沉水植物对生猪养殖场沼液废水的净化效果研究

2020-05-14吴晓梅叶美锋吴飞龙徐庆贤林代炎

中国沼气 2020年6期

吴晓梅，叶美锋，吴飞龙，徐庆贤，林代炎

(1.福建省农业科学院农业工程技术研究所，福州 350003; 2.福建农林大学材料工程学院，福州 350002)

根据2019年中国统计年鉴数据分析，近五年我国城镇人均肉类年消费量持续增长[1]。由于社会需求驱动，我国畜禽养殖业发展迅速，规模化集约化水平显著提高。然而在养殖业快速发展的同时，畜禽粪污对于环境造成的压力也急剧增长。在我国污染水体中受农业面源污染超过了30%，近50%的地下水受其危害。以畜禽养殖废水为代表的农业面源污染源成为水体污染的主要来源之一[2-3]。据2020年《第二次全国污染源普查公报》结果显示，我国畜禽养殖业排放的化学需氧量(COD)达到1000.53万吨，占农业源水污染排放量的93.74%，总氮(TN)59.63万吨、总磷(TP)11.97万吨排放量分别占农业源水污染排放量的42.14%和56.46%[4]。当前各养殖场特别是规模化养殖场，处理畜禽粪污应用最广最有效的技术仍旧是沼气发酵。该技术将畜禽粪污进行厌氧消化，既可降解畜禽污染，降低后续处理负荷，又能产生清洁能源沼气，促进粪污的高值化利用。然而，沼气发酵会产生大量的沼液，数据统计预计2020年沼液产生量可达11.2亿吨[5]，虽然沼液中含有丰富的氮、磷钾等营养物质但也含有重金属，抗生素，高浓度有机物，COD，氨氮等污染物。大量沼液无法消纳，若未能对沼液进行无害化处理或资源化利用，则会严重地污染环境甚至影响人类健康[6]，在畜禽废水排放量的持续增加形势下及国家对畜禽粪污提高资源化利用率的政策引导下，沼液的无害化处理及资源化利用已是迫在眉睫。

沉水植物作为水环境生态系统的主要初级生产者之一，可利用自身组织(根、茎、叶)，通过物理、化学、生物等作用，吸收水体中的营养物质，达到净化水体目的，当前已成为一种高效低成本的水体污染生物修复技术[7-10]。童昌华[11]等利用水生植物净化富营养化水体，试验表明金鱼藻、狐尾藻对水体中总氮、总磷都具有较好的去除效果；胡凯泉[12]等人利用8种水生植物净化富营养水体，狐尾藻对水体中总氮、总磷和氨氮的去除率大于90%，对CODCr去除率可达58.66%。目前，关于不同沉水植物净水能力研究较多，但主要是针对富营养化水体或者模拟废水[13-14]，对于沼液废水的净化效果研究还是较少，特别是对沼液废水中多种污染物质的同步净化效果研究。本文选用分布广、适应性强、生长快，净化效果好的多年生沉水植物金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)和狐尾藻(Myriophyllumspicatum)[15-16]，考察其对沼液COD，氮磷，重金属，抗生素等各项污染物去除能力，筛选适合沼液处理优势植物，以期促进养殖废水生态处理中的梯级利用效率，为推动农业水循环利用提供理论依据与技术基础。

1 材料与方法

1.1 材料

(1)沉水植物：狐尾藻与金鱼藻，取自福清市某人工湿地，成分分析如表1和表2所示：

表1 金鱼藻和狐尾藻成分分析

表2 植株重金属含量 (mg·kg-1)

将采集的沉水植物放置在基地统一驯化培养一周，选取生长良好、长度一致的植株(平均株长10 cm)，移栽到培养箱中。

沼液废水浓度较高，试验利用稀释5倍的沼液进行试验，即20%浓度沼液。其中重金属As，Cd，Cu，Zn，Ni，Cr，Pb浓度分别为：0.12 mg·L-1，0.02 mg·L-1，4.62 mg·L-1，6.34 mg·L-1，0.02 mg·L-1，0.17 mg·L-1，0.014 mg·L-1。

