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如何利用水生高等植物净化污水废水


 如何利用水生高等植物净化污水废水

自20世纪60年代起,国内外的学者们就相继采用植物进行污水治理的研究。1974年西德建成了**个用于废水处理的人工湿地,我国也于20世纪80年代实施了以凤眼莲净化塘为主的污水处理与利用生态工程,达到治污与增产双重效益。近年来沿海地区利用红树林湿地处理废水也收效显著。可见,不论是人工湿地、净化塘,还是土地处理系统,利用水生高等植物净化污水都具有广泛的应用发展前景。为了取得更好的净化效果和更高的净化效率,有必要对水生高等植物净化污水的机制进行实验研究探讨。

1 水生高等植物对废水的净化机制探讨

1.1 香蒲植物净化铅/锌矿废水实例研究

宽叶香蒲属单子叶多年生挺水植物,具根状茎,以其他下茎不断延伸而迅速发展成群体,能形成水生植物净化塘中占优良优势的种群。中山大学环科所和韶关凡口铅/锌矿环保监测站针对凡口尾矿废水排放量大且重金属含量大的污染状况,设计和利用当地的废矿石和沙砾建造了一个香蒲净化塘。根据实验结果分析,未处理的铅/锌矿废水含Pb、Zn、Cd、总悬浮物含量均超标,但经过净化塘后,SS去除率达99%,Pb、Zn、Cd去除率达84%~90%,各项指标达到工业排放标准。黑灰色废水被香蒲群落变成清澈的出水,香蒲植物也能茂盛生长,塘内还出现了多种藻类、鱼类和茳芏植物。

1.2 红树林植物净化含油废水和城市污水实例研究

红树林属于热带海岸特有的湿地生态系统,包括陆生生态系统和水生生态系统,具有防风浪,保护农田的生态功能,且因其生物资源丰富、景色美观,具有较高的经济价值和观赏价值。对于污水处理,红树林也有独特作用。

李玫等用秋茄人工模拟湿地进行了为期一年的含油废水净化试验,发现随含油废水处理浓度升高,植物对油的相对净化率是:50mg/L组为75.76%,100mg/L组为67.55%,而800mg/L组为42.94%,可见净化效率随浓度的增大而增大。含油量大小为根>叶>茎>枝。实验还表明:秋茄净化含油废水的适宜浓度应不大于200mg/L.

白骨壤也是一种多年生的红树植物。同样将正常、5倍、10倍浓度的人工合成污水排放到白骨壤人工模拟湿地中,一年的实验证明:白骨壤模拟湿地对污水中重金属净化率均在88%以上,其中Pb净化率达97.91%,Zn净化率为89.47%;N净化率为88.04%。因N、Pb、Zn被白骨壤吸收作为植物体的架构元素,吸收量较大,故而净化同一种人工污水时与桐花树(净化率N:60.58%,Pb:93.62%)、秋茄(净化率N:60.58%,Pb:93.44%)相比,净化率*大。可见,白骨壤对含有重金属的污水有很强的适应性和耐受性。

1.3 草本植物净化造纸废水实例研究

郝登峰等选用7种水生植物:水葫芦、水花生、大漂、浮萍、风车草、宽叶香薄及茭白,建立植物处理系统处理造纸废水,将废混合制成3个浓度级废水注入植物系统里。通过实验,7种植物对废水中悬浮物去除率均在70%以上,其中水葫芦、水花生、风车草为84%以上;对TN、TP的去除能力大小为:水葫芦>大漂>水花生>浮萍,风车草>宽叶香蒲>茭白。

但是CODCr和BOD5去除率均不到50%。废水色度也只有水花生、水葫芦去除效果明显,水花生9天后去除率可达73.33%,水葫芦可达54.67%,使得发黑发臭的水处理得比较清澈。

1.4 净化机理探讨

1.4.1 植物自身的性状和抗性能力

水生植物由于长期生活在一种缺氧、弱光的环境中,本身的形态解剖结构上形成特殊性状。根、茎、叶形成完整的通气组织,保证器官和组织对O2的需要;叶片呈肉质,如香蒲表皮有厚角质层,栅栏组织发达,污染点处的根、茎、叶表皮细胞排列紧密等结构能抵抗因污染受害而引起的同化功能下降、水分过分蒸腾,增强了香蒲植物的耐污性和抵抗力。

1.4.2 植物的吸收、富集作用

水生植物根系发达,利于吸收水中物质。如凤眼莲长年过程需要大量的N、P营养物,它吸收后生长迅速,对于净化富营养化水体效果明显;香蒲植物吸收废水中的重金属时,吸收能力大小依次是根>地下茎>叶,并且按照一定的比例从生境中吸取各种元素,形成新的动态平衡,防止对某元素吸收过多而引起毒害。植物吸收污染物后,尤其是重金属离子、农药和其他人工合成有机物等,便富集、固定在体内或土壤中,减少水体中污染物量。研究表明,Pb、Zn进入香蒲体内,主要积聚在皮层细胞中的细胞壁上,只有少量进入原生质,可见细胞壁对重金属有较高的亲和力。

1.4.3 净化塘的沉降、吸附和过滤作用

净化塘里水生植物生长旺盛,根系发达,与水体接触面积大,形成密集的过滤层。如香蒲,它的地下茎和根形成纵横交错的地下茎网,水流缓慢时重金属和悬浮颗粒被阻隔而沉降,防止其随水流失。同时又在其表面进行离子交换、螯合、吸附、沉淀等,不溶性胶体为根系黏附和吸附,凝集的菌胶团把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来。

