刘永霞 李裕荣 杨梅 周思
摘要:【目的】研究水培空心菜凈化和资源化利用畜禽养殖粪便沼液的可行性,为畜禽养殖沼气工程的沼液净化处理和资源化利用提供科学依据。【方法】在不同稀释倍数的鸡粪沼液中栽培空心菜,研究其对沼液中氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)的削减能力及沼液浓度对水培空心菜生长的影响;并通过在鸡粪沼液中添加华南农大叶菜A配方各营养元素,探讨鸡粪沼液作为水培营养液的限制因子。【结果】不同稀释倍数的鸡粪沼液经空心菜生长吸收后,各项污染物浓度均有不同程度的消减,定植21 d后,各处理NH3-N均达GB 18596-2001的排放浓度要求,以稀释6倍的去除率最高(81.61%);COD、TP和TN均以稀释9倍的去除率最高,分别为78.16%、87.00%和87.96%。稀释12倍鸡粪沼液水培的空心菜植株全重最重(4.83 g/株);不同稀释倍数沼液水培的空心菜还原糖含量均高于华南农大叶菜A配方处理,但沼液水培空心菜易引起Pb、Hg、Cr等重金属在植株体内的过量积累。鸡粪沼液中添加KH2PO4和KNO3,水培的空心菜植株高度、地上部分重和植株全重等指标均表现较优,K可能为空心菜生长的限制因子。【结论】水培空心菜可有效降低沼液中污染物浓度;沼液可作为水培蔬菜的营养液资源化利用,但实际生产中仍需进行必要的养分调控使植物更好生长,并根据植物不同生长阶段对K的需求作进一步调整。
关键词: 鸡粪沼液;空心菜;净化;水培;资源化利用
中图分类号: X703;S317 文献标志码:A 文章编号:2095-1191(2016)08-1297-06
Abstract:【Objective】The present experiment was aimed to study the feasibility of using hydroponic water spinach to purify and utilize the biogas slurry, in order to scientific basis for purification and utilization of biogas slurry from biogas project in livestock and poultry farms. 【Method】Hydroponic water spinach was cultured in different dilutions of chicken manure biogas slurry. Then the ability of hydroponic water spinach to reducing ammonia(NH3-N), total nitrogen(TN), total phosphorus(TP) and chemical oxygen demand(COD) in biogas slurry was investigated, and the effects of biogas slurry concentration on growth of hydroponic water spinach were analyzed. Meanwhile, after adding nutrients South China Agricultural University formula A for leafy vegetable to chicken manure, the chicken manure biogas slurry as the limiting factors of hydroponic nourishing solution were studied. 【Result】The results showed that, after different dilutions of chicken manure biogas slurry were absorbed by water spinach, and the concentrations of pollutants were reduced to varying degrees. After water spinach was cultivated for 21 d, NH3-N concentration of all treatments reached GB 18596-2001 discharge standard, especially the chicken manure biogas slurry diluted 6 times with highest removal rate(81.61%). However, the chicken manure biogas slurry diluted 9 times had the highest COD, TP and TN removal rates(78.16%, 87.00% and 87.96%). The water spinach cultivated in chicken manure biogas slurry diluted 12 times was the heaviest(4.83 g/plant). The reducing sugar content of water spinach cultivated in different dilutions of chicken manure biogas slurry was higher than that cultivated in South China Agricultural University formula A for leafy vegetable, however the heavy metals(Pb, Hg, Cr, etc.) were accumulated excessively in water spinach because water spinach was cultivated in chicken manure biogas slurry. Furthermore, the water spinach cultured in the chicken manure biogas slurry supplemented with KH2PO4 and KNO3 had better growth indexes including plant height, aboveground part biomass, plant weight etc. Therefore, K might be a factor limiting growth of water spinach. 【Conclusion】The hydroponic water spinach can reduce concentrations of pollutants in biogas slurry, and the biogas slurry can be used as nourishing solution, but in order to make plants grow better, the necessary nutrient should be adjusted according to the demand of K plants in different growth stages.
