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浮萍也是净化器?水生植物浮萍能“吃”重金属

归档日期:04-23       文本归类:浮萍      文章编辑:爱尚语录

  中科院成都生物所赵海率领的研究团队通过研究、试验证实:浮萍与目前公认废水处理能力最强的水葫芦具有相同的氮磷吸收能力和更高的资源回收利用潜力。其在废水中停留6天,可使典型的农村生活污水实现达到一级A类的排放标准,而处理废水后的浮萍还含有粗蛋白33.34%或积累淀粉达40.19%,在开发生物质能源等领域应用空间巨大。

  氮磷污水的大量排放是造成中国水污染的主要原因之一。目前主要技术是采用微生物将有机氮转化为氮气,将磷转化为污泥来除去氮磷,需要通过暴气等消耗大量的电能技术来实现,运行费用高,而且难以实现资源的再利用。同时,氮磷又是农作物生长所必需的营养元素,但是因为废水量大,氮磷的浓度相对于陆生为主的农作物需要较低而且废水资源与农业生产在时间和空间分布上不匹配,因此难以通过作物实现废水氮磷的有效利用。

  水生植物浮萍是世界上最小的开花植物,其生长快,生物量大可达50吨/公顷.年,而且生物质质量高(木质素含量低,淀粉含量高),已经成为能源植物研究的热点。中国科学院成都生物研究所赵海团队与相关单位合作,从全球收集的浮萍资源中筛选出高效的浮萍株系,针对废水中氮磷开发出的浮萍培养技术,可将废水中的氮磷高效富集并转化成高品质的生物质原料,为将生物能源原料生产与废水处理结合提供了新的模式。

  在云南昆明中试规模条件下通过2年长时间系统研究浮萍与水葫芦对污水氮、磷吸收能力和资源化利用潜力,首次报道了浮萍(绿萍)具有与水葫芦相当的氮、磷吸收能力和更高的资源化利用优势(高生物量,低木质素含量)。其结果表明浮萍具有与目前公认的废水处理能力最强的水葫芦相当的氮磷吸收能力,全年平均浮萍水葫芦氮分别为0.39和0.40 g/m2/d,磷分别为0.09和0.10 g/m2/d);而浮萍的粗蛋白为33.34%、氨基酸25.80%、淀粉40.19%、磷1.24%。其品质远优于水葫芦。这项工作系统证明了浮萍在污水氮磷处理和资源化回收利用中的巨大应用潜力,为浮萍系统在污水处理与资源化利用提供了理论支撑。该研究成果已在国际刊物Bioresource Technology上发表研究论文。

  采用生物信息学技术研究了浮萍和水葫芦根际微生物群落,发现水葫芦高的氮去除要来自其根际微生物的贡献。通过向浮萍废水处理系统中添加弹性填料,显著提高了浮萍系统的氮去除能力(总氮去除率提高19.97%,氨氮去除率提高15.02%),其总氮去除效率为56.23%。进一步研究表明填料生物膜上高丰度的硝化菌(相对丰度约3%)和反硝化菌(相对丰度约24%)是其氮去除能力提高的根本原因。这项工作不仅深入揭示了微生物在浮萍和水葫芦处理系统中的差异,而且通过人工模拟证明了硝化反硝化微生物的作用,更为重要的是通过微生物强化,已经显著提升浮萍系统的污水处理能力并提示这一系统的处理能力还有极大的提升空间。以上研究成果已发表在国际刊物Bioresource Technology上(Microbial community and removal of nitrogen via the addition of a carrier in a pilot-scale duckweed-based wastewater treatment system. Bioresource Technology),并申请了一项国家发明专利——一种浮萍栽培方法。

  对浮萍废水中试处理系统的水深、浮萍覆盖率、收割周期、水力停留时间等运行条件进行了系统优化,获得了较优的运行条件及较高的浮萍产量和处理效果:停留时间6天可使典型的生活污水(氨氮浓度15mg/L左右、TN浓度15-20mg/L和TP浓度2-3mg/L)达标排放,该研究成果为浮萍在污水处理及氮磷回收利用方面的规模化应用提供了重要的参考信息和依据,具有重要的现实指导意义。

  以上研究结果已发表2篇研究论文,分别在国际刊物Plant Biology上(Pilot-scale comparison of four duckweed strains from different genera for potential application in nutrient recovery from 9 wastewater and valuable biomass production)和Water Science and Technology(Effects of operation parameters on nutrient removal from wastewater and high-protein biomass production in a duckweed-based (Lemma japonica) pilot-scale system),并申请了一项国家发明专利——同时提高浮萍淀粉和粗蛋白产量及污水氮磷去除率的方法。

