3種常見水生植物對養(yǎng)殖廢水中化學(xué)需氧量的去除效果

劉作云 彭憶蘭 付美云

摘要：【目的】研究水生植物對養(yǎng)殖廢水中化學(xué)需氧量（CODcr）的去除能力，為人工濕地系統(tǒng)處理養(yǎng)殖廢水提供理論依據(jù)?！痉椒ā繉⑻J葦、水葫蘆、蕹菜3種單一水生植物及蘆葦—水葫蘆組合、蘆葦—蕹菜組合分別置于人工模擬的不同濃度養(yǎng)殖廢水中培養(yǎng)，以不種植水生植物的不同濃度養(yǎng)殖廢水為對照，對比分析蘆葦、水葫蘆、蕹菜對養(yǎng)殖廢水中CODcr的去除與凈化效果?！窘Y(jié)果】供試水生植物對養(yǎng)殖廢水中CODcr的去除和凈化能力排序為：蘆葦—水葫蘆組合>蘆葦—蕹菜組合>水葫蘆>蕹菜>蘆葦。培養(yǎng)15 d后，3種水生植物對養(yǎng)殖廢水中CODcr的凈化效率為43.8%～87.3%，而對照組為28.9%～66.4%。【結(jié)論】蘆葦、水葫蘆及蕹菜3種水生植物對低濃度養(yǎng)殖廢水中CODcr的去除效果較明顯，對高濃度養(yǎng)殖廢水中CODcr的處理效果一般，在構(gòu)建人工濕地植物系統(tǒng)時結(jié)合實際情況組建合適的植物組合，可提高凈化CODcr效率。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)需氧量（CODcr）；水生植物；養(yǎng)殖廢水；去除效果

中圖分類號： X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）06-0911-05

0 引言

【研究意義】養(yǎng)殖廢水因其氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODcr）及懸浮物濃度高，容易給自然環(huán)境帶來長期的、不可逆的影響，是目前廣大農(nóng)村地區(qū)面源污染的重要原因之一。雖然已有不少學(xué)者致力于養(yǎng)殖廢水的處理研究（王亮，2013；許國晶等，2014；姚凱儒和羅建新，2015），并提出了一些可供選擇的工藝方法，如微生物燃料電池法（李小虎等，2012）、微藻法（程海翔，2013）等，這些方法中的工藝處理雖可短時間凈化養(yǎng)殖廢水中大部分的NH3-N、TP、CODcr及懸浮物，但受建設(shè)資金、污染負(fù)荷、運行成本等因素的限制，無法在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。既要實現(xiàn)養(yǎng)殖廢水的達(dá)標(biāo)排放，又要滿足低投入、低成本的要求，人工濕地處理系統(tǒng)是最佳選擇之一，其主要優(yōu)點是建設(shè)和運行成本低、凈化效果好，同時部分水生植物還可以回收利用，應(yīng)用前景廣闊（孫偉，2014）。因此，研究植物對不同濃度養(yǎng)殖廢水中有機(jī)物的去除效果，可為構(gòu)建人工濕地養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)提供理論依據(jù)，對有效控制養(yǎng)殖業(yè)廢污排放具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】養(yǎng)殖廢水的處理大致分為三類，即自然處理法、生物處理法和綜合處理法，人工濕地屬于自然處理法。近年來，關(guān)于人工濕地處理廢水中有機(jī)物的研究已有不少報道。楊曉玲和郭金耀（2012）研究水蕹菜對富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水的凈化作用，結(jié)果表明，漂浮栽培40 d后，水蕹菜可使養(yǎng)殖水中的CODcr、TN和TP分別降低63.43%、67.63%和62.24%。程燕等（2014）利用水葫蘆凈化豬場氧化池污水，可實現(xiàn)TN、TP和CODcr去除率最高分別達(dá)90.28%、44.81%和51.57%，水葫蘆對廢水pH也有一定的改善作用。蒙寬宏等（2014）研究蘆葦及香蒲對水中TN和TP的凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種植物均可有效去除水體中的TN和TP，去除率均在70%以上，其中蘆葦?shù)目傮w效果最好。劉永士等（2014）利用人工濕地對高鹽度養(yǎng)殖廢水進(jìn)行凈化，其對CODcr去除效率為12.5%。侯婷婷等（2014）通過構(gòu)建生物預(yù)處理與人工濕地結(jié)合的方法，能使廢水中小分子有機(jī)物去除率達(dá)80%以上?！颈狙芯壳腥朦c】目前，關(guān)于人工濕地處理養(yǎng)殖廢水的研究大多將人工濕地定位為處理工藝的一小部分，旨在增強(qiáng)處理效果，而將濕地植物作為處理系統(tǒng)的核心直接投放至養(yǎng)殖廢水中進(jìn)行的研究卻鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】分析蘆葦、蕹菜和水葫蘆3種水生植物及其組合對人工配置的5組養(yǎng)殖廢水中CODcr的處理效果，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 水生植物采集與馴化

