浮萍污水脱氮处理的研究进展及应用展望

李志兰，连彦峰

（1.浙江省自然科学基金委员会办公室，浙江杭州 310012；2.浙江省环科环境认证中心，浙江杭州 310007）

浮萍污水脱氮处理的研究进展及应用展望

李志兰1，连彦峰2

（1.浙江省自然科学基金委员会办公室，浙江杭州 310012；2.浙江省环科环境认证中心，浙江杭州 310007）

浮萍具有易生长、广分布、富集氮等特点，被广泛地应用于水治理中进行污水脱氮处理。本文对浮萍脱氮作用的相关机制、影响因子及局限性进行了综述。浮萍脱氮的作用途径可分为直接吸收和间接影响2种，其中间接影响主要包括调控氨挥发和水体硝化/反硝化反应。浮萍脱氮作用的影响因子包括水体总氮量、水流条件、光强、温度、酸碱度及有机质含量等。

浮萍；污水处理；脱氮作用

浮萍，隶属于浮萍科，是一种分布于全球的水面浮生植物，常见于富营养化的淡水或低盐水体。浮萍科植物包括4个属（Lemna，Spirodela，Wolffia和Wolfiella）37个种［1］。相对于其他植物，浮萍不需要大量的纤维来支持叶和茎，因此其纤维含量只占整个植株的5%左右。浮萍能吸收水体中的营养物质并转化为植物蛋白。在适宜的生长环境中，浮萍体内的蛋白积累量可高达干重的40%，这些植物蛋白类似于动物蛋白，亮氨酸和蛋氨酸的含量相对较高；同时，其体内还富含微量元素及色素，因此多用于动物饲料的原料［2］。

基于其高效的氮磷富集作用，浮萍被广泛应用于污水治理，大量研究表明其脱氮效果显著［3_4］。当浮萍初始覆盖率为60%时，可去除猪场废水中83.7%的总氮［5］，对的去除率也可以达到53.6%［6］，而定期收获浮萍可使氮素去除率明显提高［7］。将浮萍应用到污染河道修复中，总氮去除率达到81.5%［8］。此外，浮萍对市政废水、工业废水以及生活污水中总氮的去除率均可达到60%以上［9_11］。为方便推广应用，研究者开发了浮萍池（duckweed-based pond）系统，该污水治理模式已经在中国、孟加拉国、比利时及美国等多地全面推广［5，7_8，12］。研究证明，该系统具有高效的污水脱氮作用，并基本明确了其作用机制和作用途径以及相关的影响因子。

1 浮萍污水脱氮的作用机制

1.1 植株直接吸收氮素

浮萍可通过直接吸收水体中的氮素或间接影响水体的理化性质与微环境对污水进行脱氮。有研究认为直接吸收是浮萍脱氮的主要途径，吸收量可占总氮去除量的10%～30%［13］。在适宜的条件下，浮萍可吸收水中60%～80%的氮素，吸收氮素的速度可达到4.9 kg·hm_2·d_1［14］。其对生活污水中氮的吸收量更高，为6.2 kg·hm_2·d_1［9］。有研究通过测定浮萍体内含氮量发现，被去除的总氮中有18%是经浮萍吸收后收获而带走的［15］。沈根祥等［16］的研究结果表明，猪场厌氧污水中17.3%的被浮萍吸收或吸附，而则完全通过浮萍吸收或吸附被去除。

1.2 调控水体内硝化/反硝化反应

这项研究主要是指浮萍通过各因素影响水中细菌的硝化/反硝化反应效率。浮萍生长可改变水体微环境，发达的通气系统使得根际环境富含氧气，形成有氧微环境，而根区周围则多为厌氧环境。研究表明，这种条件对硝化和反硝化作用具有促进作用［17_21］。浮萍发达的叶和根可吸附水体中的有机物，有机物会随植物死亡而降解，在降解过程中一些次生代谢产物或者化感物质得到释放，水体环境由此改变，这些变化被证明可促进微生物的硝化及反硝化反应或其他化学脱氮作用［22］。此外，最新研究还发现浮萍的根系分泌物对水体中营脱氮功能的细菌具有显著的影响，其中中性物质成分（功能成分为脂肪酸甲酯和脂肪酸酰胺）表现出促进作用，而酸性成分则表现出一定的抑制作用，但根系粗提液对脱氮作用总的呈现促进效果［23］。

1.3 调控水体氨挥发

除了本身吸收氮素之外，浮萍还可通过覆盖作用降低水中的温度、pH值和蒸发量［17］，从而降低7%～37%的水体氨挥发量［18］。但是，也有研究发现浮萍覆盖后，水体的氨挥发量增加［19］；或认为浮萍对氨挥发的作用受不同施肥条件和不同浮萍品种的影响［20］。目前针对浮萍对氨挥发的影响还存在很多争议，仍待进一步深入研究。

总的来说，浮萍在污水脱氮的过程中主要涉及以上3种机制，对于3种机制在各个处理过程中的主次问题尚存在很大的争议，各研究结果存在很大差异，归纳原因可能与计算方法或试验条件有关。许多研究在计算氮素去除率时通常采用各途径去除量占总氮去除量的比例来表示，而忽视了原污水池中的总氮量，因此这种对各途径重要性进行定量评价的方法仍存在一定的缺陷。

