陳金峰， 劉海林， 鄒春萍， 劉可星， 張佩霞， 孫映波

(1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境園藝研究所 廣東省園林花卉種質(zhì)創(chuàng)新綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 廣東 5106402；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 華南都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 廣東 510640; 3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 廣州 廣東 510642)

當(dāng)前，畜禽養(yǎng)殖業(yè)仍然是造成中國水土環(huán)境污染的重要源頭之一。近年來，由于抗生素在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的大量應(yīng)用，導(dǎo)致養(yǎng)殖廢水中不但含有大量的COD、氨氮、總磷等傳統(tǒng)污染物，而且還含有大量的抗生素等新興污染物。抗生素污染可引起微生物抗藥性增強(qiáng)，進(jìn)一步誘發(fā)抗性基因污染[1]。畜禽養(yǎng)殖廢水若處置不當(dāng)，很可能會造成抗生素和抗性基因的遷移和擴(kuò)散，導(dǎo)致水土環(huán)境受到傳統(tǒng)污染物和新興污染物的雙重污染，進(jìn)而對生態(tài)環(huán)境、食品安全和人類健康造成威脅。

目前國內(nèi)畜禽養(yǎng)殖廢水治理常采用的工藝主要有：自然處理法、厭氧處理法、好氧處理法和厭氧和好氧組合處理法等[2-4]。自然處理法因成本低廉，動力消耗少，可因地制宜等優(yōu)勢被大量中小型養(yǎng)殖場采用，其中氧化塘或人工濕地是自然處理法主要模式。氧化塘或人工濕地已被證明具備良好的去除水體中COD和氮磷營養(yǎng)鹽的能力。近年來，隨著人們對水土環(huán)境抗生素及抗性基因污染的重視，氧化塘或人工濕地技術(shù)也被應(yīng)用于去除水體中抗生素[5]。例如：Dan等[6]研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地構(gòu)型、填料影響水體中抗生素(磺胺類和甲氧芐啶)的去除，垂直潛流濕地去除效率最高，符山石填料去除效果較好，但是濕地中的重要元素植物卻對去除率沒有明顯影響；而Yan等[7]研究了人工濕地對磺胺甲惡唑、羅紅霉素和氧氟沙星的去除作用，發(fā)現(xiàn)種植風(fēng)車草的人工濕地去除效果好于無植物對照，植物的吸收和根際效應(yīng)可能是植物型人工濕地去除效果更好的原因。

雖然這些傳統(tǒng)的氧化塘或人工濕地已被證明有良好的去除傳統(tǒng)污染物和抗生素的能力，但仍有改進(jìn)空間。植物浮床是一種可在開闊水面安置的一種具有水體凈化作用的生態(tài)裝置，具有安裝簡便、成本低廉、美化景觀等優(yōu)點(diǎn)，可靈活布置在處理養(yǎng)殖廢水的氧化塘或者表面流人工濕地的水面上，增強(qiáng)氧化塘或者人工濕地凈化養(yǎng)殖廢水的能力，但是目前缺乏利用植物浮床技術(shù)處理含抗生素養(yǎng)殖廢水的研究。Xian等[8]研究了由不同黑麥草品種構(gòu)建的植物浮床凈化含磺胺類抗生素養(yǎng)殖廢水的效果，發(fā)現(xiàn)植物浮床技術(shù)能夠有效地去除水體中的磺胺類藥物，有些品種的去除率可高達(dá)91.8%～99.5%，對水體中COD、總氮和總磷也具有很好的去除效果。盡管如此，不同植物種類、浮床覆蓋面積和處理時(shí)間等因素如何影響植物浮床去除水體中抗生素、COD和氮磷營養(yǎng)鹽的效率還需進(jìn)一步研究。

本研究選取養(yǎng)殖廢水中常見的磺胺類藥物磺胺嘧啶為供試抗生素，以對磺胺嘧啶具有較好耐受性的2種濕地植物：巴拉草(Brachiariamutica)和短葉茳芏(CyperusmalaccensisLam. var.brevifolius)為研究對象，構(gòu)建不同面積的植物浮床，研究這2種植物在不同浮床覆蓋面積下，在不同處理時(shí)間內(nèi)對養(yǎng)殖廢水中磺胺嘧啶、COD、氨氮、總氮和總磷的去除效果，以期為更加科學(xué)合理的應(yīng)用植物浮床技術(shù)治理含抗生素的養(yǎng)殖廢水提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

