6.香根草环保应用

  • 香根草人工湿地污水处理技术在中国的研究与应用

    ????????香根草是一种高生物量的两栖植物,也是一种理想的可用于构建人工湿地的植物。香根草人工湿地用于污水处理有较多优点,但目前这一技术尚处于试验阶段,并需要进一步完善。此文就近年香根草人工湿地污水处理技术在中国的研究与应用作一综述。

    一、前言

    ????????香根草(Vetiveria zizanioides)被誉为“神奇之草”,对酸、碱、盐、重金属、富营养化、淹水等环境胁迫具有较强的耐性(夏汉平等,1998a,b,2000;靖元孝等,2001;Truong and Baker, 1998; 束文圣等,2000;陈怀满等,2000)。Truong 等(2001)综述了澳大利亚、泰国、中国等地香根草处理污水的研究、发展与应用,进而表明,香根草系统是一种非常有效的生活污水,工业废水和垃圾渗滤液等污水的处理工艺。香根草可能被广泛应用于污水处理,基于其以下属性(Truong et al 2001):

    ????????较之大多数湿地植物更高的蒸发蒸腾速率;

    ????????对营养的,尤其是氨、总氮和P的高量而快的吸收速率;

    ????????香根草是不育的,因而不形成物种入侵;

    ????????对土壤酸性、碱性、盐分及钠分高耐性;

    ????????对水淹、浸水高耐性;

    ????????能耐受高浓度垃圾渗滤液。

    ????????香根草高吸收而适合污水处理的潜能于1995年在澳大利亚得以确认,2年后中国科学家也在研究中证实了这一点,自此,中国的香根草污水处理研究与实践逐渐得以开展(Trong et al. 2001;Zheng et al. 1997;夏汉平,2001)。

    二、香根草人工湿地

    ????????香根草已显示特别的潜力,适合于作为支配植物构建人工湿地。香根草是一种粗壮的植物,结构强大,耐受高负载污水,并已被证实能处理未经稀释的生活污水。香根草最大尺度的应用可能是在湿地中(Truong et al 2001)。自然或人工湿地已被表明,其在净化工农业污水方面是有效的。湿地应用于污水处理涉及到一系列复杂的生物学过程,如微生物的转化作用,理化过程如吸附作用及沉降作用。香根草适合于构建植被缓冲带或湿地,因为其以下形态学和生理学上的特点(Cull et al 2000; Truong etal 2001):

    ????????耐受水淹土壤条件,使它成为一种理想的植物用于构建临时或永久湿地;

    ????????其密集挺立,树起的茎干能减缓流速,增加污水滞留时间,从而提高污水携带的沉淀物及沉淀物束缚的污染物(诸如,重金属和一些杀虫剂残留物)的沉积作用;

    ????????其密而细微的根系结构能提高湿地基体的稳定性和营养吸收,并提供一个刺激根际微生物学过程的环境;

    ????????不结实性减小其成为水生杂草的可能性。

    ????????此外,香根草对病虫害具有较强的抗性。这些特点使香根草人工湿地在运行过程中,较之其它人工湿地,减少了维护工作,降低了运行费用,并最终促进其污染处理应用。

    三、基础研究

    1、香根草对垃圾渗滤液植物毒性的耐性及净化效率

    ????????夏汉平等(1999)研究了香根草及另外三种植物在垃圾渗滤液培养下的反应。试验用垃圾渗滤液采集于广州李坑垃圾填埋场渗滤液净化处理站,用于实验的两种渗滤液分别取于该站处理系统的入口与出口,入中处的为高浓度渗滤液(HCL),其从垃圾堆填区流出未经处理;出口的为低浓度渗滤液(LCL),已经过处理站的物理净化处理。在HCL中,COD,总氮(TN),氨氮(N-NH4), 总磷(TP),Cl-含量相当高(表1),为工业废水最大允许排放标准和农业用水标准的几倍到十几倍;经该站净化处理后,上述因子在LCL中,仍超过排放标准。

    ????????表1取自广州李坑垃圾渗滤液处理站两种渗滤液的水质及经该站的净化率(除pH外,其它因子的单位均为:g/L)

    渗滤液 PH COD BOD 碱度 总氮 氨氮 硝氮 总磷 Cl Fe Zn Pb Cd Ni
    HCL 7.4 1120 121 1882 1125 314 314 4.4 1406 6.49 0.25 0.013 0.0005 0.06
    LCL 6.5 246 43 396 294 87 64 2.6 812 0.54 0.14 0.009 0.0003 0.04
    净化率(%) / 78.0 64.2 79.0 73.9 72.2 / 41.3 42.2 92.2 45.6 31 60 33

