基于秸秆材料的生物基质系统对养殖废水污染物去除效果研究

蒋磊 ，郭宁宁 ，刘铭羽 ，彭健 ，李希，张满意，李裕元*，吴金水

（1. 中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410006）

随着社会经济的不断发展和环境治理力度的逐渐加大，我国点源污染基本得到了全面控制，而面源污染则逐渐成为地表水体的主要污染源，也是我国当前面临的主要环境问题之一[1-3]。据第二次全国污染源普查公报显示，畜禽养殖污染源是我国农业面源污染的主要来源，其中化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）分别占农业污染源的96%、38%和56%。因此，如何处理畜禽养殖废水，降低其污染物排放量、恢复污染水体的综合功能已成为当前的主要研究热点。

目前国内对养殖废水的处理工艺主要有直接还田、自然处理（氧化塘、人工湿地等）和工业化处理（好氧法、厌氧法）等模式[4-5]。人工湿地技术具有建设成本低、治污效果好、运行维护简单、且可实现氮磷的资源化利用等特点，已被广泛运用于农村污水的生态处理[6-9]。但是由于养殖废水污染物浓度较高，一般情况下均会远远超过植物的耐受范围，若将其直接排入人工湿地，则湿地植物将无法正常生长，甚至导致湿地系统功能的完全崩溃。因此，采取措施适度降低养殖废水污染物浓度是采用人工湿地法处理高浓度养殖废水的重要前提。中国科学院亚热带农业生态研究所成功研发出一套养殖废水生态治理和资源化利用的综合技术体系，前端主要是利用生物基质消纳系统对高浓度养殖废水进行初步消纳，然后在后端构建绿狐尾藻人工湿地来进一步净化污水，对降低养殖业粪污水导致的污染具有显著效果[10-13]。将农作物秸秆作为生物基质材料来处理养殖废水，不仅可以解决微生物过程中碳源不足的问题，同时也在一定程度上解决了作物秸秆的后续处理问题[14]。前期的研究结果表明，通过利用三大粮食作物秸秆（麦秸、稻草和玉米秆）处理养殖废水，均能有效去除养殖废水中的COD、N和P，平均去除率为30%～45%，同时发现3种秸秆材料的补充周期为3～5个月[15-17]。农作物秸秆取材方便、成本低廉和质地较软，但降解较快，需要定期补充，消耗一定的人力物力，因此探讨新的有机材料并能适当延长有效作用时间，可在一定程度上降低基质消纳系统的运行成本，而芦苇在南方平原河网地区分布广泛，且茎秆坚韧，木质素和纤维素含量高，是否可用于基质消纳材料值得进一步深入研究。基于此，本研究选取同属禾本科但物理性质差异较大的两种有机材料，即稻草和芦苇，通过试验比较两者对养殖废水中主要污染物的处理效果及其自身降解特征，探究生物基质消纳系统对养殖废水中主要污染物去除效果的影响，以期为可用于养殖废水前期处理的低成本基质材料提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于湖南省长沙县金井镇湘丰村的中国科学院长沙农业环境观测研究站（112°56′～113°30′E，27°55′～28°40′ N），区内为典型亚热带湿润季风气候，多年平均气温17.5 ℃，最低气温-5.2 ℃，最高气温40.1 ℃。区内平均降水量1 200～1 500 mm，且降水主要集中在3—7月。区内为双季稻种植区，稻草资源十分丰富。研究区距离洞庭湖区70 km，湖区每年的芦苇产量高达100万t以上，由于近年来的环境污染问题，环湖地区的造纸企业全部关闭，导致这些芦苇尚未找到合适的开发利用途径，本研究也试图将其用作治污材料，希望能为芦苇的合理利用探索出一条新的路径。

