植物對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除效果研究

劉作云，　彭憶蘭，　付美云

(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.園林學(xué)院；b.護(hù)理學(xué)院，湖南 衡陽 421005)

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植物對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除效果研究

劉作云a，彭憶蘭b，付美云a

(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.園林學(xué)院；b.護(hù)理學(xué)院，湖南 衡陽 421005)

摘要：為了了解三種常見植物對養(yǎng)殖廢水中總磷(TP)的去除能力，通過模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了蘆葦、鳳眼蓮、蕹菜對養(yǎng)殖廢水中TP的去除效果.結(jié)果表明：三種供試植物對養(yǎng)殖廢水中TP的去除效果大小為：蘆葦-鳳眼蓮植物組合>蘆葦-蕹菜植物組合>鳳眼蓮>蕹菜>蘆葦.在處理15 d后，供試的三種植物對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除率在58%～91.25%之間，而對照組為37%～62.5%，供試植物對養(yǎng)殖廢水中總磷有較強(qiáng)的去除效果.圖5,表3,參9.

關(guān)鍵詞：總磷；植物；養(yǎng)殖廢水；去除效果

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2014年底，全國生豬存欄量達(dá)46 583萬頭，依據(jù)全國畜禽養(yǎng)殖平均產(chǎn)污系數(shù)計(jì)算[1-2]，2014年全國養(yǎng)豬業(yè)污染物總產(chǎn)量約為：CODCr2 142.82萬t，NH3—N 83.85萬t，TP 26.09萬t，TN 172.36萬t.由于養(yǎng)豬廢水中有機(jī)物濃度普遍較高，同時還含有部分未被消化的殘留飼料，其N、P兩種元素的濃度很高.養(yǎng)殖廢水不僅富含大量有機(jī)物和N、P微量元素，同時還混有較多的生物素等，這些成分雖然在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)上常用作土壤改良劑、肥料等，在污染物濃度較低時，還是魚類生長的餌料.但是，如果污染物濃度超過了自然環(huán)境的凈化還原能力和循環(huán)利用能力時，就會給環(huán)境帶來持續(xù)的，甚至不可逆的破壞.工程的技術(shù)雖然能集中有效的控制養(yǎng)殖業(yè)廢物問題，但限于投資等方面的壓力，推廣存在一定難度[3-4].然而，人工濕地能有效的彌補(bǔ)工程技術(shù)方法的不足，實(shí)現(xiàn)廢物達(dá)標(biāo)排放，逐漸受到關(guān)注[5-9].

研究旨在通過模擬試驗(yàn)研究，探討三種常見植物對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除效果，從而為人工濕地系統(tǒng)處理養(yǎng)殖廢水提供理論依據(jù).

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

(1)供試植物的采集與馴化.供試植物：蘆葦(Phragmitesaustralis)、蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk)和鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes).

某村魚塘；某村排水溝；某村農(nóng)戶豬場排水溝；某學(xué)院養(yǎng)殖場排水池.

在上述小池塘中分別采集蘆葦、鳳眼蓮和蕹菜三種植物樣品，同時在上述溝、渠、魚塘中采集適量水樣(5.0 L/處).將從野外采集的蘆葦、鳳眼蓮和蕹菜依次用低、中、高濃度豬場廢水進(jìn)行培養(yǎng)，做適應(yīng)性培養(yǎng)馴化，待候選植物生長狀況穩(wěn)定后，再進(jìn)行不同濃度的豬場廢水水培試驗(yàn)，同時，對試驗(yàn)植物的耐污能力做全面考察和評價(jià)(主要考察植物的耐污能力).

培養(yǎng)條件：pH值7左右(用氫氧化鉀溶液調(diào)節(jié))，溫度23～28 ℃，光照為3 000～5 000 Lx.

通過15 d的馴化觀察，3種供試植物在各種濃度豬場廢水種均能正常生長繁殖.

(2)養(yǎng)殖廢水樣品的采集分析與人為模擬.從某學(xué)院養(yǎng)殖場排水池中采集一些水樣，分析其氨氮、總磷及有機(jī)物的含量.

通過分析，研究養(yǎng)殖廢水的污染濃度范圍見表1.

表1　養(yǎng)殖廢水污染物濃度表

注：清糞方式為水沖糞.

