不同水生植物對(duì)養(yǎng)豬廢水凈化效果研究

陳昱 時(shí)紅 才碩 姜成名 萬(wàn)紹媛 程婕

摘要 ［目的］篩選適用于養(yǎng)豬廢水的人工濕地優(yōu)勢(shì)物種。［方法］選取鳶尾、美人蕉、水芹、梭魚草4種水生植物，通過(guò)垂直流人工濕地裝置，監(jiān)測(cè)不同水力停留時(shí)間對(duì)污水中化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）和氨氮（NH4+-N）濃度的影響，分析4種水生植物對(duì)污水的凈化效果。［結(jié)果］隨著水力停留時(shí)間的延遲，人工濕地中廢水中COD、TN、TP和NH4+-N的濃度逐漸下降，凈化效果越好。當(dāng)水力停留時(shí)間為5 d時(shí)，鳶尾對(duì)COD和NH4+-N的去除率最高，分別為61.80%和68.35%；梭魚草對(duì)TN和TP的去除率最高，分別為30.92%和81.53%。［結(jié)論］人工濕地對(duì)養(yǎng)豬廢水凈化效果以種植鳶尾和梭魚草較佳。

關(guān)鍵詞 人工濕地；水生植物；養(yǎng)豬廢水；凈化效果

中圖分類號(hào) X703? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2024）03-0061-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.015

Research on Purification Effect of Different Aquatic Plants on Swine Wastewater

Abstract ［Objective］To screen the dominant species in constructed wetlands suitable for application to swine wastewater.［Method］ Four aquatic plants including iris，canna，cress and pickerelweed were selected to monitor the effects of different hydraulic retention times on the concentration of chemical oxygen demand （COD），total nitrogen （TN），total phosphorus （TP） and ammonia nitrogen （NH4+-N） in wastewater through a vertical flow constructed wetland device.The purification effect of the four aquatic plants on wastewater was analyzed.［Result］ With the delay of hydraulic retention time，the concentrations of COD，TN，TP，and NH4+-N in wastewater in constructed wetlands gradually decreased，and the purification effect improved.When the hydraulic retention time was 5 days，the removal rates of COD and NH4+-N by iris were the highest，which were 61.80% and 68.35%，respectively;the removal rates of TN and TP by pickerelweed were the highest，which were 30.92% and 81.53%，respectively.［Conclusion］The purification effect of constructed wetlands on pig wastewater was better by planting iris and pickerelweed.

Key words Constructed wetland;Aquatic plant;Swine wastewater;Purification effect

農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖大都是分散式的小型養(yǎng)殖場(chǎng)，由于對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)薄弱以及養(yǎng)殖廢棄物處理成本較高，部分養(yǎng)殖戶將廢水隨意排放、就地處理，導(dǎo)致農(nóng)村水域污染范圍廣、面積大、來(lái)源多、結(jié)構(gòu)雜，進(jìn)一步加劇農(nóng)村環(huán)境嚴(yán)重惡化。根據(jù)2020年《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示，畜禽養(yǎng)殖水污染物化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）和氨氮（NH4+-N）的排放量分別占農(nóng)業(yè)源污染物總量的93.8%、42.1%、56.5%和51.3%，已成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源［1］。諸多學(xué)者對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理有大量的研究，如生物膜法、微生物固定技術(shù)和人工濕地等生物技術(shù)越來(lái)越備受關(guān)注，其中人工濕地造價(jià)便宜、運(yùn)行成本低、方便維護(hù)且具有景觀效果［2］，非常適合廣闊的農(nóng)村分散式養(yǎng)殖場(chǎng)。研究表明，人工濕地通過(guò)基質(zhì)-微生物-植物構(gòu)建成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)［3］，經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用，以過(guò)濾、吸附、絮凝沉淀、植物吸收和微生物分解等方式對(duì)污水進(jìn)行高效凈化［4］。人工濕地凈化養(yǎng)殖廢水為篩選高效水生植物，要綜合考慮植物的生長(zhǎng)特質(zhì)、耐受性、輸氧能力以及氣候與地域的適應(yīng)性等因素，同時(shí)還要考慮處理污水類型的適配性。有研究表明，通過(guò)多階表面流人工濕地處理養(yǎng)豬場(chǎng)廢水發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)32 d的運(yùn)行后，高濃度的養(yǎng)殖廢水逐級(jí)凈化，COD、TN、TP和NH4+-N的去除率分別達(dá)到89.8%、97.9%、96.4%和98.2%［5］。Liu等［6］對(duì)比分析種植美人蕉、菖蒲和空心菜的人工濕地對(duì)養(yǎng)豬廢水的凈化效果發(fā)現(xiàn)，美人蕉對(duì)COD和NH4+-N的去除率最高，分別為88.07%和75.02%，具有較好的處理效果。

