稻草-狐尾藻治理養(yǎng)殖廢水效應(yīng)研究

唐紅琴， 董文斌， 李忠義， 蒙炎成， 韋彩會(huì)， 王 瑾， 俞月鳳， 胡鈞銘， 張 野， 李婷婷， 何鐵光

(廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西南寧 530007)

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，化學(xué)需氧量、氨氮、磷等主要污染物排放量日益增多。國(guó)內(nèi)外利用水生植物凈化生活污水的研究已取得了一些成果，并證實(shí)利用水生植物既能治理水體污染，又能避免二次污染[1]。狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)屬小二仙草科的多年生沉水植物，為C4光合作物，能較快高效地除去水體中的氮、磷等富營(yíng)養(yǎng)化元素，因其具有適應(yīng)能力強(qiáng)、生物量積累較快和耐污能力較強(qiáng)等特點(diǎn)而成為水生植被恢復(fù)工程中被優(yōu)先考慮的先鋒物種之一[2]。利用水生植物治理或修復(fù)污染水體，具有運(yùn)行成本低、凈化效果好、環(huán)境效益高等優(yōu)點(diǎn)，適用于分散式養(yǎng)殖的廢水處理[3]。陳金發(fā)等在室內(nèi)條件下模擬大薸對(duì)不同質(zhì)量濃度畜禽廢水的凈化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大薸對(duì)養(yǎng)殖廢水的CODcr、NH4+-N、TP的去除率分別高達(dá)82.33%、69.21%、45.88%[4]。此外，水葫蘆[5]、蘆葦[6]等對(duì)養(yǎng)殖廢水也具有良好的凈化作用。與其他水生植物相比，狐尾藻適應(yīng)性廣、耐污能力強(qiáng)，既能快速凈化水體，又能避免二次污染[2，7]，厲金炳等將狐尾藻用于禽畜養(yǎng)殖污水的生態(tài)處理具有顯著效果[8]。2014年陳鴻等在廣西河池環(huán)江縣麗源養(yǎng)豬場(chǎng)以稻草、綠狐尾藻為核心構(gòu)建人工濕地治理養(yǎng)殖廢水，發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后水體中NH4+-N、TN、TP濃度分別下降69%、60%、73%[9]。羅開武等也采用“稻草-綠狐尾藻”的治污技術(shù)，對(duì)豬場(chǎng)廢水中氨氮、總氮、COD實(shí)現(xiàn)較徹底的去除[10]。

在利用狐尾藻等一些水生植被處理畜禽養(yǎng)殖污染物方面，目前國(guó)內(nèi)仍處于起步和技術(shù)探索階段，整治工作基本處于水質(zhì)改善和景觀建設(shè)階段，缺乏傳統(tǒng)水利、生態(tài)系統(tǒng)棲息地和景觀的有機(jī)結(jié)合，而國(guó)外已經(jīng)形成了較為成熟的理念及相關(guān)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。本研究針對(duì)廣西南寧市養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展及養(yǎng)殖污染亟需減排治理的現(xiàn)實(shí)需求，以生豬規(guī)模化養(yǎng)殖為研究對(duì)象，在室內(nèi)環(huán)境下開展稻草-狐尾藻凈化養(yǎng)殖水體的模擬試驗(yàn)，以取自養(yǎng)殖場(chǎng)5級(jí)濾池的廢水作為原水，設(shè)置稻草覆蓋與無(wú)稻草覆蓋2組試驗(yàn)，研究試驗(yàn)期間狐尾藻對(duì)養(yǎng)殖廢水化學(xué)需氧量(COD)、固體懸浮物(SS)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)的去除效果，深入探討稻草-狐尾藻的凈化效果，為其在生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

以采自廣西柯新源原種豬有限責(zé)任公司的狐尾藻為去污材料，用清水洗凈其附著物，去除枯黃和衰敗的葉片，移栽至塑料杯中培養(yǎng)備用。分別采集該公司養(yǎng)豬場(chǎng)經(jīng)過(guò)1、2、3、4、5級(jí)簡(jiǎn)易濾池處理的廢水作為試驗(yàn)原水，以自來(lái)水作為對(duì)照，5級(jí)原水污染物指標(biāo)見表1。