結(jié)合養(yǎng)殖廢水成分分析結(jié)果，人工配置試驗(yàn)用水.配制方案為：從某學(xué)院養(yǎng)殖場采集養(yǎng)殖廢水原液，先沉淀處理，再使其充分厭氧發(fā)酵，然后用蒸餾水按照表2設(shè)計(jì)化學(xué)需氧量(CODcr)濃度配制五組不同的實(shí)驗(yàn)廢水，在此基礎(chǔ)上，用氯化銨調(diào)節(jié)氨氮濃度，用磷酸二氫鉀調(diào)節(jié)總磷濃度.

試驗(yàn)廢水的濃度以氨氮(NH3—N)、總磷(TP)和化學(xué)需氧量(CODcr)為主要參考指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)擬從高到低設(shè)五組.

表2　模擬實(shí)驗(yàn)廢水濃度表

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取已經(jīng)馴養(yǎng)后的植物20株(植物組合時各10株)，移入長×寬×高為50 cm×50 cm×50 cm的磚混水池(其內(nèi)裝有供試用農(nóng)田退水)，使用泡沫作為載體固定.水池水量維持在其體積的80%，試驗(yàn)期間用蒸餾水來補(bǔ)充蒸發(fā)和取樣所耗的水分，以保持容器中的水位，實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次.

將候選植物(蘆葦、鳳眼蓮、蕹菜、“蘆葦-鳳眼蓮”植物組合、“蘆葦-蕹菜”植物組合)分別放置在水池中培養(yǎng).在培養(yǎng)0 d(2 h)、2、5、10、15 d后，采用注射器抽取水樣，分別測定水樣中總磷(TP，過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法)的濃度.以培養(yǎng)時間(d)為橫坐標(biāo)，水樣中總磷(TP)的濃度(mg/L)為縱坐標(biāo)作曲線圖.

試驗(yàn)過程中按照模擬養(yǎng)殖廢水濃度分別設(shè)置對照組，對照組試驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)組相同，區(qū)別在于不種植植物，觀察其在試驗(yàn)條件下總磷(TP)的自我凈化規(guī)律.

2結(jié)果與分析

2.1蘆葦對養(yǎng)殖廢水中總磷的處理效果

蘆葦對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除試驗(yàn)結(jié)果見圖1.結(jié)果表明：試驗(yàn)15 d后，蘆葦對五組養(yǎng)殖廢水中的總磷均有一定的凈化效果，一到五組模擬養(yǎng)殖廢水的總磷含量分別下降至42 mg/L、25 mg/L、14 mg/L、13 mg/L和8 mg/L，凈化效率分別為58%、68.75%、76.67%、67.5%和60%.與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596—2001)對照，效果仍然不夠理想，僅有第五組達(dá)到最高允許日均排放濃度不超過8 mg/L的要求.蘆葦對總磷的凈化效率在試驗(yàn)前期(前2～5 d)較快，而后逐步減緩.原因可能是蘆葦培植前期生長較為旺盛，逐步適應(yīng)趨于穩(wěn)定.

觀察期內(nèi)對照組中總磷含量雖然均有降低趨勢，但下降速率與實(shí)驗(yàn)組相比明顯較差，15 d后，各對照組的總磷含量分別下降至63 mg/L、46 mg/L、37 mg/L、15 mg/L和8 mg/L，凈化效率分別為37%、42.5%、38.33%、62.5%和60%，凈化效果明顯不及處理組.

圖1　蘆葦對養(yǎng)殖廢水中總磷去除效果結(jié)果Fig.1　Results of Applying Reeds to removing the total phosphorus in Aquaculture wastewater

2.2蕹菜對養(yǎng)殖廢水中總磷的處理效果

蕹菜對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除試驗(yàn)結(jié)果見圖2.結(jié)果表明：試驗(yàn)15 d后，蕹菜對五組養(yǎng)殖廢水中的總磷均有一定的凈化效果，一到五組模擬養(yǎng)殖廢水的總磷含量分別下降至33 mg/L、16 mg/L、9 mg/L、8 mg/L和6 mg/L，凈化效率分別為67%、84%、85%、80%和70%.與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596—2001)對照，效果較蘆葦明顯，五組廢水中，第四組、第五組能達(dá)到最高允許日均排放濃度不超過8 mg/L的要求.凈化速率方面，蕹菜比蘆葦要好.