    ????????植物材料,香根草、百喜草采自华南植物所苗圃,水花生、水葫芦来自沟渠和池塘。这四种草被认为都有快速生长、大生物量、稍微或较强的耐性对某一污染或贫瘠环境的特点。该研究结果显示,(1)水葫芦在HCL和LCL两种污水中均受毒害致死;百喜草在HCL中不能存活,在LCL中受严重伤害;水花生在HCL中受较重伤害,但在LCL形成庞大的生物体,这可能是污水的“富营养化”所致;香根草在2种污水中亦受伤害,但其受害症状在4种植物中最轻。(2)在两种表现耐性较强的植物中,在净化LCL方面,水花生总体上优于香根草,尤其在TP 和NO3-N (硝氮)净化方面;但是在HCL中,被观测的七个水质指标中,香根草的净化均优于水花生,其中N-NH4被净化效率最高,为77~91%,此外,香根草对磷也有较强的净化率(>74)。(3)该研究也显示,广州李坑垃圾填埋场渗滤液含高浓度的污染物,未达排放标准,渗滤液具较强的植物毒性,可能对植物及周围环境有损害,因而需要进一步净化,香根草和水花生可分别被用于净化高浓度和低浓度的渗滤液。

    2、香根草处理垃圾渗滤液,微宇宙试验(a microcosms test)

    ????????林学瑞(2002)构建香根草模拟人工湿地,研究不同基质对香根草湿地处理垃圾渗滤液的影响。试验用垃圾渗滤液同样采自李坑垃圾填埋场。在温室建立8组香根草模拟人工湿地处理含高COD和N-NH4的垃圾渗滤液,每组3重复,其中5组调查不同基质(包括煤矸石、粉煤灰、煤渣、土壤、和砾石),3组调查添加木屑这一碳(C)源,2组调查香根草有、无对人工湿地处理垃圾渗滤液效能的影响。试验结果表明:

    ????????(1) 垃圾渗滤液经各组模拟人工湿地处理后,总体上pH值升高,电导率(EC)值、总悬浮性固体(TSS)值、颜色值和出水体积均下降。COD、N-NH4、N-NO3、总凯氏氮(TKN)、TP,TSP(可溶性磷)均有较高去除率;

    ????????(2) 基质不同的模拟人工湿地中,以煤矸石为基质对去除EC、N-NH4、TKN、TP、TSP和TSS的效果最好;以煤渣为基质对去除颜色、COD、N-NO3和TSS的效果最好;以粉煤灰为基质对去除TP和TSP的效果相对较好,对去除其它污染物的效果均较差;以土壤为基质对TP和TSP去除效果最差;以砾石为基质各种污染物的去除指标均居中。

    ????????(3) 添加木屑后,模拟人工湿地出水的pH升高,EC和颜色值下降;对N-NH4、TKN和TSS去除率显着地下降,对N-NO3去除率显着地增加;减少了COD、TP和TSP的去除率,但未达显着水平;导致香根地上部分生物量、地下部生物量、总生物量和分蘖数的降低,其中地上部分和总生物量降低达显着水平。因此,添加木屑为C源,可以显着地促进反硝化作用,但会抑制N-NO3外的其它污染物的去除,还会显着地抑制香根草的生长。

    ????????(4) 入口垃圾渗滤液的N-NH4浓度影响香根草在模拟人工湿地中的作用,过高浓度渗滤液可对香根草产生毒害作用,因此垃圾渗滤液在进入香根草人工湿地前,就作前处理,使其N-NH4浓度小于200 mg·L-1。

    ????????(5) 延长HRT可以显着提高N-NO3的去除率。

    ????????(6) 香根草的存在对整个模拟人工湿地系统净化污水效能有着重要的作用。种植香根草的模拟人工湿地对渗滤液COD, N-NH4, TKN, N-NO3, TP, TSP和TSS 的去除比不种植的分别高9.09%, 12.93%, 15.72%, 104.8%, 17.44%, 57.02% 和1.61%。在对TP和TKN去除率中,香根草的吸收作用在总去除率中所占比例,前者大于后者。

