陳金發(fā)

(西昌學院 工程技術學院, 四川 西昌 615013)

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美人蕉和菖蒲人工濕地植物組合對高濃度畜禽廢水的處理效果研究

陳金發(fā)

(西昌學院 工程技術學院, 四川 西昌 615013)

選用美人蕉和菖蒲作為供試植物組合應用于人工濕地中。在自然條件下，通過模擬人工濕地，采用序批式進水方式，研究美人蕉+菖蒲人工濕地對高濃度畜禽廢水的處理效果。結果表明，在畜禽廢水進水濃度CODcr、TP和NH3-N分別為1 176～2 365 mg/L, 22～71 mg/L, 99～180 mg/L，美人蕉+菖蒲人工濕地去除率分別達到了54%～86%，66%～87%和45%～78%。隨著進水次數(shù)的增多，該人工濕地對畜禽廢水中的CODcr、TP和NH3-N去除率呈遞減趨勢，第一次進水去除率分別為88%，87%和73%；第二次進水去除率分別為80%，62%和78%；第三次進水去除率76%，66%和68%；第四次進水去除率分別為77%，72%和45%。與其他濕地植物在處理高畜禽廢水的效果相比，美人蕉+菖蒲的濕地植物組合表現(xiàn)良好。

美人蕉；菖蒲；畜禽廢水；脅迫

在我國，對于畜禽產(chǎn)量需求的增長導致了水的過度消費和水資源的污染。在畜禽養(yǎng)殖過程中會產(chǎn)生大量的高CODcr(化學需氧量)、氨氮、磷和懸浮物的廢水。例如一個10 000頭豬的豬舍每天至少產(chǎn)生100～150 t的廢水，廢水中CODcr 600～10 000 mg/L, 氨氮 300～3 000 mg/L,總磷 30～245 mg/L[1]。許多集中式畜禽養(yǎng)殖在排放畜禽廢水前缺乏足夠的處理，這些廢水的排放構成了地表水和地下水的主要污染源。目前對畜禽水的處理主要采用厭氧消化[2]、好氧生物處理[3-4]、固定化生物技術[5]、高級氧化技術[6-7]、人工濕地[8-9]等，而限制一些畜禽廢水處理技術的應用使其運行和維護成本過高。人工濕地處理系統(tǒng)被認為是一種廢水處理的生態(tài)友好型技術，不僅低成本而且簡單易行，已被用于去除如CODcr、營養(yǎng)物和重金屬等污染物[10-11]。濕地植物是人工濕地處理系統(tǒng)中的主要部分，在降低和去除營養(yǎng)物和其他污染中起到重要的作用。不同種類的濕地植物，包括蘆葦、美人蕉、莎草、香蒲、菖蒲、水葫蘆等被證實對于水中污染物具有良好的去除作用[12-13]。

植物的吸收、吸附和富集作用與植株的生長狀況和根系發(fā)達程度密切相關，因而不同植物構成的人工濕地凈化污水效果存在差異。單一的濕地植物凈水功能單一，且穩(wěn)定性較差[14-15]。為更好地去除污染物同時兼顧景觀效果，本研究選擇了一種深根散生型植物菖蒲和一種淺根散生型植物美人蕉的人工濕地植物的組合配置。雖然這兩種濕地植物因為其良好的凈水效果而經(jīng)常被用于人工濕地系統(tǒng)的構建，但目前并未有該兩種濕地植物的組合對于畜禽廢水尤其是高濃度畜禽廢水的處理研究報道，因而本研究旨在分析美人焦+菖蒲組合對高濃度廢水的處理效果為畜禽養(yǎng)殖場廢污處理提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 人工濕地裝置的設計

試驗在人工濕地裝置中進行，其規(guī)格為1.3 m×1 m×0.8 m。裝置基質為最下層2 cm的細沙和栽種植物的18 cm土壤(圖1)。池中采用均勻取樣，分為5個點取樣，取樣前先將集水層均勻混合。裝置中濕地植物數(shù)據(jù)見表1。濕地植物采用間種式栽種，其中美人蕉接種6株，菖蒲接種8株，在兩種植物在人工濕地中長勢良好時開始進水。

圖1 人工濕地裝置結構示意圖

處理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表示差異性顯著；0.01

Notes:There displayed significant difference whenP<0.05 or 0.01

1.2 原水水質與來源

試驗用水為西昌市某畜禽廠排出的廢水。畜禽廢水進水水量為120 L。原水水質指標CODcr、TP和NH3-N分別為1 176～2 365 mg/L, 22～71 mg/L, 99～180 mg/L。

1.3 試驗方案

采用序批式進出水，進廢水當天開始測定水質指標CODcr、TP和NH3-N，每3天測定指標。根據(jù)畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準(GB 18596-2001)，集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染日均排放濃度為CODcr 400 mg/L，NH3-N 80 mg/L, TP 8.0 mg/L。當出水指標達到排放標準時，該進水周期結束。16 d為最長進出水測定周期。每個周期結束后，用自來水進水3 d。

