3種常見水生植物對養殖廢水中化學需氧量的去除效果

劉作云 彭憶蘭 付美云

摘要：【目的】研究水生植物對養殖廢水中化學需氧量（CODcr）的去除能力，為人工濕地系統處理養殖廢水提供理論依據。【方法】將蘆葦、水葫蘆、蕹菜3種單一水生植物及蘆葦—水葫蘆組合、蘆葦—蕹菜組合分別置于人工模擬的不同濃度養殖廢水中培養，以不種植水生植物的不同濃度養殖廢水為對照，對比分析蘆葦、水葫蘆、蕹菜對養殖廢水中CODcr的去除與凈化效果。【結果】供試水生植物對養殖廢水中CODcr的去除和凈化能力排序為：蘆葦—水葫蘆組合>蘆葦—蕹菜組合>水葫蘆>蕹菜>蘆葦。培養15 d后，3種水生植物對養殖廢水中CODcr的凈化效率為43.8%～87.3%，而對照組為28.9%～66.4%。【結論】蘆葦、水葫蘆及蕹菜3種水生植物對低濃度養殖廢水中CODcr的去除效果較明顯，對高濃度養殖廢水中CODcr的處理效果一般，在構建人工濕地植物系統時結合實際情況組建合適的植物組合，可提高凈化CODcr效率。

關鍵詞： 化學需氧量（CODcr）；水生植物；養殖廢水；去除效果

中圖分類號： X703.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）06-0911-05

0 引言

【研究意義】養殖廢水因其氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學需氧量（CODcr）及懸浮物濃度高，容易給自然環境帶來長期的、不可逆的影響，是目前廣大農村地區面源污染的重要原因之一。雖然已有不少學者致力于養殖廢水的處理研究（王亮，2013；許國晶等，2014；姚凱儒和羅建新，2015），并提出了一些可供選擇的工藝方法，如微生物燃料電池法（李小虎等，2012）、微藻法（程海翔，2013）等，這些方法中的工藝處理雖可短時間凈化養殖廢水中大部分的NH3-N、TP、CODcr及懸浮物，但受建設資金、污染負荷、運行成本等因素的限制，無法在農村地區推廣應用。既要實現養殖廢水的達標排放，又要滿足低投入、低成本的要求，人工濕地處理系統是最佳選擇之一，其主要優點是建設和運行成本低、凈化效果好，同時部分水生植物還可以回收利用，應用前景廣闊（孫偉，2014）。因此，研究植物對不同濃度養殖廢水中有機物的去除效果，可為構建人工濕地養殖廢水處理系統提供理論依據，對有效控制養殖業廢污排放具有重要意義。【前人研究進展】養殖廢水的處理大致分為三類，即自然處理法、生物處理法和綜合處理法，人工濕地屬于自然處理法。近年來，關于人工濕地處理廢水中有機物的研究已有不少報道。楊曉玲和郭金耀（2012）研究水蕹菜對富營養化養殖水的凈化作用，結果表明，漂浮栽培40 d后，水蕹菜可使養殖水中的CODcr、TN和TP分別降低63.43%、67.63%和62.24%。程燕等（2014）利用水葫蘆凈化豬場氧化池污水，可實現TN、TP和CODcr去除率最高分別達90.28%、44.81%和51.57%，水葫蘆對廢水pH也有一定的改善作用。蒙寬宏等（2014）研究蘆葦及香蒲對水中TN和TP的凈化能力，結果發現這兩種植物均可有效去除水體中的TN和TP，去除率均在70%以上，其中蘆葦的總體效果最好。劉永士等（2014）利用人工濕地對高鹽度養殖廢水進行凈化，其對CODcr去除效率為12.5%。侯婷婷等（2014）通過構建生物預處理與人工濕地結合的方法，能使廢水中小分子有機物去除率達80%以上。【本研究切入點】目前，關于人工濕地處理養殖廢水的研究大多將人工濕地定位為處理工藝的一小部分，旨在增強處理效果，而將濕地植物作為處理系統的核心直接投放至養殖廢水中進行的研究卻鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】分析蘆葦、蕹菜和水葫蘆3種水生植物及其組合對人工配置的5組養殖廢水中CODcr的處理效果，為人工濕地系統處理養殖廢水提供理論依據。

