狐尾藻對養殖廢水的減控去污效果

摘要：【目的】研究狐尾藻對不同濃度養殖廢水的凈化效果，為推廣新型水生植物品種在處理養殖廢棄物中的應用提供參考依據。【方法】將狐尾藻投放于分別經過養殖場1、2、3、4和5級處理的廢水中培養，在試驗期間測量各級廢水氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、固體懸浮物（SS）及化學需氧量（COD）的濃度，繪制其變化曲線，計算污染物的去除率。【結果】經1～5級處理后的養殖廢水中NH4+-N、TN、TP、SS及COD濃度均呈試驗前期快速下降、后期緩慢降低的變化趨勢。至試驗結束時，各級廢水中NH4+-N的總平均去除率最高，達94.5%；TP的平均去除率相對較低，為74.6%；TN、SS和COD的總平均去除率分別為84.5%、81.3%和79.1%。【結論】狐尾藻能有效去除養殖廢水中NH4+-N、TN、TP、SS及COD等污染物，改善水質環境，在治理和修復污染水體方面具有良好的應用前景。

關鍵詞： 狐尾藻；養殖廢水；污染物；去除率

中圖分類號： S181；X713 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）07-1204-07

0 引言

【研究意義】狐尾藻（Myriophyllum spicatum）屬小二仙草科水生植物，植株生長量大，耐污能力強，能較快去除水體中氮、磷等富營養化物質，常被用作人工濕地污水處理系統的先鋒植被物種（張秀敏等，1998）。近年來，集約化養殖規模迅速擴大，隨之而來的是養殖廢水大量排放。養殖廢水中含有較高濃度的總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH4+-N）及化學需氧量（COD）等物質，直接外排會污染土壤、地表水和地下水，惡化生態環境（劉作云等，2016）。因此，有必要研究養殖廢水的減控去污技術，以解決集約化養殖與環境保護的矛盾，促進養殖業健康發展。傳統的養殖廢水防治措施主要有化學降解、生物發酵、固液分離等（張華等，2007），但投資成本過高，工藝較復雜，難以在農村地區推廣應用。與傳統方法相比，利用水生植物治理或修復污染水體，具有運行成本低、凈化效果好、環境效益高等優點（孫偉，2014），尤其適用于分散式養殖的廢水處理。【前人研究進展】楊曉玲和郭金耀（2012）利用水蕹菜調節、治理養殖水體的富營養化，試驗結果顯示，水蕹菜可使水體中TN、TP和COD濃度分別降低90.3%、44.8%和51.6%。陳金發等（2014）在室內條件下模擬大薸對不同質量濃度畜禽廢水的凈化試驗，結果發現大薸對養殖廢水的CODcr、NH4+-N和TP的去除率高達82.33%、69.21%和45.88%。此外，水葫蘆（程燕等，2014）、蘆葦（蒙寬宏等，2014）等對養殖廢水均具有良好的凈化作用。與其他水生植物相比，狐尾藻適應性廣、耐污能力強，既能快速凈化水體，又能避免二次污染（柏祥等，2011；賈一非等，2015），用于禽畜養殖污水的生態處理具有顯著效果（厲金炳等，2014）。2014年廣西河池環江縣麗源養豬場以稻草和綠狐尾藻為核心構建人工濕地治理養殖廢水，發現經處理后水體中NH4+-N、TN和TP濃度分別降低69%、60%和73%（陳鴻等，2016）。羅開武等（2016）也研究發現，采用稻草—綠狐尾藻的治污技術能對豬場廢水中的NH4+-N、TN和COD實現較徹底去除。【本研究切入點】前人研究顯示，狐尾藻與稻草等材料組合模式對養殖水體具有良好的凈化效果，但未明確狐尾藻在其中的貢獻。目前，單獨就狐尾藻對各種濃度養殖廢水污染物去除作用的系統性研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】在室內環境下開展狐尾藻凈化養殖水體的盆栽試驗，以取自養殖場濾池的廢水作為原水，研究狐尾藻對養殖廢水COD、NH4+-N、TN、TP和固體懸浮物（SS）的去除效果，為深入探討狐尾藻的凈化作用，加強其在生產中的推廣應用提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

