利用空心莲子草阻控猪场废水扩散

曹志强，张 刚，王德建，郑继成，张世洁

(1.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049)

近年来农村养殖业飞速发展，产生了大量养殖废水，处理不当易导致周围水体富营养化[1]。相关调查结果表明，中国畜禽养殖业的各项排污在农业源中对化学需氧量(COD)、总磷(TP)和总氮(TN)的贡献已分别达到总量的 95.8%、56.3%和37.9%[2]。目前，主要依靠物理、化学及生化途径实现养殖废水脱氮除磷,去臭去色，但由于经济、地形等因素限制，这类规模化处理方式对国内许多中小型养殖场而言难以实现[3]。因此，以人工湿地为主的植物修复方法因其经济、便捷、高效等优点倍受青睐[4-7]。

空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)是苋科莲子草属的2栖多年生宿根草本植物，又称水花生、喜旱莲子草等[8]，其原产于南美洲，是一种外来植物[9-11]。由于有较大的植株体和根系，近年来研究人员将其应用于富营养化水体的植物修复中，也已证明空心莲子草对重金属镍(Ni)、锌(Zn)、铬(Cr)、铅(Pb)等具有富集作用[12-15]。目前，这些以空心莲子草为主题的植物修复法多停留于理论及实验室研究阶段，基本未见实际应用[16-18]。本研究以江苏省常熟市辛庄镇驰马塘河岸边一养猪场的排污塘为研究对象，监测分析养猪场排污口密集生长的空心莲子草对猪场废水的源头拦截作用，以期为这类小型养殖场排放废水的源头控制提供一种便捷、经济的处理方法。

1 材料与方法

1.1 试验场地

试验所在的养猪场位于江苏省常熟市辛庄镇吕舍村驰马塘河道北侧，养猪场四周为农田、池塘等，其生猪存栏量500只左右，已经营5年以上，猪场废水每日排放，日均粪污排放量 5～8 t左右，由长约100 m的沟渠排放至内河池塘。池塘沿岸浅水区自排污口由北至南为密集生长空心莲子草的矩形水域，长约40 m，宽约8 m。区域内空心莲子草密度约为1 m2220～265株，空心莲子草鲜质量为 8.2～9.6 kg/m2，水下部分深度 25～35 cm，12月温度近0 ℃及更低后开始枯败，枯败后未进行清理工作，至来年2～3月平均温度回升至10 ℃以上时开始出苗，4月中旬进入快速生长期。试验场地地形如图1所示。试验期间，该地区气温较稳定(15～20 ℃)。

图1 试验场地地形示意图Fig.1 Schematic of topography for experimental field

1.2 试验设计

试验以这片空心莲子草密布的区域为研究区，从2017年3月30日开始进行定点采样分析工作，到2017年5月19日最后一次采样结束，处理分为2个阶段，前期(0～20 d)有空心莲子草生长，后期(22～50 d)没有空心莲子草生长，于第 20～21 d进行研究区水草的清除工作。在 0～20 d，对研究区域内的空心莲子草进行生物量测定，以0.5 m2的采样方框在区域内按蛇形布点法取样方5块，计数样方内空心莲子草株数，沥水后称鲜质量，同时使用量尺对沉水部分深度进行测量。采集的空心莲子草在称量、计数后放回原处，以保证研究区域内的空心莲子草密度保持一致。

1.3 监测方法

底泥TN含量采用凯氏定氮法测定，底泥TP含量采用钼锑抗法测定[20]。

1.4 数据处理及统计分析

试验数据使用Excel软件进行计算分析，使用Origin pro 9进行绘图分析，使用SPSS18.0 进行不同处理之间的差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 空心莲子草对猪场废水的净化效果

研究区域水体pH差异极小，在空心莲子草去除前后水体pH基本没有变化，监测结果显示水体pH为7.75±0.13，属中性偏弱碱水质。试验期间，水体温度为 16～20 ℃，温差较小。在前20 d，研究区域内有空心莲子草密集分布，猪场废水进入池塘后受到了植物带阻隔。开始试验时，空心莲子草刚返青不久，1 m2水域中空心莲子草平均数量在 (220±6)株，平均鲜质量为 (8.20±0.37) kg，水下部分深度为 (25.0±3.2) cm。在试验的第20 d，1 m2水域空心莲子草平均数量在 (265±8)株，平均鲜质量为 (9.60±0.54) kg，水下部分深度 (35.0±4.7) cm。可见，4月份温度升高后，空心莲子草生长十分迅速，生物量大量增加。在第 20～21 d，进行空心莲子草的清除工作，此后研究区内无空心莲子草生长，猪场废水不再受到植物带阻隔。

