牧草輪作對奶牛場污水氮、磷的凈化效果研究

顏明娟，方志堅，翁伯琦，林誠，張輝，陳子聰

福建省農科院土壤肥料研究所，福建 福州 350013

我國奶牛養殖業近年來蓬勃發展，經營方式逐漸由分散飼養向集約化養殖轉變，在生產規模不斷擴大和集約化程度不斷提高過程中凸現了一系列的環境問題[1]。在我國，一個千頭奶牛場日排污水60～100 t，并且幾乎所有的奶牛養殖戶飼養奶牛所產生的排放物都處于直排或變相直排狀態，造成了嚴重的環境污染和養分的流失[2]。養殖污水的特性與處理是相對較新的研究領域，與工業污水和生活污水相比具有其獨特的特點，養殖污水屬于高有機物濃度、高氮、磷含量和高有害微生物數量的“三高”廢水，一方面造成環境污染，特別是水質污染，直接影響到經濟的發展、人體的健康乃至人類的生存；一方面浪費了大量的氮磷資源。張克強等[3]報道，1995年我國全年畜禽糞便的氮、磷量分別為1597×10和363×10 t，相當于我國同期施用化肥量的78.9%和57.4%。所以發展適合我國養殖污水處理的生態環境工程技術就顯得相當迫切。

利用水生植物治理和修復受污染水體具有效果好、投資少、運行成本低、易管理、景觀效果好等優點。國內外對修復植物的研究主要集中在蘆葦(Phragmites communis)、香蒲(Typha orientalisPres1)、燈心草(Juncuseffuses)、美人蕉(Cannaindica)、風車草(Cyperus alternifolius)、紙莎草(Cyperus papyrus)、水竹芋(Thafia dealbata)等植物[4-7]，也有研究運用牧草和草坪草凈化污水，主要包括多年生黑麥草(Lolium perenne)、匍匐翦股穎(Agrostis stolonifera)等[8]。但目前利用牧草輪作促進高質量濃度奶牛污水凈化的研究還不多見，利用牧草既吸收污水中氮磷等營養成分又為奶牛場提供優質青飼料，不失為生態與經濟效益并重之舉。本研究以土壤為基質，以牧草作為植被模擬人工濕地凈化系統，全年輪作在間歇流人工濕地中對奶牛場高質量濃度污水的適應性及對污水的凈化效果探索，以期為畜牧場高質量濃度污水的有效凈化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 植物的選擇

黑麥草生長期為10月至次年5月，具有適應性強、耐肥、生長量大、根系發達的特點；黑麥草冬、春季生長良好，柔嫩多汁，為多種家畜、家禽和草食性魚類所喜食，采食率在95%以上。除可做畜禽飼料外，其具有適應性強、耐肥、生長量大、根系發達的特點，可作為修復富營養化水體植物。象草(Pennisetum purpureum)喜溫暖濕潤氣候，其適應性強，耐肥。氣溫12～14 ℃開始返青生長，25～35℃生長迅速，10 ℃以下生長停滯；柔軟多汁，適口性很好，利用率高，牛、馬、羊、兔、鴨、鵝等喜食，幼嫩期也是養豬、養魚的好飼料，其具有強大根系，能深入土層，對士壤要求不嚴，需肥量較大。所以我們選擇這兩種牧草作為供試植物。

1.1.2 試驗裝置

本實驗采用長、寬、高分別為64、41.5、35 cm(90 L)塑料桶在福建南平大乘奶牛場的污水出水口旁空地進行間歇流模擬人工濕地。在每個塑料桶的側面底端均裝有1個水龍頭，用于水樣的收集和排水。在桶底鋪上5 cm厚粒徑為0.5～2.0 cm的礫石，后裝上25 cm厚的土壤。土壤取自奶牛場附近的菜園土，土壤理化性狀為w(全氮)=0.187%、w(全磷)=0.143%、w(全鉀)=1.792%、w(有機質)=1.243%、w(堿解氮)=113.3 mg·kg-1、w(速效磷)=181.2 mg·kg-1、w(速效鉀)=374.3 mg·kg-1、pH=6.92。

