程?燕，吳淑君，張明星

（湖北工程學(xué)院，湖北?孝感??432000）

野菠菜濕地對(duì)豬場(chǎng)廢水的凈化作用

程?燕，吳淑君，張明星

（湖北工程學(xué)院，湖北?孝感??432000）

文內(nèi)主要考察野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水中污染物的凈化能力。采用花盆栽培法測(cè)試野菠菜在豬場(chǎng)廢水中的生長(zhǎng)特性及其對(duì)N、P、COD、Zn、?Cu?和?As的去除率。結(jié)果表明：該植物對(duì)N、P、COD的去除率可達(dá)82.64%，而對(duì)Cu的清除率可達(dá)95.50%，均具有明顯的清除作用。試驗(yàn)中將采集的豬場(chǎng)廢水分低、中、高3濃度批次，盆栽實(shí)驗(yàn)中其最低去除率可達(dá)64.34%，其由此可見，野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水有較強(qiáng)的耐污能力和較好的凈化效果，可用于人工濕地處理豬場(chǎng)廢水。

野菠菜；重金屬；豬場(chǎng)廢水；凈化效果

自2000年來(lái)，我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展迅速，各地規(guī)?；i場(chǎng)頻頻崛起，成為生產(chǎn)主流。然而，養(yǎng)豬業(yè)通常用水來(lái)沖洗豬欄糞尿，排放的廢水中含有豐富的有機(jī)物、氨氮和SS、重金屬，已成為污染的最主要來(lái)源之一。

在養(yǎng)豬生產(chǎn)中由于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，加之監(jiān)管措施的不力和科學(xué)知識(shí)普及的不足，濫用、超量使用Cu、Zn?等重金屬的現(xiàn)象普遍存在。Cu、Zn在動(dòng)物體內(nèi)吸收量較少［1］，大多數(shù)隨動(dòng)物排泄物進(jìn)入廢水或糞便，最終進(jìn)入環(huán)境，因此在畜禽養(yǎng)殖廢水排放前必須對(duì)Cu、Zn?等予以去除。

規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)使用的飼料普遍會(huì)添加適量的Zn、Cu和As等重金屬元素，它們可以刺激動(dòng)物生長(zhǎng)，提高畜產(chǎn)品產(chǎn)量，從而降低養(yǎng)殖成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益［2］，如豬飼料中加入 0.28～ 0.72?mg/kg的 Cd，1.27～6.56?mg/kg的As［3］。大部分重金屬被豬攝入消化后會(huì)直接通過(guò)排泄物排出［4］，使糞污中含有較高量的重金屬。豬場(chǎng)一般在離城市較遠(yuǎn)的郊區(qū)，周圍有農(nóng)田，當(dāng)養(yǎng)豬場(chǎng)廢水處理不當(dāng)混入養(yǎng)豬場(chǎng)外池塘、河流時(shí)，利用其灌溉農(nóng)田時(shí)，廢水中的重金屬也會(huì)隨之進(jìn)入土壤，當(dāng)土壤重金屬含量超過(guò)其環(huán)境容量時(shí)，就會(huì)毒害作物，影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量，并通過(guò)植物進(jìn)入食物鏈，被動(dòng)物吸收而富集，并最終危害動(dòng)物和人類的健康和生命，產(chǎn)生不可預(yù)見的后果。

由此，必須采用一定的措施去除豬場(chǎng)廢水中的重金屬，常用的方法是化學(xué)沉淀法［5］，但其操作復(fù)雜且易產(chǎn)生二次污染。植物吸收法是一種新興的推廣方法，通過(guò)植物吸收污水水體中的重金屬，既簡(jiǎn)單又可以美化環(huán)境，還可以得到副產(chǎn)品［6-8］。1977年德國(guó)學(xué)者Kickuth提出的植物“根區(qū)法”理論推動(dòng)人工濕地污水處理方法的研究［9］。人工濕地處理豬場(chǎng)廢水，可以將廢水中的懸浮物、有機(jī)物、N、P和重金屬等不同程度的去除，其具有建造和運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)單、耐污染負(fù)荷沖擊以及景觀美化等優(yōu)點(diǎn)。其凈化原理主要是植物對(duì)重金屬的吸附作用，涉及一系列的物理和化學(xué)、生物反應(yīng)。野菠菜，一年生草本，高40～100?cm。莖直立，粗壯，分枝，有明顯溝紋，無(wú)毛，中空，在我國(guó)大部分地區(qū)均可見到其蹤跡。本文主要討論野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水中重金屬的凈化效果。

