3种常见水生植物对养殖废水中化学需氧量的去除效果

刘作云 彭忆兰 付美云

摘要：【目的】研究水生植物对养殖废水中化学需氧量（CODcr）的去除能力，为人工湿地系统处理养殖废水提供理论依据。【方法】将芦苇、水葫芦、蕹菜3种单一水生植物及芦苇—水葫芦组合、芦苇—蕹菜组合分别置于人工模拟的不同浓度养殖废水中培养，以不种植水生植物的不同浓度养殖废水为对照，对比分析芦苇、水葫芦、蕹菜对养殖废水中CODcr的去除与净化效果。【结果】供试水生植物对养殖废水中CODcr的去除和净化能力排序为：芦苇—水葫芦组合>芦苇—蕹菜组合>水葫芦>蕹菜>芦苇。培养15 d后，3种水生植物对养殖废水中CODcr的净化效率为43.8%～87.3%，而对照组为28.9%～66.4%。【结论】芦苇、水葫芦及蕹菜3种水生植物对低浓度养殖废水中CODcr的去除效果较明显，对高浓度养殖废水中CODcr的处理效果一般，在构建人工湿地植物系统时结合实际情况组建合适的植物组合，可提高净化CODcr效率。

关键词： 化学需氧量（CODcr）；水生植物；养殖废水；去除效果

中图分类号： X703.1 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）06-0911-05

0 引言

【研究意义】养殖废水因其氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、化学需氧量（CODcr）及悬浮物浓度高，容易给自然环境带来长期的、不可逆的影响，是目前广大农村地区面源污染的重要原因之一。虽然已有不少学者致力于养殖废水的处理研究（王亮，2013；许国晶等，2014；姚凯儒和罗建新，2015），并提出了一些可供选择的工艺方法，如微生物燃料电池法（李小虎等，2012）、微藻法（程海翔，2013）等，这些方法中的工艺处理虽可短时间净化养殖废水中大部分的NH3-N、TP、CODcr及悬浮物，但受建设资金、污染负荷、运行成本等因素的限制，无法在农村地区推广应用。既要实现养殖废水的达标排放，又要满足低投入、低成本的要求，人工湿地处理系统是最佳选择之一，其主要優点是建设和运行成本低、净化效果好，同时部分水生植物还可以回收利用，应用前景广阔（孙伟，2014）。因此，研究植物对不同浓度养殖废水中有机物的去除效果，可为构建人工湿地养殖废水处理系统提供理论依据，对有效控制养殖业废污排放具有重要意义。【前人研究进展】养殖废水的处理大致分为三类，即自然处理法、生物处理法和综合处理法，人工湿地属于自然处理法。近年来，关于人工湿地处理废水中有机物的研究已有不少报道。杨晓玲和郭金耀（2012）研究水蕹菜对富营养化养殖水的净化作用，结果表明，漂浮栽培40 d后，水蕹菜可使养殖水中的CODcr、TN和TP分别降低63.43%、67.63%和62.24%。程燕等（2014）利用水葫芦净化猪场氧化池污水，可实现TN、TP和CODcr去除率最高分别达90.28%、44.81%和51.57%，水葫芦对废水pH也有一定的改善作用。蒙宽宏等（2014）研究芦苇及香蒲对水中TN和TP的净化能力，结果发现这两种植物均可有效去除水体中的TN和TP，去除率均在70%以上，其中芦苇的总体效果最好。刘永士等（2014）利用人工湿地对高盐度养殖废水进行净化，其对CODcr去除效率为12.5%。侯婷婷等（2014）通过构建生物预处理与人工湿地结合的方法，能使废水中小分子有机物去除率达80%以上。【本研究切入点】目前，关于人工湿地处理养殖废水的研究大多将人工湿地定位为处理工艺的一小部分，旨在增强处理效果，而将湿地植物作为处理系统的核心直接投放至养殖废水中进行的研究却鲜见报道。【拟解决的关键问题】分析芦苇、蕹菜和水葫芦3种水生植物及其组合对人工配置的5组养殖废水中CODcr的处理效果，为人工湿地系统处理养殖废水提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 水生植物采集与驯化