蕹菜對養(yǎng)殖廢水總磷的凈化作用較蘆葦明顯的原因可能是蕹菜根系以及生長趨勢較蘆葦發(fā)達(dá)，有利于吸收養(yǎng)殖廢水中總磷.

圖2　蕹菜對養(yǎng)殖廢水中總磷去除效果結(jié)果Fig.2　Results of Applying Water Spinach to removing the total phosphorus in Aquaculture wastewater

2.3鳳眼蓮對養(yǎng)殖廢水中總磷的處理效果

鳳眼蓮對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除試驗(yàn)結(jié)果見圖3.結(jié)果表明：試驗(yàn)15 d后，鳳眼蓮對五組養(yǎng)殖廢水中的總磷均有一定的凈化效果，一到五組模擬養(yǎng)殖廢水的總磷含量分別下降至21 mg/L、11 mg/L、7 mg/L、6 mg/L和5 mg/L，凈化效率分別為79%、86.25%、88.33%、85%和75%.與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596—2001)對照，五組廢水中，后三組總磷達(dá)到最高允許日均排放濃度不超過8 mg/L的要求.凈化速率方面，鳳眼蓮比蘆葦、蕹菜要好.

鳳眼蓮對養(yǎng)殖廢水總磷凈化作用較蘆葦、蕹菜明顯的原因可能是鳳眼蓮對養(yǎng)殖廢水的適應(yīng)性、根系以及生長繁殖能力均較蘆葦、蕹菜強(qiáng)，同時發(fā)達(dá)的根系為微生物提供了生長、繁殖的場所，有利于增強(qiáng)其凈化效率.

圖3　鳳眼蓮對養(yǎng)殖廢水中總磷去除效果結(jié)果Fig.3　Results of Applying Water Hyacinth to removing the total phosphorus in Aquaculture wastewater

2.4“蘆葦-蕹菜”植物組合對養(yǎng)殖廢水中總磷的處理效果

“蘆葦-蕹菜”植物組合對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除試驗(yàn)結(jié)果見圖4.結(jié)果表明：試驗(yàn)15 d后，“蘆葦-蕹菜”植物組合對五組養(yǎng)殖廢水中的總磷均有一定的凈化效果，一到五組模擬養(yǎng)殖廢水的總磷含量分別下降至15 mg/L、9 mg/L、7 mg/L、5 mg/L和5 mg/L，凈化效率分別為85%、88.75%、88.33%、87.5%和75%.與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596—2001)對照，五組廢水中，總磷有三組達(dá)到最高允許日均排放濃度不超過8 mg/L的要求.凈化速率方面，也較單一植物要好.

導(dǎo)致“蘆葦-蕹菜”植物組合凈化效果較單一的蘆葦或蕹菜要好的原因可能是植物組合彌補(bǔ)了蘆葦對養(yǎng)殖廢水適應(yīng)性方面的不足，同時蕹菜具有較多的匍匐根，既能長在土壤中，又能浮于水上，解決了污水垂直方向的凈化問題.

圖 4　蘆葦-蕹菜組合對養(yǎng)殖廢水中總磷去除效果結(jié)果Fig.4　Results of Combining Reeds with Water Spinach to remove the total phosphorus in Aquaculture wastewater

2.5“蘆葦-鳳眼蓮”植物組合對養(yǎng)殖廢水中總磷的處理效果

“蘆葦-鳳眼蓮”植物組合對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除試驗(yàn)結(jié)果見圖5.結(jié)果表明：試驗(yàn)15 d后，“蘆葦-鳳眼蓮”植物組合對五組養(yǎng)殖廢水中的總磷均有一定的凈化效果，一到五組模擬養(yǎng)殖廢水的總磷含量分別下降至13 mg/L、7 mg/L、6 mg/L、5 mg/L和4 mg/L，凈化效率分別為87%、91.25%、90%、87.5%和80%.與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596—2001)對照，五組廢水中，除第一組不達(dá)標(biāo)外，其余均能滿足最高允許日均排放濃度不超過8 mg/L的要求.凈化速率方面，也比單一植物和“蘆葦-蕹菜”植物組合理想.

導(dǎo)致“蘆葦-鳳眼蓮”植物組合凈化效果較單一的蘆葦或鳳眼蓮要好的原因可能是植物組合彌補(bǔ)了蘆葦對養(yǎng)殖廢水適應(yīng)性方面的不足，同時鳳眼蓮浮于水面上，解決了污水垂直方向的凈化問題.同時鳳眼蓮的生長較蕹菜要快，故其凈化效果比“蘆葦-蕹菜”植物組合要好.