表1 各級(jí)原水污染物指標(biāo)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年9月14日在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室大棚進(jìn)行，棚內(nèi)放置相同規(guī)格的聚氯乙烯(PVC)桶(桶深×直徑=50 cm×60 cm)，在桶壁作標(biāo)記，設(shè)桶蓄水比為80%，即桶高40 cm處為標(biāo)準(zhǔn)水位線，將5級(jí)不同濃度的豬場(chǎng)廢水分別倒入編號(hào)為1～5號(hào)的桶中，其中1號(hào)桶裝1級(jí)原水(濃度最高)，2號(hào)桶裝2級(jí)原水，以此類推，6號(hào)桶裝自來(lái)水作為對(duì)照桶，將水裝至水面與標(biāo)準(zhǔn)水位線平齊為止。分為覆蓋稻草和無(wú)稻草覆蓋2組試驗(yàn)，稻草覆蓋量為500 g/桶，每組中每級(jí)廢水各倒入3桶，做3次重復(fù)試驗(yàn)。取預(yù)培養(yǎng)的狐尾藻頂枝部位往下量約20 cm，扦插入桶中，每桶20株。分別于試驗(yàn)1、8、29、43、58、75 d采集各處理水樣，測(cè)定化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)及固體懸浮物(SS)的濃度。試驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)加水，補(bǔ)充因蒸發(fā)而消耗的水分，使水位始終保持不變。對(duì)照桶(不放入豬場(chǎng)廢水)與試驗(yàn)組作相同處理。試驗(yàn)時(shí)間在2016年9—12月。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采集各處理的水樣后，參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[11]測(cè)定各處理水質(zhì)指標(biāo)：采用重鉻酸鉀法測(cè)定COD，采用過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定TN濃度，采用納氏比色法測(cè)定NH3-N濃度，采用鉬銻抗比色法測(cè)定TP濃度，濾料過(guò)濾后烘干測(cè)定SS濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 廢水COD變化分析

由圖1可知，在無(wú)稻草覆蓋組中，1～5號(hào)桶廢水中的COD均逐漸降低，在前43 d COD下降較快，說(shuō)明狐尾藻在前43 d對(duì)COD處理較快，從第43天開始濃度變化趨于穩(wěn)定，COD降至50.00 mg/L以下，之后至試驗(yàn)結(jié)束COD基本無(wú)明顯變化，6號(hào)桶中的自來(lái)水COD基本無(wú)變化；在覆蓋稻草組中，1～5號(hào)桶廢水中的COD變化規(guī)律不明確，其中1號(hào)桶COD基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而2～5號(hào)桶中COD在第8天時(shí)有上升趨勢(shì)，之后呈下降趨勢(shì)，但是下降不明顯，而6號(hào)桶中的水也呈現(xiàn)同樣的趨勢(shì)，COD反而上升，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各級(jí)廢水中COD在186.00～241.00 mg/L。在狐尾藻處理廢水的過(guò)程中，無(wú)稻草組的廢水COD遠(yuǎn)小于覆蓋稻草組，無(wú)稻草覆蓋組處理廢水后COD較低，處理效果較好。

2.2 廢水SS濃度變化分析

由圖2可知，在無(wú)稻草覆蓋組中，1～5號(hào)桶廢水中的固體懸浮物濃度逐漸下降，在前43 d，SS的濃度下降得較快，之后至試驗(yàn)結(jié)束，SS的濃度基本保持穩(wěn)定，在2.20～7.80 mg/L，6號(hào)桶SS濃度基本保持不變；覆蓋稻草組中，1～5號(hào)桶廢水中SS的濃度整體呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，其中58 d后濃度上升較快，6號(hào)桶自來(lái)水中SS的濃度也呈現(xiàn)類似規(guī)律，最終濃度達(dá)到50 mg/L，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各級(jí)廢水中SS的濃度在50.00～118.00 mg/L。在狐尾藻處理廢水的過(guò)程中，無(wú)稻草覆蓋組的廢水SS濃度小于覆蓋稻草組，無(wú)稻草覆蓋組處理廢水中固體懸浮物較少，處理效果較好。

2.3 廢水NH3-N濃度變化分析

由圖3可知，無(wú)稻草覆蓋組中，1～5號(hào)桶廢水中的氨氮濃度逐漸下降，在前29 d，NH3-N的濃度下降較快，之后至試驗(yàn)結(jié)束，NH3-N的濃度基本保持穩(wěn)定，在0.37～1.61 mg/L，6號(hào)桶濃度基本保持不變；在覆蓋稻草組中，1～5號(hào)桶廢水中NH3-N濃度也呈現(xiàn)與無(wú)稻草覆蓋組中一樣的變化規(guī)律，6號(hào)桶自來(lái)水中NH3-N濃度也基本保持不變，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各級(jí)廢水中SS濃度在0.50～1.96 mg/L。在狐尾藻處理廢水過(guò)程中，覆蓋稻草組與無(wú)稻草覆蓋組處理廢水的NH3-N濃度變化規(guī)律基本一致，最終2組的廢水NH3-N濃度相近，處理效果相當(dāng)。

