夏秋两季漂浮栽培狼尾草净化猪场废水的研究

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1、夏秋两季漂浮栽培狼尾草净化猪场废水的研究 2021 年第 2 期漳州师范学院学报自 然科 学版No. 2. 2021 年 ( 总第 80 期)Journal of Zhangzhou Normal University (Nat. Sci. ) General No. 80文章编号:1008-7826202102-0059-06 夏秋两季漂浮栽培狼尾草净化猪场废水的研究1 2 1钟 宁 , 蔡秋亮 , 李顺兴 1. 闽南师范大学 化学 与环境科学系 ,福建 漳州 363000 ;2. 漳州市农业科学研 究所,福建 漳州 363000 摘 要: 夏秋两季节, 在盛装容积为 50L 高富营养化猪场

2、污水的塑料箱中放置泡沫塑料板作为浮体材料, 并用有孔塑料小杯作为漂浮植物修复系统, 在简易大棚内种植狼尾草进行植物净化试验, 分别测定了污水中的总氮TN、总磷TP和化学需氧量CODCr在种植狼尾草过程中的含量变化情况. 结果说明: 在夏秋两季经 42 d 生长之后, 狼尾草生长良好, 生物量大, 其鲜重分别是初始种植时的 5.5-9.6 倍. 狼 尾 草对 去除废 水中 TN 、 TP 和 CODCr都具有较好的去除效果. 狼尾草 在 夏季 和秋季 的 不同 阶段对 去 除废 水 TN 均有效, 其奉献量到达 28%38%;对TP 的去除率是秋季高于夏季,在秋季第二阶段高达 60%左右;对 C

3、ODCr 的去除率也是秋季高于夏季,在秋 季不同处理中去除率到达 50%65%. 狼尾草在飘浮植物修复系统栽培中具有良好的去污效果关键词: 净化; 狼 尾草 ; 飘浮 栽 培; 猪场废 水 中图分类号: X522 文献 标识 码: A Purification of Piggery Wastewater by Pennisetum Planted in a Floating Phytoremediation System During Summer and Autumn1 2 1ZHONG Ning , CAI Qiu-liang , LI Shun-xing 1. Department of

4、 Chemistry and Environmental Science, Minnan Normal University, Zhangzhou, Fujian 363000, China; 2Zhangzhou Institute of Agricultural Sciences, Zhangzhou, Fujian 363000, China Abstract: In a simple greenhouse, PennisetumPennisetum americanum P. purpureum was cultured in a floating phytoremediation s

5、ystem with plantation cups inserted into a polyfoam plate that floated in the upper part of a plastic box filled with 50 L piggery wastewater.The contents of chemical oxygen demand CODCr, total N TN and total P TP in the piggery wastewater were tested during the growth of the plant. The results show

6、ed that Pennisetum could grow well in the floating phytoremediation system, the fresh weight being 5.5-9.6 times of the initial weight of planting. Pennisetum had better removal effect on TN, TP and CODCr in wastewaterPennisetum was effective for the removal of TN in wastewater in different stages b

7、etween summer and autumn, its contribution to reach 28% 38%; In contrast, the removal rate of TP in autumn was higher than that in summer, which in second stage of autumn was up to about 60%. The removal rate of CODCr in autumn was also higher than that in summer, which was 50 %65% in different trea

8、tments of autumn. Pennisetum had good effects on the removal of pollutants in the floating phytoremediation systemKey words: purification ; Pennisetum ; floating culture ; piggery wastewater 1随着养 猪业 的开展 ,养 猪业产 生的 环境污 染问 题已经 相当 严峻几乎污染了 所有 的河流 和湖 泊,是2 3危害环境的主要污染源 , 原因是猪排泄物含有高浓度氮、 磷和有机质目前猪场废水处理技术已经从传4统

9、 的去 除高浓 度的 有机物 和悬 浮物, 向对 氮磷的 去除 以满足 控制 受纳水 体富 营养化 的要 求开展有 效降收稿日 期: 2021-05-12 基金工程: 漳州师范学院科 研基金资助项 目SK09010; 漳州师范学院 杰出青年科研 人才方案 资助 工程SJ1006; 福建省教育厅科 技工程JA07157作者简 介: 钟 宁1979-, 女, 福建省 漳州市人, 硕士, 讲师. 60漳州师范学院学报(自然科学版) 2021 年 5低 猪场 废水中 的氮 和磷已 成为 目前现 代水 处理领 域的 一项新 课题而国内 外一 些 传统 的工 程 的方 法(如好氧- 厌氧发酵、 固液别离堆