以采自廣西柯新源原種豬有限責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備用。分別采集該公司養豬場經過1、2、3、4和5級簡易濾池處理的廢水為試驗原水，1～5級原水污染物指標如表1所示。

1. 2 試驗方法

試驗于2016年9月14日在廣西農業科學院溫室大棚進行，棚內放置相同規格的PVC桶（40 cm×50 cm×60 cm），在桶壁劃定蓄水比為80%，即桶高40 cm處為標準水位線。將1～5級不同濃度的豬場廢水分別倒入桶中，至水面與標準水位線平齊為止。每級廢水各倒入3桶，進行3次重復試驗。扦插預培養的狐尾藻頂枝部位（約20 cm）入桶中，每桶20株。分別于試驗第29、43、58和75 d采集各處理水樣，測定其NH4+-N、TN、TP、SS及COD濃度，并與原水比較，計算去除率（K）。試驗過程中及時加水，補充因蒸發而消耗的水分，使水位始終保持不變。

式中，C0為原水污染物濃度，Ci為試驗期間污染物濃度，n為養殖廢水的級別。

1. 3 測定項目及方法

采集各處理水樣后，參照《水和廢水監測分析方法》（國家環保總局，2002）測量各處理水質指標：用重鉻酸鉀法測定COD濃度，用過硫酸鉀消解紫外分光光度法測TN濃度，用納氏比色法測NH4+-N濃度，采用鉬銻抗比色法測定TP濃度，用濾料過濾后烘干測量SS濃度。

1. 4 統計分析

利用Excel 2003進行數據整理和制圖。

2 結果與分析

2. 1 COD去除效果分析

由圖1可知，從試驗開始至第29 d，1～5級廢水的COD濃度仍處于較高水平，但與原水相比，種植狐尾藻對其有較明顯的減控和去除效果，其中，對1級廢水的去除率最高，達64.1%，3級最低，為31.0%，平均去除率為44.2%；第29～43 d，各級廢水COD濃度明顯下降，其中，1級廢水去除率達85.3%，4級去除率較低，為66.0%，平均去除率為75.8%；從第58 d起，各級養殖廢水COD濃度基本保持不變，相應的去除率也逐漸趨于平穩；試驗進行到第75 d，狐尾藻對1～5級廢水COD的去除率分別為86.7%、81.8%、73.2%、71.5%和82.6%，平均去除率為79.1%，與第43 d（75.8%）相比差異不明顯。綜上所述，狐尾藻對1級養殖廢水COD的去除效果最佳，5級廢水次之，3、4級相對較差，但最終獲得71.0%以上的去除率。說明在養殖廢水中種植狐尾藻對COD具有良好的減控凈化效果。

2. 2 TN去除效果分析

由圖2可知，種植狐尾藻后第29～43 d，各處理TN濃度下降較快，去除率則呈迅速升高趨勢，其中，4級養殖廢水的降幅最為明顯，TN濃度由10.2 mg/L降至4.1 mg/L，相應的去除率從45.3%上升到77.8%；5級廢水TN濃度和去除率的變化情況與4級相接近；1～3級廢水TN濃度分別由16.2、13.9和11.6 mg/L降到10.1、8.3和6.3 mg/L，相應的去除率在第43 d上升至68.4%、71.4%和76.6%；第43～58 d，各級廢水TN濃度的降幅明顯變緩，去除率的上升趨勢也隨之減弱；試驗第58 d后，各級廢水TN濃度和去除率均無明顯變化；到第75 d，1～5級廢水TN濃度分別穩定在4.7、4.3、3.5、2.6和2.3 mg/L，去除率分別達85.3%、85.0%、87.0%、86.0%和79.3%，其中，3級廢水的去除率最高，5級相對較低，平均去除率為84.5%。綜上所述，狐尾藻對養殖廢水中的TN具有明顯去除效果。