  此外,研究人员还开展了利用浮萍治理重金属尤其是稻田镉污染的系统研究。通过对收集自全球各地的500余份浮萍资源的系统筛选与评价,综合生物量增长、植株镉积累与水体镉去除等多个因素,筛选出对重金属镉具有最优富集效果的浮萍品系,实现了在中浓度和高浓度镉污染条件下(1mg/L和10mg/L Cd2+)生长7天,浮萍植株积累镉含量达到300-6150 mg/kg,达到中国规定大米中镉含量标准的1500-30000倍;在低浓度条件下(0.1mg/L和0.2mg/L Cd2+)生长10天,浮萍对水体中镉的吸收率达到64.95-83.23%,同时干基增长率还超过对照。由于浮萍可以与水稻同生态系统生长,因此利用浮萍吸收镉对治理中国稻田镉污染和解决国家粮食安全问题具有十分重要的研究价值。目前,大田试验正在开展中,已经在野外条件下实现了浮萍大量富集土壤中的镉,浮萍植株中的镉含量已达到15mg/kg。同时,通过组学研究发现浮萍具有数量巨大的与重金属代谢相关的基因,转录组中发现的浮萍特有重金属积累相关基因涉及了重金属的吸收、转运、区隔化、钝化等全过程,从遗传表达上也有力证明了浮萍具有超强的重金属吸附能力。在稻田镉污染成为威胁中国环境和粮食安全最严峻挑战的今天,该研究不仅展示了浮萍具有超富集重金属尤其是镉的能力,同时展现了其在稻田镉污染治理领域的巨大应用潜力。

  近日,由中国科学院大连化学物理研究所提供催化剂和工艺技术建成的3万吨/年催化湿式氧化处理糖精生产废水装置,在天津北方食品有限公司开车成功。这是该所继深圳市危险废物处理站有限公司(处理规模:0.8万吨/年,2007年1月开车)和万华化学集团股份有限公司(处理规模:1.6万吨/年,2013年1月开车)催化湿式氧化处理高浓度难降解有机工业废水装置后取得的又一进展。

  本套装置针对1-3万mg/L COD(化学需氧量)的高浓度难降解糖精生产废水,COD去除率高达90-95%,COD减排量相当于300万吨/年的生活污水处理厂,具有占地面积小、COD去除率高、出水可生化性高及处理过程可实现自热,节能效果明显的优点。其中催化剂及工艺技术由大连化物所开发,工艺设计由大连大化工程设计有限公司承担,是目前国内最大的采用自主研发催化剂处理高浓度难降解有机工业废水的装置。

  天津北方食品有限公司是专业生产食品添加剂的厂家,系国家发改委批准的五家国家定点糖精生产企业之一。糖精生产过程中原料种类多、工艺复杂,因而其排出的废水成分复杂,COD高、色度深,属于高浓度难降解有机工业废水,糖精生产废水的处理一直制约着企业的生产规模。2013年12月,天津北方食品有限公司委托大连化物所对其糖精生产废水进行了小试试验并进行工业化放大。

  美国杜克大学的科研人员在宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州日前发现,石油和天然气行业排放到小溪或河流的废水中,含有两种高浓度的潜在污染物——氨和碘化物,它们在常规油气井和页岩气压裂气井废水中的污染水平不相上下。研究论文刊发在最近一期的《环境科学与技术》杂志上。

  杜克大学环境学院地球化学特征及水质学教授阿维纳•梵高说:“这一新发现让人们对环境和健康产生担忧。我们的数据清楚显示出现在的应对政策不足以消除这些污染。”

  当铵溶解在水中时,可以转化成对生命具有高度威胁的氨。科学家在石油和天然气废水排放点检测出的氨水平高达每升100克,是环保署淡水生物水质污染物标准上限的50倍。

  当位于石油天然气工业下游的城市污水处理厂对废水进行处理时,会加入氯进行消毒,碘化物和氯混合后可能在饮用水中产生高碘毒副产品,而消灭这种毒副产品的工作又不在州或联邦机构的职责范围内。

  此前公众关注的水污染都集中水力压裂页岩气勘探的影响上,但最新的研究表明,常规的油气勘探废水包含的氨和碘化物水平也同样居高不下。

  据物理学家组织网报道,以往的研究表明,用于开发页岩气的水力压裂液中含有高浓度的盐、钡和放射性元素,且在水力压裂过程中还会添加人造的化学品。在新的研究中,科研人员收集和分析了44例来自纽约州和宾州常规油气井的废水样本,以及31例来自宾州和阿肯色州页岩气井废水样本后,得出了上述结论。

  梵高说:“《洁净水法案》没有将常规和非常规的石油天然气工业废水排放纳入监管范围,允许其直接排放到环境中的做法显然在损害环境的同时,也给这些地区人们的健康带来巨大威胁。”

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