圖5　蘆葦-鳳眼蓮組合對養(yǎng)殖廢水中總磷去除效果結(jié)果Fig.5　Results of Combining Reeds with Water Hyacinth to remove the total phosphorus in Aquaculture wastewater

3結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

研究通過三種供試植物(蘆葦、蕹菜和鳳眼蓮)對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除效果的實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1)通過15 d的水培試驗(yàn)，三種植物及植物組合對養(yǎng)殖廢水中總磷的去除效率在58%～91.25%之間，而對照組為37%～62.5%，植物能加速總磷的凈化.

(2)從單一植物的處理能力分析，呈現(xiàn)鳳眼蓮>蕹菜>蘆葦?shù)内厔荩恢参锝M合方面，“蘆葦-鳳眼蓮”組合>“蘆葦-蕹菜”植物組合，且植物組合的去除效率明顯優(yōu)于單一植物.由于植物吸收污廢水中污染物質(zhì)主要是靠其生長作用，通過根系等吸收，而鳳眼蓮的生長繁育較其他兩種植物旺盛，根系也較發(fā)達(dá)，故其去除效果較為理想.植物組合的處理效果較單一植物理想的原因可能是植物組合彌補(bǔ)了植物根系在污廢水分層不夠均勻的不足，從而使根系吸收更加方便.

(3)構(gòu)建人工濕地養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)時，應(yīng)組建有一定層次的植物體系，有利于加快污染物質(zhì)的凈化.

(4)供試植物對高濃度養(yǎng)殖廢水的處理能力有限，單單靠植物的作用不能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo).

3.2討論

研究尚處于植物或植物組合對養(yǎng)殖廢水中總磷凈化效果的試驗(yàn)研究階段，人工濕地系統(tǒng)中植物僅僅是一部分，還應(yīng)考慮填料、微生物、水力學(xué)參數(shù)等因素.此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的條件均處于有利于物理、化學(xué)和生物反應(yīng)的狀態(tài)，而實(shí)際生活中，影響處理效果的環(huán)境條件較多.因此，日后還應(yīng)加強(qiáng)以下方面的研究.

(1)構(gòu)建人工濕地模型，加強(qiáng)填料、微生物等方面的研究，篩選適宜的人工濕地填料，研究合適的養(yǎng)殖廢水人工濕地處理系統(tǒng)水流形式.

(2)探討?zhàn)B殖廢水人工濕地處理系統(tǒng)水力學(xué)參數(shù)(污染負(fù)荷、水力停留時間等).

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Effect of Plants on the Removal of TP in Livestock Breeding Wastewater

LIU Zuo-yun,PENG Yi-lan,FU Mei-yun

(Hunan Polytechnic of Environment and Biology,Hengyang 421005)

Abstract：In order to get a clear understarding of the ability of three common plants,namely,Phragmites australis,Eichhornia crassipes and Ipomoea aquatica Forsk to remove TP from livestock wastewater,a stimulated experiment has been done to make a systematic study on their removal of livestock breeding wastewater.These three experimental plants had great removal ability to TP in livestock breeding wastewater.The ability was arranged as follow: combination of Phragmites australis and Eichhornia crassipes> combination of Phragmites australis and Ipomoea aquatica Forsk > Eichhornia crassipes > Ipomoea aquatica Forsk > Phragmites australis.After 15 days of this experiment process,the removal rate of TP ranged from 58% to 91.25%,while the removal rate in control blank was between 37% and 62.5%,which showed that these three experimental plants have great ability of removing TP in livestock breeding wastewater.5figs.,3tabs.,9refs.

Keywords：TP,plants;livestock breeding wastewater,removal effect

中圖分類號：X71

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-7300(2016)01-001-06

作者簡介：劉作云(1982-)，男，湖南長沙人，碩士，講師，研究方向：環(huán)境監(jiān)測教學(xué)與研究.

基金項(xiàng)目：衡陽市科學(xué)技術(shù)局科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號：2009ks24)；湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院院長青年基金項(xiàng)目(編號：Z2013-2)

收稿日期：2015-03-04

Biography：LIU Zuo-yun,male,born in 1982,lecturer,research direction in environmental monitoring.