1　材料與方法

1.1材料

本試驗(yàn)所用野菠菜取自湖北省某豬場(chǎng)廢水出水口附近，用水為某豬場(chǎng)經(jīng)過(guò)預(yù)處理及厭氧消化的出水，其中：化學(xué)需氧量CODCr質(zhì)量濃度：630～1?800?mg/L，-N質(zhì)量濃度：142～264?mg/L，總P質(zhì)量濃度：17.18～34.58?mg/L，Zn質(zhì)量濃度：16.27～34.71?mg/L，Cu質(zhì)量濃度：9.34～24.55?mg/L，As質(zhì)量濃度：5.71～ 13.62?mg/L，pH?7.0～ 8.0，使用時(shí)根據(jù)需要用自來(lái)水稀釋。野菠菜為豬場(chǎng)周邊水溝采集標(biāo)本凈化繁殖。

1.2方法

準(zhǔn)備上口半徑為20.5?cm的塑料盆18個(gè)，塑料盆上放入均勻分布有9個(gè)定植孔的半徑為18.0?cm，厚為3.5?cm的泡沫板。試驗(yàn)分為7批，分為低（豬場(chǎng)廢水稀釋1倍）、中（豬場(chǎng)廢水）、高（豬場(chǎng)廢水濃縮1倍）濃度3批廢水，每批分為A、B、C、D、E五個(gè)試驗(yàn)組和一個(gè)對(duì)照組，每批試驗(yàn)開始時(shí)在試驗(yàn)組和對(duì)照組都注入等量的豬場(chǎng)廢水50?mL，區(qū)別在試驗(yàn)組植入水葫蘆。試驗(yàn)周期為25?d，每5?d檢測(cè)一次廢水，主要檢測(cè)指標(biāo)是：總氮（TN），堿性過(guò)硫酸鉀氧化——紫外分光光度法氨氮?；總磷（TP），過(guò)硫酸鉀消解——鉬銻抗分光光度法；pH，膜電極法；化學(xué)需氧量（COD），重鉻酸鉀法；?Zn、?Cu?和?As?，ICP法測(cè)定［10-13］。通過(guò)此檢測(cè)，觀察野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水凈化作用。

采集株高15?cm左右、每株質(zhì)量8～12?g的野菠菜幼苗，將根部泥土洗凈、稱量，選取凈重10?g左右的幼苗并記重。將幼苗移栽到塑料盆中，用泡沫板固定，分別注入低、中、高濃度的廢水，放置在實(shí)驗(yàn)室靠窗試驗(yàn)臺(tái)上，在5?d、10?d、15?d、20?d、25?d時(shí)測(cè)定廢水中各項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持各盆內(nèi)水量，并不定時(shí)用純凈水補(bǔ)充因根吸收和蒸發(fā)的水量。

2　結(jié)果分析

2.1野菠菜對(duì)N、P、COD的去除效果

表1　低、中、高濃度豬場(chǎng)廢水中N、P、COD、Zn、Cu、As的含量和pH

由圖1可知，野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水中的N、P、COD有明顯的清除效果。從（a～c，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，N、P、COD的濃度均出現(xiàn)明顯的減小，且趨勢(shì)先增加后減小，在0～5?d時(shí)候，野菠菜剛移植入塑料盆中，需要一段適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境，故在此時(shí)測(cè)得的清除效果不明顯（清除率為0.06%～0.12%）；在10～20?d時(shí)，野菠菜生長(zhǎng)迅速，對(duì)廢水中的N、P、COD表現(xiàn)出明顯的吸收能力（清除率最高為N的達(dá)82.64%）；在20～25?d時(shí)，野菠菜對(duì)廢水中的N、P、COD的吸收能力呈現(xiàn)飽和狀態(tài)（P ＜0.05%）。

從圖2可知，野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水中N、P、COD的清除率隨著時(shí)間的推移，逐漸增加，在25?d時(shí)候達(dá)到最大。圖2中，野菠菜在低、中、高3類豬場(chǎng)廢水中對(duì)N、P、COD的清除率均表現(xiàn)為增速先增加后減小，在10～15?d最大。低濃度廢水的清除效果高于高度濃度廢水（N的清除率：P低=82.64% ＞P中=72.56%＞P高=51.22%；P的清除率：P低=71.97%＞P中=61.37% ＞P高=41.11%；COD的 清 除 率：P低=75.91%＞ P中=67.54%＞ P高=56.73%），野菠菜對(duì)N的去除率高于P、COD，且野菠菜對(duì)低濃度廢水的去除效果明顯高于高濃度廢水。