選擇合適的水生植被植入人工濕地，能更好地發(fā)揮基質(zhì)、植物、微生物三者之間協(xié)同作用，更加高效地去除水體中的污染物。該研究選取挺水植物鳶尾、美人蕉、水芹、梭魚草為研究對(duì)象，模擬構(gòu)建不同的垂直流人工濕地系統(tǒng)，對(duì)比不同水力停留時(shí)間凈化養(yǎng)豬污水中COD、TN、TP、NH4+-N濃度的變化，分析4種水生植物對(duì)污水中氮的凈化能力，旨在為人工濕地污水凈化技術(shù)在分散式農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展上提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021年6—7月在江西省灌溉試驗(yàn)中心站試驗(yàn)基地（28°26′N，116°00′E）進(jìn)行，位于江西省南昌市南昌縣向塘鎮(zhèn)高田村。垂直流人工濕地裝置為PVC方形塑料盒（長(zhǎng)60 cm、寬40 cm、高30 cm），在PVC方盒底部設(shè)有出水口，通過(guò)閥門控制，以2種材料作為濕地基質(zhì)填料，上層為陶粒，粒徑為0.6～1.2 cm，下層為鵝卵石，粒徑為1～3 cm，每層10 cm。人工濕地裝置示意見圖1。選取生長(zhǎng)健壯、大小基本一致的植株，先用一定比例由稀到濃的豬場(chǎng)廢水進(jìn)行適應(yīng)性馴化培養(yǎng)14 d左右，使植物慢慢適應(yīng)，待植物生長(zhǎng)狀況穩(wěn)定后再進(jìn)行人工濕地系統(tǒng)試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的養(yǎng)殖廢水經(jīng)過(guò)活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑處理，養(yǎng)殖污水污染物初始濃度指標(biāo)分別為COD濃度249.75 mg/L、TN濃度342.81 mg/L、TP濃度21.97 mg/L、NH4+-N濃度117.46 mg/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取鳶尾、美人蕉、水芹、梭魚草4種水生植物種植于人工濕地，分別記為T1、T2、T3和T4，以不種植任何植物為空白對(duì)照處理（CK），共5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。試驗(yàn)時(shí)注入等量的養(yǎng)殖污水于各方盒中，設(shè)置不同的水力停留時(shí)間，分別為1、3、5 d，并按時(shí)從人工濕地下端止水閥處放水取樣，及時(shí)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品預(yù)處理，用于污水中各指標(biāo)含量的測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

污水主要檢測(cè)指標(biāo)為COD、TN、TP、NH4+-N。COD采用重鉻酸鹽法（HJ 828—2017）測(cè)定，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）測(cè)定，TP采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）測(cè)定，NH4+-N采用納氏試劑比色法（HJ 535—2009）測(cè)定。去除率的計(jì)算方法：去除率=［（初始濃度-最終濃度）/初始濃度］×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析 數(shù)據(jù)分析及圖表制作使用SPSS 20.0和Microsoft Excel 2016軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水COD的凈化效果

