香根草人工濕地污水處理技術在中國的研究與應用

時間：2006-11-23 來源： 作者：

香根草是一種高生物量的兩棲植物，也是一種理想的可用于構建人工濕地的植物。香根草人工濕地用于污水處理有較多優點，但目前這一技術尚處于試驗階段，并需要進一步完善。此文就近年香根草人工濕地污水處理技術在中國的研究與應用作一綜述。
一、 前言
　　香根草（Vetiveria zizanioides）被譽為“神奇之草”，對酸、堿、鹽、重金屬、富營養化、淹水等環境脅迫具有較強的耐性（夏漢平等，1998a,b,2000；靖元孝等，2001；Truong and Baker, 1998； 束文圣等，2000；陳懷滿等，2000）。Truong 等（2001）綜述了澳大利亞、泰國、中國等地香根草處理污水的研究、發展與應用，進而表明，香根草系統是一種非常有效的生活污水，工業廢水和垃圾滲濾液等污水的處理工藝。香根草可能被廣泛應用于污水處理，基于其以下屬性（Truong et al 2001）：
·較之大多數濕地植物更高的蒸發蒸騰速率；
·對營養的，尤其是氨、總氮和P的高量而快的吸收速率；
·香根草是不育的，因而不形成物種入侵；
·對土壤酸性、堿性、鹽分及鈉分高耐性；
·對水淹、浸水高耐性；
·能耐受高濃度垃圾滲濾液。
　　香根草高吸收而適合污水處理的潛能于1995年在澳大利亞得以確認，2年后中國科學家也在研究中證實了這一點，自此，中國的香根草污水處理研究與實踐逐漸得以開展（Trong et al. 2001；Zheng et al. 1997；夏漢平，2001）。
二、香根草人工濕地
　　香根草已顯示特別的潛力，適合于作為支配植物構建人工濕地。香根草是一種粗壯的植物，結構強大，耐受高負載污水，并已被證實能處理未經稀釋的生活污水。香根草最大尺度的應用可能是在濕地中（Truong et al 2001）。自然或人工濕地已被表明，其在凈化工農業污水方面是有效的。濕地應用于污水處理涉及到一系列復雜的生物學過程，如微生物的轉化作用，理化過程如吸附作用及沉降作用。香根草適合于構建植被緩沖帶或濕地，因為其以下形態學和生理學上的特點（Cull et al 2000; Truong et al 2001）：
·耐受水淹土壤條件，使它成為一種理想的植物用于構建臨時或永久濕地；
·其密集挺立，樹起的莖干能減緩流速，增加污水滯留時間，從而提高污水攜帶的沉淀物及沉淀物束縛的污染物（諸如，重金屬和一些殺蟲劑殘留物）的沉積作用；
·其密而細微的根系結構能提高濕地基體的穩定性和營養吸收，并提供一個刺激根際微生物學過程的環境；

·不結實性減小其成為水生雜草的可能性。
　　此外，香根草對病蟲害具有較強的抗性。這些特點使香根草人工濕地在運行過程中，較之其它人工濕地，減少了維護工作，降低了運行費用，并最終促進其污染處理應用。

三、基礎研究
　　1、香根草對垃圾滲濾液植物毒性的耐性及凈化效率
　　夏漢平等（1999）研究了香根草及另外三種植物在垃圾滲濾液培養下的反應。試驗用垃圾滲濾液采集于廣州李坑垃圾填埋場滲濾液凈化處理站，用于實驗的兩種滲濾液分別取于該站處理系統的入口與出口，入中處的為高濃度滲濾液（HCL），其從垃圾堆填區流出未經處理；出口的為低濃度滲濾液（LCL），已經過處理站的物理凈化處理。在HCL中，COD，總氮（TN），氨氮（N-NH4）, 總磷（TP），Cl-含量相當高（表1），為工業廢水最大允許排放標準和農業用水標準的幾倍到十幾倍；經該站凈化處理后，上述因子在LCL中，仍超過排放標準。
表1取自廣州李坑垃圾滲濾液處理站兩種滲濾液的水質及經該站的凈化率（除pH外，其它因子的單位均為：g/L）