1.2 試驗方法

試驗自2009年5月11日開始至2010年4月27日，黑麥草與象草輪作，即先栽種象草，象草收割完直接種植黑麥草。試驗用水為奶牛場糞尿及沖欄水經集污池和干清糞處理后的污水。象草試驗期為夏秋季，沖欄水用量大，水質指標平均為:ρ(TN)=(417.3±61.1)mg·L-1，ρ(NH4+-N)=(281.5±47.8) mg·L-1，ρ(NO3--N)=(97.9±21.2) mg·L-1，ρ(TP)=(31.3±12.1)mg·L-1， pH=(8.1±0.5),ρ(COD)=(1716.2±142.7)mg·L-1。黑麥草試驗期為冬春季，污水的質量濃度較高，水質指標平均為:ρ(TN)=( 816.8±125.1) mg·L-1，ρ(NH4+-N)=(443.6±97.9) mg·L-1，ρ(NO3--N)=(141.5±51.7) mg·L-1，ρ(TP)=(42.9±11.2) mg·L-1，pH=(8.0±0.5)，ρ(COD)=（2468.2±237.4） mg·L-1。

試驗設5個處理為: (1)空白(自來水)，(2)25%污水(4 L污水+12 L自來水)，(3)50%污水(8 L污水+8 L自來水)，(4)75%污水(12 L污水+4 L自來水)，(5)100%污水(16 L污水)，每個處理5重復。草高10 cm后開始污水實驗，采用間歇方式進水，各試驗污水一次性注入，水力停留時間為8 d，間歇7 d。試驗期間因蒸散(植物蒸騰和自由蒸發)損失掉的污水不再進行補充，間歇期澆灌自來水補充蒸騰水分。各凈化周期結束后記錄各處理的出水體積并采集出水水樣進行分析，計算系統對TN、NH4+-N、NO3--N和TP的去除率和負荷去除量。同時為了監測凈化周期內的污水氮、磷質量濃度的變化，分別在污水停留的第1、2、4、6、8 d采集各處理內的水樣進行分析。

黑麥草的栽種及生長動態監測：供試黑麥草為特高多花黑麥草，購自福建省農科院生態所。根據土壤飽和持水量每桶注入污水預培養3 d后撒播種子3.5 g。出苗高10 cm后開始污水試驗。并開始每隔5 d，對每個處理固定選取10株，測定生長高度。收獲時測定植物的地上部、地下部生物量干質量，各部位的氮、磷質量分數，用以計算植物的氮、磷吸收量。

象草的栽種及生長動態監測：供試象草為當地栽種品種，將象草莖葉去掉后，再刨出母根，按根莖縱向切開分棵，使每一邊有1～2個根莖，然后直接定植每桶4株。定根發芽長約15 cm后開始污水試驗。其他與黑麥草方法一樣

1.3 測定方法

污水指標采用水和廢水監測分析方法[9]：TN測定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；TP采用過硫酸鉀氧化鉬藍比色法；NH4+-N采用靛酚藍比色法；NO3--N采用紫外分光光度法。

植物：植物體株高、根長、鮮質量及干質量。鮮質量在收割后立即測定；干質量在105oC下殺青10 min，在80 ℃下烘干至恒質量測定。植物樣品中的全N和全P采用常規農化分析方法測定[10]。各污染物去除率計算公式為：去除率%=(進水質量濃度－取樣質量濃度)÷進水質量濃度×100%。

1.4 數據分析

實驗數據采用SPSS13.0軟件進行數據統計分析，統計圖用Excel完成。

2 結果與分析

2.1 不同污水質量濃度對牧草生長的影響

象草和黑麥草在試驗中空白處理除外其他處理生長良好，呈鮮綠色。不同污水質量濃度對于牧草的生長速度產生明顯的影響(圖1)。象草定根發芽長約15 cm后開始污水試驗，注入污水5 d后長勢開始出現差異，由于是移栽，而且單株生物量大，象草的生長高度與污水質量濃度成正相關(r=0.9284)。黑麥草生長第1茬分蘗期前，全污水處理的生長最慢，而50%污水處理的生長最快。可能是由于污水質量濃度太高抑制了黑麥草的根系生長，影響了植株的生長發育。經過這階段的適應以后，到抜節生長旺盛期全污水處理的黑麥草生長最快。黑麥草的生長高度也是與污水質量濃度成正相關。由此可見，象草、黑麥草在間歇性高質量濃度污水中生長良好，可作為畜牧場高質量濃度污水修復植物進行全年輪作。