在湖南省衡阳市石鼓区梽木村鱼塘、李坳村排水沟、灵官庙村农户猪场排水沟及湖南环境生物职业技术学院养殖场排水池中分别采集芦苇、水葫芦和蕹菜3种水生植物样品，以及5.0 L水样，将3种水生植物依次用低、中、高浓度猪场废水进行适应性培养与驯化，待其生长状况稳定后，再进行不同浓度的猪场废水水培试验。培养条件：pH 7.0左右（用氢氧化钾溶液调节），温度23～28 ℃，光照3000～5000 lx。通过15 d的驯化观察，3种供试植物在不同浓度猪场废水中均能正常生长繁殖。

1. 2 养殖废水样品采集分析与人为模拟

水样采集于湖南环境生物职业技术学院养殖场排水池（清粪方式为水冲粪），分析其NH3-N、TP及CODcr浓度。养殖废水的污染物浓度范围见表1。

结合养殖废水成分分析结果进行试验用水配置，配制方案为：从湖南环境生物职业技术学院养殖场采集养殖废水原液，经沉淀处理后，用邻苯二甲酸氢钾和蒸馏水根据表2设计CODcr浓度配制5组试验废水，在此基础上，用氯化铵调节NH3-N浓度，用磷酸二氢钾调节TP浓度。考虑到环境条件等因素，适当调整试验废水中CODcr的浓度范围。

1. 3 试验设计

将芦苇、水葫芦、蕹菜、芦苇—水葫芦组合、芦苇—蕹菜组合分别置于人工模拟的养殖废水中培养0（2 h）、2、5、10、15 d后，测定水样中CODcr浓度，计算各水生植物对试验废水中CODcr的净化效率。5组试验废水均设置对照组，对照组不种植水生植物，其他试验条件与对应的试验组相同，观察各对照组CODcr的自我净化规律。

净化效率（%）=（培养15 d后试验废水中CODcr浓度-试验废水设计的CODcr浓度）/试验废水设计的CODcr浓度×100

1. 4 统计分析

采用Excel 2003对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2. 1 芦苇对养殖废水中CODcr的处理效果

由图1可知，培养15 d后，芦苇对5组养殖废水中的CODcr均有一定的净化效果，1～5组模拟养殖废水的CODcr含量分别降至1125、714、503、408和132 mg/L，净化效率分别为43.8%、52.4%、49.7%、49.0%和73.6%；其中，仅第5组的CODcr达到GB 18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》最高允许日均排放浓度不超过400 mg/L的要求。芦苇对CODcr的净化效率在试验前期（2～5 d）较慢，之后逐步加快，原因可能是芦苇在培养前期对养殖废水需要一个适应的过程。各对照组中CODcr含量均有下降趋势，但下降速率明显慢于试验组，培养15 d后，各对照组的CODcr含量分别降至1422、826、542、429和168 mg/L，净化效率分别为28.9%、44.9%、45.8%、46.4%和66.4%，净化效果明显不及试验组。

2. 2 蕹菜对养殖废水中CODcr的处理效果

由图2可知，培养15 d后，蕹菜对5组养殖废水中的CODcr均有一定的净化效果，1～5组模拟养殖废水的CODcr浓度分别降至846、557、416、214和114 mg/L，净化效率分别为57.7%、62.9%、58.4%、73.3%和77.2%；其中，第4和第5组的CODcr达到GB 18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》最高允许日均排放浓度不超过400 mg/L的要求。蕹菜去除养殖废水中CODcr的效果较对照组和芦苇明显，原因可能是蕹菜根系及其生长趋势较芦苇发达，能更快地适应养殖废水环境。

2. 3 水葫芦对养殖废水中CODcr的处理效果

由图3可知，培养15 d后，水葫芦对5组养殖废水中的CODcr均有一定的净化效果，1～5组模拟养殖废水的CODcr浓度分别降至635、428、255、124和88 mg/L，净化效率分别为68.3%、71.5%、74.5%、84.5%和82.4%；其中，3～5组的CODcr达到GB 18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》最高允许日均排放浓度不超过400 mg/L的要求。净化效率方面，水葫芦优于对照组、芦苇及蕹菜，说明水葫芦对养殖废水CODcr的净化作用较芦苇和蕹菜明显，可能是因为水葫芦根系及其生长趋势较芦苇和蕹菜发达。

