野菠菜濕地對豬場廢水的凈化作用

程?燕，吳淑君，張明星

（湖北工程學(xué)院，湖北?孝感??432000）

野菠菜濕地對豬場廢水的凈化作用

程?燕，吳淑君，張明星

（湖北工程學(xué)院，湖北?孝感??432000）

文內(nèi)主要考察野菠菜對豬場廢水中污染物的凈化能力。采用花盆栽培法測試野菠菜在豬場廢水中的生長特性及其對N、P、COD、Zn、?Cu?和?As的去除率。結(jié)果表明：該植物對N、P、COD的去除率可達(dá)82.64%，而對Cu的清除率可達(dá)95.50%，均具有明顯的清除作用。試驗中將采集的豬場廢水分低、中、高3濃度批次，盆栽實驗中其最低去除率可達(dá)64.34%，其由此可見，野菠菜對豬場廢水有較強的耐污能力和較好的凈化效果，可用于人工濕地處理豬場廢水。

野菠菜；重金屬；豬場廢水；凈化效果

自2000年來，我國養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展迅速，各地規(guī)模化豬場頻頻崛起，成為生產(chǎn)主流。然而，養(yǎng)豬業(yè)通常用水來沖洗豬欄糞尿，排放的廢水中含有豐富的有機(jī)物、氨氮和SS、重金屬，已成為污染的最主要來源之一。

在養(yǎng)豬生產(chǎn)中由于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動，加之監(jiān)管措施的不力和科學(xué)知識普及的不足，濫用、超量使用Cu、Zn?等重金屬的現(xiàn)象普遍存在。Cu、Zn在動物體內(nèi)吸收量較少［1］，大多數(shù)隨動物排泄物進(jìn)入廢水或糞便，最終進(jìn)入環(huán)境，因此在畜禽養(yǎng)殖廢水排放前必須對Cu、Zn?等予以去除。

規(guī)模化養(yǎng)殖場使用的飼料普遍會添加適量的Zn、Cu和As等重金屬元素，它們可以刺激動物生長，提高畜產(chǎn)品產(chǎn)量，從而降低養(yǎng)殖成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益［2］，如豬飼料中加入 0.28～ 0.72?mg/kg的 Cd，1.27～6.56?mg/kg的As［3］。大部分重金屬被豬攝入消化后會直接通過排泄物排出［4］，使糞污中含有較高量的重金屬。豬場一般在離城市較遠(yuǎn)的郊區(qū)，周圍有農(nóng)田，當(dāng)養(yǎng)豬場廢水處理不當(dāng)混入養(yǎng)豬場外池塘、河流時，利用其灌溉農(nóng)田時，廢水中的重金屬也會隨之進(jìn)入土壤，當(dāng)土壤重金屬含量超過其環(huán)境容量時，就會毒害作物，影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量，并通過植物進(jìn)入食物鏈，被動物吸收而富集，并最終危害動物和人類的健康和生命，產(chǎn)生不可預(yù)見的后果。

由此，必須采用一定的措施去除豬場廢水中的重金屬，常用的方法是化學(xué)沉淀法［5］，但其操作復(fù)雜且易產(chǎn)生二次污染。植物吸收法是一種新興的推廣方法，通過植物吸收污水水體中的重金屬，既簡單又可以美化環(huán)境，還可以得到副產(chǎn)品［6-8］。1977年德國學(xué)者Kickuth提出的植物“根區(qū)法”理論推動人工濕地污水處理方法的研究［9］。人工濕地處理豬場廢水，可以將廢水中的懸浮物、有機(jī)物、N、P和重金屬等不同程度的去除，其具有建造和運行費用低、維護(hù)簡單、耐污染負(fù)荷沖擊以及景觀美化等優(yōu)點。其凈化原理主要是植物對重金屬的吸附作用，涉及一系列的物理和化學(xué)、生物反應(yīng)。野菠菜，一年生草本，高40～100?cm。莖直立，粗壯，分枝，有明顯溝紋，無毛，中空，在我國大部分地區(qū)均可見到其蹤跡。本文主要討論野菠菜對豬場廢水中重金屬的凈化效果。

1　材料與方法

1.1材料

本試驗所用野菠菜取自湖北省某豬場廢水出水口附近，用水為某豬場經(jīng)過預(yù)處理及厭氧消化的出水，其中：化學(xué)需氧量CODCr質(zhì)量濃度：630～1?800?mg/L，-N質(zhì)量濃度：142～264?mg/L，總P質(zhì)量濃度：17.18～34.58?mg/L，Zn質(zhì)量濃度：16.27～34.71?mg/L，Cu質(zhì)量濃度：9.34～24.55?mg/L，As質(zhì)量濃度：5.71～ 13.62?mg/L，pH?7.0～ 8.0，使用時根據(jù)需要用自來水稀釋。野菠菜為豬場周邊水溝采集標(biāo)本凈化繁殖。