2. 3 NH4+-N去除效果分析

由圖3可看出，與原水相比，種植狐尾藻后各級養殖廢水NH4+-N濃度均大幅下降。試驗第29 d，1～5級養殖廢水中NH4+-N的濃度降至2.3～3.3 mg/L，狐尾藻對其去除率依次為85.3%、85.5%、87.1%、87.5%和88.5%，平均去除率為86.8%；到第43 d，狐尾藻對各級廢水NH4+-N的平均去除率上升至93.0%，其中，5級廢水去除率最高，為95.2%，1級最低，為91.2%，各級間差異不明顯；試驗第58 d后，各級廢水NH4+-N濃度逐漸趨于平穩，維持在0.7～1.6 mg/L的低水平，其去除率也穩定在92.0%～96.0%。整體來看，狐尾藻對養殖廢水NH4+-N的去除效果極佳，種植2個月后可達90.0%以上的去除效果，其中，5級廢水的去除率最高，在95.0%以上，4級次之，1、2級較低，但彼此間差異不明顯。由此可見，狐尾藻能有效降低養殖廢水中NH4+-N的濃度，進而實現減控去污的目的。

2. 4 TP去除效果分析

由圖4可看出，各級養殖廢水TP濃度也呈試驗前期快速下降、后期緩慢降低的變化趨勢，其去除率也在試驗前期快速上升，后期則逐漸趨于平穩。從試驗開始到第43 d，5級廢水的TP濃度由5.1 mg/L降至1.5 mg/L，降幅最明顯，去除率高達70.1%；1級廢水的TP濃度由11.9 mg/L降至5.2 mg/L，狐尾藻對其凈化效果相對較差，去除率為56.1%；其余各級廢水TP的去除率介于上述兩者之間。至第58 d，各級養殖廢水的TP濃度下降明顯放緩，相應的去除率也呈緩慢上升的趨勢。到第75 d時，5級廢水的TP濃度降至1.1 mg/L，去除率最高，達79.1%；4級廢水去除率次之，為77.3%；1～3級廢水的TP濃度分別降至3.7、2.6和1.9 mg/L，去除率為69.0%、72.0%和75.3%。可見，種植狐尾藻能有效去除養殖廢水中的TP，但對不同濃度養殖廢水其去除效果存在差異，在低濃度養殖廢水中，狐尾藻對TP有較高的去除率，隨著廢水中TP濃度的升高，狐尾藻對其去除率不斷下降。

2. 5 SS去除效果分析

由圖5可知，狐尾藻對各級養殖廢水的SS也具有較強的去除作用。從試驗開始至第29 d，各處理養殖廢水的SS濃度與原水相比均有不同程度的下降，其中，5級廢水的降幅最大，其去除率高達49.5%；3、4級廢水的降幅也非常大，去除率均在39.0%以上；1級廢水下降不明顯，其去除率僅為10.3%。隨著試驗的進行，狐尾藻對SS的去除率不斷增高。至第43 d，1級廢水SS的去除率上升至64.1%，2～5級廢水的去除率分別上升到67.7%、68.9%、62.4%和58.3%，平均去除率達64.3%。第58～75 d，各級廢水SS濃度下降明顯變緩，狐尾藻對其去除速率也顯著減慢。試驗結束時，3級廢水SS濃度由21.1 mg/L降至3.3 mg/L，去除率為84.2%，去除效果最佳；5級廢水SS濃度由10.7 mg/L降至2.4 mg/L，去除率77.9%，去除效果相對較差；1、2、4級廢水SS去除率分別為78.7%、81.7%和84.0%。綜上所述，種植狐尾藻能有效去除養殖廢水中的SS，改善水體生態環境。