    四、案例研究Ⅰ:香根草人工湿地处理猪场废水

    1、湿地植物筛选

    ????????湿地被认为是一种最有效的方法降低猪场废水的总量和高营养负载(Truong et al, 2001)。廖新俤(2000)从十二种植物品种中筛选出香根草和风车草,综合评价结果显示,在污染抗性、大生物量、根生长、景观、及管理费用方面,这两种植物适合在华南构建湿地处理猪场废水。试验结果表明,这两种植物能生长在水质指标为:CODcr 825 mg·L-1, BOD5 500 mg·L-1, NH4-N 130 mg·L-1 and TP 23 mg·L-1猪场废水中,水力停留时间(HRT)4天后,这些指标分别下降64%, 68%, 20% and 18%. 数据结果分析表明,有、无植物时,COD, BOD和TP存在显着差异。

    2、氮、磷和有机物的去除

    ????????廖新俤(2002)分别以香根草和风车草为植被,按1.0m×0.5m×0.8m建立湿地,通过四季试验研究其对猪场废水N、P、有机物的净化功能。结果表明:

    ????????(1) 两湿地对NH4-N和S-PO43-去除率受污水停留时间和污水浓度影响较大。香根草或风车草人工湿地在春季对NH4-N和S-PO43-有明显的去除效果:在秋季,二者对去除废水TN均有效果,在去除TP上,香根草湿地效果明显,风车草湿地效果差(廖新俤2002b)。

    ????????(2) 4个季节香根草或风车草人工湿地对COD和BOD均有较稳定的去除效果,两湿地抗有机负荷冲击能力强。在春季,HRT 1-2d,COD和BOD去除率分别为70%和80%;在夏季,进水COD高达1000-1400 mg·L-1条件下,COD去除率接近90%;在秋季,HRT 1-2d,COD和BOD去除率分别为50-60%和50%;在冬季,进水COD高达1003 mg·L-1条件下,COD去除率在70%以上。COD,BOD和固体悬浮物在两湿地间无明显差异(廖新俤 2002a)。

    五、案例研究Ⅱ: 炼油废水处理

    365棋牌游戏平台????????夏汉平等(2002)首次将香根草引入炼油废水处理。在他们的试验中,来自茂名石化公司的炼油废水含有高浓度有机与无机污染物,未经处理达不到排放要求。4种草本植物,香根草、芦苇、宽叶香蒲、蒲草被用于试验构建人工湿地的效果以及所构建的人工湿地净化炼油废水的效果。在建立后早期,人工湿地对炼油废水的净化效率很高,它们对第一批高浓度废水中氨氮、COD、BOD和油的去除分别是97.7%、78.2%、91.4和95.3%,对第一批低浓度废水中氨氮、COD、BOD和油的去除分别是97.1%、71.5%、73.7%和89.8%。然而,随时间推移,湿地的净化效果有一定程度的下降。湿地对氨氮、COD、BOD和油的去除效率始终表现为氨氮>油类>BOD>COD。被试验的4种植物在污水湿地中的生长表现均好于清水湿地,对污水的净化率,香根草和另外三种植物间无显着差异。在清水培养阶段,香根草的分蘖形成速率为4个种最低,但在污水阶段,开始上升,而另外3种的分蘖速度则明显下降,这些现象可能表明,香根草对含油废水环境的适应性比芦苇、宽叶香蒲、蒲草更强。

    六、总结

    ????????香根草人工湿地已展现了较强的净化污水潜力,并获得日益增加的关注。已有的研究为该技术在中国的应用奠定了基础,然而目前这一技术尚处于试验阶段,并需要进一步完善。迄今为止,仅有少数几个香根草人工湿地用于田间污水处理,龙洞人工湿地是其中之一。该湿地位于广州市天河区龙洞村,湿地工程2000年10月完成,并用于生活污水处理。在中国的一些地区,由于不合适的气候因素,对这一技术了解较少,或缺乏相应的技术及管理人员等原因,在一定程度上,制约了香根草人工湿地在当地的发展应用。此外,在污水处理应用中,同其它人工湿地系统,香根人工湿地的发展也需面对和解决如下一些相似的制约因素(Kivaisi, 2001):

    ????????(1)建设、运行、维护费用;

    ????????(2)废水的类型与出水目标;

    ????????(3)携带病源控制;

    ????????(4)侵入动物害虫的控制;

    ????????(5)异味影响的控制。

    ????????诚然,上述这些因素在一定程度上会影响香根草湿地的发展,然而随着上述问题的克服,香根草人工湿地,作为一种有希望的、绿色的污水处理技术,将很可能在中国普及应用。