牧草轮作对奶牛场污水氮、磷的净化效果研究

颜明娟，方志坚，翁伯琦，林诚，张辉，陈子聪

福建省农科院土壤肥料研究所，福建 福州 350013

我国奶牛养殖业近年来蓬勃发展，经营方式逐渐由分散饲养向集约化养殖转变，在生产规模不断扩大和集约化程度不断提高过程中凸现了一系列的环境问题[1]。在我国，一个千头奶牛场日排污水60～100 t，并且几乎所有的奶牛养殖户饲养奶牛所产生的排放物都处于直排或变相直排状态，造成了严重的环境污染和养分的流失[2]。养殖污水的特性与处理是相对较新的研究领域，与工业污水和生活污水相比具有其独特的特点，养殖污水属于高有机物浓度、高氮、磷含量和高有害微生物数量的“三高”废水，一方面造成环境污染，特别是水质污染，直接影响到经济的发展、人体的健康乃至人类的生存；一方面浪费了大量的氮磷资源。张克强等[3]报道，1995年我国全年畜禽粪便的氮、磷量分别为1597×10和363×10 t，相当于我国同期施用化肥量的78.9%和57.4%。所以发展适合我国养殖污水处理的生态环境工程技术就显得相当迫切。

利用水生植物治理和修复受污染水体具有效果好、投资少、运行成本低、易管理、景观效果好等优点。国内外对修复植物的研究主要集中在芦苇(Phragmites communis)、香蒲(Typha orientalisPres1)、灯心草(Juncuseffuses)、美人蕉(Cannaindica)、风车草(Cyperus alternifolius)、纸莎草(Cyperus papyrus)、水竹芋(Thafia dealbata)等植物[4-7]，也有研究运用牧草和草坪草净化污水，主要包括多年生黑麦草(Lolium perenne)、匍匐翦股颖(Agrostis stolonifera)等[8]。但目前利用牧草轮作促进高质量浓度奶牛污水净化的研究还不多见，利用牧草既吸收污水中氮磷等营养成分又为奶牛场提供优质青饲料，不失为生态与经济效益并重之举。本研究以土壤为基质，以牧草作为植被模拟人工湿地净化系统，全年轮作在间歇流人工湿地中对奶牛场高质量浓度污水的适应性及对污水的净化效果探索，以期为畜牧场高质量浓度污水的有效净化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 植物的选择

黑麦草生长期为10月至次年5月，具有适应性强、耐肥、生长量大、根系发达的特点；黑麦草冬、春季生长良好，柔嫩多汁，为多种家畜、家禽和草食性鱼类所喜食，采食率在95%以上。除可做畜禽饲料外，其具有适应性强、耐肥、生长量大、根系发达的特点，可作为修复富营养化水体植物。象草(Pennisetum purpureum)喜温暖湿润气候，其适应性强，耐肥。气温12～14 ℃开始返青生长，25～35℃生长迅速，10 ℃以下生长停滞；柔软多汁，适口性很好，利用率高，牛、马、羊、兔、鸭、鹅等喜食，幼嫩期也是养猪、养鱼的好饲料，其具有强大根系，能深入土层，对士壤要求不严，需肥量较大。所以我们选择这两种牧草作为供试植物。

1.1.2 试验装置

本实验采用长、宽、高分别为64、41.5、35 cm(90 L)塑料桶在福建南平大乘奶牛场的污水出水口旁空地进行间歇流模拟人工湿地。在每个塑料桶的侧面底端均装有1个水龙头，用于水样的收集和排水。在桶底铺上5 cm厚粒径为0.5～2.0 cm的砾石，后装上25 cm厚的土壤。土壤取自奶牛场附近的菜园土，土壤理化性状为w(全氮)=0.187%、w(全磷)=0.143%、w(全钾)=1.792%、w(有机质)=1.243%、w(碱解氮)=113.3 mg·kg-1、w(速效磷)=181.2 mg·kg-1、w(速效钾)=374.3 mg·kg-1、pH=6.92。