Key words: chicken manure biogas slurry; water spinach; purification; hydroponics; resource utilization
0 引言
【研究意义】规模化畜禽养殖产生的粪尿及高浓度有机废水已成为我国农业环境污染和农村面源污染的主要因素之一,而厌氧发酵产沼气技术是规模化畜禽养殖场粪便污染治理的有效途径(Jiang et al.,2011;王志春,2014)。畜禽养殖粪污经厌氧消化处理后,沼液与原水相比其有机物可减少40%~90%,但对总氮(TN)和总磷(TP)的去除作用小,通常小于10%,沼液中悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、氮(N)和磷(P)等含量仍较高,需经过深度处理后才可达标排放(靳红梅等,2012;秦方锦等,2015)。从处理技术上来看,厌氧发酵液经各种组合工艺(Rajagopal et al.,2011;王峰等,2012;冷守琴等,2015)处理后均可实现达标排放,但受运行成本的影响,制约了其在实际工程中的应用;另一方面,沼液营养成分丰富,且养分主要为速效态,可回收营养物质,将其资源化利用(刘文科等,2009)。因此,探究适宜的沼液处理技术,对沼液资源化利用和污染物减少具有重要意义。【前人研究进展】邓良伟等(2007)采用序批式反应器处理猪场废水厌氧消化液,研究配水比例对处理性能的影响,结果表明,配水30%的处理对出水氨氮(NH3-N)去除效果最佳,且运行稳定。汪小将等(2011)利用3种水培蔬菜对富营养化水体进行净化,结果表明,在水体中生菜的生长状况最佳,包菜次之,油麦菜最差,生菜对富营养化水体中NH4+-N和COD的去除率最高达92%和86%。宋超等(2011)利用浮床栽培水芹净化富营养化水体的研究结果表明,水芹对TP和TN均有较好的去除效果,但未观察到栽植水芹对高锰酸盐指数的降低作用。白晓凤等(2015)利用吹脱+鸟粪石沉淀(MAP)组合工艺处理中温厌氧发酵沼液的研究结果表明,MAP沉淀处理后的沼液出水NH3-N和TP去除率分别达95%和80%,COD和SS去除率分别在40%和32%左右,该工艺既可使沼液得到净化处理,又可回收其中的营养物质。【本研究切入点】利用植物净化水体或沼液用于无土栽培的报道较多,但大多倾向单方面效益的研究,而有关沼液作为蔬菜水培营养液的探讨及其养分调控技术的研究较少,同时兼顾环境效益和经济效益的报道更少。【拟解决的关键问题】以泰国空心菜为研究对象,在不同稀释倍数的鸡粪沼液中进行水培培养,研究水培空心菜对沼液中NH3-N、TN、TP、COD的去除效果及沼液浓度对水培空心菜生长的影响;同时对鸡粪沼液作为水培营养液的限制因子进行探讨,以期为畜禽养殖沼气工程的沼液净化处理和资源化利用提供科学依据。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
供试蔬菜为泰国空心菜,其种子由大洋种苗中国(安顺)有限责任公司生产。鸡粪厌氧发酵沼液采自贵州省贵阳市乌当区永乐乡某养鸡场。沼液样品电导率为6.34 mS/cm,其他理化指标见表1。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 水培系统搭建 水培系统主要包括3个部分。栽培床:长4 m、直径50 mm的PVC排水管,用40的钻头打孔,每隔20 cm打一孔,每管共开25孔用于定植蔬菜苗。营养液槽:容积100 L的塑料箱。营养液循环系统:由黑色PE 16喷滴管和空气泵组成,用渔用小型塑料软管和各支管接入栽培槽中;由水泵把营养液抽进PE 16喷滴管加液主管,加液主管上开两小孔,用小型塑料支管连接到栽培床,营养液通过支管流入栽培床。营养液循环的途径是先用水泵从液槽中将营养液抽出,经加液主管、加液支管进入栽培床,被作物根部吸收后又回到营养液槽,再给泵到加液主管,不断循环。
1. 2. 2 育苗定植 育苗:按1∶3比例混合蛭石与珍珠岩作为固定基质,加水使其充分吸水后装入育苗杯(杯底钻两小孔,便于根伸出)的3/4,每个育苗杯中放2粒空心菜种子,用基质抹平育苗杯边缘后将其放入育苗盘,置于盛清水的塑料箱中培养。定植:将长出两片真叶的空心菜苗从育苗盘中取出,育苗杯置于栽培床相应的孔中进行水培培养。
