一种用于处理橄榄油生产过程中产生的富含多酚废水的新型混合香根草系统

《Scientific African》：A new hybrid Vetiver system for the treatment of polyphenol-rich wastewater from olive oil production

香根草结合生物过滤与活性污泥法处理高浓度多酚废水，11天去除率COD91%、多酚87.5%、氮94.1%、磷80.72%，验证其耐污性与可持续污水处理方案。

　　在当前全球环境问题日益严峻的背景下，废水处理技术的创新与优化成为解决污染问题的重要方向之一。特别是针对含有高浓度有机物和多环芳烃等复杂污染物的废水，传统处理方式往往面临效率低下、成本高昂和生态风险等问题。本研究聚焦于一种具有潜力的植物修复技术—— Vetiveria zizanioides（香附子草）的使用，通过构建一种结合生物处理与植物修复的混合系统，对富含多酚类物质的橄榄油厂废水进行高效净化。这一技术不仅展现出卓越的污染物去除能力，还能够在高污染负荷下维持植物的健康生长，为环境治理提供了新的思路。

### 1. 研究背景与问题的重要性

随着工业化和城市化的快速发展，废水排放量不断增加，给生态环境带来了巨大压力。尤其是来自农业和工业的废水，常常含有大量的有机物和无机污染物，其中多酚类物质是橄榄油生产过程中产生的主要污染物之一。这类物质不仅具有较高的生物毒性，还难以通过常规的生物降解或物理化学方法进行有效去除。此外，橄榄油厂废水通常呈强酸性，且含有较高的化学需氧量（COD）、悬浮物（SS）和营养物质，如氮和磷，这些都会对水体生态系统造成严重影响，甚至导致富营养化和水体污染。

在一些地中海国家，由于橄榄油产量占全球总量的很大一部分，因此橄榄油厂废水的排放问题尤为突出。例如，在摩洛哥的Oued Sebou流域，橄榄油厂废水的直接排放曾导致严重的水质恶化。这些废水不仅破坏了水体的自然平衡，还对当地居民的生活环境和生态系统健康构成了威胁。因此，寻找一种高效、经济且环境友好的废水处理技术，成为解决这一问题的关键。

### 2. Vetiveria zizanioides的特性与应用潜力

Vetiveria zizanioides（香附子草）作为一种原生于热带和亚热带地区的多年生草本植物，因其强大的根系结构和对极端环境条件的耐受性而受到广泛关注。其根系可深入土壤达5米以上，能够有效固定土壤、防止水土流失，并在废水处理中发挥重要作用。此外，该植物在高盐度、高重金属浓度以及极端pH值的环境中仍能维持较好的生长状态，这使其成为一种理想的植物修复植物。

近年来，Vetiveria zizanioides被广泛应用于环境治理领域，特别是在废水处理方面。其植物修复能力主要体现在对污染物的吸附、吸收和降解作用上。植物根系能够提供丰富的表面积，促进微生物的附着和生长，从而增强废水处理的效率。同时，Vetiveria zizanioides还能通过光合作用释放氧气，改善水体中的溶解氧水平，提高生物处理的可行性。

然而，尽管已有大量研究探讨了该植物在一般废水处理中的应用，但针对高浓度多酚类物质的废水处理仍缺乏系统性研究。尤其是在实际污水处理厂的环境中，如何有效结合植物修复与传统生物处理技术，以应对高污染负荷的废水，仍是一个亟待解决的问题。

### 3. 实验设计与系统构建

为了应对这一挑战，本研究在摩洛哥Fez市的污水处理厂中构建了一个创新的混合处理系统，该系统结合了滴滤池、种植滤池和活性污泥法，并引入了Vetiveria zizanioides的根系结构和主动供氧技术。这一系统的构建旨在提高对多酚类污染物的去除效率，同时确保处理过程的稳定性和可持续性。

实验过程中，研究人员使用了含有40–100 mg/L多酚的废水，并在11天内对多个关键参数进行了连续监测，包括多酚浓度、pH值、溶解氧、氮、磷和COD。这些参数的选择基于其对水体污染程度和处理效果的代表性，能够全面反映废水处理系统的运行状况。

值得注意的是，本研究不仅测试了高浓度污染物的处理效果，还采用了实际污水处理厂的环境条件，使得实验结果更具现实意义。同时，研究人员通过每日监测和记录，为理解污染物去除的动态过程提供了详尽的数据支持。这种系统化的实验设计有助于揭示不同处理阶段对污染物去除的影响，以及植物与微生物之间的协同作用。

