造纸废水的人工湿地处理研究进展

范立维卢泽湘海热提

(1.福建农林大学资源与环境学院,福建福州,350002;2.北京化工大学环境科学与工程技术中心,北京,100029)

综 述

造纸废水的人工湿地处理研究进展

范立维1卢泽湘1海热提2

(1.福建农林大学资源与环境学院,福建福州,350002;2.北京化工大学环境科学与工程技术中心,北京,100029)

综述了造纸废水人工湿地处理的环境影响以及造纸废水人工湿地处理中植物、微生物及工艺的研究和应用现状,分析了人工湿地技术在造纸废水处理上的优势,提出了该技术有待深入研究的方向。

造纸废水;人工湿地;研究进展

造纸工业环境污染中废水的污染最为严重和复杂。这是由于造纸废水排放量大(占全国工业废水排放总量的10%左右)、成分复杂、有机物含量高,采用传统的处理方法一般难以达到国家新的排放标准,而且处理成本较高[1-2]。造纸废水环境污染问题已经严重制约了我国造纸工业的发展。经济、高效的造纸废水处理技术是造纸工业发展的需要,也是环境保护的必然趋势。

人工湿地废水处理技术具有投资少、能耗低、出水水质好的特点,是一种经济、高效的废水处理新技术[3-5]。造纸废水的人工湿地处理不仅可以利用人工湿地处理技术成本低的特点降低治理费用,而且还可以利用人工湿地处理系统出水水质好的特点将造纸废水处理后回灌湿地植物,实现造纸废水的零排放;长成后的湿地植物还可以用作造纸原料进行回收再利用,从而实现造纸企业和人工湿地一体化,形成循环经济发展体系,展现良好的环境和经济效益。

目前,造纸废水人工湿地处理技术以其独特的优越性正受到广泛关注。本文综述了造纸废水人工湿地处理的环境影响和造纸废水人工湿地处理中植物、微生物以及工艺的研究和应用现状,提出了造纸废水人工湿地处理技术有待深入研究的方向。

1 造纸废水人工湿地处理的环境影响研究

有关造纸废水人工湿地处理的研究大多集中在其环境影响方面。王明璐等研究了草浆造纸废水的人工湿地处理。结果显示,草浆造纸废水中主要含有以植物纤维为主的有机污染物;人工湿地运行一年后,土壤中地表的有机质含量明显增加,并且由表层逐步向下渗透[6]。该研究表明,土壤可以吸附积累废水中的有机物,造纸废水可以成为土壤的有效改良剂。刘鹏飞等用制浆造纸废水灌溉芦苇进行试验,结果也表明,经过中和的废水排入芦苇湿地,不仅废水水质得到很大改善,而且土壤中植物所需要的氮、磷、钾钙、镁、有机质等有所增加,提高了土壤肥力,同时芦苇生命活动中释放出二氧化碳,中和了废水碱性,防止土壤盐碱化[7]。钟玉书等对金城造纸厂废水的实验以及于秀玲等对乳山市造纸厂废水的实验研究表明,造纸废水的人工湿地处理对周围地面水体、地下水中的淡水承压水无影响,对土壤与芦苇、大气环境以及丹顶鹤等鸟类的栖息亦无明显影响,初步认为这种处理方法具有较好的实用性[8-9]。对于造纸废水人工湿地处理中有机负荷的控制问题,韩言柱等的研究表明,造纸废水中CODCr达到5000 mg/L左右时,湿地芦苇仍能旺盛生长,土壤质量和生态环境得到了很大改善[10]。丁成等通过桶栽和微区实验研究认为,从湿地生态系统的安全和造纸废水治理费用等因素综合考虑,进入芦苇人工湿地的造纸废水浓度控制在1500 mg/L比较适宜[11]。