在清除空心莲子草前后，各监测点的COD质量浓度均分别维持在一个较为稳定的范围内(图2)。在 0～20 d，监测点间距离对水体COD质量浓度具有显著影响，其中监测点A的COD质量浓度最高，监测点F浓度最低。在 22～50 d，不同监测点间COD质量浓度差异显著，但各监测点COD质量浓度差异变小。在空心莲子草覆盖期，水体COD质量浓度在监测点A至F的质量浓度分别为83.7 mg/L、32.6 mg/L、21.0 mg/L、17.2 mg/L、13.5 mg/L、12.7 mg/L；相较于监测点A，监测点B、C、D、E、F的COD质量浓度分别降低61.1%、74.9%、79.5%、83.9%、84.8%。方差分析结果表明，监测点B、C、D、E之间COD质量浓度均有显著差异，而监测点E和F之间差异不显著。这表明空心莲子草覆盖可有效阻隔废水的扩散，监测点E处(距排污口20 m)阻隔作用已经达到较好的效果。空心莲子草清除后，监测点A、B、C、D、E、F处的COD质量浓度分别为71.9 mg/L、66.2 mg/L、54.3 mg/L、49.7 mg/L、46.4 mg/L、43.6 mg/L，与空心莲子草覆盖期间相比较，除了监测点A浓度下降14.1%外，其余各点均呈增加趋势，分别增加103%、159%、189%、244%、243%。这同样说明空心莲子草能有效阻隔废水的扩散，在空心莲子草覆盖期养殖废水中的有机污染物主要被阻隔在 0～2 m区域。

图2 清除空心莲子草前后各监测点水体COD质量浓度动态变化Fig.2 Dynamic change of chemical oxygen demands(COD) concentration before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring point

图3 清除空心莲子草前后各监测点水体质量浓度动态变化Fig.3 Dynamic change of concentration before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring point

在空心莲子草去除前后，不同监测点水体TN含量同样分别维持在相对稳定的范围(图4)。0～20 d的监测结果表明，监测点A至F的TN质量浓度分别为15.0 mg/L、3.48 mg/L、3.33 mg/L、3.20 mg/L、2.99 mg/L、2.74 mg/L，监测点距离对水体TN质量浓度有显著的影响。与监测点A相比，监测点B、C、D、E、F处TN质量浓度分别降低了76.8%、77.8%、78.7%、80.1%、81.7%，表明空心莲子草能有效阻隔TN在水体中的扩散。方差分析结果表明，相较于监测点A，监测点B、C、D的TN质量浓度显著减低，但B、C、D之间无显著差异；监测点E的TN质量浓度较监测点B显著下降，但与C、D之间无显著差异，而监测点E、F之间均没有显著差异，这表明本试验中20 m长的空心莲子草截污带即可有效阻隔废水中TN的扩散。22-50 d的监测结果显示，在空心莲子草清除后，水体TN质量浓度分别为5.77 mg/L、5.21 mg/L、4.70 mg/L、4.64 mg/L、4.66 mg/L、4.44 mg/L，各监测点的TN质量浓度差异明显减小，但仍以监测点A的TN质量浓度较高，与其他监测点存在显著差异，此外，监测点C至F间的TN质量浓度差异均不显著。与空心莲子草覆盖期相比较，监测点A处TN质量浓度降低了61.5%，其余各点均呈增加趋势，分别增加49.7%、41.1%、45.0%、55.9%、62.0%。说明空心莲子草覆盖能有效阻隔废水中TN的扩散，TN主要被空心莲子草阻隔在0～2 m区域内。

图4 清除空心莲子草前后各监测点水体TN质量浓度动态变化Fig.4 Dynamic change of TN concentration before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring points

空心莲子草清除前后，不同监测点水体TP质量浓度发生剧烈变化，但清除前及去除后两时间段内波动较小(图5)。0～20 d的监测结果表明，TP质量浓度从监测点A到F呈现下降趋势，不同监测点之间TP质量浓度差异显著。监测点A至F的TP质量浓度分别为14.90 mg/L、10.30 mg/L、7.05 mg/L、5.66 mg/L、4.57 mg/L、3.84 mg/L，与监测点A相比，监测点B、C、D、E、F处TN质量浓度分别降低了30.9%、52.7%、62.0%、69.3%、74.2%，表明空心莲子草能有效阻隔废水中TP在水体中的扩散。22～50 d的监测结果显示，各监测点的TP质量浓度差异性明显变小，A、B点TP质量浓度稍高，各监测点TP质量浓度分别为8.83 mg/L、8.36 mg/L、8.08 mg/L、7.97 mg/L、7.64 mg/L、7.28 mg/L，与空心莲子草覆盖期相比较，监测点A和B处TP质量浓度分别降低了40.7%和18.8%，其余各点均呈增加趋势，分别增加14.6%、40.8%、67.2%、89.6%。说明空心莲子草覆盖能有效阻隔废水中TP的扩散，TP主要被空心莲子草阻隔在0～5 m区域内。

图5 清除空心莲子草前后各监测点水体TP质量浓度动态变化Fig.5 Dynamic change of total phosphorus concentration before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring point