人工濕地主要是通過(guò)基質(zhì)的過(guò)濾和沉淀、植物根系的吸附作用以及微生物的同化作用共同去除有機(jī)污染物。從圖2可以看出，各處理對(duì)養(yǎng)殖廢水COD的凈化效果明顯。當(dāng)水力停留時(shí)間為1 d時(shí)，各處理養(yǎng)殖廢水COD濃度均有所下降，其中以鳶尾（T1）濃度下降最為明顯，較CK顯著降低13.81%，而其余植物與CK無(wú)顯著差異。當(dāng)水力停留時(shí)間為3 d時(shí)，養(yǎng)殖廢水COD濃度迅速下降，與CK相比，鳶尾（T1）、美人蕉（T2）、梭魚草（T4）分別顯著降低了23.97%、20.15%和19.21%，水芹雖也低于CK，但二者之間無(wú)顯著差異。當(dāng)水力停留時(shí)間為5 d時(shí)，4種水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水COD濃度均顯著低于CK，凈化效果強(qiáng)弱順序依次為鳶尾（T1）＞美人蕉（T2）＞水芹（T3）＞梭魚草（T4）＞CK。隨著人工濕地處理養(yǎng)殖污水的時(shí)間越長(zhǎng)，廢水COD濃度越低，凈化效果越好。

2.2 不同水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水TN的凈化效果

人工濕地的除氮途徑主要包括濕地基質(zhì)對(duì)氮的沉淀吸附作用、植物吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用、氨的揮發(fā)作用。從不同水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水TN的凈化效果（圖3）可以看出，隨著污水停留時(shí)間的增加，各處理對(duì)養(yǎng)殖污水TN的去除整體呈上升規(guī)律。當(dāng)水力停留時(shí)間為1 d時(shí)，種植不同水生植物的人工濕地中的TN濃度有所下降，其中美人蕉（T2）和梭魚草（T4）TN濃度顯著降低。當(dāng)水力停留時(shí)間為3 d時(shí)，種植不同水生植物的人工濕地中的TN濃度均顯著降低，鳶尾（T1）、美人蕉（T2）、水芹（T3）、梭魚草（T4）分別較CK顯著降低了15.46%、14.42%、13.24%和10.49%。當(dāng)水力停留時(shí)間為5 d時(shí)，各處理養(yǎng)殖污水中的TN濃度進(jìn)一步下降，不同水生植物TN的濃度均顯著低于CK，TN凈化效果強(qiáng)弱順序依次為梭魚草（T4）＞鳶尾（T1）＞美人蕉（T2）＞水芹（T3）＞CK。

2.3 不同水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水TP的凈化效果

人工濕地對(duì)磷的去除途徑主要有生物吸收、生物質(zhì)積累、植物根系的攔截與基質(zhì)吸附作用。從不同水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水TP的凈化效果（圖4）可以看出，水力停留時(shí)間為1 d時(shí)，4種水生植物均能降低養(yǎng)殖廢水中TP的濃度，其中水芹（T3）、梭魚草（T4）對(duì)養(yǎng)殖廢水中TP的響應(yīng)最為迅速，TP濃度顯著降低，較CK分別顯著降低了63.53%和59.41%。當(dāng)水力停留時(shí)間為3 d時(shí)，水芹、梭魚草對(duì)養(yǎng)殖廢水中TP的凈化速率變緩，而CK、鳶尾（T1）、美人蕉（T2）對(duì)養(yǎng)殖廢水中TP濃度下降明顯，較1 d時(shí)分別降低了36.57%、40.29%和38.25%。當(dāng)水力停留時(shí)間為5 d時(shí)，與CK相比，4種水生植物人工濕地養(yǎng)殖廢水中TP濃度均能顯著降低，分別降低了46.15%、45.53%、59.50%和64.10%。由此可知，人工濕地均對(duì)養(yǎng)殖廢水中TP有凈化效果，且水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，凈化效果越好，種植水生植物能進(jìn)一步提高人工濕地凈化污水的能力。

