水培空心菜凈化和資源化利用雞糞沼液研究

劉永霞 李裕榮 楊梅 周思

摘要：【目的】研究水培空心菜凈化和資源化利用畜禽養殖糞便沼液的可行性，為畜禽養殖沼氣工程的沼液凈化處理和資源化利用提供科學依據。【方法】在不同稀釋倍數的雞糞沼液中栽培空心菜，研究其對沼液中氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）的削減能力及沼液濃度對水培空心菜生長的影響；并通過在雞糞沼液中添加華南農大葉菜A配方各營養元素，探討雞糞沼液作為水培營養液的限制因子。【結果】不同稀釋倍數的雞糞沼液經空心菜生長吸收后，各項污染物濃度均有不同程度的消減，定植21 d后，各處理NH3-N均達GB 18596-2001的排放濃度要求，以稀釋6倍的去除率最高（81.61%）；COD、TP和TN均以稀釋9倍的去除率最高，分別為78.16%、87.00%和87.96%。稀釋12倍雞糞沼液水培的空心菜植株全重最重（4.83 g/株）；不同稀釋倍數沼液水培的空心菜還原糖含量均高于華南農大葉菜A配方處理，但沼液水培空心菜易引起Pb、Hg、Cr等重金屬在植株體內的過量積累。雞糞沼液中添加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標均表現較優，K可能為空心菜生長的限制因子。【結論】水培空心菜可有效降低沼液中污染物濃度；沼液可作為水培蔬菜的營養液資源化利用，但實際生產中仍需進行必要的養分調控使植物更好生長，并根據植物不同生長階段對K的需求作進一步調整。

關鍵詞： 雞糞沼液；空心菜；凈化；水培；資源化利用

中圖分類號： X703；S317 文獻標志碼：A 文章編號：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

【研究意義】規模化畜禽養殖產生的糞尿及高濃度有機廢水已成為我國農業環境污染和農村面源污染的主要因素之一，而厭氧發酵產沼氣技術是規模化畜禽養殖場糞便污染治理的有效途徑（Jiang et al.，2011；王志春，2014）。畜禽養殖糞污經厭氧消化處理后，沼液與原水相比其有機物可減少40%～90%，但對總氮（TN）和總磷（TP）的去除作用小，通常小于10%，沼液中懸浮物（SS）、化學需氧量（COD）、氮（N）和磷（P）等含量仍較高，需經過深度處理后才可達標排放（靳紅梅等，2012；秦方錦等，2015）。從處理技術上來看，厭氧發酵液經各種組合工藝（Rajagopal et al.，2011；王峰等，2012；冷守琴等，2015）處理后均可實現達標排放，但受運行成本的影響，制約了其在實際工程中的應用；另一方面，沼液營養成分豐富，且養分主要為速效態，可回收營養物質，將其資源化利用（劉文科等，2009）。因此，探究適宜的沼液處理技術，對沼液資源化利用和污染物減少具有重要意義。【前人研究進展】鄧良偉等（2007）采用序批式反應器處理豬場廢水厭氧消化液，研究配水比例對處理性能的影響，結果表明，配水30%的處理對出水氨氮（NH3-N）去除效果最佳，且運行穩定。汪小將等（2011）利用3種水培蔬菜對富營養化水體進行凈化，結果表明，在水體中生菜的生長狀況最佳，包菜次之，油麥菜最差，生菜對富營養化水體中NH4+-N和COD的去除率最高達92%和86%。宋超等（2011）利用浮床栽培水芹凈化富營養化水體的研究結果表明，水芹對TP和TN均有較好的去除效果，但未觀察到栽植水芹對高錳酸鹽指數的降低作用。白曉鳳等（2015）利用吹脫+鳥糞石沉淀（MAP）組合工藝處理中溫厭氧發酵沼液的研究結果表明，MAP沉淀處理后的沼液出水NH3-N和TP去除率分別達95%和80%，COD和SS去除率分別在40%和32%左右，該工藝既可使沼液得到凈化處理，又可回收其中的營養物質。【本研究切入點】利用植物凈化水體或沼液用于無土栽培的報道較多，但大多傾向單方面效益的研究，而有關沼液作為蔬菜水培營養液的探討及其養分調控技術的研究較少，同時兼顧環境效益和經濟效益的報道更少。【擬解決的關鍵問題】以泰國空心菜為研究對象，在不同稀釋倍數的雞糞沼液中進行水培培養，研究水培空心菜對沼液中NH3-N、TN、TP、COD的去除效果及沼液濃度對水培空心菜生長的影響；同時對雞糞沼液作為水培營養液的限制因子進行探討，以期為畜禽養殖沼氣工程的沼液凈化處理和資源化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試蔬菜為泰國空心菜，其種子由大洋種苗中國（安順）有限責任公司生產。雞糞厭氧發酵沼液采自貴州省貴陽市烏當區永樂鄉某養雞場。沼液樣品電導率為6.34 mS/cm，其他理化指標見表1。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 水培系統搭建 水培系統主要包括3個部分。栽培床：長4 m、直徑50 mm的PVC排水管，用40的鉆頭打孔，每隔20 cm打一孔，每管共開25孔用于定植蔬菜苗。營養液槽：容積100 L的塑料箱。營養液循環系統：由黑色PE 16噴滴管和空氣泵組成，用漁用小型塑料軟管和各支管接入栽培槽中；由水泵把營養液抽進PE 16噴滴管加液主管，加液主管上開兩小孔，用小型塑料支管連接到栽培床，營養液通過支管流入栽培床。營養液循環的途徑是先用水泵從液槽中將營養液抽出，經加液主管、加液支管進入栽培床，被作物根部吸收后又回到營養液槽，再給泵到加液主管，不斷循環。