1.2 试验设计

本试验设置稻草、芦苇和对照共三个处理，每个处理3次重复，各处理由3个同等规格的基质池（长×宽×深=100 cm×50 cm×70 cm）串联形成生物基质处理系统（图1），每个池内（除对照处理外）提前填充12.5 kg经风干并经破碎处理的秸秆，并在每个池内预先放入6个填装40 g秸秆材料的白色尼龙网袋。基质处理系统的运行方式为：经厌氧处理后的养殖废水（沼液）由蠕动泵从储水池泵入第一级基质池，再由水力推动向下逐级流动，经过三级基质池处理后，出水排入绿狐尾藻人工湿地经进一步生态处理后达标排放。基质处理系统的水力停留时间（HRT）设置为7 d，进水流量控制为50 L/d，均采用连续进水方式。试验时间为2019年11月1日—2020年5月10日，总计运行时间为190 d。

本研究所用的芦苇采自于环洞庭湖地区的湖南省沅江市，稻草收集于中科院长沙农业环境观测研究站附近的稻田，两种秸秆材料基本成分含量见表1。稻草中含碳量为450.00 mg/g，含氮量为12.40 mg/g，碳氮比（C/N）为36.3∶1；芦苇中含碳量为460.00 mg/g，含氮量为13.50 mg/g，碳氮比（C/N）为34.1∶1。

本研究所用养殖废水（沼液）均来自长沙县白沙乡大花养猪场，水质有一定的波动性，试验期间不同污染物变化范围依次为：COD为557.83～1 547.47 mg/L，TN为202.82～462.17 mg/L，NH4+-N为149.58～390.92 mg/L，TP为30.79～76.56 mg/L。

表1 稻草与芦苇秸秆的主要成分与含量（mg/g）Table 1 Main components and content of rice and reed straw (mg/g)

1.3 水样采集与分析

试验开始后定期观测水质物理指标和采集进出水口水样，观测采样频率为每10 d一次。其中水体物理化学指标pH值、水温、氧化还原电位（Eh）和溶解氧（DO）采用哈希便携式水质分析仪（HQ40d）现场测定，其它水质指标TN、NH4+-N、TP和COD全部采用国标法在实验室测定，其中TN测定采用碱性过硫酸钾消解—流动注射仪法（GB 11894—89），NH4+-N直接用水样过0.45 μm滤膜后上AA3流动分析仪，TP浓度测定采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法（GB 11893—89），COD测定采用重铬酸盐法（GB 11914—89）。

1.4 基质材料的采集与分析

基质材料样品每月采集一次，每次从基质池中取出预先埋设的白色尼龙网袋，将其中的基质材料清洗后放于纸质信封袋内，于105 ℃烘箱中杀青30 min，然后于60 ℃下烘至恒重，称干重，将烘干的样品直接研磨、过筛（40目）处理后，用于纤维素、半纤维素和木质素的测定。使用FT12自动纤维分析仪测定纤维素、半纤维素和木质素含量。粗灰分测定采用550 ℃马弗炉焚烧法。

1.5 数据统计与分析

污染指标去除率（r）的计算方法为：

式中：C1和C2为基质系统进、出水浓度(mg/L)。

生物基质系统单位体积污染物平均去除负荷（Qw）计算方法为：

式中：Qw为生物基质系统单位体积污染物平均去除负荷（g/(m3·d)）；n为采样次数；i为采样频次；V1为生物基质系统中水体有效体积（m3）；t为水力停留时间（d）；V2为生物基质系统有效体积（m3）。

纤维素、木质素和半纤维素含量计算方法为：通过中性、酸性洗涤纤维质量间接计算纤维素（X）、半纤维素（Y）和酸性洗涤木质素（ADL）含量。中性洗涤纤维（NDF）包括纤维素、半纤维素、木质素和硅酸盐，酸性洗涤纤维（ADF）包括纤维素、木质素、硅酸盐。各纤维成分质量分数计算方法为：

式中：m1为纤维袋和NDF的质量（g）；m2为纤维袋的质量（g）；m为样本的质量（g）；m3为纤维袋重和ADF的质量（g）；CZ为经72% H2SO4处理后的残渣的质量分数（%）；粗灰分（CHF）为马弗炉灼烧后残余物质量分数（%）。

文中所列数据均为3次重复试验的平均值，采用Excel 2018软件进行处理分析和作图，并用SPSS 20.0进行one-way ANOVA单因素方差分析，在检验水平P＜0.05下分析差异显著性。

