美人蕉、梭鱼草和黄菖蒲人工湿地系统对养猪废水的脱氮特征研究

夏梦华，刘铭羽，郭宁宁，叶 磊，李 希，李裕元，张满意，吴金水

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所/ 亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；2.中国科学院大学，北京 100049；3.湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410006；4.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128)

随着点源污染逐步得到有效控制，面源污染问题已成为引起水环境质量下降及水生态环境恶化的主要原因，而农业面源污染防治是面源污染治理最重要的环节[1]，其中高密度畜禽养殖及过量施肥导致的氮流失是形成农业面源污染的主要原因[2]。养殖废水因为排水量大、排水时间相对集中、氮磷负荷高等原因，难以得到快速有效的处理和利用，因此逐步演化成农村环境污染中的主要问题[3-4]。

养猪废水是一种高负荷的有机废水[5]，同时也是农业生产中宝贵的肥力资源，其处理技术主要包括厌氧处理技术、好氧处理技术和人工湿地处理技术[6]。其中前2项技术主要应用于大规模的工厂化处理，优点主要在于集中程度高、占地少，但也存在不足之处：工程建设和运行成本较高[7]。人工湿地处理技术具有投资少、氮磷资源回收利用效率高等特点，在农村分散型养猪废水处理方面受到更多青睐。人工湿地中氮的去除方式主要包括微生物转化、植物吸收、基质吸附和氨挥发等[8]，其中硝化-反硝化作用是人工湿地系统最主要的脱氮过程，通常占系统氮去除总量的66%～80%[9]，植物直接吸收对脱氮量的贡献一般不大(2%～43%)[10-11]，但能通过根系泌氧、生化反应酶的释放以及改变水力传输特征等方面间接促进氮的去除[12]，因此，不同植物构建的湿地系统有不同的脱氮特征。

目前关于湿地植物对污水的脱氮能力研究已较多[13-14]，但关注点多集中在中低负荷污水的净化或植物对某种元素的吸附累积能力上，且以室内模拟试验居多，湿地植物对高负荷养猪废水的具体耐受情况以及系统内的氮去向特征研究较少。遴选适当的湿地植物对于养猪废水的低成本生态治理具有重要的理论价值；明确氮去向并探寻影响其去向的关键因素则有利于提高人工湿地对营养元素的利用率。基于此，笔者通过野外小区控制试验，研究了由美人蕉(Cannaindica)、梭鱼草(Pontederiacordata)、黄菖蒲(Irispseudacorus)3种生物量较大的挺水植物构建的表面流人工湿地对养猪废水(沼液)的脱氮特征及机理，以期为湿地植物的遴选提供理论依据，为养猪废水的生态治理提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在湖南省长沙县金井镇中国科学院长沙农业环境观测研究站(113°20′4.75″ N, 28°33′4.01″ E)进行。研究区属典型亚热带湿润季风气候区，多年平均气温为17.2 ℃，全年无霜期为260～300 d，年日照时数为1 600～1 800 h，年平均降水量约为1 300 mm。

1.2 试验材料

试验小区设置在野外，小区由混凝土建成，底部及四周均做防渗处理，长×宽×深为80 cm×50 cm×40 cm，在距底部26 cm高处开直径为2 cm的排水孔2个，以保证各小区正常排水。小区底泥采用当地典型水稻土，土壤砂粒(粒径>0.05 mm)和黏粒(粒径<0.002 mm)含量w分别为41.6%和10.0%。土壤质地为粉砂壤[15]，土壤容重约为1.21 g·cm-3，w(总有机碳)约为 10.6 g·kg-1，w(全氮)、w(全磷)及w(全钾)分别为1.2、0.4和22.5 g·kg-1。试验所用养猪废水取自长沙县开慧镇锡福村某小型养猪场，猪场总占地面积约为5 800 m2，存栏数量约为1 500头，废水产生量约为15 t·d-1。试验所用废水为经过厌氧池预处理过的养猪废水沼液，但沼液中残留的COD为1 700 mg·L-1,ρ(氮)为370 mg·L-1,ρ(磷)为65 mg·L-1。试验所用植物均为当地常见且萌蘖再生能力较强的挺水植物。幼苗在花卉市场统一购买，株高控制在(60±5) cm。

