水葫芦处理高氨氮废水的植物修复技术研究进展

2022-10-13许岳香冒学勇

中国资源综合利用 2022年9期

许岳香，冒学勇，姚坚

（1.苏州市生态环境保护技术运用推广中心；2.苏州高新区生态环境局；3.苏州高新区环境监测站，江苏苏州 215000）

氮是生物蛋白质和核酸的基本元素。在自然条件下，氮根据不同的氧化态以多种形式存在。在废水处理中，主要关注的氮类型有总氮（TN）、总凯氏定氮（TKN）、氨氮（NH3-N）、有机氮（ON）、硝酸盐氮（NO3-N）和亚硝酸盐氮（NO2-N）。氨氮是一种重要的常见氮形态，广泛存在于农业污水、生活污水和工业废水中[1]，具有高氨氮含量特征的工业废水有半导体工业、制革工业、着色剂制造工业、炸药工业和酿酒工业的废水。值得注意的是，与其他氮形态（硝酸盐氮和亚硝酸盐氮）相比，某些污水源的氨氮浓度显著更高，因此有必要采用氨氮处理工艺。

研究表明[2]，将氨氮从废水中去除的主要原因有3 点：由于氨氮的存在，水流中的氧含量耗尽；过量的氨氮会对水体中的生物产生毒性；氨氮与氯的反应会产生氯胺，干扰溶解作用。植物修复技术已被认为是降低工业废水中氨氮含量的有前途的解决方案，它利用植物来处理受污染的土壤或水。植物修复因其运行成本低、环境友好等优点，成为污水处理领域新兴的绿色技术。植物修复候选植物的选择是成功修复的关键因素，因此必须选择吸收污染物能力强、适应污水条件、生长速度快、易于控制的大型植物[2]。水葫芦是一种漂浮型水生植物，具有增殖快、适应范围广、养分吸收能力强等特点，被认为是植物修复的适宜候选者。本文综述植物修复技术的优势和不足，为利用水葫芦处理各种高氨氮废水提供思路。

1 常规的脱氮技术

现有脱氮技术可分为物理化学脱氮和生物脱氮两大类。经比较，5 种常规脱氮生物技术的优点和局限如表1所示。研究表明，离子交换、吸附和生物技术是最常被研究的氨氮废水处理技术[3]。然而，这些传统脱氮技术在生产、操作和维护方面成本高昂，因为它们需要化学试剂或补充设施。

表1 常规脱氮生物技术的优缺点

2 植物修复技术

植物修复是一种自然发生的过程，早在300 多年前就被人类记录下来。植物修复是指利用植物和根际微生物去除土壤、沉积物、地下水、地表水甚至大气中的污染物。植物修复可以利用植物和相关微生物从土壤和水环境中固定（植物稳定化）、去除（植物萃取）、蒸发（植物蒸发）或降解（植物降解、根降解）污染物。根据王嘉伟[4]的研究，水生植物修复系统的运行有3 个原则：一是识别和构建有效的水生植物系统；二是植物对氮、磷、金属等溶解性养分的吸收；三是从修复系统中收获及利用植物生物量。为了确保最佳的植物密度，有必要定期从水体中收获成熟生物量，否则，死亡的植物组织将分解，随后将储存的营养物质释放回环境中。

3 湿地氨氮的去除机制

在湿地系统中，植物通过直接（植物吸收）和间接（根际微生物活动）的方式去除废水中的氨氮含量。在植物吸收方面，废水中的氨氮可直接被根系吸收，或在植物体内积累，以支持生物量的生长发育。强化微生物活性是一种重要脱氮手段，它可以加速根际氮的分解，提高氮的生物有效性，促进植物对氮的吸收。

