不同水生植物对养猪废水净化效果研究

陈昱 时红 才硕 姜成名 万绍媛 程婕

摘要 ［目的］筛选适用于养猪废水的人工湿地优势物种。［方法］选取鸢尾、美人蕉、水芹、梭鱼草4种水生植物，通过垂直流人工湿地装置，监测不同水力停留时间对污水中化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）和氨氮（NH4+-N）浓度的影响，分析4种水生植物对污水的净化效果。［结果］随着水力停留时间的延迟，人工湿地中废水中COD、TN、TP和NH4+-N的浓度逐渐下降，净化效果越好。当水力停留时间为5 d时，鸢尾对COD和NH4+-N的去除率最高，分别为61.80%和68.35%；梭鱼草对TN和TP的去除率最高，分别为30.92%和81.53%。［结论］人工湿地对养猪废水净化效果以种植鸢尾和梭鱼草较佳。

关键词 人工湿地；水生植物；养猪废水；净化效果

中图分类号 X703  文献标识码 A  文章編号 0517-6611（2024）03-0061-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.015

Research on Purification Effect of Different Aquatic Plants on Swine Wastewater

Abstract ［Objective］To screen the dominant species in constructed wetlands suitable for application to swine wastewater.［Method］ Four aquatic plants including iris，canna，cress and pickerelweed were selected to monitor the effects of different hydraulic retention times on the concentration of chemical oxygen demand （COD），total nitrogen （TN），total phosphorus （TP） and ammonia nitrogen （NH4+-N） in wastewater through a vertical flow constructed wetland device.The purification effect of the four aquatic plants on wastewater was analyzed.［Result］ With the delay of hydraulic retention time，the concentrations of COD，TN，TP，and NH4+-N in wastewater in constructed wetlands gradually decreased，and the purification effect improved.When the hydraulic retention time was 5 days，the removal rates of COD and NH4+-N by iris were the highest，which were 61.80% and 68.35%，respectively;the removal rates of TN and TP by pickerelweed were the highest，which were 30.92% and 81.53%，respectively.［Conclusion］The purification effect of constructed wetlands on pig wastewater was better by planting iris and pickerelweed.

Key words Constructed wetland;Aquatic plant;Swine wastewater;Purification effect

农村畜禽养殖大都是分散式的小型养殖场，由于对环境保护的意识薄弱以及养殖废弃物处理成本较高，部分养殖户将废水随意排放、就地处理，导致农村水域污染范围广、面积大、来源多、结构杂，进一步加剧农村环境严重恶化。根据2020年《第二次全国污染源普查公报》显示，畜禽养殖水污染物化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）和氨氮（NH4+-N）的排放量分别占农业源污染物总量的93.8%、42.1%、56.5%和51.3%，已成为农业面源污染的主要来源［1］。诸多学者对养殖废水的处理有大量的研究，如生物膜法、微生物固定技术和人工湿地等生物技术越来越备受关注，其中人工湿地造价便宜、运行成本低、方便维护且具有景观效果［2］，非常适合广阔的农村分散式养殖场。研究表明，人工湿地通过基质-微生物-植物构建成一个生态系统［3］，经过物理、化学和生物的协同作用，以过滤、吸附、絮凝沉淀、植物吸收和微生物分解等方式对污水进行高效净化［4］。人工湿地净化养殖废水为筛选高效水生植物，要综合考虑植物的生长特质、耐受性、输氧能力以及气候与地域的适应性等因素，同时还要考虑处理污水类型的适配性。有研究表明，通过多阶表面流人工湿地处理养猪场废水发现，经过32 d的运行后，高浓度的养殖废水逐级净化，COD、TN、TP和NH4+-N的去除率分别达到89.8%、97.9%、96.4%和98.2%［5］。Liu等［6］对比分析种植美人蕉、菖蒲和空心菜的人工湿地对养猪废水的净化效果发现，美人蕉对COD和NH4+-N的去除率最高，分别为88.07%和75.02%，具有较好的处理效果。

选择合适的水生植被植入人工湿地，能更好地发挥基质、植物、微生物三者之间协同作用，更加高效地去除水体中的污染物。该研究选取挺水植物鸢尾、美人蕉、水芹、梭鱼草为研究对象，模拟构建不同的垂直流人工湿地系统，对比不同水力停留时间净化养猪污水中COD、TN、TP、NH4+-N浓度的变化，分析4种水生植物对污水中氮的净化能力，旨在为人工湿地污水净化技术在分散式农村养殖业绿色发展上提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年6—7月在江西省灌溉试验中心站试验基地（28°26′N，116°00′E）进行，位于江西省南昌市南昌县向塘镇高田村。垂直流人工湿地装置为PVC方形塑料盒（长60 cm、宽40 cm、高30 cm），在PVC方盒底部设有出水口，通过阀门控制，以2种材料作为湿地基质填料，上层为陶粒，粒径为0.6～1.2 cm，下层为鹅卵石，粒径为1～3 cm，每层10 cm。人工湿地装置示意见图1。选取生长健壮、大小基本一致的植株，先用一定比例由稀到浓的猪场废水进行适应性驯化培养14 d左右，使植物慢慢适应，待植物生长状况稳定后再进行人工湿地系统试验。试验所用的养殖废水经过活性生物炭复合调节剂处理，养殖污水污染物初始浓度指标分别为COD浓度249.75 mg/L、TN濃度342.81 mg/L、TP浓度21.97 mg/L、NH4+-N浓度117.46 mg/L。