在湖南省衡陽市石鼓區(qū)梽木村魚塘、李坳村排水溝、靈官廟村農(nóng)戶豬場排水溝及湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院養(yǎng)殖場排水池中分別采集蘆葦、水葫蘆和蕹菜3種水生植物樣品，以及5.0 L水樣，將3種水生植物依次用低、中、高濃度豬場廢水進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)與馴化，待其生長狀況穩(wěn)定后，再進(jìn)行不同濃度的豬場廢水水培試驗。培養(yǎng)條件：pH 7.0左右（用氫氧化鉀溶液調(diào)節(jié)），溫度23～28 ℃，光照3000～5000 lx。通過15 d的馴化觀察，3種供試植物在不同濃度豬場廢水中均能正常生長繁殖。

1. 2 養(yǎng)殖廢水樣品采集分析與人為模擬

水樣采集于湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院養(yǎng)殖場排水池（清糞方式為水沖糞），分析其NH3-N、TP及CODcr濃度。養(yǎng)殖廢水的污染物濃度范圍見表1。

結(jié)合養(yǎng)殖廢水成分分析結(jié)果進(jìn)行試驗用水配置，配制方案為：從湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院養(yǎng)殖場采集養(yǎng)殖廢水原液，經(jīng)沉淀處理后，用鄰苯二甲酸氫鉀和蒸餾水根據(jù)表2設(shè)計CODcr濃度配制5組試驗廢水，在此基礎(chǔ)上，用氯化銨調(diào)節(jié)NH3-N濃度，用磷酸二氫鉀調(diào)節(jié)TP濃度?？紤]到環(huán)境條件等因素，適當(dāng)調(diào)整試驗廢水中CODcr的濃度范圍。

1. 3 試驗設(shè)計

將蘆葦、水葫蘆、蕹菜、蘆葦—水葫蘆組合、蘆葦—蕹菜組合分別置于人工模擬的養(yǎng)殖廢水中培養(yǎng)0（2 h）、2、5、10、15 d后，測定水樣中CODcr濃度，計算各水生植物對試驗廢水中CODcr的凈化效率。5組試驗廢水均設(shè)置對照組，對照組不種植水生植物，其他試驗條件與對應(yīng)的試驗組相同，觀察各對照組CODcr的自我凈化規(guī)律。

凈化效率（%）=（培養(yǎng)15 d后試驗廢水中CODcr濃度-試驗廢水設(shè)計的CODcr濃度）/試驗廢水設(shè)計的CODcr濃度×100

1. 4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2003對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 蘆葦對養(yǎng)殖廢水中CODcr的處理效果

由圖1可知，培養(yǎng)15 d后，蘆葦對5組養(yǎng)殖廢水中的CODcr均有一定的凈化效果，1～5組模擬養(yǎng)殖廢水的CODcr含量分別降至1125、714、503、408和132 mg/L，凈化效率分別為43.8%、52.4%、49.7%、49.0%和73.6%；其中，僅第5組的CODcr達(dá)到GB 18596-2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》最高允許日均排放濃度不超過400 mg/L的要求。蘆葦對CODcr的凈化效率在試驗前期（2～5 d）較慢，之后逐步加快，原因可能是蘆葦在培養(yǎng)前期對養(yǎng)殖廢水需要一個適應(yīng)的過程。各對照組中CODcr含量均有下降趨勢，但下降速率明顯慢于試驗組，培養(yǎng)15 d后，各對照組的CODcr含量分別降至1422、826、542、429和168 mg/L，凈化效率分別為28.9%、44.9%、45.8%、46.4%和66.4%，凈化效果明顯不及試驗組。

2. 2 蕹菜對養(yǎng)殖廢水中CODcr的處理效果

由圖2可知，培養(yǎng)15 d后，蕹菜對5組養(yǎng)殖廢水中的CODcr均有一定的凈化效果，1～5組模擬養(yǎng)殖廢水的CODcr濃度分別降至846、557、416、214和114 mg/L，凈化效率分別為57.7%、62.9%、58.4%、73.3%和77.2%；其中，第4和第5組的CODcr達(dá)到GB 18596-2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》最高允許日均排放濃度不超過400 mg/L的要求。蕹菜去除養(yǎng)殖廢水中CODcr的效果較對照組和蘆葦明顯，原因可能是蕹菜根系及其生長趨勢較蘆葦發(fā)達(dá)，能更快地適應(yīng)養(yǎng)殖廢水環(huán)境。

2. 3 水葫蘆對養(yǎng)殖廢水中CODcr的處理效果

由圖3可知，培養(yǎng)15 d后，水葫蘆對5組養(yǎng)殖廢水中的CODcr均有一定的凈化效果，1～5組模擬養(yǎng)殖廢水的CODcr濃度分別降至635、428、255、124和88 mg/L，凈化效率分別為68.3%、71.5%、74.5%、84.5%和82.4%；其中，3～5組的CODcr達(dá)到GB 18596-2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》最高允許日均排放濃度不超過400 mg/L的要求。凈化效率方面，水葫蘆優(yōu)于對照組、蘆葦及蕹菜，說明水葫蘆對養(yǎng)殖廢水CODcr的凈化作用較蘆葦和蕹菜明顯，可能是因為水葫蘆根系及其生長趨勢較蘆葦和蕹菜發(fā)達(dá)。