2.2 牧草對污水中氮的吸收轉化

2.2.1 銨氮的去除效果

在整個試驗期間，不同污水質量濃度的進水在間歇性人工濕地系統中NH4+-N都有很好的去除效果。對不同的水力停留時間污水進行分析，計算其去除率。表1為種植象草6月28日進水后各處理不同時間的銨氮質量濃度及其去除率。從表可看出各處理第1天就有很好的去除效果，最高可達到81.7%，這可能與象草處于生長旺盛期有關，而且經過7 d的間歇期，土壤吸附作用較大，當時氣溫較高硝化作用較強可能都有關系。以后的幾天去除速度逐漸緩慢，到了第6天去除率已基本達到90%以上。處理（2）、（3）系統對NH4+-N的吸收轉化相對與處理（4）、（5）前期效果更好，說明高NH4+-N質量濃度污水在象草間歇性人工濕地系統中的水力停留時間應適當加長。

圖1 不同污水處理牧草生長趨勢Fig.1 herbage grow tread in different wastewater treatment systems

表1 不同水力停留時間銨氮質量濃度及去除率Table 1 NH4+-N concentrations and removal rate in different hydraulic retention time

黑麥草人工濕地系統2月10日進水后的銨氮變化從表1可看出各處理也是進水的第1天就有較高的去除效果，最高可達到68.0%，這表明土壤基質對污水中NH4+-N的吸附作用明顯。以后的幾天去除速度逐漸緩慢。處理(2)的NH4+-N去除率較高，第2天就達80.1%，到第8天可達到88.3%。NH4+-N的去除率與污水質量濃度呈及顯著負相關(r=-0.9918)。可見黑麥草間歇性人工濕地系統對高質量濃度NH4+-N污水凈化效果隨著質量濃度的增加而降低。在整個試驗期間牧草間歇性人工濕地系統對NH4+-N的吸收轉化都有較好效果，凈化效果與進水質量濃度負相關，與牧草生物量正相關。

2.2.2 硝態氮的去除效果

在整個試驗期間，各階段污水中NO3--N的去除效果表現相似，都是在水力停留1 d后NO3—N質量濃度就有明顯的降低，2 d后反而比停留1天的質量濃度有所提高。這可能是NH4+-N的大量存在一定程度上促進了硝化作用的進行，使得NO3--N的生成速率大于其去除速率，從而造成了NO3--N的累積。圖2為第1輪進水污水不同水力停留時間NO3--N的變化。從圖2可見，象草系統對污水中NO3--N的吸收轉化與黑麥草相似，處理（4）、（5）2 d后NO3—N質量濃度明顯高于前1天，處理（2）、（3）也有所提高但不明顯，說明高質量濃度的污水硝化作用更強。水力停留1 d后，各處理污水中NO3--N分別降低了69.3%、72.2%、54.8%、55.8%，水力停留8 d后，各處理污水中NO3--N分別為3.22、5.13、6.70、9.44 mg·L-1；去除率分別為86.7%、89.6%、90.9%、90.6%。隨著水力停留時間的延長，黑麥草對NO3--N的吸收，各處理到8 d后NO3--N的去除率分別為：65.4%、75.2%、69.9%、66.9%，處理(3) NO3--N的去除率最高，說明黑麥草在適宜NO3—N質量濃度的污水中對NO3--N有很好的吸收能力。象草處理系統硝態氮的去除率比黑麥草處理系統高近20%。這可能是由于象草生物量相對大，初始污水硝態氮較黑麥草處理系統低，夏季氣溫高有利于硝化作用的進行有關。

圖2 不同水力停留時間污水中硝態氮質量濃度Fig.2 NO3--N concentrations in wastewater in different hydraulic retention time

