美人蕉和菖蒲人工湿地植物组合对高浓度畜禽废水的处理效果研究

陈金发

(西昌学院 工程技术学院, 四川 西昌 615013)



美人蕉和菖蒲人工湿地植物组合对高浓度畜禽废水的处理效果研究

陈金发

(西昌学院 工程技术学院, 四川 西昌 615013)

选用美人蕉和菖蒲作为供试植物组合应用于人工湿地中。在自然条件下，通过模拟人工湿地，采用序批式进水方式，研究美人蕉+菖蒲人工湿地对高浓度畜禽废水的处理效果。结果表明，在畜禽废水进水浓度CODcr、TP和NH3-N分别为1 176～2 365 mg/L, 22～71 mg/L, 99～180 mg/L，美人蕉+菖蒲人工湿地去除率分别达到了54%～86%，66%～87%和45%～78%。随着进水次数的增多，该人工湿地对畜禽废水中的CODcr、TP和NH3-N去除率呈递减趋势，第一次进水去除率分别为88%，87%和73%；第二次进水去除率分别为80%，62%和78%；第三次进水去除率76%，66%和68%；第四次进水去除率分别为77%，72%和45%。与其他湿地植物在处理高畜禽废水的效果相比，美人蕉+菖蒲的湿地植物组合表现良好。

美人蕉；菖蒲；畜禽废水；胁迫

在我国，对于畜禽产量需求的增长导致了水的过度消费和水资源的污染。在畜禽养殖过程中会产生大量的高CODcr(化学需氧量)、氨氮、磷和悬浮物的废水。例如一个10 000头猪的猪舍每天至少产生100～150 t的废水，废水中CODcr 600～10 000 mg/L, 氨氮 300～3 000 mg/L,总磷 30～245 mg/L[1]。许多集中式畜禽养殖在排放畜禽废水前缺乏足够的处理，这些废水的排放构成了地表水和地下水的主要污染源。目前对畜禽水的处理主要采用厌氧消化[2]、好氧生物处理[3-4]、固定化生物技术[5]、高级氧化技术[6-7]、人工湿地[8-9]等，而限制一些畜禽废水处理技术的应用使其运行和维护成本过高。人工湿地处理系统被认为是一种废水处理的生态友好型技术，不仅低成本而且简单易行，已被用于去除如CODcr、营养物和重金属等污染物[10-11]。湿地植物是人工湿地处理系统中的主要部分，在降低和去除营养物和其他污染中起到重要的作用。不同种类的湿地植物，包括芦苇、美人蕉、莎草、香蒲、菖蒲、水葫芦等被证实对于水中污染物具有良好的去除作用[12-13]。

植物的吸收、吸附和富集作用与植株的生长状况和根系发达程度密切相关，因而不同植物构成的人工湿地净化污水效果存在差异。单一的湿地植物净水功能单一，且稳定性较差[14-15]。为更好地去除污染物同时兼顾景观效果，本研究选择了一种深根散生型植物菖蒲和一种浅根散生型植物美人蕉的人工湿地植物的组合配置。虽然这两种湿地植物因为其良好的净水效果而经常被用于人工湿地系统的构建，但目前并未有该两种湿地植物的组合对于畜禽废水尤其是高浓度畜禽废水的处理研究报道，因而本研究旨在分析美人焦+菖蒲组合对高浓度废水的处理效果为畜禽养殖场废污处理提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 人工湿地装置的设计

试验在人工湿地装置中进行，其规格为1.3 m×1 m×0.8 m。装置基质为最下层2 cm的细沙和栽种植物的18 cm土壤(图1)。池中采用均匀取样，分为5个点取样，取样前先将集水层均匀混合。装置中湿地植物数据见表1。湿地植物采用间种式栽种，其中美人蕉接种6株，菖蒲接种8株，在两种植物在人工湿地中长势良好时开始进水。

图1 人工湿地装置结构示意图

处理TreatmentsP值P-valueCODcr/NH30.209第一次CODcr/TP0.072Treatment1NH3/TP0.226CODcr/NH30.014第二次CODcr/TP0.008Treatment2NH3/TP0.009CODcr/NH30.057第三次CODcr/TP0.033Treatment3NH3/TP0.018CODcr/NH30.023第四次CODcr/TP0.004Treatment4NH3/TP0.018

注：P>0.05表示差异性显著；0.01

Notes:There displayed significant difference whenP<0.05 or 0.01

1.2 原水水质与来源

试验用水为西昌市某畜禽厂排出的废水。畜禽废水进水水量为120 L。原水水质指标CODcr、TP和NH3-N分别为1 176～2 365 mg/L, 22～71 mg/L, 99～180 mg/L。

1.3 试验方案

采用序批式进出水，进废水当天开始测定水质指标CODcr、TP和NH3-N，每3天测定指标。根据畜禽养殖业污染物排放标准(GB 18596-2001)，集约化畜禽养殖业水污染日均排放浓度为CODcr 400 mg/L，NH3-N 80 mg/L, TP 8.0 mg/L。当出水指标达到排放标准时，该进水周期结束。16 d为最长进出水测定周期。每个周期结束后，用自来水进水3 d。

1.4 分析方法

水质指标CODcr、TP、NH3-N和pH分别采用重铬酸盐法、钼酸铵分光光度法和纳氏试剂分光光度法。

2 结果与分析

2.1 CODcr的处理效果

从图1可见，第一次进水水力停留时间为7 d时CODcr的值已降到400 mg/L以下。CODcr去除率为四次进水中最高，达86%。前三次进水HRT为13 d时,CODcr都已降到400 mg/L以下，第四次进水HRT为13 d时CODcr为484.17 mg/L，CODcr去除率为77%。这与在第三次试验时，菖蒲出现部分枯萎现象有关。