2.2野菠菜對(duì)Zn、Cu、As的去除效果

從圖3可知，野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水中Zn、Cu、As均有清除作用，且隨著實(shí)驗(yàn)天數(shù)的增加，清除效果越加明顯。野菠菜對(duì)低濃度豬場(chǎng)廢水的Zn、Cu、As清除率分別為94.20%、95.51%、 87.91%；野菠菜對(duì)中濃度豬場(chǎng)廢水的Zn、Cu、As清除率分別為89.30%、91.37%、80.95%；野菠菜對(duì)高濃度豬場(chǎng)廢水的Zn、Cu、As清除率分別為75.52、75.13%、64.34%。其中，野菠菜對(duì)低濃度豬場(chǎng)廢水的清除效果強(qiáng)于中、高濃度廢水，且Cu的去除效果強(qiáng)于Zn、As，3種金屬的去除率在高濃度廢水中也大于64.34%，在低濃度廢水中更可達(dá)95.50%，故野菠菜對(duì)3種金屬均有明顯的去除效果。

由圖4可知，野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水中Zn、Cu、As的清除效果各不相同，廢水中Cu的清除率可達(dá) 75.13%～ 95.5%，而 Zn、As 的 清 除 率 是75.52%～94.20%、64.34%～87.91%；其去除率的增加幅度均為先增加后減小，在15?d時(shí)候達(dá)到最大，其后去除率趨于平衡，體現(xiàn)了野菠菜的一個(gè)生態(tài)平衡過(guò)程。

2.3野菠菜對(duì)pH的降低效果

從圖5可知，隨著野菠菜處理豬場(chǎng)廢水時(shí)間的增長(zhǎng)，pH出現(xiàn)不同程度的降低，說(shuō)明野菠菜吸收了廢水中的堿性離子，使廢水趨于中性，pH降低率可達(dá)2.55%～3.84%，對(duì)廢水的再利用具有重大意義。

圖1　野菠菜分別對(duì)低、中、高濃度豬場(chǎng)廢水中N、P、COD 的清除效果

圖2　野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水中N、P、COD的清除效果

圖3　野菠菜分別對(duì)低、中、高濃度豬場(chǎng)廢水中Zn、Cu、As的清除效果

圖4　野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水中Zn、Cu、As的清除效果

3　野菠菜濕地對(duì)豬場(chǎng)廢水的清除效果

濕地生態(tài)系統(tǒng)是由一些適合污染環(huán)境條件下生存的以大型水生植物為主的高、低等生物和處于水飽和狀態(tài)的基質(zhì)組成的人工復(fù)合體污染生態(tài)系統(tǒng)［14］。相對(duì)于天然濕地來(lái)說(shuō)，其生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)和種群結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單的多，但其按照管理者意愿進(jìn)行污水處理的功能卻更強(qiáng)［15-16］?？梢哉f(shuō)，這類人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的生理功能，就在各種濕地生物的共同參與下，將進(jìn)入濕地系統(tǒng)的污染物質(zhì)除去，同時(shí)這些污染物也是濕地生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)的“新陳代謝”，進(jìn)行分解、吸收、轉(zhuǎn)化、利用，達(dá)到去除目的。

圖5　野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水處理過(guò)程中pH的變化

本試驗(yàn)采用野菠菜作為豬場(chǎng)濕地生態(tài)系統(tǒng)，將豬場(chǎng)廢水處理廠的出水引導(dǎo)種植野菠菜的淤泥灘上，并在出水口和淤泥灘下游排水口設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

從表2可知，隨著時(shí)間的推移，各指標(biāo)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，野菠菜的清除效果越加明顯，在25?d時(shí)候最大清除率為Zn，可達(dá)92.74%，與其在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中的89.30%，相差P＜5%，說(shuō)明野菠菜的處理效果達(dá)到了預(yù)期設(shè)想，而且由于濕地淤泥的吸附作用，會(huì)滯留部分的金屬離子，其處理效果會(huì)高于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

4　結(jié)果分析

由以上試驗(yàn)可知，野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水中的無(wú)機(jī)物及重金屬都有一定清除效果，其中對(duì)金屬離子的清除效果高于N、P、COD，其效率可達(dá)95.5%，最低清除率也可達(dá)64.34%，說(shuō)明使用野菠菜對(duì)豬場(chǎng)廢水有特別的再處理效果，特別是對(duì)其中的重金屬清除的效果更明顯。實(shí)際的生活中，常采用物理、化學(xué)及其結(jié)合方法凈化豬場(chǎng)廢水，可以治理和回收廢水中的重金屬，但由于生物法處理重金屬?gòu)U水成本低、效益高、易管理、無(wú)二次污染、有利于生態(tài)環(huán)境的改善［17］。另外，通過(guò)基因工程、分子生物學(xué)等技術(shù)應(yīng)用，可使生物具有更強(qiáng)的吸附、絮凝、整治修復(fù)能力。因此生物法中植物處理廢水具有更加廣闊的發(fā)展前景。