1. 2. 3 试验设计 试验在贵州省农业科学院花卉大棚进行。采用单因素随机区组设计,用双层纱布过滤鸡粪产沼发酵液,再以自来水将鸡粪沼液原水稀释为6个水平梯度,1#~6#分别为稀释6、9、12、16、19和21倍的沼液,7#为自来水空白,8#为华南农大叶菜A配方营养液(杨竹青等,1996)对照,每处理设3个重复,进行水培试验,标记液面高度。试验期间,根据实际情况加水以补充因蒸发等原因失去的水分,并用冰醋酸调节营养液pH为6.0左右。
以稀释12倍的鸡粪沼液为基础培养液,加入标准华南农大叶菜A配方各营养元素(半剂量),设8个处理,每处理设3个重复,进行空心菜水培试验。试验处理见表2。
试验期间,每天记录大棚温湿度,观察植物生长情况。每7 d采水样进行水质测试,于第21 d收获水培空心菜。用直尺测量植株株高,收获后取蔬菜样品洗净,用滤纸吸干表面水分,称鲜重;置于105~110 ℃恒温干燥箱中杀青30 min,再转移至65~75 ℃干燥箱中烘干至恒重,用粉碎机粉碎后混匀,分析养分含量。
1. 3 测定项目及方法
沼液测定项目:用雷磁pHS-3C精密pH计测量pH,重铬酸钾消解法测定COD,碱性过硫酸钾消解+紫外分光光度法测定TN,纳氏试剂分光光度法测定NH3-N,钼酸铵分光光度法测定TP。沼液主要污染物的去除率計算公式为:去除率(%)=(水培前沼液污染物初始浓度-水培后沼液污染物浓度)/水培前沼液污染物初始浓度×100。
蔬菜样品测定项目:N采用碱解扩散法测定;K采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定;P采用NaOH熔融—钥锑抗比色法测定;Hg、Cd、Cr、Pb、As采用等离子直读法测定;可溶性糖采用葱酮比色法测定。
2 结果与分析
2. 1 水培空心菜对不同稀释倍数鸡粪沼液的净化效果
在平均棚温39 ℃下,不同稀释倍数鸡粪沼液水培的空心菜根部生长茂盛,大量根系交织,可能是根部富集了大量微生物菌群,形成生物滤网,有效沉积和吸附沼液中的SS及有机物污染物,沼液处理14 d后水体由黄色变为基本澄清,无异味。从表3可以看出,不同稀释倍数鸡粪沼液经空心菜吸收后,各项污染物浓度均有不同程度的降低,其中各处理沼液的NH3-N去除效果受稀释倍数影响较大,水培21 d后各处理的NH3-N均符合GB 18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》的排放浓度(80 mg/L)要求,以1#处理的去除率最高(81.61%),6#处理的去除率最低(51.80%)。各处理对降解COD、TN、TP的规律也相似,均表现为稀释倍数较小处理的去除率高于稀释倍数较大处理,均以2#处理的去除率最高,但COD和TN以4#处理的去除率最低,TP以1#处理的去除率最低。
2. 2 不同稀释倍数沼液对空心菜生长及品质的影响
2. 2. 1 对空心菜生长的影响 由表4可知,定植21 d后,不同稀释倍数沼液水培的空心菜生长状况差异较明显。植株高度、地上部分重和植株全重均以8#处理效果最佳、7#处理最差;空心菜根部生长以3#处理最佳。说明鸡粪沼液可作为营养液用于水培空心菜,但其适宜的稀释倍数还需进一步调整。
2. 2. 2 对空心菜矿物质元素含量的影响 植物地上部矿质元素含量不仅是评价植物品质的重要指标,还能反映植物的养分利用效率。从表5可以看出,空心菜地上部分和根中N、P、K含量均以8#处理最高;沼液不同稀释倍数处理的植株根中N、P、K含量分别以4#、2#和1#處理最高,沼液植株地上部分N含量以5#处理最高、P含量以2#处理最高、K含量以1#处理最高,与在根中的变化规律相似,随稀释倍数的增加K含量逐渐降低。
2. 2. 3 对空心菜品质的影响 还原糖是光合作用的初级产物,再由其形成淀粉、纤维素、蛋白质和脂肪等。因此,测定植株中的糖含量可以研究植物体内的碳氮代谢。1#~8#处理空心菜还原糖含量分别为:4.19%、3.62%、4.99%、3.86%、5.26%、6.63%、4.74%和2.88%。可见,沼液稀释各处理的水培空心菜还原糖含量均高于标准液的水培空心菜还原糖含量,以6#处理的还原糖含量最高,说明用沼液作为水培营养液可提高蔬菜品质。
不同处理植株地上部分重金属含量如表6所示。按新鲜空心菜水含率为80%折算后(即表6中数据×20%),植株地上部分未检出As,Cd含量也较低,均未超过GB 2762-2012《食品安全国家标准食品中污染物限量》规定限值(As 0.5 mg/kg,Cd 0.2 mg/kg),而Pb和Hg除7#处理外,其余处理均超过GB 2762-2012的金属限值(Pb 0.3 mg/kg,Hg 0.01 mg/kg)规定;1#、2#、4#、8#处理的空心菜Cr含量超出GB 2762-2012的重金属限值(Cr 0.5 mg/kg)规定,其中以1#和2#处理的含量较高。