2 结果与分析

2.1 COD浓度与去除负荷的动态变化

连续6个月的试验结果表明，两种基质材料对养殖废水中的COD均有一定的去除效果。由于猪场存栏猪数量的动态变化和季节影响等原因，养殖废水中COD等主要污染物浓度有一定的波动性，试验期内进水COD浓度为557.83～1 547.47 mg/L，但经稻草和芦苇基质处理系统后，出水COD浓度分别降低到398.55～1 322.75和362.18～758.00 mg/L（表2），平均去除率为36.0%和50.6%，是对照组处理效率的4～7倍（图2）。从时间动态来看，试验初期（2019年11月），由于秸秆材料添加会导致废水中COD含量的急剧增加，其中，稻草和芦苇基质系统出水COD浓度分别高达3 117.25 mg/L和1 600.75 mg/L，但从第二个月开始秸秆材料对COD的去除效果才开始显现出来（表2），尽管整体上两种秸秆材料对COD的去除效果均有一定的波动性，但除了第一个月以外，去除率均达到36%以上，显著高于对照处理。

试验期内，稻草、芦苇和对照3种处理对COD的平均去除负荷分别为58.49、87.28和10.98 g/(m3·d)，其中芦苇基质系统去除负荷在2019年12月达到最高，为125.96 g/(m3·d)，而稻草在翌年2月达到最高，为87.49 g/(m3·d)。

表2 不同处理下基质系统COD进出水浓度（2019—2020）Table 2 COD concentration of inlet and outlet water in substrate systems under different treatments

2.2 NH4+-N和TN浓度与去除负荷的动态变化

试验期内，生物基质处理系统对NH4+-N有良好的去除效果。试验期内进水NH4+-N浓度范围为149.58～390.92 mg/L，经稻草和芦苇处理后，出水NH4+-N浓度分别降低到30.11～197.43和63.89～248.36 mg/L（表3），平均去除率为44.9%和33.4%，是对照组处理的6～9倍（图3）。从时间动态上来看，试验初期（0～10 d）稻草和芦苇对NH4+-N的去除效率均为最高，分别为79.9%和57.3%，之后均呈现出快速下降的趋势。在30～170 d，二者均转变为缓慢升高并渐趋稳定的变化趋势，在170 d之后开始快速降低。

试验期内，稻草、芦苇和对照3种处理对NH4+-N的平均去除负荷分别为17.38、13.00和1.94 g/(m3·d)，从3个处理的情况来看，最高去除负荷出现在第160 d的稻草基质系统，为31.33 g/(m3·d)，最低去除负荷出现在第60 d的对照系统，仅为0.13 g/(m3·d)（图3）。整体而言，两种基质材料对NH4+-N的去除效果均呈现出明显的阶段性，而稻草去除效果明显优于芦苇。

表3 不同处理下基质系统NH4+-N进出水浓度（2019—2020）Table 3 NH4+-N inlet and outlet water in the matrix system under different treatments

基质材料对TN的去除效果也表现良好。试验期内进水TN浓度范围为202.82～462.17 mg/L，经稻草和芦苇处理后，出水TN浓度范围分别为74.16～291.67 mg/L和95.01～340.97 mg/L（表4），平均去除率为39.2%和30.0%，是对照组处理效率的5～6倍。从时间动态上来看，两种基质材料对TN的去除效率与对NH4+-N的去除效率的总体变化趋势相似，均表现为先急剧降低然后逐步升高并趋于稳定，后期快速下降的变化趋势。试验期内，稻草、芦苇和对照3个处理对TN的平均去除负荷分别为19.84、14.89和3.02 g/(m3·d)（图4），两种基质材料对TN的去除效果与NH4+-N基本一致，均以稻草的去除效果相对较好。

表4 不同处理下基质系统TN进出水浓度（2019—2020）Table 4 TN concentration of inlet and outlet water in substrate systems under different treatments

2.3 磷素浓度与去除负荷的动态变化

从表5可以看出，经生物基质系统处理后，养殖废水中TP浓度有显著降低。试验期内进水TP浓度范围为30.79～76.56 mg/L，经稻草和芦苇处理后，出水TP浓度分别降低到18.91～55.69和19.81～55.87 mg/L，平均去除率为39.6%和28.8%，为对照组处理效率的4～5倍（图5）。从时间动态上来看，两种材料对TP去除率的变化趋势相似，在0～40 d，对TP的去除效率呈下降趋势，之后有所上升，虽有起伏，但整体呈现一个较稳定的趋势。