1.2 试验方法

培养箱选用尺寸为直径36 cm，高40 cm的塑料圆桶。选取福清市某人工湿地长势良好的狐尾藻和金鱼藻植株，截取顶枝(外形基本一致)，清洗干净放入水桶中。将狐尾藻和金鱼藻置于20%浓度沼液培养水箱培养，待狐尾藻、金鱼藻长芽时开始观察植株生长状况。培养水箱含有20%沼液40 L，为了保证水生植物的营养，水生植物初始鲜重为30 g，所有培养箱置于室外遮雨棚处。具体试验设置：狐尾藻组：H1，H2，H3；金鱼藻组：J1，J2，J3，2种沉水植物各设3个重复，另外设3个不种植沉水植物的空白对照，共计12个试验水桶，试验周期为35 d。试验于10月下旬至11月中上旬开展，期间室外最高气温平均为26.47度、最低气温平均为22.12度，属于沉水植物比较适应的生长温度。

试验开始后每7 d进行水质取样，水质取样后冷藏于4 ℃冰柜内两天完成水质指标测定，用预留原水补充检测所消耗水量，用蒸馏水补给因蒸发所损耗水分，以保持水位不变。观察记录植株生长状况，实验结束后收获整株植物，用蒸馏水进行清洗，利用吸水棉充分吸收附着水分后用电子天平进行植株鲜重测定。将植物在105 ℃下杀青30 min，再在70℃下烘干至恒重，将烘干后的植物样品用碾磨机粉碎，过0.25 mm筛后装袋用于植物干重测量，及植株氮磷钾等成分分析。

1.3 各项生理指标的测定方法

(1)沉水植物生物量用鲜重表示，采用称重法测定；叶绿素含量：利用分光光度法测定[17]。

(2)受试液检测水体相关参数(包括CODCr，pH值，DO，氨氮，TP，TN及硝基态氮)。CODCr采用重铬酸钾滴定法(GB11914-89)测定；硝基态氮用紫外分光光度法测量；氨态氮用纳氏试剂光度法测定；用DO用便携式溶氧仪测定、pH值及水温现场测定；TN利用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012 )；TP利用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)[18]。

(3)植株全氮用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；全磷用钼酸铵分光光度法测定；全钾采用火焰光度法测定[19]。

(4)重金属测定：将烘干植物样品在研钵中研碎，经HNO3-HClO4法消煮，用原子吸收分光光度计测定植株Cu，Zn，Mn，Fe，As，Hg的含量。

(5)磺胺类抗生素测定：水中抗生素的测定采用超高效液相色谱/串联质谱法(HPLC-MS)。

1.4 数据处理与统计分析

(1)植株全氮、全磷、全钾增长率计算公式如式(1)：

(1)

式中：ω1为代表试验结束植株体内全氮、全磷、全钾含量， %；ω0为代表试验前植株体内全氮、全磷、全钾含量， %；η为代表植株试验前后体内全氮、全磷、全钾增长率，%。

(2)污染物的去除率计算公式如式(2)：

X=(C1-C0)/C0×100%

(2)

式中：X为污染去除率，%；C0为初始污染物浓度，mg·L-1；C1为试验后污染物浓度，mg·L-1。

所有指标均取3次平均值，采用Origin7.5和SPSS22.0软件进行数据分析。

2 结果与讨论

2.1 沼液废水对不同沉水植物生长发育的影响

沼液中不仅含CODCr、氨氮、总磷、重金属等污染物质，也含有多种氨基酸、无机碳等营养物质。经过稀释后的沼液作为沉水植物的培养基质，沉水植物可吸收利用沼液中的营养物质，促进自身的生长。从图1中可以看出，在试验开始阶段，植株的生物量增长速率偏慢，主要是植株对沼液中有一个适应过程，随着植物生物量的增加，需要大量营养物质，再没有外源补给情况，沼液中营养源将逐渐减少，进而引起植株生物量的下降。试验过程中两种沉水植物生物量相比初始状态都有所增加，其中狐尾藻生物量大于金鱼藻，在收割时狐尾藻生物量达到213 g，增加了6倍；而金鱼藻的生物量从30 g增加到109 g,仅增加了2.63倍；同样的试验条件下，在试验周期内，狐尾藻的长势也明显优于金鱼藻。另从图2对比狐尾藻与金鱼藻叶绿素含量变化可知，试验各阶段狐尾藻植株叶绿素含量始终高于金鱼藻，试验结束狐尾藻叶绿素的减少率为62.7%低于金鱼藻叶绿素的75.6%，即金鱼藻叶绿素含量的变化幅度大于狐尾藻。这可能是受到水体中重金属、抗生素和pH值的影响，高浓度的Cu，Zn会影响叶片中酶的活性，影响叶绿素的合成；另外，水体一直呈现偏碱性环境，狐尾藻相比金鱼藻具有更强的适应性，对碳酸氢根的碳源利用能力更强，进而光合作用率也更大[20]。

