利用空心蓮子草阻控豬場(chǎng)廢水?dāng)U散

曹志強(qiáng)，張 剛，王德建，鄭繼成，張世潔

(1.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

近年來(lái)農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展，產(chǎn)生了大量養(yǎng)殖廢水，處理不當(dāng)易導(dǎo)致周圍水體富營(yíng)養(yǎng)化[1]。相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，中國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的各項(xiàng)排污在農(nóng)業(yè)源中對(duì)化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)和總氮(TN)的貢獻(xiàn)已分別達(dá)到總量的 95.8%、56.3%和37.9%[2]。目前，主要依靠物理、化學(xué)及生化途徑實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水脫氮除磷,去臭去色，但由于經(jīng)濟(jì)、地形等因素限制，這類規(guī)?；幚矸绞綄?duì)國(guó)內(nèi)許多中小型養(yǎng)殖場(chǎng)而言難以實(shí)現(xiàn)[3]。因此，以人工濕地為主的植物修復(fù)方法因其經(jīng)濟(jì)、便捷、高效等優(yōu)點(diǎn)倍受青睞[4-7]。

空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)是莧科蓮子草屬的2棲多年生宿根草本植物，又稱水花生、喜旱蓮子草等[8]，其原產(chǎn)于南美洲，是一種外來(lái)植物[9-11]。由于有較大的植株體和根系，近年來(lái)研究人員將其應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體的植物修復(fù)中，也已證明空心蓮子草對(duì)重金屬鎳(Ni)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鉛(Pb)等具有富集作用[12-15]。目前，這些以空心蓮子草為主題的植物修復(fù)法多停留于理論及實(shí)驗(yàn)室研究階段，基本未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用[16-18]。本研究以江蘇省常熟市辛莊鎮(zhèn)馳馬塘河岸邊一養(yǎng)豬場(chǎng)的排污塘為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)分析養(yǎng)豬場(chǎng)排污口密集生長(zhǎng)的空心蓮子草對(duì)豬場(chǎng)廢水的源頭攔截作用，以期為這類小型養(yǎng)殖場(chǎng)排放廢水的源頭控制提供一種便捷、經(jīng)濟(jì)的處理方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)所在的養(yǎng)豬場(chǎng)位于江蘇省常熟市辛莊鎮(zhèn)呂舍村馳馬塘河道北側(cè)，養(yǎng)豬場(chǎng)四周為農(nóng)田、池塘等，其生豬存欄量500只左右，已經(jīng)營(yíng)5年以上，豬場(chǎng)廢水每日排放，日均糞污排放量 5～8 t左右，由長(zhǎng)約100 m的溝渠排放至內(nèi)河池塘。池塘沿岸淺水區(qū)自排污口由北至南為密集生長(zhǎng)空心蓮子草的矩形水域，長(zhǎng)約40 m，寬約8 m。區(qū)域內(nèi)空心蓮子草密度約為1 m2220～265株，空心蓮子草鮮質(zhì)量為 8.2～9.6 kg/m2，水下部分深度 25～35 cm，12月溫度近0 ℃及更低后開(kāi)始枯敗，枯敗后未進(jìn)行清理工作，至來(lái)年2～3月平均溫度回升至10 ℃以上時(shí)開(kāi)始出苗，4月中旬進(jìn)入快速生長(zhǎng)期。試驗(yàn)場(chǎng)地地形如圖1所示。試驗(yàn)期間，該地區(qū)氣溫較穩(wěn)定(15～20 ℃)。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地地形示意圖Fig.1 Schematic of topography for experimental field

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以這片空心蓮子草密布的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，從2017年3月30日開(kāi)始進(jìn)行定點(diǎn)采樣分析工作，到2017年5月19日最后一次采樣結(jié)束，處理分為2個(gè)階段，前期(0～20 d)有空心蓮子草生長(zhǎng)，后期(22～50 d)沒(méi)有空心蓮子草生長(zhǎng)，于第 20～21 d進(jìn)行研究區(qū)水草的清除工作。在 0～20 d，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的空心蓮子草進(jìn)行生物量測(cè)定，以0.5 m2的采樣方框在區(qū)域內(nèi)按蛇形布點(diǎn)法取樣方5塊，計(jì)數(shù)樣方內(nèi)空心蓮子草株數(shù)，瀝水后稱鮮質(zhì)量，同時(shí)使用量尺對(duì)沉水部分深度進(jìn)行測(cè)量。采集的空心蓮子草在稱量、計(jì)數(shù)后放回原處，以保證研究區(qū)域內(nèi)的空心蓮子草密度保持一致。