1.3 试验设计

试验共设美人蕉、梭鱼草、黄菖蒲3个处理组及1个对照(无植物)，每个处理设置3次重复，共12个小区，采用随机区组设计。试验开始前，先在每个小区底部填充过3 mm孔径筛的水稻土12 cm作为人工湿地植物定植底泥，植物种植密度为35 丛·m-2，初期控制植物种苗湿重约为4.1 kg·m-2。植物定植后加水并淹没土壤，培养10 d，待植物成活并稳定生长后正式开始试验。试验阶段为2018年9—11月，周期为50 d，试验期间使用蠕动泵(LabV3)从储水池持续进水，并根据天气情况定期加水以补充蒸散发耗水量，小区进水量为8 L·d-1，即进水负荷约为20 L·m-2·d-1，水力停留时间为7 d。

1.4 样品采集与分析方法

在试验开始前采集底泥及植物样品背景值，之后定期采集进出水、底泥和植物样品。

水样的采集与分析：水样每7 d采集1次，在试验小区出水口及中心分别取样，混合后作为待测样品，保存于100 mL塑料方瓶中，同时采集储水池内原液。分别测定氨氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)和总氮(TN)浓度，NH4+-N和NO3--N浓度离心过滤后取上清液,用 AA3 流动分析仪测定；TN浓度采用碱性过硫酸钾消解-流动注射仪法测定。此外，用雷磁DDB-303A便携式电导率仪现场实时测定水体电导率(EC)，用哈希便携式水质分析仪(HQ40d)测定水温(T)及溶解氧(DO)浓度，用梅特勒-托利多pH计(FE20)测定pH值。

植物样品的采集与分析：分别于试验开始前和结束时称量并换算各小区植物及根系生物总量(以干重计)。植物样每14 d采集1次，选择长势良好且有代表性的植株带底泥切出，于实验室内清洗干净，分根、茎、叶剪碎装于信封袋内，置于105 ℃烘箱中杀青30 min，于80 ℃条件下烘至恒重，研磨、过0.42 mm孔径筛后装于自封袋保存，用于植物TN含量测定，测定方法为H2SO4-H2O2消煮-半微量凯氏定氮法。

底泥样品的采集与分析：底泥样每14 d采集1次，与植物样采集同步进行，使用土钻进行采集，取样深度与小区填土厚度一致，每个小区沿对角线等距离取三钻底泥，装自封袋带回实验室，风干部分过1.7 mm孔径筛去除植物根系。样品分为2份：一份鲜样用自封袋保存在4 ℃冰箱中，用于测定底泥pH值、含水率、NH4+-N及NO3--N含量；另一部分进一步自然风干，经研磨、过0.15 mm孔径筛后4 ℃ 条件下保存，用于测定土壤TN含量。NH4+-N及NO3--N含量采用氯化钾浸提-流动注射仪法测定；土壤TN含量经H2SO4消解后，用半微量凯氏定氮法测定。

1.5 计算方法与数据分析

人工湿地中污染物去除效率(R)计算方法为

R=(Ci0-Ci)/Ci0×100 。

(1)

式(1)中，Ci0为人工湿地第i次采样时储水池原液质量浓度，mg·L-1；Ci为人工湿地第i次采样出水质量浓度，mg·L-1。

人工湿地单位面积平均氮去除负荷(Qw)计算方法为

(2)

式(2)中，Qw为人工湿地单位面积平均氮去除负荷，g·m-2·d-1；n为采样次数(7次)；i为采样频次；V为湿地中水体有效体积，m3；t为水力停留时间，d；S为湿地有效面积，m2。

人工湿地单位面积底泥平均氮吸附量(Qs)计算方法为

(3)

式(3)中，Qs为人工湿地单位面积底泥平均氮吸附量，g·m-2·d-1；ρb为底泥容重，g·cm-3；V为湿地内土壤体积，m3；Cs为试验结束时底泥TN含量，g·kg-1；Cs0为试验开始时底泥TN背景含量，g·kg-1；D为试验天数，d；1 000为单位换算系数。

人工湿地单位面积植物平均氮吸收量(Qp)计算方法为

Qp=(PC×PB-PC0×PB0)/D。

(4)