除植物作用机制外，氮转化过程对湿地氨氮去除也至关重要，包括矿化、硝化、反硝化、沉降、氨再生、氨挥发以及藻类和细菌对无机氮的吸收。矿化也被称为氨化作用，是微生物将有机氮转化为无机氮的过程，好氧环境（pH 介于6.5～8.5）是氨化的有利条件。氨挥发是在高pH 条件下将铵（NH4+）转化为氨气并通过水面释放到大气中。硝化作用是微生物将NH4+氧化为亚硝酸盐，再氧化为硝酸盐的过程。氨氧化细菌在好氧条件下将NH4+氧化成亚硝酸盐，而亚硝酸盐氧化细菌则在硝化条件下将NH4+氧化成亚硝酸盐。反硝化作用是指在缺氧条件下，各种古菌和兼性异养菌将硝酸盐转化为N2O 和N2。

4 水葫芦在废水处理中的应用

从实验室研究到大规模应用，以水葫芦为基础的植物修复技术对氨氮的去除效果显著。既往文献有利用水葫芦进行城市污水中试处理的研究，在保留时间分别为44 d 和21 d 的情况下，水葫芦的氨氮去除率分别为81%和85%。WANG 等[5]在水葫芦覆盖面积4.3 km2的富营养化湖泊（面积10.5 km2）进行7 个月的植物调节，氨氮浓度从0.02 mg/L 降低到4.70 mg/L。研究表明，水葫芦在处理氨氮废水方面具有很高的潜力。

植物修复技术与人工湿地相结合是处理污水的有效方法。人工湿地设计和建造的目的是利用湿地植被、土壤及其相关微生物组合来促进废水处理。20世纪50年代以来，人工湿地已被证明可以有效地处理农业污水、生活污水和工业废水。人工湿地有许多优点，包括建造简单、操作维护方便、成本效益高、环境友好、强度高、过程稳定性好、污泥生成量低、对水力和有机负荷波动有较高的缓冲能力。

人工湿地系统有三种类型，即地表流人工湿地、潜流式人工湿地和复合型人工湿地。水葫芦人工湿地系统分为好氧区、兼氧区和厌氧区。好氧区是指靠近水面的水柱区域，水葫芦是一种自由漂浮的大型植物，会覆盖大部分水面，导致大气扩散提供的氧气不足。氧气将通过通气组织输送到植物根部，其中30%～40%的氧气在植物根际释放，以支持需氧微生物的生长和活动。水深越大，氧浓度越低，因为植物根系传递氧的效率降低，从而形成兼氧区，有利于厌氧微生物的生长。因此，采用水深14～15 cm 的水葫芦人工湿地系统，以克服其厌氧区存在的问题。

5 基于水葫芦的植物修复体系实施

将基于水葫芦的植物修复应用于去除氨氮之前，要结合操作条件，考虑保留时间、水介质特性、植物年龄、植物密度、采收频率和环境因素（阳光可用性和季节变化）。影响水葫芦生长的因素有相互竞争作用（种内竞争）、内在形态限制（大小限制）、外部环境因素（气温和太阳辐射）、内部环境因素（水温和环境养分）。

水葫芦对温度的依赖很强，因此亚热带和热带地区推荐使用水葫芦处理废水。pH 为7.5 时进行植物修复试验，发现水葫芦在温度为10 ℃时停止生长，证明水葫芦对温度的敏感性[6]。气候和季节变化直接影响水葫芦的活性，进而影响植物的光合速率和生产力，最终影响植物的氨氮去除率。气温和太阳辐射越高，水葫芦的光合速率和生产力越高。幼苗根系吸收污染物和释放氧气供微生物繁殖的能力比老植株强，因此采用健康的幼苗进行调节至关重要。水葫芦能够通过叶片将大气中的氧气输送到植物根部，然后通过通气组织释放到水介质中，从而净化水质。水介质特性对植物修复至关重要，pH=6～9 和温度15～38 ℃被认为是大型植物处理废水的合适条件。植物在吸收氨氮的过程中发生脱质子作用，H+离子被释放到水介质中，导致水介质酸度增加。此外，大气中CO2扩散到水介质中，也会降低水介质的pH。因此，植物修复过程应监测pH，并在水介质中添加碱性物质，以保持适宜的pH，使植物生长状态最佳。