10、肥处理、 建立沼气池发酵和生物氧化塘、 组合式稳定塘工艺、 酸化- 高速滤池-6,7生物氧化塘、 混凝- 脱氨- 好氧生化处理工艺和多级酸化- 人工湿地处理工艺等 ) , 投资大、 能耗大, 运行8,9而人工湿地系统是一个占地面 积费用高, 而且机械设备多, 维护管理量大; 需要专门的技术人员管理大的区域, 长时间使用后其土壤孔隙易造成堵塞, 使其净化效果大大降低, 而且要消耗大量人力、 物力 和5财 力更 换湿地 土壤为 了 解决 这一问 题, 近年来 一些 研究者 进行 了一种 新型 的水体 生物 修复技 术? 生10它利用水态浮床?相关方 面的研究( 包括浮床植 物的筛选、 浮床的机理

11、、浮床材料 及应用等方 面)4,5,11-17面植物种植 来治理污染 鱼塘等水体 ,特点是不需要搬 运或输送污 染水体(包 括底泥和岸 边受污染的土壤) ,直 接利用 水生 植物、 微生 物对水 体中 氮、磷 元素 进行有 效吸 附、转 化和 降解, 在受 污染区 域进10行原位处理,最具经济和技术合理性,所以运用的也最为广泛 杂交狼尾草是一种能在南方大局部地区生长的优质高产牧草, 具有较强的吸收肥分能力, 常被用作猪3,18,19场废水处理与资源化利用的首选种植牧草, 在构建与完善猪场良性循环系统中起显著作用近年来有20-25,但是关 于狼 尾草在 夏秋不少关 于狼 尾草来 处理 各种废 水

12、( 包括猪 场废 水) 、废 弃物 等的研 究和 报道两季对高浓度猪场废水的研究报道少见. 因此,本文拟探讨夏秋两季节,利用飘浮栽培的方法来种植狼尾草 ,以 考察狼 尾草 在漂浮 植物 修复系 统中 生长的 适应 性及其 对污 染物总 氮TN 、总 磷TP 和化 学需 氧量COD 的去除效果,为狼尾草漂浮植物修复技术在高浓度猪场废水的应用提供理论依据Cr1 材料与方法1.1 供试植物 杂交狼尾草Pennisetum americanum P. purpureum 为多年生禾本科牧草,是象草和美洲狼尾草的杂交种,具有适应性强、高产优质、生长速度快、适口性好,是猪场的良好的青饲料. 本试验所用杂交

13、狼尾草来自土培苗,苗高 20-25cm , 经去土洗净根后直接移栽定植到飘浮栽培植物系统中1.2 供试水样 取自漳州市某研究所附近猪场的废水, 为猪场冲舍废水经隔渣固液别离后, 再经厌氧沼气发酵处理后所排出的废水,其主要性状如表 1表 1 供试水样主要性 状 COD TN TP Cr 处理 pH 值夏季第 1 阶 721.04 45.68 23.99 夏季第 2 阶 675.16 51.74 21.72 6.0-7.5 秋季第 1 阶 961.90 47.48 21.06 注:TN 为总氮,TP 为总磷,COD 表示化学耗氧量Cr1.3 试验方法 试验地点 在 单位附近 的 简易造型 塑 料大

14、棚内, 在 盛水容积规格为lwh500mm455mm390mm透明 塑料箱内盛 50 L废水(原废 水:清水配比是 1:1 和 1:3,下文直 接 以 1:1 和 1:3 表示) , 每箱 内水面上 放 置一块聚苯乙烯泡 沫 塑料板 ( 其规 格为lwh 495mm450mm50mm) 作为漂浮栽 培 的定植板 , 在 此板上开 4 个 8cm的定植孔 (各 孔以 25 cm15 cm 为间距) , 在定植 孔中 相应放入 与 定植孔孔 径 相适配的 塑 料定植杯 , 每 个杯中定植一棵 长 势一致的 健 壮小苗狼 尾 草. 每箱为 一 重复,每 一 处理 3 次重复. 再以放 置 了不定植

15、植 物的泡沫板的 3 箱水样 为对照. 夏季试验时间从 2021 年 7 月到 2021 年 8 月,试验 分 2 阶段,每 阶 段为 21d,第 1 阶段第 2 期 钟 宁 , 蔡秋亮 , 李顺兴:夏秋两季漂 浮栽培狼尾草 净化猪场废水 的研究 61 结束 后马上 换 水进入 第 2 阶段 ,主 要考 虑到处 理 21d后, 处理废水 的 浓度 不能满 足植株 生长 所需 的营养 成13分 ; 秋季 试 验时间从 2021 年 9 月至 2021 年 11 月. 每周采水 样 一次 , 采样 前 称水重 , 用 差 减法计算 每周耗水量 及水质 指 标的净 化 率. 试验 期间 每隔 7d用