養(yǎng)殖廢水來源于厭氧發(fā)酵后的雞糞(未使用任何抗生素)，經(jīng)過稀釋和添加抗生素后備用。供試抗生素磺胺嘧啶(純度99%)購自Sigma-Aldrich公司。制備的養(yǎng)殖廢水中含有磺胺嘧啶(SDZ)10 mg/L，COD 690.75 mg/L，氨氮(NH3-N)89.4 mg/L，總氮(TN)89.88 mg/L，總磷(TP)1.86 mg/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究了3種因素對植物浮床去除養(yǎng)殖廢水中污染物的影響，分別為：植物種類因素、浮床覆蓋水面面積因素和處理時(shí)間因素。具體設(shè)計(jì)為：對每種植物浮床，通過調(diào)節(jié)植物種植面積大小，設(shè)置3個(gè)水面覆蓋面積：20%、40%和60%，每個(gè)覆蓋面積6個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)置3個(gè)無植物覆蓋重復(fù)為對照。試驗(yàn)在位于廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境園藝研究所內(nèi)的遮雨棚內(nèi)進(jìn)行(23°09′01″N； 113°21′07″E)，分別在試驗(yàn)的7,17,27,37,47 d，取樣分析水體中COD,NH3-N,TN,TP和SDZ的含量，測定pH值、氧化還原電位(ORP)；溶解氧(DO)含量從第17 d開始測量。所有指標(biāo)每隔10 d測量1次。

1.3 測試方法

COD測定用重鉻酸鉀氧化—分光光度法，NH3-N用鹽酸萘乙二胺比色法，TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP用過硫酸鉀消解后用鉬酸銨分光光度法測定；SDZ以HPLC法測定，以Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18 液相色譜柱(250×4.6 mm, 5 μm)分離目標(biāo)化合物，流動相A為0.5%的甲醇水，B為純甲醇，A∶B=8∶2，柱溫30 ℃，流速1 ml/min，254 nm比色。pH值、ORP和DO均采用配備有pH值、ORP和DO探頭的梅特勒—托利多SevenGo Duo proTMpH/離子/溶解氧儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

污染物的去除率的計(jì)算方法為：去除率=(初始濃度-取樣測定濃度)/初始濃度×100%。以三元方差分析(three way ANOVA)分析植物、浮床覆蓋面積和處理時(shí)間對污染去除效果的影響，以一元方差分析(one way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)檢驗(yàn)不同處理之間的最終去除效果的差異。所有數(shù)據(jù)分析用IBM SPSS Statistics 22完成，用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

養(yǎng)殖廢水的pH值變化與植物種類無關(guān)，但與覆蓋面積和處理時(shí)間密切相關(guān)；DO的含量受植物種類、覆蓋面積和處理時(shí)間的影響；ORP僅與處理時(shí)間有關(guān)；COD含量的變化與覆蓋面積和處理時(shí)間密切相關(guān)；NH3-N，TN和TP的含量均受到植物種類、覆蓋面積和處理時(shí)間的影響；SDZ的去除與植物種類關(guān)系不大，而更受覆蓋面積和處理時(shí)間的影響(表1)。覆蓋面積和處理時(shí)間互作極顯著影響水體pH值，DO，ORP，NH3-N和TP；植物種類和處理時(shí)間極顯著影響水體中營養(yǎng)鹽的去除(表1)。

表1 浮床植物種類、覆蓋面積和處理時(shí)間對養(yǎng)殖廢水中各水質(zhì)指標(biāo)影響的3因素方差分析

注：ns表示無顯著性差異; *p<0.05；**p<0.01；***p<0.001；DO為溶解氧；ORP為氧化還原電位；COD為化學(xué)需氧量；NH3-N為氨氮；TN為總氮；TP為總磷；SDZ為磺胺嘧啶。

不同處理下養(yǎng)殖廢水的pH值、DO和ORP變化趨勢和最終情況如圖1—2所示。養(yǎng)殖廢水中COD，NH3-N和TN的變化趨勢和最終去除率如圖3—4所示。

養(yǎng)殖廢水的pH值偏堿性，植物覆蓋面積影響水體pH值，整體上表現(xiàn)出植物覆蓋面積越大pH值越小的趨勢，不同植物之間pH值差別不大。

“高校固定資產(chǎn)管理平臺”促進(jìn)了學(xué)校固定資產(chǎn)信息的共享，可根據(jù)固定資產(chǎn)管理體系，建立不同的權(quán)限級別，在確保信息安全的條件下，開放校內(nèi)固定資產(chǎn)信息，來滿足不同權(quán)限用戶的需要，實(shí)現(xiàn)固定資產(chǎn)的優(yōu)化配置，并為學(xué)校固定資產(chǎn)相關(guān)決策提供依據(jù)。也可以將學(xué)校所有閑置固定資產(chǎn)信息經(jīng)平臺進(jìn)行公布，凡確有需要的，可調(diào)撥使用，提高固定資產(chǎn)使用效益。