1.2方法

準(zhǔn)備上口半徑為20.5?cm的塑料盆18個，塑料盆上放入均勻分布有9個定植孔的半徑為18.0?cm，厚為3.5?cm的泡沫板。試驗分為7批，分為低（豬場廢水稀釋1倍）、中（豬場廢水）、高（豬場廢水濃縮1倍）濃度3批廢水，每批分為A、B、C、D、E五個試驗組和一個對照組，每批試驗開始時在試驗組和對照組都注入等量的豬場廢水50?mL，區(qū)別在試驗組植入水葫蘆。試驗周期為25?d，每5?d檢測一次廢水，主要檢測指標(biāo)是：總氮（TN），堿性過硫酸鉀氧化——紫外分光光度法氨氮?；總磷（TP），過硫酸鉀消解——鉬銻抗分光光度法；pH，膜電極法；化學(xué)需氧量（COD），重鉻酸鉀法；?Zn、?Cu?和?As?，ICP法測定［10-13］。通過此檢測，觀察野菠菜對豬場廢水凈化作用。

采集株高15?cm左右、每株質(zhì)量8～12?g的野菠菜幼苗，將根部泥土洗凈、稱量，選取凈重10?g左右的幼苗并記重。將幼苗移栽到塑料盆中，用泡沫板固定，分別注入低、中、高濃度的廢水，放置在實驗室靠窗試驗臺上，在5?d、10?d、15?d、20?d、25?d時測定廢水中各項指標(biāo)。實驗過程中，保持各盆內(nèi)水量，并不定時用純凈水補充因根吸收和蒸發(fā)的水量。

2　結(jié)果分析

2.1野菠菜對N、P、COD的去除效果

表1　低、中、高濃度豬場廢水中N、P、COD、Zn、Cu、As的含量和pH

由圖1可知，野菠菜對豬場廢水中的N、P、COD有明顯的清除效果。從（a～c，隨著實驗時間的延長，N、P、COD的濃度均出現(xiàn)明顯的減小，且趨勢先增加后減小，在0～5?d時候，野菠菜剛移植入塑料盆中，需要一段適應(yīng)生長環(huán)境，故在此時測得的清除效果不明顯（清除率為0.06%～0.12%）；在10～20?d時，野菠菜生長迅速，對廢水中的N、P、COD表現(xiàn)出明顯的吸收能力（清除率最高為N的達(dá)82.64%）；在20～25?d時，野菠菜對廢水中的N、P、COD的吸收能力呈現(xiàn)飽和狀態(tài)（P ＜0.05%）。

從圖2可知，野菠菜對豬場廢水中N、P、COD的清除率隨著時間的推移，逐漸增加，在25?d時候達(dá)到最大。圖2中，野菠菜在低、中、高3類豬場廢水中對N、P、COD的清除率均表現(xiàn)為增速先增加后減小，在10～15?d最大。低濃度廢水的清除效果高于高度濃度廢水（N的清除率：P低=82.64% ＞P中=72.56%＞P高=51.22%；P的清除率：P低=71.97%＞P中=61.37% ＞P高=41.11%；COD的 清 除 率：P低=75.91%＞ P中=67.54%＞ P高=56.73%），野菠菜對N的去除率高于P、COD，且野菠菜對低濃度廢水的去除效果明顯高于高濃度廢水。

2.2野菠菜對Zn、Cu、As的去除效果

從圖3可知，野菠菜對豬場廢水中Zn、Cu、As均有清除作用，且隨著實驗天數(shù)的增加，清除效果越加明顯。野菠菜對低濃度豬場廢水的Zn、Cu、As清除率分別為94.20%、95.51%、 87.91%；野菠菜對中濃度豬場廢水的Zn、Cu、As清除率分別為89.30%、91.37%、80.95%；野菠菜對高濃度豬場廢水的Zn、Cu、As清除率分別為75.52、75.13%、64.34%。其中，野菠菜對低濃度豬場廢水的清除效果強于中、高濃度廢水，且Cu的去除效果強于Zn、As，3種金屬的去除率在高濃度廢水中也大于64.34%，在低濃度廢水中更可達(dá)95.50%，故野菠菜對3種金屬均有明顯的去除效果。