1.4 分析方法

水質指標CODcr、TP、NH3-N和pH分別采用重鉻酸鹽法、鉬酸銨分光光度法和納氏試劑分光光度法。

2 結果與分析

2.1 CODcr的處理效果

從圖1可見，第一次進水水力停留時間為7 d時CODcr的值已降到400 mg/L以下。CODcr去除率為四次進水中最高，達86%。前三次進水HRT為13 d時,CODcr都已降到400 mg/L以下，第四次進水HRT為13 d時CODcr為484.17 mg/L，CODcr去除率為77%。這與在第三次試驗時，菖蒲出現(xiàn)部分枯萎現(xiàn)象有關。

2.2 NH3-N的處理效果

由圖3可見，第一次進水和第四次進水均在第7天就達到排放標準,這與兩次的進水NH3-N較低有關系,去除率分別為73%、45%。第一次進水的NH3-N的去除率明顯高于第四次,第二、三次進水的NH3-N濃度達到224.29 mg/L,分別在第13天和第10天達到了排放標準。

圖2 人工濕地對畜禽廢水中CODcr除效果

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

圖3 人工濕地對畜禽廢水中NH3-N的去除效果
Fig.3 Removal efficiency of constructed wetland to NH3-N in livestock wastewater

2.3 TP的處理效果

由圖4可見，四次進水中第一次進水的TP明顯高于其他周期的進水濃度,達到了71 mg/L。HRT=4 d時去除率達到了77%。其余三次周期的進水TP在33.57～46.34 mg/L 之間，進水TP去除率在HRT=4 d時在46%～58%之間。

圖4 人工濕地對畜禽廢水中TP的去除效果

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

3 討 論

濕地開始運行時對有機物的去除主要是以基質吸附為主，濕地進水中的不溶性有機物經(jīng)過顆粒沉淀被截留下來，隨著植物的生長及基質表面生物膜的逐漸形成而被微生物降解利用，可溶性有機物則通過植物根系吸收、生物膜的吸附及微生物代謝而被分解除去[16]。該濕地在HRT為4 d時，四次進水的CODcr的去除率在50%～74%之間，與張彩瑩等[17]利用齒果酸模和大狼把草構造的濕地對CODcr 470～550 mg/L的畜禽廢水在HRT為4 d時的去除率60%相比，該種濕地植物組合對于高濃度畜禽廢水的處理效果表現(xiàn)良好。

NH3-N去除率的變化與植物在連續(xù)高濃度畜禽廢水的脅迫下植物生理特性發(fā)生變化有關。高濃度污染物情況下，兩種植物不能得到足夠的氧氣，從而抑制了在廢水中的生長[18]。這種現(xiàn)象在第四次進水時植物發(fā)生枯萎，且NH3-N去除率明顯下降的情況上體現(xiàn)較明顯。張俊萍等[19]采用單一植物橐吾構成人工濕地用于畜禽廢水的處理，在NH3-N=31.94 mg/L情況下，在近四個月的處理后，NH3-N平均去除率為87.75%左右，相比而言，美人蕉+菖蒲兩種濕地植物組合的人工濕地與單一植物橐吾相比，去除率較好。

人工濕地系統(tǒng)對TP的去除在進水初期主要依靠濕地基質的吸附和系統(tǒng)的過濾作用[20]。四次進水TP在HRT=13 d分別降低到8 mg/L左右，最高去除率達到了87%。與Zheng等[21]采用辣蓼對畜禽廢水中TP的去除效果相比，辣蓼在TP濃度為21.81 mg/L 時， HRT=15 d，去除率為46.20%；HRT=30 d，去除率為60.56%； HRT=45 d，去除率為67.05%，美人蕉+菖蒲構建的人工濕地對畜禽廢水中TP的去除效果較好。

從表1可知，第一次進水CODcr，HN3和TP三個指標數(shù)據(jù)間均表現(xiàn)不顯著差異。隨著進水次數(shù)的增多，三個指標間差異性顯著，甚至達到極顯著差異。這與植物在高濃度畜禽廢水的脅迫下，對CODcr，HN3和TP呈現(xiàn)不同的去除率差異有關。

4 結 論

美人蕉+菖蒲的濕地植物組合在對高濃度畜禽廢水的處理中表現(xiàn)出了良好的效能。四次進水中最高去除率CODcr為78%，NH3-N為86%，TP為87%。在同樣水力停留時間下，第一次進水的三種污染物的去除率最高，后面幾次進水的這三種污染物的去除率隨著進水次數(shù)的增加而降低。說明高濃度畜禽廢水對美人蕉、菖蒲的這兩種濕地植物產(chǎn)生了脅迫，導致了這兩種濕地植物在后期出現(xiàn)葉片枯萎及污染物去除率下降的情況。與其他人工濕地系統(tǒng)在去除畜禽廢水中污染物的效果相比，在更高的污染物濃度情況下，美人蕉+菖蒲的濕地植物組合表現(xiàn)出了更好的去除效率。同時這種濕地植物組合在景觀上可以相互映襯，花期時效果很好。因此，這兩種濕地植物組合在畜禽廢水的處理上有著較好的應用推廣前景。

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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

四川省環(huán)保廳科技計劃項目(NO.2011HB005)；西昌市科教局科技計劃項目(No. 2014KJ003)

陳金發(fā)(1976-)，男，福建莆田人，副教授，研究方向為循環(huán)經(jīng)濟與污染控制科研與教學。E-mail：chenjinfa11@sohu.com

S811.6

A

1005-5228(2015)04-0040-04