1 材料與方法

1. 1 水生植物采集與馴化

在湖南省衡陽市石鼓區梽木村魚塘、李坳村排水溝、靈官廟村農戶豬場排水溝及湖南環境生物職業技術學院養殖場排水池中分別采集蘆葦、水葫蘆和蕹菜3種水生植物樣品，以及5.0 L水樣，將3種水生植物依次用低、中、高濃度豬場廢水進行適應性培養與馴化，待其生長狀況穩定后，再進行不同濃度的豬場廢水水培試驗。培養條件：pH 7.0左右（用氫氧化鉀溶液調節），溫度23～28 ℃，光照3000～5000 lx。通過15 d的馴化觀察，3種供試植物在不同濃度豬場廢水中均能正常生長繁殖。

1. 2 養殖廢水樣品采集分析與人為模擬

水樣采集于湖南環境生物職業技術學院養殖場排水池（清糞方式為水沖糞），分析其NH3-N、TP及CODcr濃度。養殖廢水的污染物濃度范圍見表1。

結合養殖廢水成分分析結果進行試驗用水配置，配制方案為：從湖南環境生物職業技術學院養殖場采集養殖廢水原液，經沉淀處理后，用鄰苯二甲酸氫鉀和蒸餾水根據表2設計CODcr濃度配制5組試驗廢水，在此基礎上，用氯化銨調節NH3-N濃度，用磷酸二氫鉀調節TP濃度。考慮到環境條件等因素，適當調整試驗廢水中CODcr的濃度范圍。

1. 3 試驗設計

將蘆葦、水葫蘆、蕹菜、蘆葦—水葫蘆組合、蘆葦—蕹菜組合分別置于人工模擬的養殖廢水中培養0（2 h）、2、5、10、15 d后，測定水樣中CODcr濃度，計算各水生植物對試驗廢水中CODcr的凈化效率。5組試驗廢水均設置對照組，對照組不種植水生植物，其他試驗條件與對應的試驗組相同，觀察各對照組CODcr的自我凈化規律。

凈化效率（%）=（培養15 d后試驗廢水中CODcr濃度-試驗廢水設計的CODcr濃度）/試驗廢水設計的CODcr濃度×100

1. 4 統計分析

采用Excel 2003對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2. 1 蘆葦對養殖廢水中CODcr的處理效果

由圖1可知，培養15 d后，蘆葦對5組養殖廢水中的CODcr均有一定的凈化效果，1～5組模擬養殖廢水的CODcr含量分別降至1125、714、503、408和132 mg/L，凈化效率分別為43.8%、52.4%、49.7%、49.0%和73.6%；其中，僅第5組的CODcr達到GB 18596-2001《畜禽養殖業污染物排放標準》最高允許日均排放濃度不超過400 mg/L的要求。蘆葦對CODcr的凈化效率在試驗前期（2～5 d）較慢，之后逐步加快，原因可能是蘆葦在培養前期對養殖廢水需要一個適應的過程。各對照組中CODcr含量均有下降趨勢，但下降速率明顯慢于試驗組，培養15 d后，各對照組的CODcr含量分別降至1422、826、542、429和168 mg/L，凈化效率分別為28.9%、44.9%、45.8%、46.4%和66.4%，凈化效果明顯不及試驗組。

2. 2 蕹菜對養殖廢水中CODcr的處理效果

由圖2可知，培養15 d后，蕹菜對5組養殖廢水中的CODcr均有一定的凈化效果，1～5組模擬養殖廢水的CODcr濃度分別降至846、557、416、214和114 mg/L，凈化效率分別為57.7%、62.9%、58.4%、73.3%和77.2%；其中，第4和第5組的CODcr達到GB 18596-2001《畜禽養殖業污染物排放標準》最高允許日均排放濃度不超過400 mg/L的要求。蕹菜去除養殖廢水中CODcr的效果較對照組和蘆葦明顯，原因可能是蕹菜根系及其生長趨勢較蘆葦發達，能更快地適應養殖廢水環境。

2. 3 水葫蘆對養殖廢水中CODcr的處理效果

由圖3可知，培養15 d后，水葫蘆對5組養殖廢水中的CODcr均有一定的凈化效果，1～5組模擬養殖廢水的CODcr濃度分別降至635、428、255、124和88 mg/L，凈化效率分別為68.3%、71.5%、74.5%、84.5%和82.4%；其中，3～5組的CODcr達到GB 18596-2001《畜禽養殖業污染物排放標準》最高允許日均排放濃度不超過400 mg/L的要求。凈化效率方面，水葫蘆優于對照組、蘆葦及蕹菜，說明水葫蘆對養殖廢水CODcr的凈化作用較蘆葦和蕹菜明顯，可能是因為水葫蘆根系及其生長趨勢較蘆葦和蕹菜發達。