2 造纸废水人工湿地处理中的植物研究

湿地植物不仅可以直接吸收和富集废水中的某些污染物质,而且还起到为微生物输氧和提供良好生存环境的作用,因此植物在人工湿地污水处理系统中具有举足轻重的作用。目前,有诸多针对去污能力的人工湿地植物筛选的研究,例如,Adcock等的研究表明,与芦苇相比,水麦冬具有明显发达的根系和较高的地下生物量,对氮、磷的去除效果是芦苇的5倍[12]。黄时达等研究了芦苇、灯心草和菖蒲等3种植物的污染物净化能力,结果发现,灯心草的净化能力最强,CODCr的去除率达到42%～46%[13]。彭江燕等研究了芦苇、水葱、黄菖蒲、美人蕉和风车草等5种植物的净化效果,结果表明,氮和磷的吸收比例顺序均为:风车草>美人蕉>芦苇>黄菖蒲>水葱[14]。

近年来,从区域性和植物之间的配置关系等方面进行的湿地植物的筛选研究也见诸报道。例如,陈志澄等从区域性出发,研究了广东园林绿化中常用的27种植物对生活废水的去污能力,结果表明,野芋头、花叶万年青、象草、姜花、绿公主、富贵竹、再力花、大花叶万年青、芦苇、花芦苇、美人蕉、文殊兰、水芋头、风车草、红草、蜘蛛兰、千手观音、水葱和花蝴蝶等18种植物,可以作为人工湿地生态系统选种植物(扩大了可选植物品种范围);这些植物配置适当,可达到美化环境和净化污水的双重功能[15]。时应征等报道了以北方地区常见的具有一定耐寒性的石龙芮和酸模2种水生植物作为湿地植物净化生活污水的研究结果:在停留时间为2天的条件下,2种植物对氮和磷的去除率均能达到80%以上;在停留时间为6天时,石龙芮系统可去除约45%的CODCr,而酸模系统的CODCr去除率可达到50%以上;石龙芮-酸模复合系统在去除磷和有机物方面比单一系统更优越[16]。

在造纸废水的人工湿地处理中,湿地植物除了具有以上的污水净化功能以外,还具有一定的经济价值。湿地植物用作造纸原料进行回收再利用,可以实现造纸企业和人工湿地一体化,形成循环经济发展体系。这也是造纸废水人工湿地处理技术的显著优势之一。

目前,在造纸废水的人工湿地处理应用实例中多是根据经验选择芦苇或岌岌草作为湿地植物。专门针对造纸原料的湿地植物筛选研究未见报道。因此,从造纸原料和处理效率两方面综合考虑,进行针对造纸原料的湿地植物筛选研究是造纸废水人工湿地处理技术研究有待深入的方向之一。

3 造纸废水人工湿地处理中的微生物研究

湿地中的微生物主要包括细菌、放线菌和真菌等,它们对废水中污染物的降解起着核心作用。沈耀良等对人工湿地中的微生物进行了分析,结果发现人工芦苇湿地中的优势微生物组成与天然芦苇湿地中的基本相同,其优势菌属主要有假单胞杆菌属、产碱杆菌属和黄杆菌属3种[17]。

造纸废水中的主要污染物是木质素-纤维素分解后留下的木质素。木质素结构十分复杂,难以被一般的微生物分解。对天然木质素有很大分解能力的首推是白腐真菌,褐腐菌、微型真菌、细菌、放线菌等在木质素的降解过程中也发挥一定的作用,但分解能力远不及白腐真菌。工业产生的木质素可以被放线菌中链霉属的某些种以及半知菌中的镰孢属、头孢属、丝孢酵母属和假丝酵母属等分解。对于相对分子质量有所降低的木质素类物质,一些细菌如假单胞菌属和土壤杆菌属等都能迅速降解。

现有研究已经表明,白腐真菌是对造纸工业废水处理十分有效的一类微生物,它能够有效地降解造纸废水中的木质素。白腐真菌降解造纸废水的研究较为充分[18]。白腐菌固定化后处理造纸废水的研究也有报道[18-19]。白腐菌可以处理造纸废水,但是其在人工湿地系统中的有关研究却未见报道。李海华等将YSH微生态制剂(将自然界存在的多种有益微生物菌群,经人工提纯、精密技术驯化、采用适当的比例和独特的发酵工艺,把筛选的好氧微生物和兼氧性微生物加以混合,培养出的高效微生物制剂)应用于人工湿地污水处理系统中对造纸废水进行治理,实现了造纸废水的零排放[20]。如何将白腐菌或其他木质素降解优势菌作为特种菌属应用于人工湿地处理系统中以增强人工湿地系统的造纸废水处理能力还有待深入研究。