1.2 试验设计

试验选取鸢尾、美人蕉、水芹、梭鱼草4种水生植物种植于人工湿地，分别记为T1、T2、T3和T4，以不种植任何植物为空白对照处理（CK），共5个处理，每个处理3次重复。试验时注入等量的养殖污水于各方盒中，设置不同的水力停留时间，分别为1、3、5 d，并按时从人工湿地下端止水阀处放水取样，及时在实验室进行样品预处理，用于污水中各指标含量的测定。

1.3 测定方法

污水主要检测指标为COD、TN、TP、NH4+-N。COD采用重铬酸盐法（HJ 828—2017）测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）测定，TP采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）测定，NH4+-N采用纳氏试剂比色法（HJ 535—2009）测定。去除率的计算方法：去除率=［（初始浓度-最终浓度）/初始浓度］×100%。

1.4 数据处理与分析 数据分析及图表制作使用SPSS 20.0和Microsoft Excel 2016软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同水生植物对养殖废水COD的净化效果

人工湿地主要是通过基质的过滤和沉淀、植物根系的吸附作用以及微生物的同化作用共同去除有机污染物。从图2可以看出，各处理对养殖废水COD的净化效果明显。当水力停留时间为1 d时，各处理养殖废水COD浓度均有所下降，其中以鸢尾（T1）浓度下降最为明显，较CK显著降低13.81%，而其余植物与CK无显著差异。当水力停留时间为3 d时，养殖废水COD浓度迅速下降，与CK相比，鸢尾（T1）、美人蕉（T2）、梭鱼草（T4）分别显著降低了23.97%、20.15%和19.21%，水芹虽也低于CK，但二者之间无显著差异。当水力停留时间为5 d时，4种水生植物对养殖废水COD浓度均显著低于CK，净化效果强弱顺序依次为鸢尾（T1）＞美人蕉（T2）＞水芹（T3）＞梭鱼草（T4）＞CK。随着人工湿地处理养殖污水的时间越长，废水COD浓度越低，净化效果越好。

2.2 不同水生植物对养殖废水TN的净化效果

人工湿地的除氮途径主要包括湿地基质对氮的沉淀吸附作用、植物吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用、氨的挥发作用。从不同水生植物对养殖废水TN的净化效果（图3）可以看出，随着污水停留时间的增加，各处理对养殖污水TN的去除整体呈上升规律。当水力停留时间为1 d时，种植不同水生植物的人工湿地中的TN浓度有所下降，其中美人蕉（T2）和梭鱼草（T4）TN浓度显著降低。当水力停留时间为3 d时，种植不同水生植物的人工湿地中的TN浓度均显著降低，鸢尾（T1）、美人蕉（T2）、水芹（T3）、梭鱼草（T4）分别较CK显著降低了15.46%、14.42%、13.24%和10.49%。当水力停留时间为5 d时，各处理养殖污水中的TN浓度进一步下降，不同水生植物TN的浓度均显著低于CK，TN净化效果强弱顺序依次为梭鱼草（T4）＞鸢尾（T1）＞美人蕉（T2）＞水芹（T3）＞CK。

2.3 不同水生植物对养殖废水TP的净化效果

人工湿地对磷的去除途径主要有生物吸收、生物质积累、植物根系的拦截与基质吸附作用。从不同水生植物对养殖废水TP的净化效果（图4）可以看出，水力停留时间为1 d时，4种水生植物均能降低养殖废水中TP的浓度，其中水芹（T3）、梭鱼草（T4）对养殖废水中TP的响应最为迅速，TP浓度显著降低，较CK分别显著降低了63.53%和59.41%。当水力停留时间为3 d时，水芹、梭鱼草对养殖废水中TP的净化速率变缓，而CK、鸢尾（T1）、美人蕉（T2）对养殖废水中TP浓度下降明显，较1 d时分别降低了36.57%、40.29%和38.25%。当水力停留时间为5 d时，与CK相比，4种水生植物人工湿地养殖废水中TP浓度均能显著降低，分别降低了46.15%、45.53%、59.50%和64.10%。由此可知，人工湿地均对养殖废水中TP有净化效果，且水力停留时间越长，净化效果越好，种植水生植物能进一步提高人工湿地净化污水的能力。