图1 沉水植物生物量变化

图2 沉水植物叶绿素变化

2.2 两种沉水植物养分含量变化

沉水植物对养分的吸收直接影响其生长和发育，进而影响植株的生物量。沉水植物在试验前后体内氮磷钾含量变化如图3和图4所示，不同沉水植物试验终止状态植株全氮、全磷和全钾含量均大于起始状态。狐尾藻体内全氮、全磷和全钾含量分别增加了13.56%，19.39%及18.22%。金鱼藻体内全氮增加量不大仅为1.94%，全磷和全钾分别增加了28.87%和12.04%，金鱼藻体内全磷含量的增长率高于狐尾藻，但初始值狐尾藻全磷含量为1.65%高于金鱼藻1.42%，结束时狐尾藻体内全磷含量为1.97%依旧高于金鱼藻1.83%。在沼液的实际应用中，处理过后的沉水植物可以经过消毒、筛选、磨碎等处理，作为青饲料用于养鱼，因而选用氮磷钾含量高的沉水植物作为净化载体。

图3 植株全氮、全磷、全钾含量变化

图4 植株全氮、全磷、全钾增长率变化

2.3 两种沉水植物对沼液重金属的富集效果

图5为狐尾藻与金鱼藻对沼液中重金属的富集量(试验结束植株重金属含量-试验前植株重金属含量)。同一重金属不同植物的吸附能力不同，并且同一植物对不同重金属的吸附也存在差异。狐尾藻对各重金属吸附能力：Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>As>Cd；金鱼藻处理组中，对其他重金属吸附量大小:Zn>Cu>Cr>Pb>Cd>Ni>As。就Cu，Zn，Cr，Ni而言，狐尾藻高于金鱼藻，就As、Cd、Pb而言，狐尾藻与金鱼藻之间差异不大。从图中可知两种植物对Cu，Zn的吸附量最大，并且狐尾藻相比金鱼藻吸附能力更强。狐尾藻对Cu的富集量为17.96 mg·kg-1，对Zn的富集量为382.86 mg·kg-1，金鱼藻对Cu的富集量为8.56 mg·kg-1，对Zn的富集量为29.99 mg·kg-1。

图5 沉水植物对沼液重金属富集效果

沉水植物对水体重金属污染去除方式主要有吸收、吸附、积累、转移等。植物根系会通过分泌有机酸或植物螯合物与根系周围重金属离子发生螯合作用，直接或间接影响重金属离子的迁移与毒性，以此适应水体中重金属的逆境胁迫。同时植物根系具有的滞留效应也可以帮助其富集更多的重金属。此外，沉水植物发达的根区及其产氧作用为微生物生长提供了适宜的环境，也促进了水体中重金属的氧化和沉降。Keskinkan[21]等的研究表明，狐尾藻和金鱼藻能将重金属锌、铜和铅元素从溶液中移出，可用于水体中重金属去除。金鱼藻、狐尾藻等对砷、镉、铜、锌、铅具有较强的吸附能力，在重金属、CODCr等复合污染水体的生态修复应用方面具有较大潜力，这与本研究结果类似。沉水植物对铜锌等重金属具有较好的吸附能力，可能一是因为沼液各重金属本底值的差异，铜锌浓度相比其他重金属高，在吸附位点竞争方面，铜锌表现出优势；二是因为沉水植物的表皮细胞没有角质层和蜡质层，可直接吸收水中的气体、水分及矿质营养，这些表皮细胞逐渐取代根的机能，根逐渐退化甚至消失[22]。当水体受到重金属污染后，沉水植物将依赖茎叶更多地吸收环境中的重金属元素。至于狐尾藻对相比金鱼藻富集能力更强，一是源于狐尾藻生物量，能从水体中吸附重金属的量更大；二是可能狐尾藻根系更为发达，水体溶氧含量更高，且水体中pH值偏碱性，也利于狐尾藻生长及其对重金属的络合作用。

