摘　要　浮萍科植物是漂浮生长在水流相对平缓的湖泊河湾水面上植物类群,整个植株完全退化为一个呈圆形或椭圆形的叶状体,主要是通过根或叶状体从水中吸收所需的氮磷等各种营养物质。浮萍科植物的氮磷含量和生长速率高并可以耐受多种污水条件,因此这个类群是污水处理生态工程中重要的水生植物类群。以浮萍为主的污水处理系统已得到较多的研究和应用,这类系统最大特点是浮萍的生长可以大量吸收污水中的氮磷,从而具有较高的氮磷去除率,同时生成的生物量可多种方式利用。因此利用这类系统对污水进行氮磷的处理与转化,并将生成的浮萍生物量适当地资源化利用是未来的发展方向。

关键词　浮萍　污水处理　氮磷　生态技术

1　引　言
随着水污染的日益加剧,为了寻找高效低耗的污染防治技术,自20世纪70年代以来,多种以大型水生植物为核心的污水处理和水体修复的生态技术被广泛研究和应用。大量工程实践表明,这项技术具有低投资、低能耗等优点,因此近年来已成为环境领域的研究热点之一。在众多水生植物种类中,浮萍科植物是被研究应用较多的类群之一[ 1 ] 。
浮萍科(Lemnaceae) 植物,通常简称浮萍,共有4个属约40个种,世界各地均有分布[ 2 ] 。它们大多漂浮生长在水流相对平缓的湖泊河湾水面上,主要是通过根或叶状体从水中吸收所需的氮磷等营养物质。本文对浮萍科植物的特点及其在水污染治理中的研究与应用进行综述。

2　浮萍科植物适用于污水处理的特点
2. 1　快速吸收转化污水中氮磷
在适宜的环境条件下,浮萍植物具有非常高生长速率,根据Reddy等的研究统计,北美地区浮萍的年生产力为6～26 t(DW) / a·hm2 [ 3 ] 。而Oron曾经报道自然条件下,在污水中生长的浮萍相对生长速率可以达到0. 10～0. 35 g (DW) /g (DW) ·d,相当于每2～7 d生物量即增加一倍[ 4, 5 ] 。除此之外,浮萍植物组织的氮磷含量较高,明显高于凤眼莲、芦苇等其他水生植物[ 3 ] (表1) ,这使得在污水中生长的浮萍植物可以大量带走氮磷。

表1　浮萍科植物与其他水生植物的氮磷含量比较 
Table 1 　Nutr ien t ( N and P) con ten ts  
of typ ica l macrophytes  
 组织的氮含量 组织的磷含量 
植物种类   
 ( g/ kg DW )  ( g/ kg DW )  
浮萍 25～50  4. 0～15. 0  
凤眼莲 10～40  1. 4～12. 0  
大漂 12～40  1. 5～11. 5  
槐叶萍 20～48  1. 8～9. 0  
香蒲 5～24  0. 5～4. 0  
灯心草 15  2. 0  
镳草 8～27  1. 0～3. 0  
芦苇 18～21  2. 0～3. 0  
沉水植物3  13  3  
　3 多种沉水植物的平均值

2. 2　可耐受多种污水条件
浮萍科植物对污水中的氨、重金属等均具有较高的耐受性[ 6, 7 ] ,因此它们能在多种富含营养的污水中生长。表2是浮萍科植物在各种废水中的生长情况,从中我们可以看出,不管是在原生活污水还是经过一定处理的生活污水中, 浮萍都可以生长[ 7～11 ] 。但是由于污水组成、所利用浮萍种类以及环境条件不同,浮萍生物量的增长速率表现出了很大的差异,如在人工模拟养猪场废水中浮萍生物量增长速度可达到29 g (DW) /m2 ·d,而在沼气废液中只有1. 06 g (DW) /m2 ·d。

3　以浮萍为主的污水处理系统的发展历史及现状
3. 1　浮萍处理系统的起源及形式
浮萍应用于污水处理开始于20世纪70年代,是随着以大型水生植物为主的污水处理生态技术的发展逐渐发展起来的。污水生态处理技术根据选用。

表2　浮萍科植物在各种废水中的生长[ 7～11] Table 2 　Growth of duckweeds in d ifferen t wa stewa ter  
废水类型            处理规模    环境条件              浮萍种类       生长速率( g (DW ) /m2  ·d)  
UASB 处理的生活污水 中试 L: 2259～3000T:20～35       Lem na g ibba      2. 7～16. 4  
厌氧污泥消解液       中试         同上                 同上             10～15  
原生活污水         实际运行   T: 19～3                 S pirodela spp.     5. 8～12
1% 沼气废液        实验室实验  L: 2000～4700T: 35～38   L em na spp.          1.06
人工模拟养猪场废水 实验室实验 5 　 L: 40 　T: 23     L em na m inor 8627    29  