2. 4 蘆葦—蕹菜組合對養(yǎng)殖廢水中CODcr的處理效果

從圖4可以看出，培養(yǎng)15 d后，蘆葦—蕹菜組合對5組養(yǎng)殖廢水中的CODcr也有一定的凈化效果，1～5組模擬養(yǎng)殖廢水的CODcr濃度分別降至785、506、375、184和88 mg/L，凈化效率分別為60.8%、66.3%、62.5%、77.0%和82.4%。對照GB 18596-2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，5組廢水中CODcr有3組達(dá)到最高允許日均排放濃度不超過400 mg/L的要求。凈化效率方面，蘆葦—蕹菜組合優(yōu)于單一植物。分析原因，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，又能浮于水面，解決了污水垂直方向的凈化問題。

2. 5 蘆葦—水葫蘆組合對養(yǎng)殖廢水中CODcr的處理效果

從圖5可以看出，培養(yǎng)15 d后，蘆葦—水葫蘆組合對5組養(yǎng)殖廢水中的CODcr也有一定的凈化效果，1～5組模擬養(yǎng)殖廢水的CODcr濃度分別降至564、376、212、102和76 mg/L，凈化效率分別為71.8%、74.9%、78.8%、87.3%和84.8%。對照GB 18596-2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，5組廢水中的CODcr，除第1組不達(dá)標(biāo)外，其余4組均能滿足最高允許日均排放濃度未超過400 mg/L的要求。凈化效率方面，蘆葦—水葫蘆組合比單一植物和蘆葦—蕹菜組合理想。這可能是植物組合彌補(bǔ)了蘆葦對養(yǎng)殖廢水適應(yīng)性的不足，同時水葫蘆浮于水面上，解決了污水垂直方向的凈化問題；此外，水葫蘆的生長較蕹菜快，故其凈化效果優(yōu)于蘆葦—蕹菜組合。

3 討論

本研究將蘆葦、蕹菜和水葫蘆3種水生植物置于人工模擬的養(yǎng)殖廢水中培養(yǎng)，對比分析其去除養(yǎng)殖廢水中CODcr的效果，結(jié)果表明，蘆葦、蕹菜和水葫蘆在養(yǎng)殖廢水中均能正常生長，并能加速養(yǎng)殖廢水中CODcr的凈化，3種單一植物及其組合對CODcr的凈化效率為43.8%～87.3%，而對照組為28.9%～66.4%；從處理能力方面分析，呈現(xiàn)蘆葦—水葫蘆組合>蘆葦—蕹菜組合>水葫蘆>蕹菜>蘆葦?shù)内厔荩凰参飳Ω邼舛瑞B(yǎng)殖廢水的處理能力有限。

與程燕等（2014）的研究結(jié)果相比，本研究設(shè)計的單一植物凈化CODcr效果與其基本一致，但通過構(gòu)建植物組合系統(tǒng)，凈化CODcr效果最大提高了近30%，表明合理構(gòu)建植物組合，有利于增強(qiáng)植物吸收的效果；與王建家等（2015）在微堿性條件下按質(zhì)量濃度100 mg/L投加高鐵酸鉀，CODcr去除率可達(dá)70%以上的研究結(jié)果相比，本研究在沒有任何預(yù)處理措施或添加劑的前提下，蘆葦—水葫蘆組合凈化CODcr效果明顯，其對CODcr的凈化效率最高達(dá)87.3%，單一蘆葦或蕹菜凈化CODcr效果在低濃度養(yǎng)殖廢水中最高也可達(dá)70.0%以上，表明在條件適宜的情況下，植物吸收可解決養(yǎng)殖廢水中CODcr超標(biāo)問題。因此，建議分散性中小型養(yǎng)殖場可結(jié)合實際情況建設(shè)人工濕地廢水處理系統(tǒng)，利用植物吸收凈化后排放，在降低處理成本的情況下，減輕自然水體富營養(yǎng)化的危害。

本研究結(jié)果雖然可為人工濕地系統(tǒng)處理養(yǎng)殖廢水提供一定的理論依據(jù)，但仍處于試驗研究階段，下一步將進(jìn)行處理效率與植物數(shù)量之間關(guān)系和篩選適于養(yǎng)殖廢水的人工濕地填料、合適的養(yǎng)殖廢水人工濕地處理系統(tǒng)水流形式及水力學(xué)參數(shù)（污染負(fù)荷、水力停留時間）等方面的研究，以進(jìn)一步提高凈化效率。

4 結(jié)論

蘆葦、水葫蘆及蕹菜3種水生植物對低濃度養(yǎng)殖廢水中CODcr的去除效果較明顯，對高濃度養(yǎng)殖廢水的處理效果一般，在構(gòu)建人工濕地植物系統(tǒng)時結(jié)合實際情況組建合適的植物組合，可提高凈化CODcr的效率。

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（責(zé)任編輯 羅 麗）