1. 2. 2 育苗定植 育苗：按1∶3比例混合蛭石與珍珠巖作為固定基質，加水使其充分吸水后裝入育苗杯（杯底鉆兩小孔，便于根伸出）的3/4，每個育苗杯中放2粒空心菜種子，用基質抹平育苗杯邊緣后將其放入育苗盤，置于盛清水的塑料箱中培養。定植：將長出兩片真葉的空心菜苗從育苗盤中取出，育苗杯置于栽培床相應的孔中進行水培培養。

1. 2. 3 試驗設計 試驗在貴州省農業科學院花卉大棚進行。采用單因素隨機區組設計，用雙層紗布過濾雞糞產沼發酵液，再以自來水將雞糞沼液原水稀釋為6個水平梯度，1#～6#分別為稀釋6、9、12、16、19和21倍的沼液，7#為自來水空白，8#為華南農大葉菜A配方營養液（楊竹青等，1996）對照，每處理設3個重復，進行水培試驗，標記液面高度。試驗期間，根據實際情況加水以補充因蒸發等原因失去的水分，并用冰醋酸調節營養液pH為6.0左右。

以稀釋12倍的雞糞沼液為基礎培養液，加入標準華南農大葉菜A配方各營養元素（半劑量），設8個處理，每處理設3個重復，進行空心菜水培試驗。試驗處理見表2。

試驗期間，每天記錄大棚溫濕度，觀察植物生長情況。每7 d采水樣進行水質測試，于第21 d收獲水培空心菜。用直尺測量植株株高，收獲后取蔬菜樣品洗凈，用濾紙吸干表面水分，稱鮮重；置于105～110 ℃恒溫干燥箱中殺青30 min，再轉移至65～75 ℃干燥箱中烘干至恒重，用粉碎機粉碎后混勻，分析養分含量。

1. 3 測定項目及方法

沼液測定項目：用雷磁pHS-3C精密pH計測量pH，重鉻酸鉀消解法測定COD，堿性過硫酸鉀消解+紫外分光光度法測定TN，納氏試劑分光光度法測定NH3-N，鉬酸銨分光光度法測定TP。沼液主要污染物的去除率計算公式為：去除率（%）=（水培前沼液污染物初始濃度-水培后沼液污染物濃度）/水培前沼液污染物初始濃度×100。

蔬菜樣品測定項目：N采用堿解擴散法測定；K采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定；P采用NaOH熔融—鑰銻抗比色法測定；Hg、Cd、Cr、Pb、As采用等離子直讀法測定；可溶性糖采用蔥酮比色法測定。