養(yǎng)殖廢水的DO隨處理時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢。盡管基于全部時(shí)間處理的三因素方差分析表明，2種植物之間DO含量有差異(表1)，但到第47d時(shí)，這種差異已不明顯。第47 d時(shí)，40%和60%覆蓋面積下養(yǎng)殖廢水中DO的含量顯著低于對照和20%覆蓋面積的濃度。在17 d之前，幾乎所有處理的ORP值都是負(fù)值，但是隨處理時(shí)間的延長，ORP逐漸轉(zhuǎn)為正值。盡管3因素方差分析表明，整體上覆蓋面積對ORP無顯著影響(表1)，但47 d時(shí)，不同覆蓋面積開始顯現(xiàn)差異：40%和60%覆蓋面積下ORP顯著高于對照和20%覆蓋面積處理。植物種類對ORP無影響。

注：BM為巴拉草； CM為短葉茳芏；60%，40%和20%為浮床覆蓋面積； CK為無植物覆蓋對照；不同字母表示處理間有顯著性差異p<0.05，一元方差分析，LSD法多重比較。下同。

圖1 養(yǎng)殖廢水的pH值、DO和ORP在不同處理中的變化趨勢

注：1為CK； 2為BM20%； 3為CM20%； 4為BM40%； 5為CM40%； 6為BM60%； 7為CM60%。圖2 處理47 d后，養(yǎng)殖廢水的pH值、DO和ORP值特征

圖3 養(yǎng)殖廢水中COD，氨氮和總氮隨時(shí)間變化趨勢

圖4 養(yǎng)殖廢水中COD，氨氮和總氮的最終去除率

養(yǎng)殖廢水中COD的含量在前17 d內(nèi)直線下降，由最初的接近700 mg/L降低到第17 d的100～200 mg/L，之后降解速度放緩。COD的去除與植物種類無關(guān)，而受植物覆蓋面積影響。在第47 d時(shí)，40%和60%覆蓋面積的植物浮床去除率接近90%，高于20%的覆蓋處理，但與對照無差異。

在處理的前17 d，所有處理中的NH3-N的濃度迅速下降，之后對照處理中NH3-N不再變化，而植物處理組則繼續(xù)下降。浮床覆蓋面積和植物種類均顯著影響NH3-N的去除效果。47 d時(shí)，20%和60%覆蓋面積的去除效果最優(yōu)，60%的巴拉草浮床對NH3-N的去除率高達(dá)97%，而短葉茳芏的僅有66%，巴拉草對NH3-N的去除效果顯著好于短葉茳芏。

養(yǎng)殖廢水中TN的去除規(guī)律與NH3-N類似，植物處理組的TN含量隨處理時(shí)間持續(xù)下降。不同植物之間的去除效率差異明顯。浮床面積越大去除效果越明顯。47 d時(shí)，60%的覆蓋面積去除效果最優(yōu)，此時(shí)巴拉草浮床對TN的去除率高達(dá)89%，而短葉茳芏的僅有70%，巴拉草對TN的去除效果優(yōu)于短葉茳芏。

養(yǎng)殖廢水中TP和SDZ的變化趨勢和最終去除率如圖5—6所示。

養(yǎng)殖廢水中TP的含量在處理的前7 d內(nèi)迅速下降，之后放緩。不同植物的去除效果有差異。浮床覆蓋越大，去除效果越好。處理至47 d時(shí)，巴拉草和短葉茳芏浮床對TP的去除效率均達(dá)到90%以上。整體來看，巴拉草的去除效率更高。

養(yǎng)殖廢水中SDZ的含量在前27 d內(nèi)變化不明顯，37 d時(shí)開始下降。至47 d時(shí)，植物處理組明顯比無植物的對照去除效果好。雖然巴拉草浮床去除效果在數(shù)值上更優(yōu)，但并未表現(xiàn)出顯著性差異。SDZ的去除率隨浮床的覆蓋面積的增大而增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，60%覆蓋面積的兩種植物浮床均能去除養(yǎng)殖廢水中42%左右的SDZ。

圖5 養(yǎng)殖廢水中總磷和磺胺嘧啶變化趨勢

圖6 養(yǎng)殖廢水中總磷和磺胺嘧啶的最終去除率

3 討 論

研究發(fā)現(xiàn)植物浮床的覆蓋面積越大pH值越小，這可能與植物吸收銨根離子有關(guān)。植物吸收銨根離子是一個(gè)離子交換過程，養(yǎng)殖廢水中以陽離子形式存在的銨根離子與植物根毛表皮細(xì)胞中分泌出的質(zhì)子進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)對銨根的吸收，同時(shí)降低了根際pH值[9-11]。植物覆蓋面積越大，根系生物量越大，表面積越大，吸收的銨根離子越多，從而使pH值越低。