2.4 廢水TN濃度變化分析

由圖4可知，在無(wú)稻草覆蓋組中，1～5號(hào)桶廢水中的總氮濃度逐漸下降，在前29 d，TN濃度下降較快，之后至試驗(yàn)結(jié)束，TN濃度基本保持穩(wěn)定，在1.10～4.71 mg/L，6號(hào)桶濃度基本保持不變；在覆蓋稻草組中，1～5號(hào)桶廢水中TN的濃度也呈現(xiàn)與無(wú)稻草處理中一樣的變化規(guī)律，6號(hào)桶自來(lái)水中TN的濃度也基本保持不變，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各級(jí)廢水中TN濃度在1.50～5.78 mg/L。在狐尾藻處理廢水的過(guò)程中，覆蓋稻草組與無(wú)稻草覆蓋組中廢水的TN濃度變化規(guī)律基本一致，也與NH3-N濃度變化規(guī)律基本一致，最終2組廢水的TN濃度相近，處理效果相當(dāng)。

2.5 廢水TP濃度變化分析

由圖5可知，在無(wú)稻草覆蓋組處理中，1～5號(hào)桶廢水中的總磷濃度逐漸下降，在前43 d，TP濃度下降較快，之后至試驗(yàn)結(jié)束，TP濃度基本保持穩(wěn)定，在0.06～0.37 mg/L，6號(hào)桶濃度基本保持不變；在覆蓋稻草組中，1～5號(hào)桶廢水中TP濃度在第8天時(shí)稍有上升，上升10%以內(nèi)，幅度不大，然后逐漸下降，在43 d以后濃度基本保持穩(wěn)定，6號(hào)桶自來(lái)水中TP濃度也基本保持不變，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各級(jí)廢水中TP濃度在0.26～1.58 mg/L。在狐尾藻處理廢水過(guò)程中，覆蓋稻草組與無(wú)稻草覆蓋組中TP濃度變化規(guī)律稍有不同，但均在43 d后趨于穩(wěn)定，其中無(wú)覆蓋稻草組比稻草覆蓋組的最終TP濃度要低，可見無(wú)覆蓋稻草組效果比較好。

2.6 廢水處理的效果

根據(jù)以上模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出，狐尾藻治理廢水效果明顯，按照GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的COD、SS、NH3-N、TN、TP日均最高允許排放濃度標(biāo)準(zhǔn)(表2)[12]， 本試驗(yàn)處理后的水質(zhì)在這5個(gè)項(xiàng)目中均達(dá)到了一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)A標(biāo)準(zhǔn)；而稻草-狐尾藻處理的廢水除了COD和SS未達(dá)到最高允許排放濃度標(biāo)準(zhǔn)，其余NH3-N、TN、TP均已達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)A標(biāo)準(zhǔn)。

表2 基本控制項(xiàng)目最高允許排放濃度(日均值) mg/L

3 討論與結(jié)論

3.1 狐尾藻治理廢水的效率

從本模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)稻草覆蓋組的狐尾藻處理廢水中COD、SS、NH3-N、TN和TP效果最好，且效率最高，在29～43 d，廢水中各項(xiàng)指標(biāo)均已降至最低濃度，且水質(zhì)指標(biāo)均已達(dá)到GB/8918—2002 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)A標(biāo)準(zhǔn)；而在覆蓋稻草組的狐尾藻處理廢水中，除COD和SS濃度升高外，其余指標(biāo)也均在29～43 d時(shí)降至最低濃度，且都達(dá)到GB/8918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)A標(biāo)準(zhǔn)。相比較而言，無(wú)稻草覆蓋的狐尾藻處理廢水效率更高，效果更好。

3.2 狐尾藻治理廢水的效果

在羅開武等的研究中，NH3-N濃度、TP濃度、COD在沼液池、生物質(zhì)池(稻草降解池)通過(guò)4級(jí)綠狐尾藻濕地凈化后均降低90%以上[10]。本試驗(yàn)中覆蓋稻草組中COD與SS濃度有升高的趨勢(shì)，6號(hào)桶中自來(lái)水的COD和SS濃度也呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在試驗(yàn)中覆蓋稻草的處理桶內(nèi)水逐漸變?yōu)楹谏?，而無(wú)稻草覆蓋組的水是透明的，是否因?yàn)榈静菰趶U水中降解從而導(dǎo)致COD和SS濃度升高，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，本試驗(yàn)為室內(nèi)模擬試驗(yàn)，處理時(shí)間為75 d，而羅開武等的處理時(shí)間為半年[10]，因此，若本模擬試驗(yàn)延長(zhǎng)時(shí)間，COD和SS濃度在后期是否會(huì)下降也有待進(jìn)一步驗(yàn)證。