4 造纸废水人工湿地处理工艺及应用实例

从最初的山东沾化齐明、江苏射阳双灯、漳州天宝、宝鸡东南到后来的河南新密、新鑫和长胜、辽宁金城、新疆石河子、甘肃武威等,人工湿地技术在我国造纸废水处理中的应用越来越广泛[21-24]。造纸废水人工湿地处理所涉及的组合工艺包括生物塘-人工湿地、接触氧化-人工湿地和地表漫流-人工湿地等[25-29]。造纸废水经过一定的预处理后(隔栅、筛网、沉淀、调节等)再进入这些组合工艺,出水一般都可以达到排放标准,甚至达到中水回用的要求生物塘-人工湿地组合工艺是最常采用的组合工艺之一,生物塘一般包括厌氧塘、兼性塘和好氧塘等,人工湿地植物一般采用可回用作造纸原料的芦苇。图1、图2和图3所示分别为山东沾化齐明纸业、江苏射阳双灯纸业和宝鸡东南纸业造纸废水生物塘-人工湿地组合工艺流程。

造纸废水人工湿地组合工艺的比较和优化研究明显不足,专门针对造纸废水的人工湿地处理工艺本身的改进研究也很有限。王丽等研究了仿生强化人工湿地系统对中段造纸废水的处理[30]。该系统中,人工湿地设有由人工纤维材料制成的仿生水草,并在水草的根部布设微孔曝气装置,形成强制曝气的仿生强化人工湿地。厂内造纸废水经过隔栅、曝气沉砂池等预处理后进入仿生强化人工湿地,取得了良好的处理效果。

造纸废水人工湿地处理工艺的研究可以从人工湿地与其他工艺的优化组合和人工湿地本身工艺的改进入手,以提高系统的去污效率。造纸废水中的木质素降解是人工湿地处理系统需要解决的主要问题,因此从组合工艺出发提高造纸废水的可生化性或者从木质素的有效降解菌出发改进人工湿地处理工艺本身都是造纸废水人工湿地处理技术需要深入研究的方向。

5 结 语

人工湿地在造纸废水处理中显示了长足的优势,它充分发挥了资源的潜力,防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳效益。造纸废水的人工湿地处理技术以其经济、高效性正受到广泛关注。目前,造纸废水的人工湿地处理研究有待深入和广泛。现有研究十分有限,且多集中在造纸废水人工湿地处理的环境影响方面,造纸废水人工湿地处理中,植物、微生物和工艺等多方面的研究远远不足。在植物方面,针对造纸原料的湿地植物筛选研究;在微生物方面,将白腐菌或其他木质素降解优势菌作为特种菌属应用于湿地处理系统中以增强其造纸废水处理能力;在处理工艺方面,针对造纸废水中的木质素降解,从组合工艺出发提高造纸废水的可生化性或者从木质素的有效降解菌出发改进人工湿地处理工艺本身都是造纸废水人工湿地处理技术有待深入研究的方向。只有进行深入的研究,才能完善造纸废水人工湿地处理系统,使其更好地服务于造纸工业。

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Abstract:The effectof the constructedwetland treatment technology for the paper makingwastewateron the environment and the research an application statusof the plants,themicroorganis ms and the techniques in this treatment system were summarized.The advantagesof the con structed wetland treatment technology for the papermakingwastewater and its further development direction were analyzed.

Keywords:paper makingwastewater;constructed wetland;research progr

(责任编辑:赵旸宇)

Research Progress of ConstructedW etland Treatment Technology for Papermak ingWastewater

FAN Li-wei1,＊LU Ze-xiang1HA IRe-ti2

(1.College of Resource and Environment,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou,Fujian Province,350002;
2.Center of Environmental Science and Technology,Beijing University of Chem ical Technology,Beijing,100029)
(＊E-mail:fan lw@163.com)

X793

A

1000-6842(2010)02-0079-04

2010-03-08(修改稿)

本课题为福建省自然科学基金资助项目(项目名称为造纸废水人工湿地处理技术研究;项目编号2009J05018)。

范立维,女;在读博士研究生;主要从事水污染控制方面的研究工作。

E-mail:fanlw@163.com