2.4 两种沉水植物对沼液的净化能力

氮、磷参与植物生物过程中各种生理代谢活动，是植株生长的必须营养元素，是植物体内蛋白质、叶绿素等的组成成分。沉水植物吸收沼液中大量的氮磷等营养物质供自身生长繁殖，当植株收割是，被吸收的营养物质也被去除，进而达到水体净化目的。从图6可以看出，试验结束时测量沼液CODCr，总磷，总氮，氨氮和硝态氮指标，狐尾藻CODCr、总磷、总氮、氨氮和硝态氮的去除率分别为44.95%，52.05%，51.06%，93.86%，和57.83%，金鱼藻CODCr，总磷，总氮，氨氮和硝态氮的去除率分别为38.80%，47.56%，34.46%，86.17%和60.53%。狐尾藻和金鱼藻对水体CODCr去除率高于空白组，就总磷和总氮而言，狐尾藻去除率高于金鱼藻和空白组；金鱼藻对于总磷、总氮去除率略高于空白组，说明这两种沉水植物对沼液具有一定净化能力。两种沉水植物对总磷的去除效果总体上比总氮好，这可能是由于吸附沉降作用对磷的作用大于氮，这也与方焰星[13]等所得结果相似。狐尾藻对CODCr、总磷、总氮和氨氮的去除率大于金鱼藻，由此说明狐尾藻对沼液的净化能力强于金鱼藻，这与童昌华[11]等研究结论相似。狐尾藻相比金鱼藻具有更发达网状根系，更利于对水中磷的直接吸收，合成自身所需营养物质；另一方面狐尾藻适合偏碱性环境生长，且其根系有较强的泌养能力，在根际易形成微氧带促进微生物活动，促进水体有机污染的降解，也能对水体氮磷进一步的释放与转化。至于氨氮的去除率，狐尾藻与空白组相近，略高于金鱼藻。氨氮的去除主要是在异养硝化菌和亚硝酸氧化酶的催化下，转化成硝态氮。因此狐尾藻和金鱼藻组硝态氮去除率差异不明显，但都低于空白组。从硝态氮含量的增加，也可进一步推断水体中的氨氮去除途径主要是硝化和反硝化作用，形成的硝态氮可被沉水植物直接吸收利用或被微生物代谢活动去除，也可通过反硝化过程被去除[23]。

图6 沉水植物对沼液净化能力

2.5 水体磺胺类抗生素含量变化

磺胺类药物是养殖废水中常见的抗生素，主要包括6种典型磺胺类抗生素(SAs)：磺胺醋酰、磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺二甲基嘧啶、磺胺间甲氧嘧啶、磺胺氯哒嗪6类。试验用沼液SAs浓度：5.74 μg·L-1，试验用水SAs浓度：1.15 μg·L-1。试验结束后，空白组、金鱼藻组合狐尾藻组的SAs浓度分别为：0.98 μg·L-1，0.58 μg·L-1与0.23 μg·L-1，对应去除率分别为：14.78%，49.56%与80.35%。试验组对SAs的去除率高于空白组，狐尾藻处理组去除率最高，说明沉水植物对SAs具有一定的降解能力，狐尾藻对SAs的去除能力大于金鱼藻。

植物直接吸收、积累和转移污染物是植物修复的重要机制[24]。水体中的抗生素去除主要是通过植物吸收和积累作用，与植物体内的某些组分发生反应进而影响植物体新陈代谢功能。植物在修复水体抗生素污染时，溶液中抗生素污染物通过根系吸附透过表面细胞壁进入植物体，细胞壁中含羧基、醛基等活性官能团的果胶成份可为污染物提供了大量的交换位点。同时由于根系表皮细胞新陈代谢，死亡后会在微生物的作用下分解产生胡敏酸、富里酸和胡敏素等腐殖质。腐殖质经氧化还原作用将抗生素氧化分解为二氧化碳和水，并产生羟基自由基，所产生的羟基自由基又能进一步氧化抗生素[25]。根系分泌物和腐殖质中也存在羟基、羧基等官能团，这些官能团能与吸附磺胺类抗生素，进一步增强了对抗生素的去除率[26]。