16、自 来水补充 蒸 发的 水分, 以保持 每个 塑料 箱恒定 的水样体 积每次取样 100mL, 取样前搅动使水 缸 内的水样 混 和均匀. 同时 在每阶段 结 束后收获 植 物的地上 部, 具体收获方法是从 植 物地上部 10-20cm 部位剪掉,留着 地 下部继续 生 长以进行下一阶段的试验51.4 测定工程与方法 采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定总氮,采用过硫酸钾消解- 钼锑抗分光光度法测定总磷,采用重铬酸钾法测定化学耗氧量COD Cr1.5 数据处理 采用 Excel 2007 软件进行数据计算,SPSS 12.0 统计软件进行数据分析,显著性水平设定为 2 结果与分析 2.1 狼尾

17、草栽培过程中的生物量变化 从表 2 可以发现, 夏秋两季在 2 种不同浓度的废水中经 42 d 生长之后 , 狼尾草生长良好, 生物量大 ,其鲜重分别是初始种植时的 5.5-9.6 倍. 狼尾草在高浓度猪场废水中能存活且生长长势良好, 说明狼尾草具有较强的耐污能力和较强的适应性. 从表 2 还可以看到, 在 1:1 浓度废水中狼尾草的生物量增加比 1:3 浓度废水的多,同样可说明狼尾草在 1:1 浓度的废水中吸收利用了较多的氮磷(表 3 ,表 4 )-1表 2 狼尾草试验前后 生物量的变化kg? 株 ,鲜重 夏季 秋季 处理 起始 第一阶段 第二阶段 起始 第一阶段 第二阶段 0.04 0.6

18、60.11 1.410.22 0.13 注:第二阶段直接收割地上部. 表中数据 为 3 次重复的 平均值 标准误19狼尾草 属牧草喜光 、耐旱、耐 贫瘠、耐盐 、少病虫害 、高温高湿 环境下生长 势比拟旺盛它既是重要的饲料作物, 又在造纸、 制造人造板、 果园套种、 消纳粪水、 用作食用菌栽培料、 生物质能源、 绿 化 观19, 26, 27赏、土壤改进与水土保持等多方面发挥着积极作用如果以治理污水之后的植物残体为原料而进行有机无机复合肥和植物生长基质的生产以及直接喂猪,显然狼尾草是一种不错的选择. 另外,作为美化、绿化的用途,狼尾草因其有较高的欣赏价值,因此,不失为一种良好的水上漂浮植物栽培

19、品种2.2 种植狼尾草对废水中总氮浓度变化的影响 从表 3 中可看 出,无论夏 季还是秋季 ,无种植处 理组的TN 平 均去除率均低 于种植处理 组,各处理 在0.05 水平显著高于对照, 处理之间的差异到达 0.05 显著水平. 说明狼尾草可明显提高TN 的去除率. 表 3 还说明, 夏秋两季无论对照组还是种植组, 水中TN 含量均随处理时间的延长而呈降低趋势. 这可能是由于水中局部的硝态氮通过反消化作用转化为气态氮逸散了, 也可能是有局部氮素被水体中的颗粒物质吸附而被5 带入 水体下部造 成的? 这 也就是水体 本身的自净 作用 , 但是种 植狼尾草 均比对照的 自然净化率 高得多,其经过

20、 21d 种植之后,狼尾草对TN 的奉献量达 28.14 %37.57 %. 由此可见,其去除效率非常显著2.3 种植狼尾草对废水中总磷含量的影响 从表 4 可以知道,无论是植物种植组还是对照组,废水中 TP 浓度都随时间的延长而逐渐降低. 对照组的 TP 含量降低是由于污水中的颗粒沉降而将磷带入水体下部, 但污水中漂浮种植植物之后 TP 含量都显著降低 ,并 且都显 著的 低于对 照同 一时期 的含 量,与 起始 的浓度 比拟 ,在 21d 之后狼尾 草的 去除率 可达43 %62 %. 可见,飘浮种植狼尾草对 TP 的去除效果很显著62漳州师范学院学报(自然科学版) 2021 年 表 3

21、种植狼尾草过程 不同浓度废水 中总氮含量的 变化 总氮浓度mg/L 奉献处理 去除率 起始 第 1 周 第 2 周 第 3 周 量 %夏季第 1 阶段 % 0.72a 3930.52 1:1-种植 22.84 21.690.30a 17.061.20b 6.770.42b 70.363.52a 1:3-无种11.42 10.680.39a 9.890.38a 7.120.64a 37.652.94b 37.57 1:2.22b 28.14 1:1-种植 1:3-无种12.94 12.400.58a 9.550.35a 7.350.55a 43.205.06b 33.00 0.53a 8. 94