2 浮萍生长及其污水脱氮作用的影响因子

2.1 水体NH3·H2O总量

2.2 水流

水流条件是影响浮萍脱氮效果的重要因素之一。Ran等［26］研究发现，最佳水流条件：水力停留时间（4.26±0.61）d，流速（0.234± 0.027）m3·d_1，水压负荷（0.22±0.03）m· d_1。Alahmady等［27］和Giblin等［28］进一步证实了水流条件对浮萍池治污效果具有显著的影响。

2.3 光强

Zhao等［24］研究发现光强可显著影响浮萍的生长势，高光照（5 000 lx）下浮萍的生长率是低光照（2 000 lx）下的2倍；当光照强度大于10 000 lx时，这种增强效果消失。

2.4 温度

浮萍能在6～33℃内生长，最适温度范围为18～30℃，其中在25～30℃时，生长最为旺盛［19］。浮萍对温度有很高的适应性，但温度过高或过低都会影响到浮萍的生长。Kad lec等［29］研究发现，冬季浮萍对污水中总氮的吸收率是夏季的2倍多。当温度达到30～34℃时，浮萍会慢慢变黄，且伴随着生产力的下降［30］；在5～7℃的水中，浮萍也能正常生长，但水温继续下降时，浮萍会形成一种鳞茎的形式，沉入水底，进入休眠状态，待来年水温回升后重新恢复生机［31］。有研究表明（20± 4）℃环境中浮萍对氮的吸收量比（10±3）℃环境下的要高20%［13］。

2.5 酸碱度

浮萍能承受的pH值范围为3～10，最佳范围为5～7［32］。也有研究认为，浮萍对pH值的耐受范围为5～9，当pH值为6.5～7.5时，浮萍的生长情况最佳［25］。Caicedo等［33］研究表明在适宜范围内（5～7.4），浮萍的生长势随pH值升高而减弱。最新研究表明，虽然浮萍生长受环境pH值的影响，但浮萍在生长过程中也可影响环境的pH值，在一个收获期内，浮萍收获时水体的pH值比原来降低了9%～13%［34］。

2.6 有机质

水体中有机质浓度在适宜浓度范围内对浮萍生长及其对氮素的吸收能力具有促进作用，但一旦过量则产生抑制效果。Zimmo等［13］研究发现在有机质浓度为（167±15）mg·L_1的水体中，浮萍对氮素的吸收较在2～3倍该浓度的水体中高出11%。

以上各因素之间的交互作用也可影响浮萍的脱氮作用，如高温/低有机质、低温/高有机质、高温/高有机质3种条件下，浮萍对氮素的吸收率分别为30%，10%和19%［26］。此外，污水中NH4+浓度可减弱浮萍对碱性环境（7.4～9）的耐受性［33］。

3 局限性

虽然浮萍具有易生长、广分布、富集氮等特点，但在推广应用的过程中，仍然出现了很多问题。如意大利在利用浮萍进行污水处理时受到了地域及气候条件的影响，在11月，浮萍即停止生长，无法进行脱氮作用［35］。

由于浮萍生长繁殖快、对氮素的吸收储存与自身的死亡降解过程同时进行，导致大量氮素会再次进入水体造成二次污染，因此，需对浮萍体内氮素含量及吸收与释放氮素的动态过程进行模拟，明确最佳脱氮时间与收割时间，提高浮萍的脱氮效果［36］。另外，包括浮萍在内的水生植物可以通过释放有机酸类等化感物质来影响其他植物或生物对水体无机氮等养分的吸收，这在富营养化水体的藻类控制方面已有一定的研究［23］。而浮萍生长与死亡过程中分泌的物质是否会对水体微生态环境产生显著影响从而影响其脱氮效果还有待进一步研究。

由于其他因素的影响，如高有机质、高温条件会显著地降低浮萍的脱氮效果。因此，在利用浮萍进行污水治理的过程中，还需要考虑足够的水域来稀释这些次生物质。同时，浮萍的过量生长或死亡都需要进行人工捞除，并需要对捞出的浮萍及时处理。如果以上问题得不到解决，浮萍本身将成为一个环境问题。

4 应用展望

浮萍在污水处理中的作用得到了科学界及实践者的广泛认可，为了进一步完善该产业，众多研究者开始着眼于如何处理捞起的大量吸收氮素的浮萍。研究表明为了防止浮萍池中的藻华现象，浮萍池铺置的起始面积至少应为污水池总面积的60%，而且在最初的8周内需要每周捞取2次［5］。对于这些大量捞取的浮萍，除可做饲料外，也有研究者将其用于生物甲醇的制备，成为能源产业中的有力支持之一［37_40］。

总的来说，浮萍因其广泛的适应性和较好的污水净化能力，目前世界上很多国家成功地利用浮萍来处理氮磷污染的污水，不仅经济、简便，而且处理效果较好。浮萍池可推广应用于养殖废水、生活污水与农田排水中氮素污染的治理，如污水处理池（塘）、人工湿地等。

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（责任编辑：黄 芳）

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0528-9017（2015）02-0163-04

10.16178/j.issn.0528-9017.20150202

2014-11-25

李志兰（1978_），女，天津人，副研究员，博士，从事科技管理工作。E-mail：zhilan li@zjinfo.gov.cn。

文献著录格式：李志兰，连彦峰.浮萍污水脱氮处理的研究进展及应用展望［J］.浙江农业科学，2015，56（2）：163_166.