2. 4 芦苇—蕹菜组合对养殖废水中CODcr的处理效果

从图4可以看出，培养15 d后，芦苇—蕹菜组合对5组养殖废水中的CODcr也有一定的净化效果，1～5组模拟养殖废水的CODcr浓度分别降至785、506、375、184和88 mg/L，净化效率分别为60.8%、66.3%、62.5%、77.0%和82.4%。对照GB 18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》，5组废水中CODcr有3组达到最高允许日均排放浓度不超过400 mg/L的要求。净化效率方面，芦苇—蕹菜组合优于单一植物。分析原因，可能是植物组合弥补了芦苇对养殖废水适应性的不足，同时蕹菜具有较多的匍匐根，既能长在土壤中，又能浮于水面，解决了污水垂直方向的净化问题。

2. 5 芦苇—水葫芦组合对养殖废水中CODcr的处理效果

从图5可以看出，培养15 d后，芦苇—水葫芦组合对5组养殖废水中的CODcr也有一定的净化效果，1～5组模拟养殖废水的CODcr浓度分别降至564、376、212、102和76 mg/L，净化效率分别为71.8%、74.9%、78.8%、87.3%和84.8%。对照GB 18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》，5組废水中的CODcr，除第1组不达标外，其余4组均能满足最高允许日均排放浓度未超过400 mg/L的要求。净化效率方面，芦苇—水葫芦组合比单一植物和芦苇—蕹菜组合理想。这可能是植物组合弥补了芦苇对养殖废水适应性的不足，同时水葫芦浮于水面上，解决了污水垂直方向的净化问题；此外，水葫芦的生长较蕹菜快，故其净化效果优于芦苇—蕹菜组合。

3 讨论

本研究将芦苇、蕹菜和水葫芦3种水生植物置于人工模拟的养殖废水中培养，对比分析其去除养殖废水中CODcr的效果，结果表明，芦苇、蕹菜和水葫芦在养殖废水中均能正常生长，并能加速养殖废水中CODcr的净化，3种单一植物及其组合对CODcr的净化效率为43.8%～87.3%，而对照组为28.9%～66.4%；从处理能力方面分析，呈现芦苇—水葫芦组合>芦苇—蕹菜组合>水葫芦>蕹菜>芦苇的趋势；水生植物对高浓度养殖废水的处理能力有限。

与程燕等（2014）的研究结果相比，本研究设计的单一植物净化CODcr效果与其基本一致，但通过构建植物组合系统，净化CODcr效果最大提高了近30%，表明合理构建植物组合，有利于增强植物吸收的效果；与王建家等（2015）在微碱性条件下按质量浓度100 mg/L投加高铁酸钾，CODcr去除率可达70%以上的研究结果相比，本研究在没有任何预处理措施或添加剂的前提下，芦苇—水葫芦组合净化CODcr效果明显，其对CODcr的净化效率最高达87.3%，单一芦苇或蕹菜净化CODcr效果在低浓度养殖废水中最高也可达70.0%以上，表明在条件适宜的情况下，植物吸收可解决养殖废水中CODcr超标问题。因此，建议分散性中小型养殖场可结合实际情况建设人工湿地废水处理系统，利用植物吸收净化后排放，在降低处理成本的情况下，减轻自然水体富营养化的危害。

本研究结果虽然可为人工湿地系统处理养殖废水提供一定的理论依据，但仍处于试验研究阶段，下一步将进行处理效率与植物数量之间关系和筛选适于养殖废水的人工湿地填料、合适的养殖废水人工湿地处理系统水流形式及水力学参数（污染负荷、水力停留时间）等方面的研究，以进一步提高净化效率。

4 结论

芦苇、水葫芦及蕹菜3种水生植物对低浓度养殖废水中CODcr的去除效果较明显，对高浓度养殖废水的处理效果一般，在构建人工湿地植物系统时结合实际情况组建合适的植物组合，可提高净化CODcr的效率。

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（责任编辑 罗 丽）