 
3 L:光照强度(μmol/m2 ·s) , T:温度( ℃) ,DW:干重
的水生植物类型不同主要分为2种:以挺水植物为主的人工湿地系统和以漂浮植物为主的池塘系统。
漂浮植物的塘系统是在曾被广泛应用的氧化塘基础上发展而来的[ 1 ] 。氧化塘的出水经常由于藻类浓度过高而导致出水总悬浮固体物( TSS)和生物需氧量(BOD)不能达到要求。研究人员发现,在其中引入漂浮植物不仅能够抑制藻类生长,还可促进有机污染物的降解,并可通过对生物量的打捞回收氮磷[ 12 ] 。相对于凤眼莲等其他漂浮植物,由于浮萍科植物在打捞收获、加工利用、耐受条件等方面的优点而被越来越多地应用,逐渐形成以其为主的处理系统[ 12～17 ] 。
目前研究应用较多的浮萍污水处理系统主要是浮萍与氧化塘的结合形式。浮萍往往在塘表面形成一个垫层,生物量密度根据环境条件不同存在较大差异,最大可达130 g/m2 (干重) 。由于浮萍在塘的水面上极易被风搅动,因此大部分浮萍处理塘会采用一些漂浮的固定装置来避免浮萍被风吹散,这些装置通常根据具体情况由竹子、PVC管或塑料框制成。另外,在塘的出水口处通常会设置截留浮萍的装置。浮萍生物量的收获根据处理系统规模的不同采取人工或特定的机械来完成[ 1 ] 。

3. 2　浮萍处理系统的污染物去除机理及设计参数
浮萍垫层的下面根据氧含量的不同形成3 个层:好氧层、兼氧层和厌氧层。3个层中存在对应的好氧、兼氧、厌氧微生物群落。处理系统依靠浮萍和这些微生物共同完成对各项污染物的处理。由于浮萍没有庞大的根系,它不能通过根部向水中释放大量的氧气;并且浮萍垫层的形成也阻碍了空气中氧向水中扩散,因此浮萍塘的好氧层通常较浅,在浮萍垫层以下只有约10 cm深。再向下则是兼氧层和厌氧层。由于浮萍根系较小,为微生物提供附着的面积非常小, 塘内的微生物主要是以悬浮状态存在[ 16 ] 。
塘内有机物的降解主要通过微生物来完成。研究发现在塘中尽管好氧菌群可以降解一些有机物,但大部分有机物的降解是靠厌氧微生物群来完成的[ 16, 17 ] ,浮萍塘可耐受的进水最大COD 浓度约为300～500 mg/L。塘中氮的去除主要是通过4个过程完成: (1)浮萍的吸收; (2)随固体颗粒物的沉降;(3)微生物硝化作用和反硝化作用; (4)氨的挥发。磷的去除主要是通过的浮萍的吸收和沉降作用[ 17 ] 。
为了避免温度的分层,塘的水深通常在0. 6～1. 5 m之间。系统通常采用推流式,流速在0. 1 m / s左右。有机物去除率与温度和停留时间有关,处理生活污水时,在热带地区水力停留时间在10～20 d内即可将出水BOD5 降低到30～20 mg/L。浮萍处理系统多在自然条件下运行,其具体的设计及运行参数由于所处地区气候条件的不同而有较大的差别,但大都是以BOD5 和TSS的负荷为主要的设计参数[ 14 ] 。Smith等[ 14 ]曾对热带地区以BOD5 为主要去除目标的浮萍污水处理系统的设计运行进行了总结。他们假定塘中有机物的降解以微生物的厌氧分解过程为主,采用推流式多点进水模式,发现各项污染物的去除效率主要是温度的参数(表3) 。

3. 3　浮萍处理系统的应用及优缺点
浮萍污水处理系统在许多国家都有应用。在美国和欧洲等发达国家,它与氧化塘处理系统一样,主要是用于小城镇和偏远地区的污水处理[ 1 ] 。如在1992年,美国至少有15 个这样的系统用于偏远城郊或度假地的污水处理。在美国还有一些污水处理公司专门致力于浮萍污水处理系统的开发利用,并开发出了一系列具有专利的处理工艺与设备,如稳定浮萍的框,打捞收获的机械等。浮萍处理系统也已被美国环保局列为污水处理的替代技术之一[ 18, 19 ] 。在一些发展中国家,特别是热带地区,由于不能负担活性污泥法等传统污水处理技术昂贵的建设及运行费用,这类投资费用小,运行维护方便的生态技术就成了适用的污水处理技术。其中利用浮萍的系统因为具有回收资源的潜力,正在逐渐受到重视[ 20, 21 ] 。世界银行、美国的非政府组织PR ISM和孟加拉国农业部曾经在孟加拉国的Mirzapur合作进行了一个利用浮萍将废水中的营养物质资源化的示范项目。这个示范项目将浮萍污水处理系统和草鱼养殖结合起来,通过出售草鱼获得收入,经过4年的运行已成功地达到了目的[ 22 ] 。