表5 不同处理下基质系统TP进出水浓度（2019—2020）Table 5 TP concentration of inlet and outlet water in substrate systems under different treatments

试验期间，稻草、芦苇和对照3个处理对TP的平均去除负荷分别为3.02、2.12和0.58 g/(m3·d)，最高去除负荷出现在第170 d的稻草基质系统，为5.38 g/(m3·d)，最低去除负荷为第5 d的对照系统，为0.04 g/(m3·d)。整体而言，两种基质材料的除磷效果显著，也是以稻草表现为优。

2.4 基质材料降解特征比较与分析

从两种基质材料中总干物质量及纤维素、半纤维素和木质素的质量分数变化及其降解情况来看，总的来说，稻草降解速率明显快于芦苇（图6），其中稻草月平均降解率为8.0%，芦苇月平均降解率为3.6%。从其动态变化来看，稻草和芦苇中干物质量均呈现为先快后慢的降解趋势。

两种基质材料中三种主要成分的降解情况也显著不同，其中稻草纤维素的质量分数呈现出先快后慢的降解趋势，而芦苇纤维素的质量分数则基本上是呈现为均匀缓慢下降的变化趋势，稻草纤维素的月平均降解率为10.2%，而芦苇纤维素的月平均降解率为5.5%。稻草半纤维素的质量分数呈现缓慢下降的变化趋势，而芦苇半纤维素则是呈现先快后慢的降解趋势，稻草半纤维素的月平均降解率为5.6%，而芦苇半纤维素的月平均降解率则为2.9%。两种基质材料中木质素的质量分数均呈现缓慢下降的趋势，其中稻草木质素的月平均降解率为2.0%，芦苇木质素的月平均降解率为1.0%。

总的来说，稻草中干物质、纤维素、半纤维素和木质素的降解速率均快于芦苇，其中稻草各成分的平均月降解率约是芦苇的2倍。两种基质材料中三种成分的降解率变化趋势完全一致，均为纤维素＞半纤维素＞木质素。

2.5 污染物去除效果与环境因子间的相关性分析

从生物基质处理系统水环境因子的观测结果来看，试验期内在芦苇和稻草生物基质消纳系统中养殖废水DO的平均值为0.45 mg/L和0.48 mg/L，Eh的平均值分别为-15.73 mV和-23.40 mV，全部为还原环境；水温（T）的平均值分别为15.7 和13.1 ℃；pH值平均值分别为7.18和6.49，水体基本上为中性环境。

对主要污染物去除率与环境因子的Pearson相关性分析结果表明，NH4+-N和TN去除率与Eh均呈显著正相关关系（P＜0.05），与pH值呈显著负相关关系（P＜0.05），而TP的去除与水环境因子均无显著相关性（表6），表明生物基质处理系统中氮的转化会受水体Eh和pH值的影响较大，而磷的去除受水环境因素的影响则相对较小。

表6 污染物去除率及脲酶活性与环境因子间相关性分析Table 6 Correlation between pollutant removal rates, urease activity, and environmental factors

3 讨论

3.1 生物基质材料对主要污染物去除效果的影响

芦苇和稻草两种基质材料均可不同程度地去除养殖废水中的污染物，其中芦苇对COD去除效果较好，去除率达到50.6%；稻草对NH4+-N、TN和TP去除效果相对较好，去除率达到40%左右。已有研究表明，污染处理系统对有机物污染物的净化机理主要包括基质本身的物理过滤作用和微生物降解作用两个方面，其中微生物降解是最主要的途径[18-19]。试验初期（2019年11月），COD出水浓度高于进水浓度，这主要因为基质材料中可溶性有机物的释放及易降解物质在初期的快速降解，导致水体中含碳物质迅速增加，从而导致水体COD含量的增加。试验中后期，基质系统中形成了相对稳定适宜的环境，因此两种基质材料对COD均有较高且稳定的去除效果。在生物基质系统中，由于基质材料本身的特性，基质材料会在试验过程中不断降解出含碳有机物，一方面为微生物活动提供碳源，另一方面也在不同程度上增加了养殖废水中的COD，芦苇降解速率较慢，释放到养殖废水中的有机物也相对较少，因此，从表观数据来看芦苇对养殖废水中COD的去除效率优于稻草。