1.2 试验方法

试验自2009年5月11日开始至2010年4月27日，黑麦草与象草轮作，即先栽种象草，象草收割完直接种植黑麦草。试验用水为奶牛场粪尿及冲栏水经集污池和干清粪处理后的污水。象草试验期为夏秋季，冲栏水用量大，水质指标平均为: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。黑麦草试验期为冬春季，污水的质量浓度较高，水质指标平均为: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。

试验设5个处理为: (1)空白(自来水)，(2)25%污水(4 L污水+12 L自来水)，(3)50%污水(8 L污水+8 L自来水)，(4)75%污水(12 L污水+4 L自来水)，(5)100%污水(16 L污水)，每个处理5重复。草高10 cm后开始污水实验，采用间歇方式进水，各试验污水一次性注入，水力停留时间为8 d，间歇7 d。试验期间因蒸散(植物蒸腾和自由蒸发)损失掉的污水不再进行补充，间歇期浇灌自来水补充蒸腾水分。各净化周期结束后记录各处理的出水体积并采集出水水样进行分析，计算系统对TN、NH4+-N、NO3--N和TP的去除率和负荷去除量。同时为了监测净化周期内的污水氮、磷质量浓度的变化，分别在污水停留的第1、2、4、6、8 d采集各处理内的水样进行分析。

黑麦草的栽种及生长动态监测：供试黑麦草为特高多花黑麦草，购自福建省农科院生态所。根据土壤饱和持水量每桶注入污水预培养3 d后撒播种子3.5 g。出苗高10 cm后开始污水试验。并开始每隔5 d，对每个处理固定选取10株，测定生长高度。收获时测定植物的地上部、地下部生物量干质量，各部位的氮、磷质量分数，用以计算植物的氮、磷吸收量。

象草的栽种及生长动态监测：供试象草为当地栽种品种，将象草茎叶去掉后，再刨出母根，按根茎纵向切开分棵，使每一边有1～2个根茎，然后直接定植每桶4株。定根发芽长约15 cm后开始污水试验。其他与黑麦草方法一样

1.3 测定方法

污水指标采用水和废水监测分析方法[9]：TN测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；TP采用过硫酸钾氧化钼蓝比色法；NH4+-N采用靛酚蓝比色法；NO3--N采用紫外分光光度法。

植物：植物体株高、根长、鲜质量及干质量。鲜质量在收割后立即测定；干质量在105oC下杀青10 min，在80 ℃下烘干至恒质量测定。植物样品中的全N和全P采用常规农化分析方法测定[10]。各污染物去除率计算公式为：去除率%=(进水质量浓度－取样质量浓度)÷进水质量浓度×100%。

1.4 数据分析

实验数据采用SPSS13.0软件进行数据统计分析，统计图用Excel完成。

2 结果与分析

2.1 不同污水质量浓度对牧草生长的影响

象草和黑麦草在试验中空白处理除外其他处理生长良好，呈鲜绿色。不同污水质量浓度对于牧草的生长速度产生明显的影响(图1)。象草定根发芽长约15 cm后开始污水试验，注入污水5 d后长势开始出现差异，由于是移栽，而且单株生物量大，象草的生长高度与污水质量浓度成正相关(r=0.9284)。黑麦草生长第1茬分蘖期前，全污水处理的生长最慢，而50%污水处理的生长最快。可能是由于污水质量浓度太高抑制了黑麦草的根系生长，影响了植株的生长发育。经过这阶段的适应以后，到抜节生长旺盛期全污水处理的黑麦草生长最快。黑麦草的生长高度也是与污水质量浓度成正相关。由此可见，象草、黑麦草在间歇性高质量浓度污水中生长良好，可作为畜牧场高质量浓度污水修复植物进行全年轮作。