2.4 不同水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水NH4+-N的凈化效果

從圖5可以看出，當(dāng)水力停留時(shí)間為1 d時(shí)，4種水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水中NH4+-N的響應(yīng)均很積極，NH4+-N濃度顯著低于CK，鳶尾（T1）、美人蕉（T2）、水芹（T3）和梭魚草（T4）對(duì)NH4+-N的去除率分別為11.99%、10.11%、29.33%和19.87%。當(dāng)水力停留時(shí)間為3 d時(shí)，各人工濕地對(duì)養(yǎng)殖廢水中NH4+-N濃度進(jìn)一步降低，種植4種水生植物人工濕地中NH4+-N濃度較CK顯著下降，其中梭魚草（T4）對(duì)NH4+-N的去除趨于穩(wěn)定，去除率達(dá)64.01%。當(dāng)水力停留時(shí)間為5 d時(shí)，種植鳶尾、美人蕉、水芹、梭魚草人工濕地中的NH+4-N濃度較CK顯著降低，分別降低了40.65%、29.15%、28.09%和32.53%；此時(shí)4種水生植物人工濕地中NH4+-N的濃度以鳶尾最低，但相互之間無(wú)顯著差異。

2.5 不同水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水COD、TN、TP和NH4+-N的去除率

由表1可知，當(dāng)水力停留時(shí)間為5 d時(shí)，各人工濕地均能凈化養(yǎng)殖廢水中COD、TN、TP和NH4+-N。其中COD、TP和NH4+-N的去除率均在46.00%以上，對(duì)TN也有去除效果，但去除率稍微較低，僅為23.53%～30.92%。4種水生植物人工濕地對(duì)污水的凈化效果均顯著高于CK，不同水生植物的去除率之間也各不相同。其中鳶尾（T1）對(duì)COD和NH4+-N去除率最高，分別較CK顯著提高30.63%和46.45%；梭魚草（T4）對(duì)TN去除率最高，顯著高于CK、美人蕉（T2）和水芹（T3），但與鳶尾相比無(wú)顯著差異；梭魚草（T4）對(duì)TP去除率也最高，較CK、鳶尾（T1）和美人蕉（T2）分別顯著提高68.03%、12.83%和13.31%。總體來(lái)看，以鳶尾和梭魚草的綜合治理效果較佳。

3 討論

人工濕地中基質(zhì)是非常重要的組成部分，可以通過(guò)吸附、沉淀和過(guò)濾等途徑清除污水中的污染物質(zhì)，還能作為植物和微生物生長(zhǎng)的依附介質(zhì)［7］。在該試驗(yàn)中，以上層為陶粒、下層為鵝卵石的人工濕地也發(fā)揮著較強(qiáng)的凈化功能。未種植植物的人工濕地對(duì)廢水中COD、TP和NH4+-N的去除率均在46.00%以上，對(duì)TN的去除率也有23.53%。諸多研究也表明，陶粒和鵝卵石作為單一人工濕地基質(zhì)也有較好的凈水作用［8-11］。在人工濕地配置合適的水生植物，是提高人工濕地污染物去除效率的一種有效措施。陽(yáng)光等［12］研究低溫環(huán)境下人工濕地植物組配對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理效果表明，與不種植植物（CK）相比，單一植物的濕地系統(tǒng)和植物混種人工濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N、NO3--N、TN、TP、COD去除效率均有明顯提升。在該試驗(yàn)中，當(dāng)水力停留時(shí)間為3 d時(shí)，較未種植植物的人工濕地（CK）相比，種植鳶尾、美人蕉、水芹、梭魚草的人工濕地對(duì)COD、TN、TP和NH4+-N的濃度均明顯降低。