在空心莲子草覆盖时和清除后的2个阶段中，各监测点的水体浊度同样分别维持在相对稳定的范围(图6)。0～20 d的监测结果表明，自监测点A至F，水体浊度呈明显下降趋势，各监测点的水体浊度存在显著差异，其中A、B点远高于其他各点。监测点A至F的平均浊度分别为89.0、78.9、50.2、38.3、32.8、30.2，与监测点A相比，B、C、D、E、F处水体浊度分别降低了11.3%、43.5%、57.0%、 63.1%， 66.1%。这表明空心莲子草对水体中悬浊物起到了阻隔效果。22～50 d的监测结果显示，各点的水体浊度差异变小，监测点A至F的水体浊度分别为73.8、71.5、68.7、67.1、64.4、62.1，仍以A、B点浊度稍高， A、B及E、F点间浊度差异显著，但C、D间水体浊度差异不显著。监测点A、B的浊度在空心莲子草清除后呈下降趋势，分别下降了17.1%、9.4%，而监测点C至F，浊度则呈升高趋势，分别增加了36.8%、75.5%、96.1%、106.0%。说明空心莲子草对猪场废水扩散有很好的阻隔效应，水体中悬浊物主要被阻隔在0～5 m 的水草区域内。

图6 清除空心莲子草前后各监测点水体浊度动态变化Fig.6 Dynamic change of turbidity before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring point

2.2 空心莲子草对猪场废水中氮、磷的沉积效果

各监测点在50 d内3次底泥TN、TP监测结果(图7)表明，与水质的剧烈变化不同，清除空心莲子草前后，排污塘内同一监测点底泥的TN、TP含量几乎没有变化，不同时间段的监测结果没有显著差异。

监测点与排污口的距离对底泥TN、TP含量具有显著影响，各监测点底泥TN、TP含量与距排污口的距离均呈显著负相关(rTN=-0.89，rTP=-0.86)，其中监测点A底泥TN、TP含量最高，这表明空心莲子草覆盖能阻隔废水中TN、TP的扩散，使水体中TN、TP沉积到底泥中。本研究中监测点A、B底泥TN、TP含量是其他监测点的 1.24～3.48倍，说明在0～5 m区域内，大量污染物被阻隔沉积下来。方差分析结果表明，监测点A、B、C、D与监测点E间底泥TN、TP含量差异显著，而监测点E和监测点F间差异不显著，表明空心莲子草的有效截污距离为20 m(E监测点)，此处底泥TN、TP含量分别为2.76 g/kg、0.86 g/kg，较监测点A，TN、TP含量分别降低了55%、68.9%。

各监测点见图2注。柱形图上方不同字母表示不同监测点间有显著差异(P<0.05)。图7 不同监测点底泥氮、磷含量动态变化Fig.7 Dynamic change of nitrogen and phosphorus at different points

3 讨 论

综上所述，在清除排污池塘内空心莲子草前后，池塘水质发生显著变化，这种变化在距排污口较近的水域表现为水质改善，而在距排污口较远的水域表现为水质变差。在底泥中，氮、磷养分物质大量富集于排污口附近，且不随空心莲子草的清除发生迁移。这都表明密集生长的空心莲子草能够有效阻隔废水污染物的扩散，使污染物在排污口沉积。猪场废水排出后，大量污染物被空心莲子草阻隔沉降至排污口附近的底泥中，使排污口附近底泥中污染物含量远高于远处。在距排污口更近的水域，底泥中释放的污染物也更多，并被空心莲子草拦截使其无法有效扩散至远处，从而造成排污口附近水质恶劣，而远处的水质状况较好。

由底泥的监测数据可见，大量的污染物聚集在排污口附近的区域中(0～5 m)，在进行塘内底泥清淤等修复作业时，主要的工程任务可以集中在距排污口0～14 m的范围内。猪场废水作为一种固液混合的高浓度废水，空心莲子草的存在有效阻隔了猪场废水排放时的污染扩散，特别是阻止了固态物质向其他水域的迁移，使其淤积在排污口附近的底泥中。袁旭音等[27]对太湖底泥氮、磷含量空间分布情况的研究结果表明，靠近居民生活区、农业区、养殖区周围的底泥氮、磷含量明显高，这与污染物在排污口周围沉积有关。在空心莲子草清除前后，底泥中氮、磷含量并未发生显著变化。这主要是因为该重度富营养化的底泥源自5年以上猪场排污累积，是由空心莲子草截污带持续截留污染物沉积造成的，而空心莲子草清除后，本研究的底泥监测时间较短，30 d的无阻隔排污对已重度富营养化的底泥影响甚微。且在底泥环境中，污染物固定后迁移难度较大，故各监测点底泥中氮、磷含量变化不大。这也与试验池塘内水面波动较小，水力条件稳定，试验周期内温度变化较小等有关[28]。本研究区域的底泥氮、磷含量分布趋势与未清除空心莲子草前的水体污染物浓度相对应，因为在空心莲子草覆盖水域时，水域中的污染物迁移受到阻隔，而底泥TN、TP含量更高的区域，其释放的大量污染物同样被限制在附近水域，未能扩散至更远区域的水体中。