植物材料，香根草、百喜草采自華南植物所苗圃，水花生、水葫蘆來自溝渠和池塘。這四種草被認為都有快速生長、大生物量、稍微或較強的耐性對某一污染或貧瘠環境的特點。該研究結果顯示，（1）水葫蘆在HCL和LCL兩種污水中均受毒害致死；百喜草在HCL中不能存活，在LCL中受嚴重傷害；水花生在HCL中受較重傷害，但在LCL形成龐大的生物體，這可能是污水的“富營養化”所致；香根草在2種污水中亦受傷害，但其受害癥狀在4種植物中最輕。（2）在兩種表現耐性較強的植物中，在凈化LCL方面，水花生總體上優于香根草，尤其在TP 和NO3-N (硝氮)凈化方面；但是在HCL中，被觀測的七個水質指標中，香根草的凈化均優于水花生，其中N-NH4被凈化效率最高，為77～91%，此外，香根草對磷也有較強的凈化率（＞74）。（3）該研究也顯示，廣州李坑垃圾填埋場滲濾液含高濃度的污染物，未達排放標準，滲濾液具較強的植物毒性，可能對植物及周圍環境有損害，因而需要進一步凈化，香根草和水花生可分別被用于凈化高濃度和低濃度的滲濾液。
　　2、香根草處理垃圾滲濾液，微宇宙試驗（a microcosms test）
　　林學瑞（2002）構建香根草模擬人工濕地，研究不同基質對香根草濕地處理垃圾滲濾液的影響。試驗用垃圾滲濾液同樣采自李坑垃圾填埋場。在溫室建立8組香根草模擬人工濕地處理含高COD和N-NH4的垃圾滲濾液,每組3重復，其中5組調查不同基質（包括煤矸石、粉煤灰、煤渣、土壤、和礫石），3組調查添加木屑這一碳（C）源，2組調查香根草有、無對人工濕地處理垃圾滲濾液效能的影響。試驗結果表明：
　�。�1） 垃圾滲濾液經各組模擬人工濕地處理后，總體上pH值升高，電導率（EC）值、總懸浮性固體（TSS）值、顏色值和出水體積均下降。COD、N-NH4、N-NO3、總凱氏氮（TKN）、TP，TSP（可溶性磷）均有較高去除率；
　�。�2） 基質不同的模擬人工濕地中，以煤矸石為基質對去除EC、N-NH4、TKN、TP、TSP和TSS的效果最好；以煤渣為基質對去除顏色、COD、N－NO3和TSS的效果最好；以粉煤灰為基質對去除TP和TSP的效果相對較好，對去除其它污染物的效果均較差；以土壤為基質對TP和TSP去除效果最差；以礫石為基質各種污染物的去除指標均居中。
　�。�3） 添加木屑后，模擬人工濕地出水的pH升高，EC和顏色值下降；對N-NH4、TKN和TSS去除率顯著地下降，對N-NO3去除率顯著地增加；減少了COD、TP和TSP的去除率，但未達顯著水平；導致香根地上部分生物量、地下部生物量、總生物量和分蘗數的降低，其中地上部分和總生物量降低達顯著水平。因此，添加木屑為C源，可以顯著地促進反硝化作用，但會抑制N-NO3外的其它污染物的去除，還會顯著地抑制香根草的生長。
　�。�4） 入口垃圾滲濾液的N-NH4濃度影響香根草在模擬人工濕地中的作用，過高濃度滲濾液可對香根草產生毒害作用，因此垃圾滲濾液在進入香根草人工濕地前，就作前處理，使其N-NH4濃度小于200 mg·L-1。
　�。�5） 延長HRT可以顯著提高N-NO3的去除率。
　�。�6） 香根草的存在對整個模擬人工濕地系統凈化污水效能有著重要的作用。種植香根草的模擬人工濕地對滲濾液COD, N-NH4, TKN, N-NO3, TP, TSP和TSS 的去除比不種植的分別高9.09%, 12.93%, 15.72%, 104.8%, 17.44%, 57.02% 和1.61%。在對TP和TKN去除率中，香根草的吸收作用在總去除率中所占比例，前者大于后者。