2. 3 鸡粪沼液添加营养物质对空心菜生长及品质的影响
2. 3. 1 对空心菜生长的影响 从表7可以看出,定植21 d后,鸡粪沼液中添加不同营养物质处理的水培空心菜生长状况差异较明显,植株高度、地上部分重、植株全重和根重均以Ⅱ-3处理最高,其次为Ⅱ-7处理,而Ⅱ-5处理最差。初步结果显示,K可能为空心菜生长的限制因子,因此在实际生产中还需根据植物不同生长阶段对K的需求作进一步调整。
2. 3. 2 对空心菜矿物质元素的影响 由表8可知,沼液添加不同营养物质的水培空心菜植株根中N、K含量均以Ⅱ-8处理最高,P含量以Ⅱ-3处理最高;植株地上部分N、P含量与根一致,分别以Ⅱ-8和Ⅱ-3处理最高,K含量则以Ⅱ-7处理最高,其次为Ⅱ-3、Ⅱ-1和Ⅱ-8处理,而Ⅱ-5处理最低。
2. 3. 3 对空心菜品质的影响 Ⅱ-1~Ⅱ-8处理植株地上部分还原糖含量分别为2.80%、2.17%、1.81%、1.70%、2.44%、1.95%、1.98%和1.93%,以添加K2SO4的Ⅱ-1处理空心菜的还原糖含量最高,其次为添加MgSO4·7H2O的Ⅱ-2处理和添加Ca(NO3)2·4H2O的Ⅱ-5处理,而添加NH4NO3的Ⅱ-4处理最低。可见,在沼液中添加适量的K、Mg、Ca等离子有利于提高空心菜品质。
不同处理植株地上部分重金属含量如表9所示。按新鲜空心菜水含率为80%折算后(即表9中数据×20%),植株地上部分As和Cd含量较低,部分样品未检出,均未超过GB 2762-2012的限值规定;而Cr含量除Ⅱ-4处理外,其余处理均超过GB 2762-2012的限值规定;各处理植株地上部分的Hg含量均超过GB 2762-2012的限值规定;Pb含量除Ⅱ-3和Ⅱ-6处理外,其余处理均低于GB 2762-2012的限值规定。
3 讨论
已有研究表明,沼液水培蔬菜可净化水质。黄婧等(2008)研究发现,水蕹菜浮床对TN的吸收量为73.06 g/m2,对TP的吸收量为20.21 g/m2,以TN计,1 m2水蕹菜可将73.06 m2水由V类净化到III类,以TP计,可净化134.73 m2水;张玲玲等(2011)用猪场沼液水培芹菜,种植80 d后,稀释30倍的沼液对TN的去除最高达94.6%,稀释10倍的沼液对TP的去除最高达90.6%。本研究将鸡粪沼液用于水培空心菜后,沼液中NH3-N、COD、TP、TN等污染物浓度均大幅度降低,其中NH3-N的去除率为51.80%~81.61%、COD去除率为50.40%~
78.16%、TP去除率为64.26%~87.00%、TN去除率为65.54%~87.96%。可见,用沼液水培蔬菜对水体中TN、TP和COD的去除均有较好的效果,与黄婧等(2008)、张玲玲等(2011)的研究结果一致。
沼液水培蔬菜可实现废物资源化利用的目的,但沼液浓度及沼液中营养物质含量等因子对水培蔬菜生长及品质影响较明显。Sooknah和Wilkie(2004)采用大型水生植物处理奶牛场冲栏厌氧消化液,发现水生植物无法在未经稀释的厌氧消化液中生长,沼液中的高盐分是主要的限制因素;沈祥军等(2013)研究新鲜的猪场沼液和牛场沼液型营养液对番茄生长的影响,结果表明,稀释12倍的牛沼液营养液对番茄植株的株高、茎粗、根冠比等有较大促进作用,且番茄果实产量显著提高;李裕荣等(2013)以猪粪、牛粪、鸡粪发酵液水培蕹菜和叶用莴苣,结果表明,两种蔬菜均能在其发酵营养液中较好生长。本研究结果与上述研究结果基本相似,利用鸡粪沼液配制空心菜水培液,空心菜可正常生长,但生长状况有差异,在种植期间,沼液处理的植株生物量均低于常规营养液处理,鸡粪沼液处理中以稀释12倍处理的空心菜生物量最高;不同稀释倍数沼液处理空心菜还原糖含量均优于常规营养液处理,显示利用沼液配制蔬菜水培液的优势,但利用沼液种植蔬菜易引起蔬菜Pb、Hg、Cr等重金属过量积累,因此实际生产中应加强对饲料和使用药物的控制;在鸡粪沼液中添加适量的K、Mg、Ca等离子有利于空心菜品质的提高。此外,本研究栽培期间沼液pH主要维持在10.0左右,易导致某些养分特别是微量元素离子失效,如栽培期间出现缺铁症状,因而对水培液pH的调控亦是关键。
4 结论
水培空心菜可有效降低沼液中污染物浓度;沼液可作为水培蔬菜的营养液资源化利用,但实际生产中仍需进行必要的养分调控使植物更好生长,并根据植物不同生长阶段对K的需求作进一步调整。
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