与对照相比，稻草生物基质系统对NH4+-N的平均去除率提高了39.9%，对TN的平均去除率提高了33.2%，对TP的平均去除率提高了31.9%。畜禽养殖污水中的总氮可以分为三种形态，即氨氮、硝氮和有机氮，其中氨氮是最主要的组成部分[20]，因此TN的去除主要就是对NH4+-N的去除，因此两者变化趋势基本一致。有研究表明，在人工湿地中，氮的去除主要包括植物吸收、底泥吸附和微生物转化三个方面，其中微生物转化是氮去除的主要机制[21]，而磷的去除机理主要是通过微生物的生物化学作用、基质吸附和沉淀作用，其中基质吸附和沉淀被认为是湿地系统除磷的最主要途径[22]。本研究结果表明，在生物基质消纳系统中，基质材料的吸附沉淀作用和微生物活动是氮磷去除的主要机制，比较发现，基质处理系统对NH4+-N、TN和TP的去除率均表现为稻草优于芦苇，这可能与材料表面性质及木质素、纤维素降解效率等有关，从材料的物理学性状来看，稻草秸秆的表面柔软、粗糙，微生物易于附着，因此降解较快。

试验初期（2019年11月—12月），两种基质材料对N、P的去除效率均呈现下降趋势，可能原因有两点：一是试验始于深秋季节，温度逐渐下降，导致微生物活性降低，进而影响了N、P的去除效果；另一是基质材料初期的去污效果主要依靠物理吸附作用，随着基质材料吸附量达到饱和，对N、P的物理吸附能力会显著降低。试验中后期（2020年1月—4月），稻草对N、P的去除效率升高并达到一个相对稳定的水平，而芦苇的去污效果则不太稳定，这可能是因为稻草的持续降解能够为微生物过程稳定提供碳源，而芦苇的降解速率总体上较慢，会在不同程度上限制微生物的活动及作用。

总体而言，稻草对污染物的去除效果优于芦苇，这与稻草的相对疏松的物理结构和易降解特性紧密相关，虽然初期稻草中部分可溶有机物的释放会导致基质系统中COD含量在短期内急剧上升，但这也恰恰为激发系统中微生物的活动提供了充足的碳源。

3.2 生物基质材料对污染物去除效果及其与主要组分降解特征的关系

稻草对养殖废水中主要污染物的去除效率优于芦苇，这与稻草降解速率快有显著关系。本试验中采用的稻草和芦苇均属禾本科植物，其中稻草质地较软，半纤维素含量高，芦苇茎秆坚韧，纤维素和木质素含量高（表1）。有研究表明，木质素的存在是微生物不能有效降解纤维素和半纤维的主要屏障，在秸秆细胞壁中，纤维素以高度凝聚的结晶形态有序存在，构成细胞壁的骨架结构，纤维素的外围一般包被着半纤维素，半纤维素的外层又链接着木质素，这种结构阻碍了消化酶和纤维素的接触[23-24]。由于稻草木质素含量低于芦苇，因而纤维素、半纤维素的降解相对较快，因此稻草各组分的降解速率明显高于芦苇，稻草纤维素、半纤维素和木质素的月降解率约是芦苇的2倍（图6）。

基质材料的降解是生物基质系统中微生物碳的主要来源，降解速率较慢的芦苇不能为微生物活动提供充足的碳源，制约了微生物活动，进而影响其对主要污染物的去除效果。试验观测结果表明，尽管经过6个月的降解，芦苇各成分的含量也仍显著高于稻草（图6），这表明芦苇中仍有大量有机物未被降解，也就是说这些有机物依然可以作为后期微生物的碳源，因此今后在填充基质材料时可考虑将不同降解速率的秸秆材料进行混合搭配，从而实现在系统运行过程中延长基质材料的作用时间，可在一定程度上降低补充基质材料所消耗的人力成本。