式(4)中，Qp为人工湿地单位面积植物平均氮吸收量，g·m-2·d-1；PB为试验结束时单位面积植物干重，kg·m-2；PC为试验结束时植株内氮含量，g·kg-1；PB0为试验开始时单位面积植物干重，kg·m-2；PC0为试验开始时植株内氮含量，g·kg-1。

废水pH值约为7.8，因此氨挥发氮损失量可忽略不计[16]，扣除植物吸收量、底泥吸附量，其他形式氮去除均算入微生物去除途径，试验期人工湿地单位面积微生物转化作用下氮去除量(Qm)采用下式进行估算[17]：

Qm=Qw-Qs-Qp。

(5)

式(5)中，Qm为人工湿地单位面积微生物转化作用下氮去除量，g·m-2·d-1。

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据分析，SPSS 22.0软件进行统计分析，Origin 2019b软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 养猪废水中TN、NH4+-N及NO3--N的去除效果

试验小区进水ρ(TN)和ρ(NH4+-N)分别为318～391和296～368 mg·L-1，试验期内平均去除率大小顺序均为梭鱼草>黄菖蒲>美人蕉>对照，TN平均去除率分别为56%、53%、42%和31%，平均出水质量浓度为156、166、205和243 mg·L-1(图1)；NH4+-N平均去除率分别为57%、53%、48%和32%，平均出水质量浓度为137、156、166和215 mg·L-1(图2)。梭鱼草和黄菖蒲处理TN和NH4+-N去除率均与对照差异显著(P<0.05)。此外，不同处理的TN和NH4+-N去除率均随时间推移呈下降趋势，其中9月21日—10月15日去除率较高，下降较缓；10月15日—11月9日去除率下降较快。梭鱼草处理前期(9月21日—10月15日)TN和NH4+-N的去除效果最好，最高达75%和82%，平均出水质量浓度分别为99和68 mg·L-1。黄菖蒲处理后期(10月15日—11月9日)TN和NH4+-N的去除率最好，最高达53%和49%，平均出水质量浓度分别为153和154 mg·L-1。试验期间梭鱼草、黄菖蒲、美人蕉和对照4种处理的氮去除量分别为3.93、3.74、2.96和2.21 g·m-2·d-1。

图1 TN进出水浓度及去除率

图2 NH4+-N进出水浓度及去除率

养猪废水(沼液)中ρ(NO3--N)极低，约为0.13～0.94 mg·L-1。NO3--N去除率随着时间推移呈下降趋势，大小顺序为梭鱼草>黄菖蒲>美人蕉>对照，平均去除率分别为53%、50%、49%和36%，平均出水质量浓度分别为0.211、0.214、0.215和0.258 mg·L-1，各处理间去除率无显著差异(P>0.05)(图3)。

图3 NO3--N进出水浓度及去除率

将不同污染物去除率与水环境因子进行Pearson相关性分析，结果表明TN、NH4+-N去除率均与温度呈极显著正相关(P<0.01)，与pH值呈极显著负相关(P<0.01)；NO3--N去除率与温度呈极显著正相关(P<0.01)，与DO、pH值呈显著负相关(P<0.05)(表1)。

表1 污染物去除率与环境因子的相关系数

2.2 底泥中TN、NH4+-N及NO3--N含量变化

试验期间底泥pH值变化范围为7.08～8.30，平均为7.80，呈弱碱性。试验开始时(9月13日)不同处理中底泥TN和NH4+-N含量无显著差异(P>0.05)。由图4可知，试验期底泥中TN和NH4+-N平均含量的变化顺序均为对照>美人蕉>梭鱼草>黄菖蒲，TN平均含量分别为1.4、1.31、1.30和1.26 g·kg-1；NH4+-N平均含量分别为241、213、199和170 mg·kg-1，不同处理间TN与NH4+-N含量差异不显著(P>0.05)。底泥中TN和NH4+-N含量均在试验初期先急速上升，然后渐趋平稳。底泥中NO3--N含量较低，基本稳定在0.26～0.56 mg·kg-1。对照、美人蕉、梭鱼草和黄菖蒲处理底泥吸附量分别为0.80、0.66、0.51和0.36 g·m-2·d-1，吸附量占废水总脱氮量的36%、22%、13%和10%，有植物的湿地占比明显较低。