表2　經(jīng)野菠菜濕地排水口后的N、P、COD、Zn、Cu、As的含量和pH

綜上所述，在環(huán)境問(wèn)題層出不窮，形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的情況下，怎樣使豬場(chǎng)廢水在處理后達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，完成環(huán)保部門的要求，使一項(xiàng)非常嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，我們相信各種科技方法會(huì)日新月異，學(xué)科之間也會(huì)交融發(fā)展，應(yīng)用于污水中無(wú)機(jī)物、重金屬處理的技術(shù)會(huì)越來(lái)越科學(xué)，最大限度實(shí)現(xiàn)資源的再利用，從而使我國(guó)的環(huán)保事業(yè)走上一個(gè)新的起點(diǎn)。

［1］?柳云龍，章立佳，韓曉非，等.上海城市樣帶土壤重金屬空間變異特征及污染評(píng)價(jià)［J］.?環(huán)境科學(xué)，?2012，?33（2）：?599-605.

［2］?張穎，鄧良偉.豬場(chǎng)廢水厭氧消化過(guò)程中的除磷效果［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，?2012，?28（1）：?93-97.

［3］?楊福林，高菲，周春曉，等.規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)廢水和廢氣污染控制研究［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，?2015，?31（5）：?177-181.

［4］?Hua?M，Zhang?S，Pan?B，et?al.?Heavy?metal?removal?from?water/wastewater?by?nanosized?metal?oxides：a? review［J］.Journal?of?Hazardous?Materials，2012，211：317-331.

［5］?Li?Z，?Ma?Z，?van?der?Kuijp?T?J，?et?al.?A?review?of?soil?heavy?metal?pollution?from?mines?in?China：?pollution?and?health?risk?assessment［J］.?Science?of?the?Total?Environment，?2014，?468：?843-853.

［6］?李淑蘭，雷云輝，張國(guó)治.藻類植物對(duì)豬場(chǎng)厭氧廢液的處理效果研究［J］.中國(guó)沼氣，?2014，?32（6）：?36-39.

［7］?Ge?F，Li?M?M，Ye?H，et?al.Effective?removal?of?heavy?metal?ions?Cd?2+，?Zn?2+，?Pb?2+，?Cu?2+?from?aqueous?solution?by?polymer-modified?magnetic?nanoparticles［J］.Journal?of?hazardous?materials，2012，211：366-372.

［8］?余秀娟，霍守亮，昝逢宇，等.巢湖表層沉積物中重金屬的分布特征及其污染評(píng)價(jià)［J］.?環(huán)境工程學(xué)報(bào)，?2013，?7（2）：?439-450.

［9］?黃麗芬，高威，朱正杰，等.規(guī)?；i場(chǎng)廢水與氮肥配施對(duì)小麥干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成的影響［J］.?中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，?2012，?28（36）：?165-170.

［10］?劉鳳嬌.原子吸收光譜法在農(nóng)產(chǎn)品重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，?2014?（17）：?318-319.

［11］?劉詩(shī)成，李巨峰，郭緒強(qiáng)，等.土壤中重金屬檢測(cè)樣品前處理技術(shù)現(xiàn)狀分析［J］.油氣田環(huán)境保護(hù)，2012，22（4）：61-64.

［12］?袁敏，武建超，于勁松，等.水中重金屬檢測(cè)方法的研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用化工，?2015，?44（4）：?724-728.

［13］?王磊，胡驍飛，邢廣旭，等.食品中重金屬檢測(cè)方法研究進(jìn)展［J］.中國(guó)公共衛(wèi)生，?2012，?28（10）：?1390-1392.

［14］?鄭春雨，?王光華.?濕地生態(tài)系統(tǒng)中主要功能微生物研究進(jìn)展［J］.?濕地科學(xué)，?2012，?10（2）：?243-249.

［15］?彭益書，?付培，?楊瑞東.?草海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)［J］.?地球與環(huán)境，?2014，?42（1）：?68-81.

［16］?AL-SHANNAG?M，Al-QODAH?Z，BANI-MELHEM?K，et?al.?Heavy?metal?ions?removal?from?metal?plating?wastewater?using?electrocoagulation：?K i n e t i c?s t u d y?a n d?p r o c e s s?performance［J］.Chemical?Engineering?Journal，2015，260：749-756.

［17］?欒軍偉，?崔麗娟，?宋洪濤，?等.?國(guó)外濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進(jìn)展［J］.?濕地科學(xué)，?2012，?10（2）：?235-242.

2016-03-28）

程燕（1987-），女，碩士，教師，研究方向?yàn)槭称钒踩c加工，E-mail：1158046007@qq.com