1.3 監(jiān)測(cè)方法

底泥TN含量采用凱氏定氮法測(cè)定，底泥TP含量采用鉬銻抗法測(cè)定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel軟件進(jìn)行計(jì)算分析，使用Origin pro 9進(jìn)行繪圖分析，使用SPSS18.0 進(jìn)行不同處理之間的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空心蓮子草對(duì)豬場(chǎng)廢水的凈化效果

研究區(qū)域水體pH差異極小，在空心蓮子草去除前后水體pH基本沒(méi)有變化，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示水體pH為7.75±0.13，屬中性偏弱堿水質(zhì)。試驗(yàn)期間，水體溫度為 16～20 ℃，溫差較小。在前20 d，研究區(qū)域內(nèi)有空心蓮子草密集分布，豬場(chǎng)廢水進(jìn)入池塘后受到了植物帶阻隔。開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，空心蓮子草剛返青不久，1 m2水域中空心蓮子草平均數(shù)量在 (220±6)株，平均鮮質(zhì)量為 (8.20±0.37) kg，水下部分深度為 (25.0±3.2) cm。在試驗(yàn)的第20 d，1 m2水域空心蓮子草平均數(shù)量在 (265±8)株，平均鮮質(zhì)量為 (9.60±0.54) kg，水下部分深度 (35.0±4.7) cm。可見(jiàn)，4月份溫度升高后，空心蓮子草生長(zhǎng)十分迅速，生物量大量增加。在第 20～21 d，進(jìn)行空心蓮子草的清除工作，此后研究區(qū)內(nèi)無(wú)空心蓮子草生長(zhǎng)，豬場(chǎng)廢水不再受到植物帶阻隔。

在清除空心蓮子草前后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的COD質(zhì)量濃度均分別維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)(圖2)。在 0～20 d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距離對(duì)水體COD質(zhì)量濃度具有顯著影響，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的COD質(zhì)量濃度最高，監(jiān)測(cè)點(diǎn)F濃度最低。在 22～50 d，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)間COD質(zhì)量濃度差異顯著，但各監(jiān)測(cè)點(diǎn)COD質(zhì)量濃度差異變小。在空心蓮子草覆蓋期，水體COD質(zhì)量濃度在監(jiān)測(cè)點(diǎn)A至F的質(zhì)量濃度分別為83.7 mg/L、32.6 mg/L、21.0 mg/L、17.2 mg/L、13.5 mg/L、12.7 mg/L；相較于監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、C、D、E、F的COD質(zhì)量濃度分別降低61.1%、74.9%、79.5%、83.9%、84.8%。方差分析結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、C、D、E之間COD質(zhì)量濃度均有顯著差異，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)E和F之間差異不顯著。這表明空心蓮子草覆蓋可有效阻隔廢水的擴(kuò)散，監(jiān)測(cè)點(diǎn)E處(距排污口20 m)阻隔作用已經(jīng)達(dá)到較好的效果?？招纳徸硬萸宄?，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D、E、F處的COD質(zhì)量濃度分別為71.9 mg/L、66.2 mg/L、54.3 mg/L、49.7 mg/L、46.4 mg/L、43.6 mg/L，與空心蓮子草覆蓋期間相比較，除了監(jiān)測(cè)點(diǎn)A濃度下降14.1%外，其余各點(diǎn)均呈增加趨勢(shì)，分別增加103%、159%、189%、244%、243%。這同樣說(shuō)明空心蓮子草能有效阻隔廢水的擴(kuò)散，在空心蓮子草覆蓋期養(yǎng)殖廢水中的有機(jī)污染物主要被阻隔在 0～2 m區(qū)域。

圖2 清除空心蓮子草前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體COD質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of chemical oxygen demands(COD) concentration before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring point

圖3 清除空心蓮子草前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of concentration before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring point