2.2 牧草对污水中氮的吸收转化

2.2.1 铵氮的去除效果

在整个试验期间，不同污水质量浓度的进水在间歇性人工湿地系统中NH4+-N都有很好的去除效果。对不同的水力停留时间污水进行分析，计算其去除率。表1为种植象草6月28日进水后各处理不同时间的铵氮质量浓度及其去除率。从表可看出各处理第1天就有很好的去除效果，最高可达到81.7%，这可能与象草处于生长旺盛期有关，而且经过7 d的间歇期，土壤吸附作用较大，当时气温较高硝化作用较强可能都有关系。以后的几天去除速度逐渐缓慢，到了第6天去除率已基本达到90%以上。处理（2）、（3）系统对NH4+-N的吸收转化相对与处理（4）、（5）前期效果更好，说明高NH4+-N质量浓度污水在象草间歇性人工湿地系统中的水力停留时间应适当加长。

图1 不同污水处理牧草生长趋势Fig.1 herbage grow tread in different wastewater treatment systems

表1 不同水力停留时间铵氮质量浓度及去除率Table 1 NH4+-N concentrations and removal rate in different hydraulic retention time

黑麦草人工湿地系统2月10日进水后的铵氮变化从表1可看出各处理也是进水的第1天就有较高的去除效果，最高可达到68.0%，这表明土壤基质对污水中NH4+-N的吸附作用明显。以后的几天去除速度逐渐缓慢。处理(2)的NH4+-N去除率较高，第2天就达80.1%，到第8天可达到88.3%。NH4+-N的去除率与污水质量浓度呈及显著负相关(r=-0.9918)。可见黑麦草间歇性人工湿地系统对高质量浓度NH4+-N污水净化效果随着质量浓度的增加而降低。在整个试验期间牧草间歇性人工湿地系统对NH4+-N的吸收转化都有较好效果，净化效果与进水质量浓度负相关，与牧草生物量正相关。

2.2.2 硝态氮的去除效果

在整个试验期间，各阶段污水中NO3--N的去除效果表现相似，都是在水力停留1 d后NO3—N质量浓度就有明显的降低，2 d后反而比停留1天的质量浓度有所提高。这可能是NH4+-N的大量存在一定程度上促进了硝化作用的进行，使得NO3--N的生成速率大于其去除速率，从而造成了NO3--N的累积。图2为第1轮进水污水不同水力停留时间NO3--N的变化。从图2可见，象草系统对污水中NO3--N的吸收转化与黑麦草相似，处理（4）、（5）2 d后NO3—N质量浓度明显高于前1天，处理（2）、（3）也有所提高但不明显，说明高质量浓度的污水硝化作用更强。水力停留1 d后，各处理污水中NO3--N分别降低了69.3%、72.2%、54.8%、55.8%，水力停留8 d后，各处理污水中NO3--N分别为3.22、5.13、6.70、9.44 mg·L-1；去除率分别为86.7%、89.6%、90.9%、90.6%。随着水力停留时间的延长，黑麦草对NO3--N的吸收，各处理到8 d后NO3--N的去除率分别为：65.4%、75.2%、69.9%、66.9%，处理(3) NO3--N的去除率最高，说明黑麦草在适宜NO3—N质量浓度的污水中对NO3--N有很好的吸收能力。象草处理系统硝态氮的去除率比黑麦草处理系统高近20%。这可能是由于象草生物量相对大，初始污水硝态氮较黑麦草处理系统低，夏季气温高有利于硝化作用的进行有关。

图2 不同水力停留时间污水中硝态氮质量浓度Fig.2 NO3--N concentrations in wastewater in different hydraulic retention time

2.2.3 可溶性总氮的去除效果

从图3可见，象草系统对各处理污水中可溶性总氮有很好的吸收转化，在水力停留4 d后，处理（2）的可溶性总氮的去除率达到83.6%，而黑麦草系统的总氮的去除率为70.69%。随着水力停留时间的延长，象草对高质量浓度污水中可溶性总氮的吸收转化增强，到第8天各处理可溶性总氮的去除率分别达到90.3%、90.9%、89.9%和90.0%；黑麦草系统分别为 81.2%、68.1%、69.6%、64.2%；象草处理系统对污水中可溶性总氮的吸收效果好于黑麦草系统，从图3可见，到水力停留4 d后可溶性总氮的去除率都达到 82.1%以上,比黑麦草系统平均高22.7%。虽然黑麦草和象草的生长期不同，人工湿地除氮中植物类型也是一个重要影响因素，植物的生物量大有利于对污水中氮的吸收。