2.2.3 可溶性總氮的去除效果

從圖3可見，象草系統對各處理污水中可溶性總氮有很好的吸收轉化，在水力停留4 d后，處理（2）的可溶性總氮的去除率達到83.6%，而黑麥草系統的總氮的去除率為70.69%。隨著水力停留時間的延長，象草對高質量濃度污水中可溶性總氮的吸收轉化增強，到第8天各處理可溶性總氮的去除率分別達到90.3%、90.9%、89.9%和90.0%；黑麥草系統分別為 81.2%、68.1%、69.6%、64.2%；象草處理系統對污水中可溶性總氮的吸收效果好于黑麥草系統，從圖3可見，到水力停留4 d后可溶性總氮的去除率都達到 82.1%以上,比黑麥草系統平均高22.7%。雖然黑麥草和象草的生長期不同，人工濕地除氮中植物類型也是一個重要影響因素，植物的生物量大有利于對污水中氮的吸收。

2.2.4 牧草在系統對氮凈化中的貢獻率

圖3 不同水力停留時間污水中的總氮質量濃度Fig.3 TN concentrations in wastewater in different hydraulic retention time

在人工濕地中氮素的去除主要是兩個方面，一方面是依靠人工濕地中的植物吸收，作為植物生長的營養物質而進入植物體；另一方面則依靠微生物的硝化和反硝化作用，使含氮物質最終轉變成N2，從污水中除去。植物對氮素總去除的貢獻，不同的研究者給出不同的研究結果。Breen[11]認為，濕地植物對氮的吸收占到50%，Rogers等[12]認為植物直接吸收氮達到濕地對氮去除量的90%。而根據陳志澄等[13]在人工濕地系統中對27種植物所做的吸收研究認為，27種植物對氮的去除率在75%以上。也有人認為微生物的硝化、反硝化作用被認為是濕地脫氮的主要途徑[14-16]。

牧草在系統對氮凈化中的貢獻率為污水處理中牧草的含氮量減去空白處理中牧草的含氮量與總氮負荷去除量的比值。通過收獲牧草地上部和地下部的生物量及測定其氮含量，計算牧草吸收轉化污水中的氮量與污水總氮負荷去除量相比。各污水處理象草在系統對氮凈化中的貢獻率分別為：31.41%、27.62%、22.10%、19.34%；黑麥草在系統對氮凈化中的貢獻率分別為：25.56%、19.84%、18.32%、16.78%。從結果說明在本試驗條件下高質量濃度污水中TN的去除，植物吸收僅是較少的部分；牧草對氮凈化的貢獻率與氮質量濃度呈負相關，對氮的去除的貢獻率較低。

2.3 牧草對污水中磷的吸收轉化

2.3.1 牧草對系統中磷的吸收

從表2可見隨著污水質量濃度的增加黑麥草植株磷質量分數也增加，處理(4)的磷質量分數最高；不同收割期的黑麥草的磷質量分數呈下降的趨勢，第一茬對磷的吸收最高，含磷量第3茬較低，所以黑麥草作為污水修復植物應適時的收割，有利于通過收獲植物去除污水中的磷。象草植株的磷質量分數與污水質量濃度很好的正相關，不同生長期植株的磷質量分數呈下降趨勢，第一茬象草植株磷質量分數高于后面兩茬，這與黑麥草相同，但植株磷質量分數在不同生長期的差異不如黑麥草顯著。空白處理象草和黑麥草第3茬植株磷質量分數比第1茬分別降低了22.6%、30.1%，而各污水處理的象草磷質量分數僅降低10%左右，黑麥草磷質量分數也降低了10%左右，這可能是由于栽種黑麥草時的各處理土壤磷質量分數高于栽種象草的土壤，除了污水提供黑麥草可吸收的磷以外，土壤也提供了足夠的可利用磷。污水中的磷是通過土壤吸附，微生物轉化以供給植物吸收還是植物直接可利用吸收，其中的機理有待進一步的研究探討。

2.3.2 污水中磷的去除效果

由于磷容易被土壤吸附固定，在污水注入 1 d后各處理磷質量濃度分別降低了 67.3%、59.4%、52.9%、54.1%。表明土壤基質對污水中磷的固定作用明顯。以后的幾天去除速度逐漸緩慢，到8 d磷的去除率可達到90%以上。磷的去除率與污水質量濃度呈及顯著相關(r=0.8417)。可見黑麥草間歇性人工濕地系統對高質量濃度磷污水凈化效果隨著質量濃度的增加而增加。圖3可見，象草各處理污水的磷質量濃度第1天分別降低了53.5%、36.4%、37.3%、43.3%，比種植黑麥草處理的效果差。這可能是由于進水第1天污水中的磷以土壤吸附為主，各處理土壤全磷、有效磷含量都高于種植黑麥草時的土壤，土壤對磷的吸附具有飽和性，所以水力停留1 d污水中磷的去除效果沒有種植黑麥草時好。到 8 d各處理污水中磷質量濃度分別為 0.529、1.774、2.068、3.059 mg·L-1；去除率分別為 93.1%、88.5%、91.1%、90.1%；說明象草植物對污水中磷的吸收也是關鍵因素。