在空心蓮子草去除前后，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體TN含量同樣分別維持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍(圖4)。0～20 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A至F的TN質(zhì)量濃度分別為15.0 mg/L、3.48 mg/L、3.33 mg/L、3.20 mg/L、2.99 mg/L、2.74 mg/L，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離對(duì)水體TN質(zhì)量濃度有顯著的影響。與監(jiān)測(cè)點(diǎn)A相比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、C、D、E、F處TN質(zhì)量濃度分別降低了76.8%、77.8%、78.7%、80.1%、81.7%，表明空心蓮子草能有效阻隔TN在水體中的擴(kuò)散。方差分析結(jié)果表明，相較于監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、C、D的TN質(zhì)量濃度顯著減低，但B、C、D之間無(wú)顯著差異；監(jiān)測(cè)點(diǎn)E的TN質(zhì)量濃度較監(jiān)測(cè)點(diǎn)B顯著下降，但與C、D之間無(wú)顯著差異，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)E、F之間均沒(méi)有顯著差異，這表明本試驗(yàn)中20 m長(zhǎng)的空心蓮子草截污帶即可有效阻隔廢水中TN的擴(kuò)散。22-50 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在空心蓮子草清除后，水體TN質(zhì)量濃度分別為5.77 mg/L、5.21 mg/L、4.70 mg/L、4.64 mg/L、4.66 mg/L、4.44 mg/L，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TN質(zhì)量濃度差異明顯減小，但仍以監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的TN質(zhì)量濃度較高，與其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在顯著差異，此外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C至F間的TN質(zhì)量濃度差異均不顯著。與空心蓮子草覆蓋期相比較，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處TN質(zhì)量濃度降低了61.5%，其余各點(diǎn)均呈增加趨勢(shì)，分別增加49.7%、41.1%、45.0%、55.9%、62.0%。說(shuō)明空心蓮子草覆蓋能有效阻隔廢水中TN的擴(kuò)散，TN主要被空心蓮子草阻隔在0～2 m區(qū)域內(nèi)。

圖4 清除空心蓮子草前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體TN質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic change of TN concentration before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring points

空心蓮子草清除前后，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體TP質(zhì)量濃度發(fā)生劇烈變化，但清除前及去除后兩時(shí)間段內(nèi)波動(dòng)較小(圖5)。0～20 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，TP質(zhì)量濃度從監(jiān)測(cè)點(diǎn)A到F呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間TP質(zhì)量濃度差異顯著。監(jiān)測(cè)點(diǎn)A至F的TP質(zhì)量濃度分別為14.90 mg/L、10.30 mg/L、7.05 mg/L、5.66 mg/L、4.57 mg/L、3.84 mg/L，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)A相比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、C、D、E、F處TN質(zhì)量濃度分別降低了30.9%、52.7%、62.0%、69.3%、74.2%，表明空心蓮子草能有效阻隔廢水中TP在水體中的擴(kuò)散。22～50 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TP質(zhì)量濃度差異性明顯變小，A、B點(diǎn)TP質(zhì)量濃度稍高，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP質(zhì)量濃度分別為8.83 mg/L、8.36 mg/L、8.08 mg/L、7.97 mg/L、7.64 mg/L、7.28 mg/L，與空心蓮子草覆蓋期相比較，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和B處TP質(zhì)量濃度分別降低了40.7%和18.8%，其余各點(diǎn)均呈增加趨勢(shì)，分別增加14.6%、40.8%、67.2%、89.6%。說(shuō)明空心蓮子草覆蓋能有效阻隔廢水中TP的擴(kuò)散，TP主要被空心蓮子草阻隔在0～5 m區(qū)域內(nèi)。

圖5 清除空心蓮子草前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體TP質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic change of total phosphorus concentration before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring point

在空心蓮子草覆蓋時(shí)和清除后的2個(gè)階段中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水體濁度同樣分別維持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍(圖6)。0～20 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，自監(jiān)測(cè)點(diǎn)A至F，水體濁度呈明顯下降趨勢(shì)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水體濁度存在顯著差異，其中A、B點(diǎn)遠(yuǎn)高于其他各點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)A至F的平均濁度分別為89.0、78.9、50.2、38.3、32.8、30.2，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)A相比，B、C、D、E、F處水體濁度分別降低了11.3%、43.5%、57.0%、 63.1%， 66.1%。這表明空心蓮子草對(duì)水體中懸濁物起到了阻隔效果。22～50 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，各點(diǎn)的水體濁度差異變小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A至F的水體濁度分別為73.8、71.5、68.7、67.1、64.4、62.1，仍以A、B點(diǎn)濁度稍高， A、B及E、F點(diǎn)間濁度差異顯著，但C、D間水體濁度差異不顯著。監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B的濁度在空心蓮子草清除后呈下降趨勢(shì)，分別下降了17.1%、9.4%，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)C至F，濁度則呈升高趨勢(shì)，分別增加了36.8%、75.5%、96.1%、106.0%。說(shuō)明空心蓮子草對(duì)豬場(chǎng)廢水?dāng)U散有很好的阻隔效應(yīng)，水體中懸濁物主要被阻隔在0～5 m 的水草區(qū)域內(nèi)。

圖6 清除空心蓮子草前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體濁度動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic change of turbidity before and after the removal of Alternanthera philoxeroides at each monitoring point

