三種水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果

摘要：為了解3種常見水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮（NH3-N）的去除能力，通過模擬試驗(yàn)研究了蘆葦（Phragmites australis）、水葫蘆（Eichhornia crassipes）、蕹菜（Ipomoea aquatica）對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果。結(jié)果表明，3種供試水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化能力大小為蘆葦-水葫蘆組合>蘆葦-蕹菜組合>水葫蘆>蕹菜>蘆葦。在處理15 d后，供試的3種水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效率為44.0%～76.5%，而對(duì)照組為36%～45%，供試水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮有較強(qiáng)的凈化能力。

關(guān)鍵詞：氨氮；水生植物；養(yǎng)殖廢水；去除效果

中圖分類號(hào)：X703；X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）16-4129-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.014

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，城鄉(xiāng)居民生活水平逐年提高，各種惠農(nóng)政策在廣大農(nóng)村的普遍實(shí)施，使中國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，禽畜養(yǎng)殖業(yè)也逐步朝規(guī)模化、集約化方向發(fā)展壯大。根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)污系數(shù)與排污系數(shù)手冊》推薦的正常育肥期生豬產(chǎn)污系數(shù)（中南地區(qū)：糞便量1.18 kg/（頭·d），尿液量3.18 L/（頭·d））計(jì)算，2014年年末全國生豬存欄46 583萬頭，日均排放糞便54.97萬t、排尿14.82萬L[1，2]。加之養(yǎng)殖場經(jīng)營者和農(nóng)村居民環(huán)保知識(shí)缺乏，導(dǎo)致廣大農(nóng)村地區(qū)養(yǎng)殖生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重，使養(yǎng)殖環(huán)境污染治理形勢日趨嚴(yán)峻。

然而，養(yǎng)殖廢水的排放在時(shí)間和空間上均具有鮮明的特點(diǎn)，采用工程的辦法治理雖然效果理想，但投資較大，往往超過了養(yǎng)殖業(yè)主的承受能力[3-5]。而人工濕地因其具有投資與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、無二次污染、改善生態(tài)與景觀環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而日益受到人們的關(guān)注[6-11]。本研究旨在通過模擬試驗(yàn)，探討3種常見水生植物對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果，從而為人工濕地系統(tǒng)處理養(yǎng)殖廢水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試植物的采集與馴化 分別在湖南省衡陽市石鼓區(qū)梽木村魚塘、靈官廟村農(nóng)戶豬場排水溝、李坳村排水溝以及湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院養(yǎng)殖場排水池采集蘆葦（Phragmites australis）、水葫蘆（Eichhornia crassipes）和蕹菜（Ipomoea aquatica）3種水生植物樣品。

在上述溝、渠、魚塘中采集適量水樣（5.0 L/處）。將采集的蘆葦、水葫蘆和蕹菜依次用低、中、高濃度養(yǎng)殖廢水進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)條件：pH 7左右（用氫氧化鉀溶液調(diào)節(jié)），溫度23～28 ℃，光照為3 000～5 000 lx。首先進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)馴化，待植物生長狀況穩(wěn)定后，再進(jìn)行不同濃度的養(yǎng)殖廢水水培試驗(yàn)，同時(shí)，對(duì)試驗(yàn)植物的耐污能力進(jìn)行全面考察和評(píng)價(jià)（主要考察植物的耐污能力）。通過15 d的馴化觀察，3種供試植物在各種濃度養(yǎng)殖廢水中均能正常生長繁殖。

1.1.2 養(yǎng)殖廢水樣品的采集分析與模擬 從湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院養(yǎng)殖場排水池中采集水樣，分析其氨氮、總磷及有機(jī)物的含量。通過分析，本研究養(yǎng)殖廢水的污染濃度范圍見表1，pH為6.5～7.5。

結(jié)合養(yǎng)殖廢水成分分析結(jié)果，人工配制試驗(yàn)用水。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，先沉淀處理，再使其充分厭氧發(fā)酵，然后用去離子水按照表2設(shè)計(jì)化學(xué)需氧量（CODcr）濃度，配制5組不同的試驗(yàn)廢水，在此基礎(chǔ)上，用氯化銨調(diào)節(jié)氨氮濃度，用磷酸二氫鉀調(diào)節(jié)總磷濃度。