2.2.4 牧草在系统对氮净化中的贡献率

图3 不同水力停留时间污水中的总氮质量浓度Fig.3 TN concentrations in wastewater in different hydraulic retention time

在人工湿地中氮素的去除主要是两个方面，一方面是依靠人工湿地中的植物吸收，作为植物生长的营养物质而进入植物体；另一方面则依靠微生物的硝化和反硝化作用，使含氮物质最终转变成N2，从污水中除去。植物对氮素总去除的贡献，不同的研究者给出不同的研究结果。Breen[11]认为，湿地植物对氮的吸收占到50%，Rogers等[12]认为植物直接吸收氮达到湿地对氮去除量的90%。而根据陈志澄等[13]在人工湿地系统中对27种植物所做的吸收研究认为，27种植物对氮的去除率在75%以上。也有人认为微生物的硝化、反硝化作用被认为是湿地脱氮的主要途径[14-16]。

牧草在系统对氮净化中的贡献率为污水处理中牧草的含氮量减去空白处理中牧草的含氮量与总氮负荷去除量的比值。通过收获牧草地上部和地下部的生物量及测定其氮含量，计算牧草吸收转化污水中的氮量与污水总氮负荷去除量相比。各污水处理象草在系统对氮净化中的贡献率分别为：31.41%、27.62%、22.10%、19.34%；黑麦草在系统对氮净化中的贡献率分别为：25.56%、19.84%、18.32%、16.78%。从结果说明在本试验条件下高质量浓度污水中TN的去除，植物吸收仅是较少的部分；牧草对氮净化的贡献率与氮质量浓度呈负相关，对氮的去除的贡献率较低。

2.3 牧草对污水中磷的吸收转化

2.3.1 牧草对系统中磷的吸收

从表2可见随着污水质量浓度的增加黑麦草植株磷质量分数也增加，处理(4)的磷质量分数最高；不同收割期的黑麦草的磷质量分数呈下降的趋势，第一茬对磷的吸收最高，含磷量第3茬较低，所以黑麦草作为污水修复植物应适时的收割，有利于通过收获植物去除污水中的磷。象草植株的磷质量分数与污水质量浓度很好的正相关，不同生长期植株的磷质量分数呈下降趋势，第一茬象草植株磷质量分数高于后面两茬，这与黑麦草相同，但植株磷质量分数在不同生长期的差异不如黑麦草显著。空白处理象草和黑麦草第3茬植株磷质量分数比第1茬分别降低了22.6%、30.1%，而各污水处理的象草磷质量分数仅降低10%左右，黑麦草磷质量分数也降低了10%左右，这可能是由于栽种黑麦草时的各处理土壤磷质量分数高于栽种象草的土壤，除了污水提供黑麦草可吸收的磷以外，土壤也提供了足够的可利用磷。污水中的磷是通过土壤吸附，微生物转化以供给植物吸收还是植物直接可利用吸收，其中的机理有待进一步的研究探讨。

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后各处理磷质量浓度分别降低了 67.3%、59.4%、52.9%、54.1%。表明土壤基质对污水中磷的固定作用明显。以后的几天去除速度逐渐缓慢，到8 d磷的去除率可达到90%以上。磷的去除率与污水质量浓度呈及显著相关(r=0.8417)。可见黑麦草间歇性人工湿地系统对高质量浓度磷污水净化效果随着质量浓度的增加而增加。图3可见，象草各处理污水的磷质量浓度第1天分别降低了53.5%、36.4%、37.3%、43.3%，比种植黑麦草处理的效果差。这可能是由于进水第1天污水中的磷以土壤吸附为主，各处理土壤全磷、有效磷含量都高于种植黑麦草时的土壤，土壤对磷的吸附具有饱和性，所以水力停留1 d污水中磷的去除效果没有种植黑麦草时好。到 8 d各处理污水中磷质量浓度分别为 0.529、1.774、2.068、3.059 mg·L-1；去除率分别为 93.1%、88.5%、91.1%、90.1%；说明象草植物对污水中磷的吸收也是关键因素。