2 結果與分析

2. 1 水培空心菜對不同稀釋倍數雞糞沼液的凈化效果

在平均棚溫39 ℃下，不同稀釋倍數雞糞沼液水培的空心菜根部生長茂盛，大量根系交織，可能是根部富集了大量微生物菌群，形成生物濾網，有效沉積和吸附沼液中的SS及有機物污染物，沼液處理14 d后水體由黃色變為基本澄清，無異味。從表3可以看出，不同稀釋倍數雞糞沼液經空心菜吸收后，各項污染物濃度均有不同程度的降低，其中各處理沼液的NH3-N去除效果受稀釋倍數影響較大，水培21 d后各處理的NH3-N均符合GB 18596-2001《畜禽養殖業污染物排放標準》的排放濃度（80 mg/L）要求，以1#處理的去除率最高（81.61%），6#處理的去除率最低（51.80%）。各處理對降解COD、TN、TP的規律也相似，均表現為稀釋倍數較小處理的去除率高于稀釋倍數較大處理，均以2#處理的去除率最高，但COD和TN以4#處理的去除率最低，TP以1#處理的去除率最低。

2. 2 不同稀釋倍數沼液對空心菜生長及品質的影響

2. 2. 1 對空心菜生長的影響 由表4可知，定植21 d后，不同稀釋倍數沼液水培的空心菜生長狀況差異較明顯。植株高度、地上部分重和植株全重均以8#處理效果最佳、7#處理最差；空心菜根部生長以3#處理最佳。說明雞糞沼液可作為營養液用于水培空心菜，但其適宜的稀釋倍數還需進一步調整。

2. 2. 2 對空心菜礦物質元素含量的影響 植物地上部礦質元素含量不僅是評價植物品質的重要指標，還能反映植物的養分利用效率。從表5可以看出，空心菜地上部分和根中N、P、K含量均以8#處理最高；沼液不同稀釋倍數處理的植株根中N、P、K含量分別以4#、2#和1#處理最高，沼液植株地上部分N含量以5#處理最高、P含量以2#處理最高、K含量以1#處理最高，與在根中的變化規律相似，隨稀釋倍數的增加K含量逐漸降低。

2. 2. 3 對空心菜品質的影響 還原糖是光合作用的初級產物，再由其形成淀粉、纖維素、蛋白質和脂肪等。因此，測定植株中的糖含量可以研究植物體內的碳氮代謝。1#～8#處理空心菜還原糖含量分別為：4.19%、3.62%、4.99%、3.86%、5.26%、6.63%、4.74%和2.88%。可見，沼液稀釋各處理的水培空心菜還原糖含量均高于標準液的水培空心菜還原糖含量，以6#處理的還原糖含量最高，說明用沼液作為水培營養液可提高蔬菜品質。

不同處理植株地上部分重金屬含量如表6所示。按新鮮空心菜水含率為80%折算后（即表6中數據×20%），植株地上部分未檢出As，Cd含量也較低，均未超過GB 2762-2012《食品安全國家標準食品中污染物限量》規定限值（As 0.5 mg/kg，Cd 0.2 mg/kg），而Pb和Hg除7#處理外，其余處理均超過GB 2762-2012的金屬限值（Pb 0.3 mg/kg，Hg 0.01 mg/kg）規定；1#、2#、4#、8#處理的空心菜Cr含量超出GB 2762-2012的重金屬限值（Cr 0.5 mg/kg）規定，其中以1#和2#處理的含量較高。

2. 3 雞糞沼液添加營養物質對空心菜生長及品質的影響

2. 3. 1 對空心菜生長的影響 從表7可以看出，定植21 d后，雞糞沼液中添加不同營養物質處理的水培空心菜生長狀況差異較明顯，植株高度、地上部分重、植株全重和根重均以Ⅱ-3處理最高，其次為Ⅱ-7處理，而Ⅱ-5處理最差。初步結果顯示，K可能為空心菜生長的限制因子，因此在實際生產中還需根據植物不同生長階段對K的需求作進一步調整。

2. 3. 2 對空心菜礦物質元素的影響 由表8可知，沼液添加不同營養物質的水培空心菜植株根中N、K含量均以Ⅱ-8處理最高，P含量以Ⅱ-3處理最高；植株地上部分N、P含量與根一致，分別以Ⅱ-8和Ⅱ-3處理最高，K含量則以Ⅱ-7處理最高，其次為Ⅱ-3、Ⅱ-1和Ⅱ-8處理，而Ⅱ-5處理最低。