2.2 空心蓮子草對(duì)豬場(chǎng)廢水中氮、磷的沉積效果

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在50 d內(nèi)3次底泥TN、TP監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖7)表明，與水質(zhì)的劇烈變化不同，清除空心蓮子草前后，排污塘內(nèi)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)底泥的TN、TP含量幾乎沒(méi)有變化，不同時(shí)間段的監(jiān)測(cè)結(jié)果沒(méi)有顯著差異。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)與排污口的距離對(duì)底泥TN、TP含量具有顯著影響，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)底泥TN、TP含量與距排污口的距離均呈顯著負(fù)相關(guān)(rTN=-0.89，rTP=-0.86)，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)A底泥TN、TP含量最高，這表明空心蓮子草覆蓋能阻隔廢水中TN、TP的擴(kuò)散，使水體中TN、TP沉積到底泥中。本研究中監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B底泥TN、TP含量是其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的 1.24～3.48倍，說(shuō)明在0～5 m區(qū)域內(nèi)，大量污染物被阻隔沉積下來(lái)。方差分析結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D與監(jiān)測(cè)點(diǎn)E間底泥TN、TP含量差異顯著，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)E和監(jiān)測(cè)點(diǎn)F間差異不顯著，表明空心蓮子草的有效截污距離為20 m(E監(jiān)測(cè)點(diǎn))，此處底泥TN、TP含量分別為2.76 g/kg、0.86 g/kg，較監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，TN、TP含量分別降低了55%、68.9%。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖2注。柱形圖上方不同字母表示不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)間有顯著差異(P<0.05)。圖7 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)底泥氮、磷含量動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Dynamic change of nitrogen and phosphorus at different points

3 討 論

綜上所述，在清除排污池塘內(nèi)空心蓮子草前后，池塘水質(zhì)發(fā)生顯著變化，這種變化在距排污口較近的水域表現(xiàn)為水質(zhì)改善，而在距排污口較遠(yuǎn)的水域表現(xiàn)為水質(zhì)變差。在底泥中，氮、磷養(yǎng)分物質(zhì)大量富集于排污口附近，且不隨空心蓮子草的清除發(fā)生遷移。這都表明密集生長(zhǎng)的空心蓮子草能夠有效阻隔廢水污染物的擴(kuò)散，使污染物在排污口沉積。豬場(chǎng)廢水排出后，大量污染物被空心蓮子草阻隔沉降至排污口附近的底泥中，使排污口附近底泥中污染物含量遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)處。在距排污口更近的水域，底泥中釋放的污染物也更多，并被空心蓮子草攔截使其無(wú)法有效擴(kuò)散至遠(yuǎn)處，從而造成排污口附近水質(zhì)惡劣，而遠(yuǎn)處的水質(zhì)狀況較好。

由底泥的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，大量的污染物聚集在排污口附近的區(qū)域中(0～5 m)，在進(jìn)行塘內(nèi)底泥清淤等修復(fù)作業(yè)時(shí)，主要的工程任務(wù)可以集中在距排污口0～14 m的范圍內(nèi)。豬場(chǎng)廢水作為一種固液混合的高濃度廢水，空心蓮子草的存在有效阻隔了豬場(chǎng)廢水排放時(shí)的污染擴(kuò)散，特別是阻止了固態(tài)物質(zhì)向其他水域的遷移，使其淤積在排污口附近的底泥中。袁旭音等[27]對(duì)太湖底泥氮、磷含量空間分布情況的研究結(jié)果表明，靠近居民生活區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)周圍的底泥氮、磷含量明顯高，這與污染物在排污口周圍沉積有關(guān)。在空心蓮子草清除前后，底泥中氮、磷含量并未發(fā)生顯著變化。這主要是因?yàn)樵撝囟雀粻I(yíng)養(yǎng)化的底泥源自5年以上豬場(chǎng)排污累積，是由空心蓮子草截污帶持續(xù)截留污染物沉積造成的，而空心蓮子草清除后，本研究的底泥監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，30 d的無(wú)阻隔排污對(duì)已重度富營(yíng)養(yǎng)化的底泥影響甚微。且在底泥環(huán)境中，污染物固定后遷移難度較大，故各監(jiān)測(cè)點(diǎn)底泥中氮、磷含量變化不大。這也與試驗(yàn)池塘內(nèi)水面波動(dòng)較小，水力條件穩(wěn)定，試驗(yàn)周期內(nèi)溫度變化較小等有關(guān)[28]。本研究區(qū)域的底泥氮、磷含量分布趨勢(shì)與未清除空心蓮子草前的水體污染物濃度相對(duì)應(yīng)，因?yàn)樵诳招纳徸硬莞采w水域時(shí)，水域中的污染物遷移受到阻隔，而底泥TN、TP含量更高的區(qū)域，其釋放的大量污染物同樣被限制在附近水域，未能擴(kuò)散至更遠(yuǎn)區(qū)域的水體中。