1.4.4 生化作用

植物净化污水的过程中生化作用也起到很大作用,这方面已有大量的研究。光合作用产生的O2和大气中的O2直接输送到植株各处,并向水中扩散,一方面根系通过释放O2,氧化分解根系周围的沉降物;另一方面使水体底部和基质土壤形成许多厌氧和好氧小区,为微生物活动创造条件,进而形成“根际区”。这样,植物代谢产物和残体及溶解的有机碳给湿地中的菌落提供食物源;同时,大量微生物在基质表面形成灰色生物膜,增加了微生物的数量和分解代谢的面积,使植物根部的污染物(富集或沉降下来的)被微生物分解利用或经生物代谢降解过程而去除。富营养化水体中,也可依靠水生植物根茎上的微生物使反硝化菌、氨化菌等加速NH3-N向NO2-N和NO3-N的转化过程,便于水生植物的吸收与利用,减少底泥向水体中的营养盐释放。

1.4.5 对浮游藻类的竞争抑制作用

富营养化严重的水体中,藻类疯长,水质恶化。栽种水生植物后,同浮游藻竞争营养物质以及所需的光热条件,同时分泌出抑藻物质,破坏藻类正常的生理代谢功能,迫使藻类死亡,以防止其带来的**。这样可以提高水体透明度,改善水中的DO含量,促进沉水植物与共生菌的生长,进一步净化水质。

1.5 植物净化效应的影响因素

1.5.1 净化植物的选择

净化污水的高等植物有许多,常见的有凤眼莲、水花生、香蒲等,但考虑到具有较高的净化率、低成本、耐冲击负荷等因素时,需选择出理想的净化物种来。华南环科所进行了2年的实验,对华南地区11种高等水生植物从净化能力、抗逆性、管理难易、综合利用价值和美化景观等5项方面综合评价,筛选出黑藻和假马齿苋为较优净化物种。因此可见,植物净化能力大小关系到净化效率的高低。

1.5.2 废水pH值的大小

pH值不同,废水能植物的生长状况影响不同,进而影响其净化效率。用水葫芦、水花生等7种草本植物净化酸性造纸废水结果表明,废水的pH值*低不能低于5.84,否则植物的生理机制受损,净化功能下降,导致植物不能很好地吸收重金属。

1.5.3 废水的性质

废水中有机污染物浓度高低、N和P含量大小以及污染物是否易降解等性质,对植物净化效率而言很重要。如凤莲处理炼油废水实施运行*佳条件为:65mg/L1.5.4净化时间

净化时间的长短及季节变化对植物净化效率的影响也不容忽视。水生植物凤莲净化富营养化湖水滞留时间≤2d时,净化结果不明显;延至7d时,净化效率提高50%~80%。同时,植物在温度变化不大的气候下正常发挥其功能,但严寒天气就会使一些植物冻坏,生理代谢受阻,不能很好地净化污水。如华南地区气温下降至4摄氏度时,静态培养的凤眼莲就会发生冻害,难以越冬。

当然,植物抗病虫害能力、废水流量及流速、废水中溶解氧的大小等因素同样制约着水生高等植物的净化能力。

2 植物净化的利用与发展

2.1 水生高等植物净化技术的优势

水生高等植物治理污水是一种新兴的生物工程技术,有以下4个优点:①成本低,对环境扰动小;②有利于保护和改善原有环境,有较高的美化环境价值;③治理污染时可以收获植物和生物能源,获得经济效益,如水葫芦净化塘,每年每公顷可产沼气58400m3,折合节约标准煤46.72t;④操作简单,投资少,其基建投资、运转费用和能耗均为常规二级处理方法的1/3~1/5.

2.2 现状问题

目前水生高等植物净化污水还存在着一些问题。首先,管理上控制不当,未能及时打捞过剩的或干枯的植物残体,就会致使二次污染的产生(如富营养化、有毒物质的释放)。其次,一种植物一般只能吸收降解一种或有限的几种环境污染物,而对其他浓度高的污染物可能会中毒,因此对于推广作用有局限性。再次,水生植物自身在污水生长,极易在水面屏蔽产生自屏蔽效应,会压迫环境;同时,密度过大也会滋生蚊虫**。第四,不能科学地筛选出抗性大的植物,并且净化的系统工艺设计也未考虑*优化配置和后处理问题,导致净化效果不明显,效率不高。

2.3 今后的发展方向

⑴可继续采用水生植物多种组合建配置或多级水生植物串联塘,形成一定的净化层次,这样有利于生长期和净化功能的季节**替互补。

⑵对于冬季低温期处理污水,要对其中不耐寒的植物采取覆膜或改变生态位的越冬措施。

⑶可与其他工程技术结合,建成复合污水处理工艺。如有学者采用煤灰吸附和植物氧化塘复合处理废水,分为三个系统:混合吸附→快速沉降→水葫芦氧化塘自净系统,去除COD为80%以上,水也可以供生产循环使用。

⑷可将分子生物学和基因工程技术应用于治污的高等植物,推广超累积植物,通过改进、改变使其生长周期缩短,生长速率加快,提高净化能力。

⑸对水生植物净化系统要有后处理清洁工艺,使其变废为宝,提供丰富的生物资源和能量资源。



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