由圖4可知，野菠菜對豬場廢水中Zn、Cu、As的清除效果各不相同，廢水中Cu的清除率可達(dá) 75.13%～ 95.5%，而 Zn、As 的 清 除 率 是75.52%～94.20%、64.34%～87.91%；其去除率的增加幅度均為先增加后減小，在15?d時候達(dá)到最大，其后去除率趨于平衡，體現(xiàn)了野菠菜的一個生態(tài)平衡過程。

2.3野菠菜對pH的降低效果

從圖5可知，隨著野菠菜處理豬場廢水時間的增長，pH出現(xiàn)不同程度的降低，說明野菠菜吸收了廢水中的堿性離子，使廢水趨于中性，pH降低率可達(dá)2.55%～3.84%，對廢水的再利用具有重大意義。

圖1　野菠菜分別對低、中、高濃度豬場廢水中N、P、COD 的清除效果

圖2　野菠菜對豬場廢水中N、P、COD的清除效果

圖3　野菠菜分別對低、中、高濃度豬場廢水中Zn、Cu、As的清除效果

圖4　野菠菜對豬場廢水中Zn、Cu、As的清除效果

3　野菠菜濕地對豬場廢水的清除效果

濕地生態(tài)系統(tǒng)是由一些適合污染環(huán)境條件下生存的以大型水生植物為主的高、低等生物和處于水飽和狀態(tài)的基質(zhì)組成的人工復(fù)合體污染生態(tài)系統(tǒng)［14］。相對于天然濕地來說，其生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)和種群結(jié)構(gòu)要簡單的多，但其按照管理者意愿進(jìn)行污水處理的功能卻更強［15-16］。可以說，這類人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的生理功能，就在各種濕地生物的共同參與下，將進(jìn)入濕地系統(tǒng)的污染物質(zhì)除去，同時這些污染物也是濕地生物的營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)的“新陳代謝”，進(jìn)行分解、吸收、轉(zhuǎn)化、利用，達(dá)到去除目的。

圖5　野菠菜對豬場廢水處理過程中pH的變化

本試驗采用野菠菜作為豬場濕地生態(tài)系統(tǒng)，將豬場廢水處理廠的出水引導(dǎo)種植野菠菜的淤泥灘上，并在出水口和淤泥灘下游排水口設(shè)置監(jiān)測點。

從表2可知，隨著時間的推移，各指標(biāo)呈現(xiàn)減小趨勢，野菠菜的清除效果越加明顯，在25?d時候最大清除率為Zn，可達(dá)92.74%，與其在實驗室測試中的89.30%，相差P＜5%，說明野菠菜的處理效果達(dá)到了預(yù)期設(shè)想，而且由于濕地淤泥的吸附作用，會滯留部分的金屬離子，其處理效果會高于實驗室試驗。

4　結(jié)果分析

由以上試驗可知，野菠菜對豬場廢水中的無機(jī)物及重金屬都有一定清除效果，其中對金屬離子的清除效果高于N、P、COD，其效率可達(dá)95.5%，最低清除率也可達(dá)64.34%，說明使用野菠菜對豬場廢水有特別的再處理效果，特別是對其中的重金屬清除的效果更明顯。實際的生活中，常采用物理、化學(xué)及其結(jié)合方法凈化豬場廢水，可以治理和回收廢水中的重金屬，但由于生物法處理重金屬廢水成本低、效益高、易管理、無二次污染、有利于生態(tài)環(huán)境的改善［17］。另外，通過基因工程、分子生物學(xué)等技術(shù)應(yīng)用，可使生物具有更強的吸附、絮凝、整治修復(fù)能力。因此生物法中植物處理廢水具有更加廣闊的發(fā)展前景。

表2　經(jīng)野菠菜濕地排水口后的N、P、COD、Zn、Cu、As的含量和pH

綜上所述，在環(huán)境問題層出不窮，形勢日趨嚴(yán)峻的情況下，怎樣使豬場廢水在處理后達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，完成環(huán)保部門的要求，使一項非常嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，我們相信各種科技方法會日新月異，學(xué)科之間也會交融發(fā)展，應(yīng)用于污水中無機(jī)物、重金屬處理的技術(shù)會越來越科學(xué)，最大限度實現(xiàn)資源的再利用，從而使我國的環(huán)保事業(yè)走上一個新的起點。

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2016-03-28）

程燕（1987-），女，碩士，教師，研究方向為食品安全與加工，E-mail：1158046007@qq.com