图4 底泥中TN和NH4+-N含量

2.3 植物生长状况与氮含量变化

3种植物在人工湿地中稳定后均会先增长自身叶片数并围绕母株分生子株，后植株高度开始生长。至试验结束不同处理间植物株高、干物质量和根系干物质量均有显著差异(P<0.05)。梭鱼草喜热且能较快适应新环境，试验期间长势最好，植株平均增高约82 cm，植物干物质量增加约1.17 kg·m-2；黄菖蒲在水温较低时生长最为迅速，根系干物质量增量最大，约为200 g·m-2；美人蕉在养猪废水(沼液)中虽能生长及分生，但生长较缓慢。不同植物含水率试验前后变化不明显，均为90%左右(表2)。

表2 不同挺水植物试验前后的生长状况

梭鱼草处理中TN含量大小顺序为叶>根>茎，分配比例为55.2%、23.2%和21.6%，根、茎中TN含量与叶差异显著(P<0.05)；黄菖蒲处理中TN含量大小顺序为叶>茎>根，分配比例为45.4%、32.0%和22.6%，根和叶中TN含量差异显著(P<0.05)；美人蕉处理中TN含量大小顺序为叶>茎>根，分别为38.8%、32.8%和28.4%，不同器官中TN含量差异不显著(图5)。

图5 氮在植株器官间的分配特征

植物体内TN含量大小顺序为梭鱼草>黄菖蒲>美人蕉，平均含量分别为25.33、20.85和18.08 g·kg-1，不同处理间差异不显著。不同植物体内氮含量均随时间推移呈上升趋势(图6)。在梭鱼草、黄菖蒲和美人蕉处理中，氮含量分别由1.8%、1.1%和1.1%增长到3.5%、2.9%和2.7%，试验末期植物氮吸收量分别为0.84、0.64和0.41 g·m-2·d-1，占总脱氮量的21%、17%和14%。

英文小写字母不同表示同种植物在不同采样时间植株内TN含量差异显著(P<0.05)；大写字母不同表示同一采样时间不同植物植株内TN含量差异显著(P<0.05)。

2.4 水环境因子变化

水环境因子测定结果表明，人工湿地系统内ρ(DO)普遍较低，为0.01～1.59 mg·L-1，植物处理组出水ρ(DO)较进水显著升高(P<0.05)。不同处理(含对照)间pH值无明显差异(P> 0.05)，但出水pH值显著低于进水(P<0.05)。水温随时间推移呈下降趋势(与气温变化一致)，变化范围为14～27 ℃，进出水温度无显著性差异。出水电导率较进水下降约50%(表3)。

表3 养猪废水环境因子

3 讨论

3.1 废水中主要水质理化指标的变化

试验结果表明，湿地系统无论有无植物水体ρ(DO)都处于较低水平(0.01～1.59 mg·L-1)，其原因可能是微生物在降解有机污染物时消耗了大量的氧气[18]。出水DO浓度明显增高，一方面是因为随着有机物的降解，大气的复氧能力增强；另一方面是因为植物根系也会向系统内释放氧气[19]。养猪废水中无机盐离子大部分被底泥吸附[20]，小部分被微生物吸收利用，小分子有机盐主要被植物吸收[21]，因此经过湿地处理后废水EC值会有不同程度的降低。

试验初期，污染物主要通过物理沉降和化学吸附作用沉积在底泥中[22]，因此各处理均为初次采样时去除率最高。试验开始至10月15日，各处理氮去除率较高，原因可能是：(1)该阶段植物生长较快，吸收累积氮的能力强；(2)该时段温度较高，微生物生长代谢旺盛，因此氮利用率高。试验后期(10月15日之后)，氮去除率明显下降，这与温度降低也有一定关系(表1)。系统出水pH值明显降低，TN、NH4+-N去除率与pH值呈负相关，这与脱氮过程水体NH4+-N浓度的降低有密切关系，且植物根系有机酸等物质的分泌、微生物代谢转化等活动也会在一定程度上影响底泥或废水的酸碱度。

废水为缺氧且微碱环境，适合反硝化作用。因此NO3--N一经产生便被利用，很难在废水中累积[23]。根据表1可知，温度及溶解氧对NO3--N的去除有显著影响，主要因为反硝化微生物活性易受温度及溶解氧影响。有研究表明反硝化作用也会受有机碳源的类型和质量的影响，进而影响NO3--N的去除率[24]。