試驗(yàn)廢水的濃度以氨氮（NH3-N）、總磷（TP）和化學(xué)需氧量（CODcr）為主要參考指標(biāo)，本試驗(yàn)擬從高濃度到低濃度設(shè)5組。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將候選植物（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)。在培養(yǎng)0 d（2 h）、2、5、10、15 d后，分別測定水樣中氨氮（NH3-N）的濃度。以培養(yǎng)時(shí)間（d）為橫坐標(biāo)，水樣中氨氮（NH3-N）濃度（mg/L）為縱坐標(biāo)作曲線。

試驗(yàn)按照模擬養(yǎng)殖廢水濃度分別設(shè)置對(duì)照組，對(duì)照組未種植水生植物，觀察其在試驗(yàn)條件下氨氮（NH3-N）的自我凈化規(guī)律。

1.3 數(shù)據(jù)處理

分析植物對(duì)廢水中氨氮的凈化效率，將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。凈化效率=（培養(yǎng)15 d后試驗(yàn)廢水中氨氮的濃度-試驗(yàn)廢水設(shè)計(jì)的氨氮的濃度）/試驗(yàn)廢水設(shè)計(jì)的氨氮的濃度×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘆葦對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果

蘆葦對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果見圖1。從圖1可知，試驗(yàn)15 d，蘆葦對(duì)5組養(yǎng)殖廢水中的氨氮均有一定的凈化效果，第一組至第五組模擬養(yǎng)殖廢水的氨氮含量分別下降至129、81、66、51、28 mg/L，凈化效率分別為48.4%、59.5%、56.0%、49.0%、44.0%。參照《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001），有3組達(dá)到最高允許日均排放濃度不超過80 mg/L的要求。

對(duì)照組中氨氮含量雖然均有降低趨勢，但下降速率與試驗(yàn)組相比明顯較差。試驗(yàn)15 d，對(duì)照組的氨氮含量分別下降至148、110、92、64、31 mg/L，去除效率分別為40.8%、45.0%、38.7%、36.0%和38.0%，凈化效果明顯不及處理組。

蘆葦對(duì)養(yǎng)殖廢水的氨氮凈化能起到一定作用，但由于蘆葦根系以及生長趨勢不如蕹菜、水葫蘆發(fā)達(dá)，因此，其凈化效率一般。導(dǎo)致其產(chǎn)生先慢后快的原因可能是前期蘆葦對(duì)養(yǎng)殖廢水需要一個(gè)適應(yīng)過程。

2.2 蕹菜對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果

蕹菜對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果見圖2。從圖2可知，試驗(yàn)15 d，蕹菜對(duì)5組養(yǎng)殖廢水中的氨氮均有一定的凈化效果，第一組至第五組模擬養(yǎng)殖廢水的氨氮含量分別下降至124、80、61、49、27 mg/L，凈化效率分別為50.4%、60.0%、59.3%、51.0%、46.0%。參照《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001），效果較蘆葦明顯，5組廢水中，有4組能達(dá)到最高允許日均排放濃度不超過80 mg/L的要求。凈化速率方面，蕹菜較蘆葦好，原因可能是蕹菜根系以及生長趨勢較蘆葦發(fā)達(dá)。

2.3 水葫蘆對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果

水葫蘆對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果見圖3。從圖3可知，試驗(yàn)15 d，水葫蘆對(duì)5組養(yǎng)殖廢水中的氨氮均有一定的凈化效果，第一組至第五組模擬養(yǎng)殖廢水的氨氮含量分別下降至107、65、45、37、21 mg/L，凈化效率分別為57.2%、67.5%、70.0%、63.0%、58.0%。參照《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001），5組廢水中，有4組氨氮達(dá)到最高允許日均排放濃度不超過80 mg/L的要求。凈化速率方面，水葫蘆較蘆葦、蕹菜好，原因可能是水葫蘆根系以及生長趨勢較蘆葦、蕹菜發(fā)達(dá)。