水體中DO的含量整體上表現(xiàn)出隨覆蓋面積增大而降低的趨勢。水體中的DO主要來源于兩條途徑：空氣擴(kuò)散作用和藻類或沉水植物光合放氧。植物覆蓋面積越大，O2越不容易擴(kuò)散進(jìn)入水體，藻類光合放氧不足，從而使得DO的含量較低。盡管如此，覆蓋面積大的浮床中(40%和60%)的ORP卻顯著高于20%覆蓋面積的浮床。ORP是表征介質(zhì)氧化性或還原性的指標(biāo)，一般認(rèn)為ORP越正介質(zhì)氧化性越強(qiáng)，越負(fù)還原性越強(qiáng)。本研究中養(yǎng)殖廢水逐漸從還原狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸癄顟B(tài)，其中60%和40%的氧化還原電位接近200 mV，說明60%和40%處理組廢水正處于良好的氧化狀態(tài)。

水體COD的降解會影響水體的氧化還原狀態(tài)，通過檢測水體ORP可間接反映水體COD的去除情況：在有大量COD需要去除時(shí)，水體ORP通常較低，隨著COD的降解，ORP逐漸上升[12]。我們的試驗(yàn)結(jié)果符合這一變化特征。盡管60%和40%覆蓋處理的DO的濃度并不高，但卻具有較高的氧化還原電位，這可能與40%和60%覆蓋面積下COD降解更徹底有關(guān)。

水體中的NH3-N去除主要有3條途徑：硝化反硝化作用、植物吸收和揮發(fā)[13]。在試驗(yàn)前期NH3-N濃度迅速下降，這可能是由于NH3-N在堿性環(huán)境下易揮發(fā)造成的。在試驗(yàn)的中后期，植物在去除NH3-N過程中起主要作用，特別是巴拉草，其對NH3-N的去除能力顯著高于短葉茳芏，這可能因?yàn)椋喊屠菹鄬τ诙倘~茳芏擁有更快的生長速度和更大的生物量，能夠吸收更多量的NH3-N；巴拉草擁有更大根系表面積，從而促進(jìn)了根際微生物硝化反硝化作用。本研究所用養(yǎng)殖廢水中的TN的成分基本上都是NH3-N，NH3-N被持續(xù)地通過硝化反硝化作用和植物吸收作用去除，從而使得TN的去除規(guī)律同NH3-N相似。

TP在水體中去除主要靠植物根系吸附、吸收，植物的生物量越大，生長速度越快，對總磷的去除效果往往越好。例如李歡等[14]研究表明混種模式下黑藻、雨久花和黃花鳶尾的生長速度和生物量都比單獨(dú)種植時(shí)高，對TP積累率也顯著高于單由挺(沉)水植物組成的群落。在本研究中，由于巴拉草具有更快的生長速度和更大的生物量，因此巴拉草的處理效率優(yōu)于短葉茳芏。

SDZ在植物根際的去除途徑主要有植物吸收、轉(zhuǎn)化和降解[15-16]，植物根際微生物轉(zhuǎn)化、降解[17]。在本研究中，覆蓋面積越大，磺胺嘧啶去除率越高，這是可能是因?yàn)楦采w面積越大植物生物量越大，根系面積越大，植物吸附、吸收和降解的量就越大；根系面積大，微生物的附著面積越大，由微生物轉(zhuǎn)化降解的也越多。本研究中，盡管短葉茳芏和巴拉草在生物量上有較為明顯的差異，但巴拉草的去除率僅在數(shù)值上大于短葉茳芏，這可能跟處理時(shí)間不足有關(guān)。

在接近50 d的處理中，兩種植物浮床對水體中SDZ的最高去除率均在41%～43%之間，這跟Xian等[8]利用黑麥草浮床獲得的90%以上的去除率有較大差異，這可能與兩個(gè)研究受試水體中SDZ的初始濃度不一致有關(guān)，本研究中SDZ的初始濃度為10 mg/L，而Xian等[8]初始濃度為100 μg/L。因此，考慮到養(yǎng)殖廢水中實(shí)際磺胺類抗生素的含量，植物浮床技術(shù)可作為去除養(yǎng)殖廢水中磺胺類抗生素污染的潛在技術(shù)。

4 結(jié) 論

(1) 植物種類對養(yǎng)殖廢水pH值，DO，ORP和COD的影響不大，但卻是決定營養(yǎng)鹽去除的重要因素，巴拉草植物浮床比短葉茳芏浮床具有更好的NH3-N，TN和TP的去除效率，兩種植物并未表現(xiàn)出對SDZ去除效果的顯著差異。

(2) 植物浮床的覆蓋面積顯著影響水質(zhì)。相比小的浮床覆蓋面積，較大的覆蓋面積降低了水體pH值和DO含量，但能增強(qiáng)水體的氧化性，COD，營養(yǎng)鹽和磺胺嘧啶的去除能力。

(3) 因此，在利用植物浮床技術(shù)進(jìn)行含磺胺嘧啶養(yǎng)殖廢水治理時(shí)，60%覆蓋面積的巴拉草浮床是較好的選擇。