以克服其厭氧區(qū)存在的問(wèn)題。

5 基于水葫蘆的植物修復(fù)體系實(shí)施

將基于水葫蘆的植物修復(fù)應(yīng)用于去除氨氮之前，要結(jié)合操作條件，考慮保留時(shí)間、水介質(zhì)特性、植物年齡、植物密度、采收頻率和環(huán)境因素（陽(yáng)光可用性和季節(jié)變化）。影響水葫蘆生長(zhǎng)的因素有相互競(jìng)爭(zhēng)作用（種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)）、內(nèi)在形態(tài)限制（大小限制）、外部環(huán)境因素（氣溫和太陽(yáng)輻射）、內(nèi)部環(huán)境因素（水溫和環(huán)境養(yǎng)分）。

水葫蘆對(duì)溫度的依賴很強(qiáng)，因此亞熱帶和熱帶地區(qū)推薦使用水葫蘆處理廢水。pH 為7.5 時(shí)進(jìn)行植物修復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水葫蘆在溫度為10 ℃時(shí)停止生長(zhǎng)，證明水葫蘆對(duì)溫度的敏感性[6]。氣候和季節(jié)變化直接影響水葫蘆的活性，進(jìn)而影響植物的光合速率和生產(chǎn)力，最終影響植物的氨氮去除率。氣溫和太陽(yáng)輻射越高，水葫蘆的光合速率和生產(chǎn)力越高。幼苗根系吸收污染物和釋放氧氣供微生物繁殖的能力比老植株強(qiáng)，因此采用健康的幼苗進(jìn)行調(diào)節(jié)至關(guān)重要。水葫蘆能夠通過(guò)葉片將大氣中的氧氣輸送到植物根部，然后通過(guò)通氣組織釋放到水介質(zhì)中，從而凈化水質(zhì)。水介質(zhì)特性對(duì)植物修復(fù)至關(guān)重要，pH=6～9 和溫度15～38 ℃被認(rèn)為是大型植物處理廢水的合適條件。植物在吸收氨氮的過(guò)程中發(fā)生脫質(zhì)子作用，H+離子被釋放到水介質(zhì)中，導(dǎo)致水介質(zhì)酸度增加。此外，大氣中CO2擴(kuò)散到水介質(zhì)中，也會(huì)降低水介質(zhì)的pH。因此，植物修復(fù)過(guò)程應(yīng)監(jiān)測(cè)pH，并在水介質(zhì)中添加堿性物質(zhì)，以保持適宜的pH，使植物生長(zhǎng)狀態(tài)最佳。

6 結(jié)論

氨氮是一種重要的常見(jiàn)氮形態(tài)，廣泛存在于農(nóng)業(yè)污水、生活污水和工業(yè)廢水中。本文簡(jiǎn)述了常規(guī)的脫氮技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)，分析了濕地氨氮的去除機(jī)制，研究了水葫蘆在廢水處理中的應(yīng)用和基于水葫蘆的植物修復(fù)體系實(shí)施途徑，以有效利用水葫蘆處理高氨氮廢水，改善生態(tài)環(huán)境。