四、案例研究Ⅰ：香根草人工濕地處理豬場廢水
　　1、濕地植物篩選
　　濕地被認為是一種最有效的方法降低豬場廢水的總量和高營養負載（Truong et al, 2001）。廖新俤（2000）從十二種植物品種中篩選出香根草和風車草，綜合評價結果顯示，在污染抗性、大生物量、根生長、景觀、及管理費用方面，這兩種植物適合在華南構建濕地處理豬場廢水。試驗結果表明，這兩種植物能生長在水質指標為：CODcr 825 mg·L-1, BOD5 500 mg·L-1, NH4-N 130 mg·L-1 and TP 23 mg·L-1豬場廢水中，水力停留時間（HRT）4天后，這些指標分別下降64%, 68%, 20% and 18%. 數據結果分析表明，有、無植物時，COD, BOD和TP存在顯著差異。
　　2、氮、磷和有機物的去除
　　廖新俤（2002）分別以香根草和風車草為植被，按1.0m×0.5m×0.8m建立濕地，通過四季試驗研究其對豬場廢水N、P、有機物的凈化功能。結果表明：
　　（1） 兩濕地對NH4-N和S-PO43-去除率受污水停留時間和污水濃度影響較大。香根草或風車草人工濕地在春季對NH4-N和S-PO43-有明顯的去除效果：在秋季，二者對去除廢水TN均有效果，在去除TP上，香根草濕地效果明顯，風車草濕地效果差(廖新俤2002b)。
　�。�2） 4個季節香根草或風車草人工濕地對COD和BOD均有較穩定的去除效果，兩濕地抗有機負荷沖擊能力強。在春季，HRT 1-2d，COD和BOD去除率分別為70%和80%；在夏季，進水COD高達1000-1400 mg·L-1條件下，COD去除率接近90%；在秋季，HRT 1-2d，COD和BOD去除率分別為50-60%和50%；在冬季，進水COD高達1003 mg·L-1條件下，COD去除率在70%以上。COD，BOD和固體懸浮物在兩濕地間無明顯差異(廖新俤 2002a)。
五、案例研究Ⅱ: 煉油廢水處理
　　夏漢平等（2002）首次將香根草引入煉油廢水處理。在他們的試驗中，來自茂名石化公司的煉油廢水含有高濃度有機與無機污染物，未經處理達不到排放要求。4種草本植物，香根草、蘆葦、寬葉香蒲、蒲草被用于試驗構建人工濕地的效果以及所構建的人工濕地凈化煉油廢水的效果。在建立后早期，人工濕地對煉油廢水的凈化效率很高，它們對第一批高濃度廢水中氨氮、COD、BOD和油的去除分別是97.7%、78.2%、91.4和95.3%，對第一批低濃度廢水中氨氮、COD、BOD和油的去除分別是97.1%、71.5%、73.7%和89.8%。然而，隨時間推移，濕地的凈化效果有一定程度的下降。濕地對氨氮、COD、BOD和油的去除效率始終表現為氨氮＞油類＞BOD＞COD。被試驗的4種植物在污水濕地中的生長表現均好于清水濕地，對污水的凈化率，香根草和另外三種植物間無顯著差異。在清水培養階段，香根草的分蘗形成速率為4個種最低，但在污水階段，開始上升，而另外3種的分蘗速度則明顯下降，這些現象可能表明，香根草對含油廢水環境的適應性比蘆葦、寬葉香蒲、蒲草更強。
六、總結
　　香根草人工濕地已展現了較強的凈化污水潛力，并獲得日益增加的關注。已有的研究為該技術在中國的應用奠定了基礎，然而目前這一技術尚處于試驗階段，并需要進一步完善。迄今為止，僅有少數幾個香根草人工濕地用于田間污水處理，龍洞人工濕地是其中之一。該濕地位于廣州市天河區龍洞村，濕地工程2000年10月完成，并用于生活污水處理。在中國的一些地區，由于不合適的氣候因素，對這一技術了解較少，或缺乏相應的技術及管理人員等原因，在一定程度上，制約了香根草人工濕地在當地的發展應用。此外，在污水處理應用中，同其它人工濕地系統，香根人工濕地的發展也需面對和解決如下一些相似的制約因素(Kivaisi, 2001)：
（1） 建設、運行、維護費用； （2） 廢水的類型與出水目標；（3） 攜帶病源控制；（4） 侵入動物害蟲的控制；（5） 異味影響的控制。 
    誠然，上述這些因素在一定程度上會影響香根草濕地的發展，然而隨著上述問題的克服，香根草人工濕地，作為一種有希望的、綠色的污水處理技術，將很可能在中國普及應用。