在研究濕地植物對(duì)農(nóng)村生活污水中氮磷的凈化作用中發(fā)現(xiàn)，梭魚草、美人蕉和鳶尾3種挺水植物均有較強(qiáng)的污水凈化功效，在處理污水8 d時(shí)，鳶尾對(duì)TN、TP和NH4+-N的去除效果最佳［13］，而在該試驗(yàn)中，鳶尾對(duì)COD和NH4+-N去除率最高，分別為61.80%和68.35%，梭魚草對(duì)TN和TP的去除率最高，但鳶尾和梭魚草在對(duì)污水中TN和NH4+-N的去除率之間無(wú)顯著差別。李飛翔等［14］以水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中氮、磷為研究對(duì)象，探究人工濕地去除水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中氮磷的影響，水力停留時(shí)間為0～3 d時(shí)，氮、磷去除效果隨著水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在該試驗(yàn)中也得到類似研究結(jié)果。垂直流人工濕地對(duì)污水的凈化作用，一方面是基質(zhì)通過(guò)吸附、過(guò)濾等理化作用清除污染物，另一方面是通過(guò)生態(tài)植物的吸收利用以及微生物的生化途徑來(lái)凈化水質(zhì)。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)以鳶尾、美人蕉、水芹、梭魚草為研究對(duì)象，通過(guò)模擬小型垂直流人工濕地開展凈化養(yǎng)豬污水的研究，結(jié)果表明，垂直流人工濕地對(duì)廢水中COD、TP和NH4+-N的去除率在46.00%以上，對(duì)TN的去除率相對(duì)較低，僅為23.53%～30.92%。隨著水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，垂直流人工濕地對(duì)廢水COD、TN、TP和NH4+-N的凈化效果越好。4種水生植物凈化效果較好的是鳶尾和梭魚草，更適合種植于人工濕地用來(lái)凈化養(yǎng)豬廢水。

參考文獻(xiàn)

［1］?第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)［J］.環(huán)境保護(hù)，2020，48（18）：8-10.

［2］ 成水平，王月圓，吳娟.人工濕地研究現(xiàn)狀與展望［J］.湖泊科學(xué)，2019，31（6）：1489-1498.

［3］ VYMAZAL J，KRPFELOV L.Removal of organics in constructed wetlands with horizontal sub-surface flow：A review of the field experience［J］.Science of the total environment，2009，407（13）：3911-3922.

［4］ 趙偉，范增增，楊新萍.水平潛流人工濕地對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中特征污染物的去除［J］.環(huán)境科學(xué)，2021，42（12）：5865-5875.

［5］ LI X，LI Y Y，LI Y，et al.Diversity and distribution of bacteria in a multistage surface flow constructed wetland to treat swine wastewater in sediments［J］.Applied microbiology and biotechnology，2018，102（24）：10755-10765.

［6］? LIU F，SUN L，WAN J B，et al.Performance of different macrophytes in the decontamination of and electricity generation from swine wastewater via an integrated constructed wetland-microbial fuel cell process［J］.Journal of environmental sciences，2020，89：252-263.

［7］ 劉波，陳玉成，王莉瑋，等.4種人工濕地填料對(duì)磷的吸附特性分析［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4（1）：44-48.

［8］ 肖燁，黃志剛，令玉林，等.人工濕地不同基質(zhì)對(duì)城市生活污水凈化效果研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，50（17）：52-55，61.

［9］ 李強(qiáng)，張敬申，梁瑞恒，等.人工濕地新型陶?；|(zhì)的制備及除磷性能研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2021，44（12）：13-22.

［10］ 李夢(mèng)華，宋書巧.不同基質(zhì)的人工濕地對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化效果研究［J］.南寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，37（3）：134-140.

［11］ 鄭育毅，林志龍，李妍，等.自來(lái)水廠污泥基陶粒作為濕地填料處理生活污水［J］.中國(guó)給水排水，2016，32（13）：112-115.

［12］ 陽(yáng)光，李紅芳，謝陳，等.低溫環(huán)境下人工濕地植物組配對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理效果研究［J］.地球與環(huán)境，2022，50（2）：252-260.

［13］ 張靖雨，汪邦穩(wěn)，龍昶宇，等.濕地植物對(duì)農(nóng)村生活污水中氮磷的凈化作用［J］.水土保持通報(bào)，2021，41（5）：15-22，114.

［14］ 李飛翔，岳琛，張超月，等.人工濕地去除水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中氮磷的影響因素識(shí)別［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2022，38（7）：925-932.