2.3.3 牧草在系统对磷净化中的贡献率

牧草在系统对磷净化中的贡献率计算与氮相同，通过收获牧草地上部和地下部的生物量及测定其磷含量，计算牧草吸收转化污水中的磷量与污水总磷负荷去除量相比，即为牧草在系统对磷净化中的贡献率。象草在系统对磷净化中的贡献率分别为：38.5、35.4、27.1、23.6%。处理(2)、(3)系统比处理(4)、(5)系统象草对磷净化的贡献率高，说明当系统负荷较低时，植物吸收营养物质的作用比较明显。本试验象草对磷净化的贡献率平均为31.2%，与祝宇慧等[17]认为，植物吸收占湿地TP去除量的35%左右，是TP去除的一个重要途径的结果相符。各污水处理黑麦草在系统中对磷净化的贡献率分别为：33.4、21.2、15.8、11.3%。黑麦草对磷净化的贡献率与磷质量浓度呈负相关。从结果说明在本试验条件下高质量浓度污水中磷的去除，黑麦草吸收仅是很少的部分，这与前人的研究相符，湿地中磷的去除主要依靠基质吸附作用，植物吸收除磷是不明显的。

表2 不同处理牧草磷质量分数Table 2 herbage phosphorus content in different wastewater concentrations %

图4 不同水力停留时间污水中总磷质量浓度Fig.4 TP concent in wastewater in different hydraulic retention time

由于不同的植物种类对磷的吸收能力不同，故在湿地系统中，采用不同的植物往往也是影响污水净化的重要因素。从本试验结果可知，象草植株对污水中磷的去除的贡献率平均高于黑麦草10.7%。徐德福[19]认为氮和磷的吸收主要受湿地植物生物量的影响，地上部分生物量在总的生物量中的比重越高，越有利于湿地生态工程去除氮、磷。

3 结论

象草、黑麦草在间歇性高质量浓度污水中生长良好，作为优良的牧草，即可为奶牛场提供了优良的青储饲料，又可作为畜牧场高质量浓度污水修复植物进行全年轮作，在污水净化中发挥作用。有研究发现植物量随生长周期的变化对湿地净化能力的影响显著，不同种类植物生物量与各种污染物的去除率均显著相关[20]。本试验象草的生物量较黑麦草大，象草对污水氮磷的吸收转化高于黑麦草。象草、黑麦草在生长后期品质不断下降,所以作为污水修复植物应适时的收割，促进其对养分的吸收，有利于通过收获植物去除污水中的氮、磷。

在不同质量浓度处理的黑麦草净化系统中，水力停留时间为8 d的条件下，铵氮的去除率为75.9～88.3%；硝态氮的去除率平均为69.3%；总氮的去除率74.5～83.1%；总磷的去除率90%以上；黑麦草对污水中氮、磷的吸收转化在系统对氮磷净化中的贡献率平均为20.03%和20.42%；在不同质量浓度处理的象草净化系统中，各指标的去除效果与冬春季黑麦草相似，水力停留时间为8 d的条件下，铵氮的去除率为91.2～94.9%；硝态氮的去除率为86.9～90.3%；总氮的去除率91.2%～92.6%；总磷的去除率93.1%～92.6%；象草对污水中氮、磷的吸收转化在系统对氮磷净化中的贡献率平均为25.12%和31.20%。

各处理污染氮磷的去除效果与污水的质量浓度呈负相关，处理（2）出水的铵氮、硝态氮、总氮、磷的去除率比其他各处理高；说明污水负荷影响牧草间歇性人工湿地净化效果。

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