22、秋季第 1 阶段1:1-无种23.74 18.170.49a 18.000.98a 17.290.30a 27.171.34b 31.93 1:1-种植 1:3-无种11.87 11.280.32a 9.120.39a 8.590.54a 27.632.65b 32.44 秋季第 2 阶段1:1-无种24.70 21.550.35a 21.301.02a 18.831.34a 23.762.26b 31.10 1:1-种植 1:3-无种12.35 11.550.44a 10.100.77a 9.030.49a 26.861.98b 36.30 注:表中数据为 3 次重复的平均值 标准误. 经t

23、 检验,在每一试验阶段中同一浓度同列数据具有相同字母的表示差异不显著-1p0.05. 去除 率(%)=C - C ?C *100%, 其中C 为污水 中污染物的初始浓度, C 为第i 周的浓度. 下同0 i 0 0 i从狼尾草对去除TP 的奉献量的情况来看, 其在夏季和秋季, 均是第二阶段的奉献量高于第一阶段, 这可能是随着狼尾草的生长和根系壮大,植物吸收了更多的 磷 素. 因为我们选用的狼尾草从洗净土培的苗到5, 15试验用苗这个过程中并未像一些文献中那样预先将洗净的土培苗先在低浓度废水或者配方营养液中 进行预培养 1 周或半个月后再移栽到供试系统中, 而是如本文“1.1 供试植物 中所述那

24、样“经 去土洗净根后直接移栽定植到飘浮栽培植物系统中. 这在本试验中每个季节的第一阶段的前 1-2 周的时间就相当于是预培养时期, 而且是在高浓度的废水中预培养! 而每个季节的第二阶段所用试验苗正如“1.3 试验方法 中所述那样, 将第一阶段的狼尾草“ 从植物地上部 10-20cm 部 位剪掉, 留着地下部继续生长以进行下一阶段的试验. 所以第二阶段的狼尾草经高浓度废水培养 21d 后,其根系早已经适应所试高浓度废水,所以正如表 2 所示, 第二阶段狼尾草的生物量均高于第一阶段, 这就很好地解释了为什么在夏季和秋季, 均是第二阶段狼尾草对TP 的奉献量要高于第一阶段2. 4 种植狼尾草对废水中

25、COD 浓度变化的影响 Cr由表 5 可知,供试水体的COD 均呈现下降趋势,并且在开始的前 2 周较为缓慢,然后逐渐加快. 其Cr原因可能是第 1 、2 周狼尾草在水中处于适应阶段从表 5 还可知, 处理组和对照组的污水中COD 浓度都随着时间的延长慢慢降低. 这是由于污水中的Cr有机物 在自 然条件 下受 到微生 物的 分解逐 步转 化为无 机物 所致, 而种 植植物 的处 理组在在 3 周内, 污水COD 降低幅度更大,去除率比对照的要高得多,这可能是由于 2 个方面的原因:一方面植物种植之后可Cr以直接吸收小分子的有机物,另一方面可能是植物种植之后促进了有机物的直接降解所造成的. 因此

26、,可以说漂浮栽培狼尾草对于COD 的降低所起的作用是很显著的Cr第 2 期 钟 宁 , 蔡秋亮 , 李顺兴:夏秋两季漂 浮栽培狼尾草 净化猪场废水 的研究 63 表 4 种植狼尾草过程 不同浓度废水 中总磷含量的 变化 总氮浓度mg/L 奉献去除率 处理 起始 第 1 周 第 2 周 第 3 周 量% 夏季第 1 阶段% 0.54a 33.392.74b 10.43 1:1-种植 11.98 10. 025.12b 17.20 2.51a 夏季第 2 阶段1:1- 无种10.86 10.260.20a 9.580.43a 8.990.17a 17.221.51b 33.52 1.62b 37.

27、14 3.60a 0.65a 27.323.75b 17.46 2.47b 23.91 2.01a 0.44a 16.763.22b 45.52 2.88b 45.10 4.71a 表 5 种植狼尾草过程 不同浓度废水中 CODCr 含量的变化 总氮浓度mg/L 奉献去除率 处理 起始 第 1 周 第 2 周 第 3 周 量%夏季第 1 阶段 % 6.37b 24.36 1:3-无20.50 5.22b 20.25 1:1-种1:3-无20.75 1:3-种秋季第 1 阶段1:1-无480.95 442.5724.96a 367.7221.20a 357.0021.20a 25.774.98b 24.35 1:1-种1:3-无34.85 1:3-种秋季第 2 阶段1:1-无380.64 333.9911.14a 275.1013.88a 245.5713.60a 35.485.53b 29.33 1:3-无38.31 8.20a