与氧化塘等处理系统相比,浮萍处理系统最大的优点在于其快速的生长及收获可从水中带走大量的氮磷,因此有更高的氮磷去除率[ 23 ] ,并且通过生物量资源化利用还可获得一定的收益。如:在孟加拉一个生活污水的中试处理系统,收获所去除氮磷的速率分别为0. 26 g N /m2 ·d和0. 05 g P /m2 ·d,约占整个系统去除率的60% ～80%[ 9 ] 。此外塘表面浮萍垫层的存在还可以防止蚊子的孳生和异味的挥发[ 23 ] 。

浮萍处理系统的优点还在于可通过生物量资源化利用获得一定的收益。相比凤眼莲等其他水生植物,浮萍生物量具有更加多样化的利用方式。首先,浮萍类植物的干萍粉粗蛋白含量较高,自然水体中生长萍体粗蛋白含量通常在20%以上,而污水中生长的则高达30%以上[ 24 ] 。浮萍蛋白质的质量也比较好,其所含8种必需氨基酸的量除了蛋氨酸和色氨酸外都比较高[ 25 ] ,因此浮萍生物量可作为水产及家禽饲料。我国及许多国家很早就靠种养和投喂浮萍来养殖草食性鱼类,其中的某些种类如芜萍还是专门用于鱼苗饲养的优选饵料[ 26 ] 。除了氮磷含量较高外,浮萍类植物碳氮比较低,约在8∶1左右,很容易腐烂分解,因此也可以作为优良的绿肥[ 27 ] 。在我国南方及东南亚一带,农民经常在水塘中培养浮萍,收获后做绿肥施于田中。饲料和肥料是浮萍植物生物量最广泛的利用方式[ 28 ] 。除此之外,浮萍还含有具有特定功能的生物化学物质,如中医认为紫背浮萍具有发散风热、透疹和利尿之功效[ 29, 30 ] 。研究人员从紫萍中也分离出具有相应药物活性的黄酮类和有机酸类成分[ 31 ] 。埃及研究人员曾经发现小浮萍的提取物可以杀死按蚊的幼虫并阻止按蚊产卵[ 32 ] 。而一些研究则发现从浮萍中提取出的酶可以降解有机磷农药等[ 32, 33 ] 。因此,污水处理系统中所生长的大量浮萍,将来有可能作为天然生化产品的原料。而由于浮萍类植物主要以营养繁殖为主,个体之间遗传一致性较高,同时生长速度较快,它也正在被研究开发作为新的植物基因工程载体,用于一些重组蛋白的生产[ 34 ] 。因此,随着浮萍基因工程技术的发展,利用转基因的浮萍将污水中氮磷吸收转化为某些特定的生化产品也越来越成为可能。

但是与其他的生态处理技术一样,浮萍处理系统也具有占地面积较大、不能承受冲击负荷和系统运行受气候影响等缺点[ 23 ] 。并且由于浮萍自身对有机物的降解没有直接作用,该系统对有机物的处理效率与兼性氧化塘基本相同[ 35 ] 。但由于塘内藻类的生长被抑制,使得不能形成有利的条件杀死某些病菌,因此浮萍系统对病原菌去除效果并不理想[ 36 ] 。

3. 4　浮萍处理系统的发展方向
根据浮萍处理系统的特点,研究人员正在尝试利用其他的二级生物处理系统先高效地去除有机物,然后再利用浮萍系统去除与回收氮磷[ 37, 38 ] ,或将藻菌氧化塘和浮萍塘联合应用来处理污水,已有研究结果发现,联合处理系统不但能更好地去除氮磷,而且还可有效去除病菌[ 39, 40 ] 。澳大利亚新南威尔士的Northern Tablelands则尝试在生活污水经过活性污泥延时曝气工艺处理的出水中培养浮萍吸收氮磷,结果表明,浮萍可以带走二级出水中30%的氨氮, 33%硝酸盐氮, 36%的总磷[ 41 ] 。在美国的北卡罗来那州,猪场废水的处理成为重要的课题,研究人员正在尝试将猪场废水经升流式厌氧污泥床处理后,利用浮萍来吸收其中的营养物质,生成的浮萍生物量再作为禽畜饲料利用[ 42 ] 。

从浮萍科植物在污水处理中研究与应用的发展来看,浮萍处理系统主要优势在于吸收转化氮磷,因此,利用浮萍的污水处理系统应重点针对这方面进行设计,最重要的设计参数则是关于浮萍生物量的收获,但目前这方面还缺乏研究,因此如何制定可高效地实现氮磷转化的浮萍生物量收获管理策略,应是进一步研究的内容。

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