2. 4 蘆葦—蕹菜組合對養殖廢水中CODcr的處理效果

從圖4可以看出，培養15 d后，蘆葦—蕹菜組合對5組養殖廢水中的CODcr也有一定的凈化效果，1～5組模擬養殖廢水的CODcr濃度分別降至785、506、375、184和88 mg/L，凈化效率分別為60.8%、66.3%、62.5%、77.0%和82.4%。對照GB 18596-2001《畜禽養殖業污染物排放標準》，5組廢水中CODcr有3組達到最高允許日均排放濃度不超過400 mg/L的要求。凈化效率方面，蘆葦—蕹菜組合優于單一植物。分析原因，可能是植物組合彌補了蘆葦對養殖廢水適應性的不足，同時蕹菜具有較多的匍匐根，既能長在土壤中，又能浮于水面，解決了污水垂直方向的凈化問題。

2. 5 蘆葦—水葫蘆組合對養殖廢水中CODcr的處理效果

從圖5可以看出，培養15 d后，蘆葦—水葫蘆組合對5組養殖廢水中的CODcr也有一定的凈化效果，1～5組模擬養殖廢水的CODcr濃度分別降至564、376、212、102和76 mg/L，凈化效率分別為71.8%、74.9%、78.8%、87.3%和84.8%。對照GB 18596-2001《畜禽養殖業污染物排放標準》，5組廢水中的CODcr，除第1組不達標外，其余4組均能滿足最高允許日均排放濃度未超過400 mg/L的要求。凈化效率方面，蘆葦—水葫蘆組合比單一植物和蘆葦—蕹菜組合理想。這可能是植物組合彌補了蘆葦對養殖廢水適應性的不足，同時水葫蘆浮于水面上，解決了污水垂直方向的凈化問題；此外，水葫蘆的生長較蕹菜快，故其凈化效果優于蘆葦—蕹菜組合。

3 討論

本研究將蘆葦、蕹菜和水葫蘆3種水生植物置于人工模擬的養殖廢水中培養，對比分析其去除養殖廢水中CODcr的效果，結果表明，蘆葦、蕹菜和水葫蘆在養殖廢水中均能正常生長，并能加速養殖廢水中CODcr的凈化，3種單一植物及其組合對CODcr的凈化效率為43.8%～87.3%，而對照組為28.9%～66.4%；從處理能力方面分析，呈現蘆葦—水葫蘆組合>蘆葦—蕹菜組合>水葫蘆>蕹菜>蘆葦的趨勢；水生植物對高濃度養殖廢水的處理能力有限。

與程燕等（2014）的研究結果相比，本研究設計的單一植物凈化CODcr效果與其基本一致，但通過構建植物組合系統，凈化CODcr效果最大提高了近30%，表明合理構建植物組合，有利于增強植物吸收的效果；與王建家等（2015）在微堿性條件下按質量濃度100 mg/L投加高鐵酸鉀，CODcr去除率可達70%以上的研究結果相比，本研究在沒有任何預處理措施或添加劑的前提下，蘆葦—水葫蘆組合凈化CODcr效果明顯，其對CODcr的凈化效率最高達87.3%，單一蘆葦或蕹菜凈化CODcr效果在低濃度養殖廢水中最高也可達70.0%以上，表明在條件適宜的情況下，植物吸收可解決養殖廢水中CODcr超標問題。因此，建議分散性中小型養殖場可結合實際情況建設人工濕地廢水處理系統，利用植物吸收凈化后排放，在降低處理成本的情況下，減輕自然水體富營養化的危害。

本研究結果雖然可為人工濕地系統處理養殖廢水提供一定的理論依據，但仍處于試驗研究階段，下一步將進行處理效率與植物數量之間關系和篩選適于養殖廢水的人工濕地填料、合適的養殖廢水人工濕地處理系統水流形式及水力學參數（污染負荷、水力停留時間）等方面的研究，以進一步提高凈化效率。

4 結論

蘆葦、水葫蘆及蕹菜3種水生植物對低濃度養殖廢水中CODcr的去除效果較明顯，對高濃度養殖廢水的處理效果一般，在構建人工濕地植物系統時結合實際情況組建合適的植物組合，可提高凈化CODcr的效率。

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（責任編輯 羅 麗）