2.4 不同水生植物对养殖废水NH4+-N的净化效果

从图5可以看出，当水力停留时间为1 d时，4种水生植物对养殖废水中NH4+-N的响应均很积极，NH4+-N浓度显著低于CK，鸢尾（T1）、美人蕉（T2）、水芹（T3）和梭鱼草（T4）对NH4+-N的去除率分别为11.99%、10.11%、29.33%和19.87%。当水力停留时间为3 d时，各人工湿地对养殖废水中NH4+-N浓度进一步降低，种植4种水生植物人工湿地中NH4+-N浓度较CK显著下降，其中梭鱼草（T4）对NH4+-N的去除趋于稳定，去除率达64.01%。当水力停留时间为5 d时，种植鸢尾、美人蕉、水芹、梭鱼草人工湿地中的NH+4-N浓度较CK显著降低，分别降低了40.65%、29.15%、28.09%和32.53%；此时4种水生植物人工湿地中NH4+-N的浓度以鸢尾最低，但相互之间无显著差异。

2.5 不同水生植物对养殖废水COD、TN、TP和NH4+-N的去除率

由表1可知，当水力停留时间为5 d时，各人工湿地均能净化养殖废水中COD、TN、TP和NH4+-N。其中COD、TP和NH4+-N的去除率均在46.00%以上，对TN也有去除效果，但去除率稍微较低，仅为23.53%～30.92%。4种水生植物人工湿地对污水的净化效果均显著高于CK，不同水生植物的去除率之间也各不相同。其中鸢尾（T1）对COD和NH4+-N去除率最高，分别较CK显著提高30.63%和46.45%；梭鱼草（T4）对TN去除率最高，显著高于CK、美人蕉（T2）和水芹（T3），但与鸢尾相比无显著差异；梭鱼草（T4）对TP去除率也最高，较CK、鸢尾（T1）和美人蕉（T2）分别显著提高68.03%、12.83%和13.31%。总体来看，以鸢尾和梭鱼草的综合治理效果较佳。

3 讨论

人工湿地中基质是非常重要的组成部分，可以通过吸附、沉淀和过滤等途径清除污水中的污染物质，还能作为植物和微生物生长的依附介质［7］。在该试验中，以上层为陶粒、下层为鹅卵石的人工湿地也发挥着较强的净化功能。未种植植物的人工湿地对废水中COD、TP和NH4+-N的去除率均在46.00%以上，对TN的去除率也有23.53%。诸多研究也表明，陶粒和鹅卵石作为单一人工湿地基质也有较好的净水作用［8-11］。在人工湿地配置合适的水生植物，是提高人工湿地污染物去除效率的一种有效措施。阳光等［12］研究低温环境下人工湿地植物组配对养殖废水的处理效果表明，与不种植植物（CK）相比，单一植物的湿地系统和植物混种人工湿地系统对NH4+-N、NO3--N、TN、TP、COD去除效率均有明显提升。在该试验中，当水力停留时间为3 d时，较未种植植物的人工湿地（CK）相比，种植鸢尾、美人蕉、水芹、梭鱼草的人工湿地对COD、TN、TP和NH4+-N的浓度均明显降低。

在研究湿地植物对农村生活污水中氮磷的净化作用中发现，梭鱼草、美人蕉和鸢尾3种挺水植物均有较强的污水净化功效，在处理污水8 d时，鸢尾对TN、TP和NH4+-N的去除效果最佳［13］，而在该试验中，鸢尾对COD和NH4+-N去除率最高，分别为61.80%和68.35%，梭鱼草对TN和TP的去除率最高，但鸢尾和梭鱼草在对污水中TN和NH4+-N的去除率之间无显著差别。李飞翔等［14］以水产养殖尾水中氮、磷为研究对象，探究人工湿地去除水产养殖尾水中氮磷的影响，水力停留时间为0～3 d时，氮、磷去除效果随着水力停留时间的延长而增加，在该试验中也得到类似研究结果。垂直流人工湿地对污水的净化作用，一方面是基质通过吸附、过滤等理化作用清除污染物，另一方面是通过生态植物的吸收利用以及微生物的生化途径来净化水质。

4 结论

该试验以鸢尾、美人蕉、水芹、梭鱼草为研究对象，通过模拟小型垂直流人工湿地开展净化养猪污水的研究，结果表明，垂直流人工湿地对废水中COD、TP和NH4+-N的去除率在46.00%以上，对TN的去除率相对较低，仅为23.53%～30.92%。随着水力停留时间越长，垂直流人工湿地对废水COD、TN、TP和NH4+-N的净化效果越好。4种水生植物净化效果较好的是鸢尾和梭鱼草，更适合种植于人工湿地用来净化养猪废水。

参考文献

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