3.2 底泥对TN、NH4+-N及NO3--N的吸附

底泥会通过物理吸附和絮凝沉淀等作用固定水体部分氮素，其中吸附作用主要由基质表面的静电引力产生，NH4+-N是带正电的离子，湿地基质一般带负电荷，因此底泥主要吸附NH4+-N[25]。

对照组的氮沉积量最多；美人蕉由于生长状态相对欠佳，从底泥中吸收氮的能力较弱，因此底泥中氮含量较高；梭鱼草及黄菖蒲生长良好，不仅直接吸收了大量氮，还通过拦截作用间接影响了水体中氮的沉积过程[26]，因此系统内底泥氮含量较低。底泥中NO3--N含量低与反硝化微生物的利用及转化密切相关；其次，底泥本身不易吸收带负电的硝酸根离子。此外，养猪废水(沼液)中NO3--N浓度本身较低，输入的NO3--N总量较少，这也是底泥中NO3--N含量低的一个重要原因。

3.3 植物对氮的吸收累积

3种人工湿地系统中植物吸收脱氮量占总脱氮量的14%～21%，吸收量为0.41～0.84 g·m-2·d-1。一般情况下，大型湿地植物吸收脱氮占比多为2%～16%[27-28]，吸收量约为0.02～0.675 g·m-2·d-1[29-30]，低于该试验结果。推测是因为湿地中许多大型水生植物对NH4+-N有所偏爱[31]，因此在高NH4+-N养猪废水(沼液)中植物会吸收更多的氮。另外，植物吸收途径占比越高，越有利于养猪废水的资源化利用，因为可通过收割植物的方式将营养元素从人工湿地系统中移出并加以利用。

叶片氮含量占比较高(33.8%～55.2%)，其原因可能是氮一般集中于植物生命活动最旺盛的部分[32]，而叶片为光合作用场所，含有大量功能蛋白及叶绿素，因此生命活动相对旺盛，氮含量较高。

3.4 氮去向与脱氮特征

通过计算发现，对照组中底泥吸附脱氮占36%，微生物转化脱氮占64%；美人蕉、梭鱼草和黄菖蒲处理中底泥吸附分别占22%、13%和10%；植物吸收占14%、21%和17%，微生物作用占64%、66%和73%，可见微生物作用是人工湿地最主要的脱氮途径，这与白军红等[33]的研究结论基本一致。黄菖蒲处理中微生物转化脱氮占比高于其他2种处理，这可能与黄菖蒲根系相对发达有关。研究表明湿地植物根系的生物量越大，植物根区发生硝化作用的机会越大[34]。梭鱼草处理中植物吸收脱氮贡献率高于其他2种处理，这与梭鱼草植株氮含量较高且生物量较大密切相关。美人蕉处理中底泥吸附脱氮贡献率高于其他2种处理，主要因为其生长状态较差，从底泥中移除氮的能力较弱，因此吸附沉积在底泥中的氮比例较高。3种植物生长状态虽存在差异，但对养猪废水均有一定耐受性。彭忆兰等[35]的研究也表明一些水生植物能在高氮废水中正常存活且脱氮效果良好(44.0%～76.5%)，这可能是因为植物会通过相应的生理生化活动来缓解氨胁迫带来的危害。

4 结论

3种挺水植物在养猪废水(沼液)中均可存活，其中梭鱼草生物量较大，湿地脱氮效果最好，适合做养猪废水(沼液)处理的先锋植物；黄菖蒲根系发达，低温阶段生长良好，与梭鱼草存在季节方面的互补性；美人蕉虽耐受能力强，但净化能力较弱，可考虑用来处理中低负荷废水或与其他植物混种来提高湿地的生物多样性及景观性。

3种植物湿地系统对TN、NH4+-N和NO3--N的去除率均为梭鱼草>黄菖蒲>美人蕉，氮去除负荷分别为3.93、3.74和2.96 g·m-2·d-1，且均以微生物转化脱氮占主导地位(66%、73%和64%)，底泥吸附(13%、10%和22%)和植物吸收(21%、17%和14%)占比均较低。温度、植物生物量和根系生长状况是影响湿地脱氮效果的主要因素。