2.2 NH3-N的处理效果

由图3可见，第一次进水和第四次进水均在第7天就达到排放标准,这与两次的进水NH3-N较低有关系,去除率分别为73%、45%。第一次进水的NH3-N的去除率明显高于第四次,第二、三次进水的NH3-N浓度达到224.29 mg/L,分别在第13天和第10天达到了排放标准。

图2 人工湿地对畜禽废水中CODcr除效果

Fig.2 Removal efficiency of constructed wetland to CODcr in livestock wastewater

图3 人工湿地对畜禽废水中NH3-N的去除效果
Fig.3 Removal efficiency of constructed wetland to NH3-N in livestock wastewater

2.3 TP的处理效果

由图4可见，四次进水中第一次进水的TP明显高于其他周期的进水浓度,达到了71 mg/L。HRT=4 d时去除率达到了77%。其余三次周期的进水TP在33.57～46.34 mg/L 之间，进水TP去除率在HRT=4 d时在46%～58%之间。

图4 人工湿地对畜禽废水中TP的去除效果

Fig.4 Removal efficiency of constructed wetland to TP in livestock wastewater

3 讨 论

湿地开始运行时对有机物的去除主要是以基质吸附为主，湿地进水中的不溶性有机物经过颗粒沉淀被截留下来，随着植物的生长及基质表面生物膜的逐渐形成而被微生物降解利用，可溶性有机物则通过植物根系吸收、生物膜的吸附及微生物代谢而被分解除去[16]。该湿地在HRT为4 d时，四次进水的CODcr的去除率在50%～74%之间，与张彩莹等[17]利用齿果酸模和大狼把草构造的湿地对CODcr 470～550 mg/L的畜禽废水在HRT为4 d时的去除率60%相比，该种湿地植物组合对于高浓度畜禽废水的处理效果表现良好。

NH3-N去除率的变化与植物在连续高浓度畜禽废水的胁迫下植物生理特性发生变化有关。高浓度污染物情况下，两种植物不能得到足够的氧气，从而抑制了在废水中的生长[18]。这种现象在第四次进水时植物发生枯萎，且NH3-N去除率明显下降的情况上体现较明显。张俊萍等[19]采用单一植物橐吾构成人工湿地用于畜禽废水的处理，在NH3-N=31.94 mg/L情况下，在近四个月的处理后，NH3-N平均去除率为87.75%左右，相比而言，美人蕉+菖蒲两种湿地植物组合的人工湿地与单一植物橐吾相比，去除率较好。

人工湿地系统对TP的去除在进水初期主要依靠湿地基质的吸附和系统的过滤作用[20]。四次进水TP在HRT=13 d分别降低到8 mg/L左右，最高去除率达到了87%。与Zheng等[21]采用辣蓼对畜禽废水中TP的去除效果相比，辣蓼在TP浓度为21.81 mg/L 时， HRT=15 d，去除率为46.20%；HRT=30 d，去除率为60.56%； HRT=45 d，去除率为67.05%，美人蕉+菖蒲构建的人工湿地对畜禽废水中TP的去除效果较好。

从表1可知，第一次进水CODcr，HN3和TP三个指标数据间均表现不显著差异。随着进水次数的增多，三个指标间差异性显著，甚至达到极显著差异。这与植物在高浓度畜禽废水的胁迫下，对CODcr，HN3和TP呈现不同的去除率差异有关。

4 结 论

美人蕉+菖蒲的湿地植物组合在对高浓度畜禽废水的处理中表现出了良好的效能。四次进水中最高去除率CODcr为78%，NH3-N为86%，TP为87%。在同样水力停留时间下，第一次进水的三种污染物的去除率最高，后面几次进水的这三种污染物的去除率随着进水次数的增加而降低。说明高浓度畜禽废水对美人蕉、菖蒲的这两种湿地植物产生了胁迫，导致了这两种湿地植物在后期出现叶片枯萎及污染物去除率下降的情况。与其他人工湿地系统在去除畜禽废水中污染物的效果相比，在更高的污染物浓度情况下，美人蕉+菖蒲的湿地植物组合表现出了更好的去除效率。同时这种湿地植物组合在景观上可以相互映衬，花期时效果很好。因此，这两种湿地植物组合在畜禽废水的处理上有着较好的应用推广前景。

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Treatment Effect ofCannaIindicaL. andAcorusCalamusCombination on Livestock Wastewater

CHEN Jin-fa

(SchoolofEngineeringScience,XichangCollege,Xichang,Sichuan615013)

CannaindicaL. andAcoruscalamuswere selected as experimental plants in simulating wetlands. Under natural conditions, the study simulated the constructed wetlands,researched the treatment effect of the wetland on high concentration livestock wastewater using four times batch-sequential test method. The results showed that the average removal rates of the wetland plants combination to CODcr,TP and NH3-N from livestock wastewater reached 54～86%，66～87% and 45～78%, respectively when concentration of CODcr was 1176～2365 mg/L, TP, 22～71 mg/L, and NH3-N, 99～180 mg/L. With the increase of influent times, the removal rates of the wetlands to CODcr,TP and NH3-N decreased progressively and some of acorus calamus plant withered in the third inflowing. the Combination ofcannaindicaL. andAcoruscalamusperfomed better treatment efficiency compared with that of other plants for high concentration livestock wastewater.

CannaindicaL.;Acoruscalamus; livestock wastewater; stress

2014-08-02，

2014-12-18

四川省环保厅科技计划项目(NO.2011HB005)；西昌市科教局科技计划项目(No. 2014KJ003)

陈金发(1976-)，男，福建莆田人，副教授，研究方向为循环经济与污染控制科研与教学。E-mail：chenjinfa11@sohu.com

S811.6

A

1005-5228(2015)04-0040-04