3 討論

水生植物利用根、葉的生長直接吸收水體中的氮、磷等物質，抑制水體富營養化，同時水生植物在其生長水域內構建生態系統，通過物理、化學和生物過程及協同作用等降低各種污染物含量，從而改善水質環境（潘保原等，2015）。水生植物對污染物特別是氮、磷的凈化能力主要與其根系發達程度和植株生物量有關，根系或植物其他部位除吸收水溶性的氮、磷外，還作為介質促進微生物的大量繁殖，驅動TN、NH4+-N和TP的轉化和降解，進而提高富營養化水體的凈化率（苗金等，2015）。羅固源等（2009）比較美人蕉、風車草、菖蒲和香根草4種浮床植物的生長特性及吸收氮、磷的能力，結果顯示，水生植物長勢越好，生物量越大，越有利于通過收割去除TN和TP，其中美人蕉植株生物量最大，對TN和TP去除的貢獻率最高。陳麗麗等（2012）也認為，污水中TN、TP的去除率與植物凈增生物量呈正相關。可見，水生植物生物量越大、根系越發達，對TN、NH4+-N和TP的去除能力就越強。本研究發現，種植狐尾藻能較快去除養殖廢水中氮、磷等營養物質，從試驗開始到第43 d內，1～5級廢水TN、NH4+-N和TP的濃度平均下降73.9%、93.0%和61.6%。與前人研究相比，狐尾藻對水體中富營養化物質的去除也具有類似效果。首先狐尾藻生長速度快，生物積累量大，能大量吸收TN、TP等物質，同時狐尾藻發達的根莖為微生物群落形成和生長提供良好的棲息場所，有利于細菌的硝化和反硝化作用及其他微生物的活動，從而提高TN、NH4+-N和TP的去除率。本研究還發現，狐尾藻在1～5級養殖廢水中均能正常生長，并迅速繁殖，說明狐尾藻根系耐污能力強，適應性好，可作為治理和修復農村養殖廢水的先鋒植物。

水體中SS和COD等污染物主要通過物理沉降、基質吸附及微生物降解等作用去除（周玥等，2016），水生植物在其中的作用是為微生物生長、繁殖提供氧氣和碳源，并通過根系分泌物促進微生物的各種新陳代謝活動，進而實現對SS和COD的轉化和分解（蔣春等，2014）。鳳眼蓮、蘆葦等水生植物根系還與水體形成濾膜，周圍附著的基質吸附大量的SS和COD等物質，再通過微生物活動將其降解（李莎莎等，2010）。因此，水生態系統通過植物、微生物、基質的協同作用去除SS和COD，澄清凈化受污染的水質。本研究發現，種植狐尾藻后，各級養殖廢水中SS和COD濃度均出現大幅下降，至試驗結束時，SS和COD的總平均去除率高達81.3%和79.1%，說明狐尾藻對養殖廢水中的SS和COD具有良好的凈化效果。與前人在伊樂藻（許曉偉等，2012）、微齒眼子菜（章銘等，2012）、彩葉草（趙妍等，2013）上的研究相比，狐尾藻對SS和COD的去除機制也非常相似。在試驗過程中，狐尾藻分蘗速度快，生長量大，水下根狀莖密布叢生，與節上的須根縱橫交錯，形成盤根錯節的網狀根群，龐大的根群為基質附著和微生物活動提供理想的空間環境，同時根狀莖節上發達的通氣組織不斷向基質和水體釋放氧氣，促進SS和COD的吸附和分解。因此可推測，狐尾藻密集分布的根群與微生物、基質相互協調，建立起良好的凈化系統，有效去除SS和COD等污染物，改善水體生態平衡，實現養殖廢水的再生凈化。

4 結論

狐尾藻能有效去除養殖廢水中NH4+-N、TN、TP、SS及COD等污染物，改善水質環境，在治理和修復污染水體方面具有良好的應用前景。

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（責任編輯 鄧慧靈）