对两种秸秆材料中三种主要组分降解速率的比较结果表明，其变化顺序完全一致，即纤维素和半纤维素的降解速率快于木质素。木质素主要是由苯基丙烷结构单元通过酯键、醚键和羰键连接而成的高分子化合物[25]；半纤维素主要是由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖或甘露糖等多种类型的单糖构成的异质多聚体，各单糖之间通过共价键、氢键、酯键或醚键相连结[26]；纤维素则是由1 000～10 000个β-D-吡喃型葡萄糖单体形式以 β-1,4-糖苷键连接形成的同源直链多糖，多个分子层平行排列构成丝状不溶性微纤维结构，基本组成单位为纤维二糖[27]。根据木质素、纤维素和半纤维素的物质构成与空间结构，半纤维素和纤维素是微生物较易攻破的防线，因此整个试验过程中，各组分的降解率差别为纤维素＞半纤维素＞木质素。

两种秸秆材料对污染物的去除率有一定的差异，但整体来看对N的去除效果具有明显的阶段性，具体表现为先降低后逐步升高并趋于稳定、后期下降的变化趋势（图3和图4）。当基质材料对污染物去除率出现明显降低的时候，就需要对秸秆材料进行补充。从基质材料对氮素的去除规律可以发现，在150 d左右时，稻草对N的去除呈现出快速下降的趋势，建议稻草的补充周期与前期研究结果一致，为150 d（5个月）左右[15]。而从基质材料主要成分的降解情况来看，试验结束时，芦苇仍有大部分物质未被降解，表明芦苇的作用时间更持久。

3.3 主要水环境因子对污染物去除效果的影响

生物基质系统长期处于厌氧状态，DO浓度一般在0.5 mg/L以下。已有研究表明，硝化反应要求的DO浓度一般应在2.0 mg/L以上，最低极限是0.5～0.7 mg/L，而对于反硝化作用，由于反硝化菌是异养型兼性厌氧菌，需要缺氧的环境，DO一般要求在0.5 mg/L以下[28]。生物基质系统处于缺氧环境，其中Eh在-27.5～66.7 mV范围内，为还原环境。当生物基质系统中DO增加，Eh随之增大，微生物活性提高，含氮有机物才能被去除，因此基质处理系统氮素的去除率与Eh表现出显著的正相关关系，这与采用玉米秆、麦秸等其它秸秆材料开展的试验结果基本一致[15-16]。

pH值对TN去除的影响主要是通过影响氨挥发和微生物硝化—反硝化来实现的[29-30]。研究表明，当水体pH＞8.0时氨挥发较显著，本研究生物基质系统中pH值变化范围为5.91～7.41，这说明由pH值引起的氨挥发损失氮量相对较少。硝化—反硝化微生物适宜在中性或弱碱性环境下活动，硝化作用最适pH值范围为7～9之间，而反硝化作用最适pH值范围为7～8。本研究中，生物基质系统处于最适pH值范围内，适合脱氮相关微生物的生长，因此NH4+-N和TN去除率较高。

TP去除率与水环境因子均无显著相关，这与陈坤等研究结果一致[17]。其主要原因可能在于基质处理系统对磷素的去除主要是通过基质材料过滤、吸附和沉淀等物理作用，而微生物吸收利用及降解去除等生物及化学作用所占比例较小[31-32]。

4 结论

添加稻草和芦苇作为基质材料处理养殖废水，均有一定的去除效果。秸秆材料因其结构性质富含有机物而能够为微生物过程提供碳源，但其具体的脱氮除磷机理还有待进一步研究。

稻草及其主要成分纤维素、半纤维素和木质素的降解速率均显著快于芦苇，其半年内的月平均降解率分别为8.0%和3.6%，因此今后可考虑采用稻草与芦苇两种组分配制的基质材料，可在一定程度上延长其作用时间。

秸秆材料的添加不仅对降低养殖废水主要污染物浓度、提高绿狐尾藻人工湿地氮磷资源化利用率具有重要作用，而且也为秸秆材料的综合利用探索了一条新的路径。