### 4. 污染物去除效果分析

实验结果显示，Vetiveria zizanioides在处理富含多酚的废水方面表现出极高的效率。具体而言，在11天的实验周期内，COD去除率达到了91%，多酚去除率高达87.5%，氮去除率达到94.1%，磷去除率为80.72%。这些数据表明，该混合系统在处理高浓度多酚废水时具有显著的优势。

此外，研究人员还发现，随着处理时间的延长，水体中的pH值和溶解氧水平呈现出上升趋势，这说明处理过程不仅有效去除了污染物，还改善了水体的化学环境。pH值的提高可能是由于微生物代谢活动和植物根系释放氧气的共同作用，而溶解氧的增加则有助于促进好氧微生物的生长，进一步提高污染物的降解效率。

在悬浮物（SS）的去除方面，实验中观察到SS浓度从初始的176 mg/L下降至11天后的22.5 mg/L，显示出该系统对悬浮颗粒物的有效拦截和去除能力。这一效果主要归因于Vetiveria zizanioides根系的物理过滤作用，以及植物根系与微生物之间的协同效应。

对于氮和磷的去除，实验表明，随着处理时间的延长，去除率逐渐提高，尤其是在5天的水力停留时间下，去除效率达到峰值。这说明，适当的水力停留时间和充足的氧气供应是提高氮磷去除效果的关键因素。同时，研究还发现，多酚与COD之间存在高度正相关（r=0.97），这表明多酚的去除对整体有机负荷的降低具有重要影响。

### 5. 植物与微生物的协同作用

Vetiveria zizanioides在废水处理中的成功应用，与其与微生物之间的协同作用密不可分。植物根系为微生物提供了附着和生长的场所，同时通过释放氧气和有机物质，促进了好氧微生物的活性。这些微生物能够分解废水中的有机物，包括多酚类化合物，从而降低COD和BOD的含量。

此外，Vetiveria zizanioides还能够通过根系吸收和积累氮和磷等营养物质，这不仅有助于减少水体富营养化风险，还为植物的生长提供了必要的养分。在实验过程中，研究人员观察到植物在高浓度多酚环境中仍能维持健康生长，这表明其对污染物的耐受性较强。然而，当多酚浓度超过80 mg/L时，植物的生长状态会受到一定影响，表现为叶片颜色变黄、根系变褐等现象，这可能是由于多酚对植物代谢过程的干扰。

尽管如此，Vetiveria zizanioides仍然能够有效去除多酚，其去除率在11天内达到了62%。这一结果表明，即使在高浓度多酚环境下，该植物仍具有较强的修复能力。同时，研究还发现，多酚的去除与COD和总氮的去除存在显著的正相关关系，这进一步验证了植物与微生物协同作用的重要性。

### 6. 系统的可持续性与经济性

除了高效的污染物去除能力，本研究还强调了该混合系统的可持续性和经济性。Vetiveria zizanioides的种植和维护成本相对较低，且其生长周期长、生物量大，能够长期稳定地提供净化功能。此外，该系统通过主动供氧技术，降低了传统生物处理过程中对能源的依赖，从而减少了运行成本和碳排放。

与传统的活性污泥法、生物滤池和氧化沟等处理方式相比，该混合系统具有更高的处理效率和更低的运行成本。例如，在相同的处理时间内，COD、氮和磷的去除率均高于传统方法，同时减少了对化学药剂的使用，降低了二次污染的风险。此外，该系统的设计相对简单，便于在不同类型的污水处理厂中推广和应用。

### 7. 实际应用与未来展望

本研究的创新之处在于，它首次在实际污水处理厂中测试了高浓度多酚废水的处理效果，并结合了多种生物处理技术，形成了一个高效、稳定的混合系统。这种系统不仅适用于橄榄油厂废水，还能够处理其他类型的高有机负荷废水，如城市污水和工业废水。

未来，研究人员将继续优化该系统的运行参数，包括植物的种植密度、水力停留时间、供氧方式等，以进一步提高处理效率。同时，他们还计划探索该系统在不同气候和地理条件下的适应性，以及其在大规模应用中的经济性和可行性。随着对Vetiveria zizanioides研究的深入，该技术有望成为解决高污染废水处理问题的重要手段，为环境保护和可持续发展提供有力支持。

综上所述，Vetiveria zizanioides在处理富含多酚的废水方面展现出巨大的潜力。通过构建一个结合植物修复与生物处理的混合系统，研究人员不仅提高了污染物的去除效率，还为实际应用提供了科学依据和技术支持。这一研究为解决高污染废水处理难题提供了新的思路，也为环境保护和可持续发展贡献了重要力量。