2.3.3 牧草在系統對磷凈化中的貢獻率

牧草在系統對磷凈化中的貢獻率計算與氮相同，通過收獲牧草地上部和地下部的生物量及測定其磷含量，計算牧草吸收轉化污水中的磷量與污水總磷負荷去除量相比，即為牧草在系統對磷凈化中的貢獻率。象草在系統對磷凈化中的貢獻率分別為：38.5、35.4、27.1、23.6%。處理(2)、(3)系統比處理(4)、(5)系統象草對磷凈化的貢獻率高，說明當系統負荷較低時，植物吸收營養物質的作用比較明顯。本試驗象草對磷凈化的貢獻率平均為31.2%，與祝宇慧等[17]認為，植物吸收占濕地TP去除量的35%左右，是TP去除的一個重要途徑的結果相符。各污水處理黑麥草在系統中對磷凈化的貢獻率分別為：33.4、21.2、15.8、11.3%。黑麥草對磷凈化的貢獻率與磷質量濃度呈負相關。從結果說明在本試驗條件下高質量濃度污水中磷的去除，黑麥草吸收僅是很少的部分，這與前人的研究相符，濕地中磷的去除主要依靠基質吸附作用，植物吸收除磷是不明顯的。

表2 不同處理牧草磷質量分數Table 2 herbage phosphorus content in different wastewater concentrations %

圖4 不同水力停留時間污水中總磷質量濃度Fig.4 TP concent in wastewater in different hydraulic retention time

由于不同的植物種類對磷的吸收能力不同，故在濕地系統中，采用不同的植物往往也是影響污水凈化的重要因素。從本試驗結果可知，象草植株對污水中磷的去除的貢獻率平均高于黑麥草10.7%。徐德福[19]認為氮和磷的吸收主要受濕地植物生物量的影響，地上部分生物量在總的生物量中的比重越高，越有利于濕地生態工程去除氮、磷。

3 結論

象草、黑麥草在間歇性高質量濃度污水中生長良好，作為優良的牧草，即可為奶牛場提供了優良的青儲飼料，又可作為畜牧場高質量濃度污水修復植物進行全年輪作，在污水凈化中發揮作用。有研究發現植物量隨生長周期的變化對濕地凈化能力的影響顯著，不同種類植物生物量與各種污染物的去除率均顯著相關[20]。本試驗象草的生物量較黑麥草大，象草對污水氮磷的吸收轉化高于黑麥草。象草、黑麥草在生長后期品質不斷下降,所以作為污水修復植物應適時的收割，促進其對養分的吸收，有利于通過收獲植物去除污水中的氮、磷。

在不同質量濃度處理的黑麥草凈化系統中，水力停留時間為8 d的條件下，銨氮的去除率為75.9～88.3%；硝態氮的去除率平均為69.3%；總氮的去除率74.5～83.1%；總磷的去除率90%以上；黑麥草對污水中氮、磷的吸收轉化在系統對氮磷凈化中的貢獻率平均為20.03%和20.42%；在不同質量濃度處理的象草凈化系統中，各指標的去除效果與冬春季黑麥草相似，水力停留時間為8 d的條件下，銨氮的去除率為91.2～94.9%；硝態氮的去除率為86.9～90.3%；總氮的去除率91.2%～92.6%；總磷的去除率93.1%～92.6%；象草對污水中氮、磷的吸收轉化在系統對氮磷凈化中的貢獻率平均為25.12%和31.20%。

各處理污染氮磷的去除效果與污水的質量濃度呈負相關，處理（2）出水的銨氮、硝態氮、總氮、磷的去除率比其他各處理高；說明污水負荷影響牧草間歇性人工濕地凈化效果。

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