2.4 蘆葦-蕹菜組合對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果

蘆葦-蕹菜組合對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果見圖4。從圖4可知，試驗(yàn)15 d，蘆葦-蕹菜組合對(duì)5組養(yǎng)殖廢水中的氨氮均有一定的凈化效果，第一組至第五組模擬養(yǎng)殖廢水的氨氮含量分別下降至98、55、45、33、16 mg/L，去除效率分別為60.8%、72.5%、70.0%、67.0%和68.0%。參照《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001），5組廢水中只有1組氨氮未達(dá)到最高允許日均排放濃度不超過80 mg/L的要求。凈化速率方面，也較單一植物好，原因可能是植物組合彌補(bǔ)了蘆葦對(duì)養(yǎng)殖廢水適應(yīng)性方面的不足，同時(shí)蕹菜具有較多的匍匐根，既能長在土壤中，又能浮于水上，解決了污水垂直方向的凈化問題。

2.5 蘆葦-水葫蘆組合對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果

蘆葦-水葫蘆組合對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效果見圖5。從圖5可知，試驗(yàn)15 d，蘆葦-水葫蘆組合對(duì)5組養(yǎng)殖廢水中的氨氮均有一定的凈化效果，第一組至第五組模擬養(yǎng)殖廢水的氨氮含量分別下降至85、47、40、28、15 mg/L，凈化效率分別為66.0%、76.5%、73.3%、72.0%、70.0%。參照《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001），效果較單一蘆葦或水葫蘆明顯，5組廢水中僅有1組不達(dá)標(biāo)，氨氮含量明顯較單一植物下降很多。凈化速率方面，也較單一植物或蘆葦-蕹菜組合好。原因可能是植物組合彌補(bǔ)了蘆葦對(duì)養(yǎng)殖廢水適應(yīng)性方面的不足，同時(shí)水葫蘆浮于水面上，解決了污水垂直方向的凈化問題。同時(shí)水葫蘆的生長較蕹菜要快，故其凈化效果比蘆葦-蕹菜組合要好。

3 小結(jié)與討論

通過3種水生植物（蘆葦、蕹菜和水葫蘆）對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化作用研究，得出如下結(jié)論。

1）通過15 d的水培試驗(yàn)，3種水生植物及其組合對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮的凈化效率為44.0%～76.5%，而對(duì)照組為36%～45%。

2）從單一植物的凈化效率分析，水葫蘆>蕹菜>蘆葦；植物組合方面，蘆葦-水葫蘆組合>蘆葦-蕹菜組合，且植物組合的凈化效率明顯優(yōu)于單一植物。由于廢水中污染物質(zhì)主要是通過根系等吸收，而水葫蘆的生長繁育較其他兩種植物旺盛，故其凈化效率較為理想。植物組合的凈化效率較單一植物理想的原因可能是彌補(bǔ)了植物根系在廢水分層不夠均勻的不足，從而使根系吸收更加充分。

3）構(gòu)建人工濕地養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)組建有一定層次的植物體系，以利于加快對(duì)污染物質(zhì)的凈化。

4）植物只是人工濕地的一部分，人工濕地之所以具有良好的去污效果，還與其填料、微生物等有關(guān)。下一步應(yīng)探討適宜的填料，研究人工濕地系統(tǒng)微生物，構(gòu)建完整的適宜養(yǎng)殖廢水處理的人工濕地。

5）人工濕地類型較多，其水流方式對(duì)處理效果的影響也較大，下一步應(yīng)加強(qiáng)適合養(yǎng)殖廢水處理的人工濕地水流方式研究，同時(shí)結(jié)合植物、填料研究成果，揭示水力學(xué)特點(diǎn)（污染負(fù)荷、水力停留時(shí)間等）對(duì)養(yǎng)殖廢水中污染物降解的影響規(guī)律。

6）研究不同季節(jié)提高處理效果的保護(hù)措施。

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