2. 3. 3 對空心菜品質的影響 Ⅱ-1～Ⅱ-8處理植株地上部分還原糖含量分別為2.80%、2.17%、1.81%、1.70%、2.44%、1.95%、1.98%和1.93%，以添加K2SO4的Ⅱ-1處理空心菜的還原糖含量最高，其次為添加MgSO4·7H2O的Ⅱ-2處理和添加Ca（NO3）2·4H2O的Ⅱ-5處理，而添加NH4NO3的Ⅱ-4處理最低。可見，在沼液中添加適量的K、Mg、Ca等離子有利于提高空心菜品質。

不同處理植株地上部分重金屬含量如表9所示。按新鮮空心菜水含率為80%折算后（即表9中數據×20%），植株地上部分As和Cd含量較低，部分樣品未檢出，均未超過GB 2762-2012的限值規定；而Cr含量除Ⅱ-4處理外，其余處理均超過GB 2762-2012的限值規定；各處理植株地上部分的Hg含量均超過GB 2762-2012的限值規定；Pb含量除Ⅱ-3和Ⅱ-6處理外，其余處理均低于GB 2762-2012的限值規定。

3 討論

已有研究表明，沼液水培蔬菜可凈化水質。黃婧等（2008）研究發現，水蕹菜浮床對TN的吸收量為73.06 g/m2，對TP的吸收量為20.21 g/m2，以TN計，1 m2水蕹菜可將73.06 m2水由V類凈化到III類，以TP計，可凈化134.73 m2水；張玲玲等（2011）用豬場沼液水培芹菜，種植80 d后，稀釋30倍的沼液對TN的去除最高達94.6%，稀釋10倍的沼液對TP的去除最高達90.6%。本研究將雞糞沼液用于水培空心菜后，沼液中NH3-N、COD、TP、TN等污染物濃度均大幅度降低，其中NH3-N的去除率為51.80%～81.61%、COD去除率為50.40%～

78.16%、TP去除率為64.26%～87.00%、TN去除率為65.54%～87.96%。可見，用沼液水培蔬菜對水體中TN、TP和COD的去除均有較好的效果，與黃婧等（2008）、張玲玲等（2011）的研究結果一致。

沼液水培蔬菜可實現廢物資源化利用的目的，但沼液濃度及沼液中營養物質含量等因子對水培蔬菜生長及品質影響較明顯。Sooknah和Wilkie（2004）采用大型水生植物處理奶牛場沖欄厭氧消化液，發現水生植物無法在未經稀釋的厭氧消化液中生長，沼液中的高鹽分是主要的限制因素；沈祥軍等（2013）研究新鮮的豬場沼液和牛場沼液型營養液對番茄生長的影響，結果表明，稀釋12倍的牛沼液營養液對番茄植株的株高、莖粗、根冠比等有較大促進作用，且番茄果實產量顯著提高；李裕榮等（2013）以豬糞、牛糞、雞糞發酵液水培蕹菜和葉用萵苣，結果表明，兩種蔬菜均能在其發酵營養液中較好生長。本研究結果與上述研究結果基本相似，利用雞糞沼液配制空心菜水培液，空心菜可正常生長，但生長狀況有差異，在種植期間，沼液處理的植株生物量均低于常規營養液處理，雞糞沼液處理中以稀釋12倍處理的空心菜生物量最高；不同稀釋倍數沼液處理空心菜還原糖含量均優于常規營養液處理，顯示利用沼液配制蔬菜水培液的優勢，但利用沼液種植蔬菜易引起蔬菜Pb、Hg、Cr等重金屬過量積累，因此實際生產中應加強對飼料和使用藥物的控制；在雞糞沼液中添加適量的K、Mg、Ca等離子有利于空心菜品質的提高。此外，本研究栽培期間沼液pH主要維持在10.0左右，易導致某些養分特別是微量元素離子失效，如栽培期間出現缺鐵癥狀，因而對水培液pH的調控亦是關鍵。

4 結論

水培空心菜可有效降低沼液中污染物濃度；沼液可作為水培蔬菜的營養液資源化利用，但實際生產中仍需進行必要的養分調控使植物更好生長，并根據植物不同生長階段對K的需求作進一步調整。

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（責任編輯 羅 麗）