陈坤 ，赵聪芳 ，李裕元*，李希，刘铭羽，吕殿青 ，吴金水

（1. 湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；3. 江苏理工学院化学与环境工程学院，江苏 常州 213001）

磷是水体富营养化的主要诱导因素，我国一些湖库水体磷素超标问题已经成为当前水质恶化的主要原因和治理难点[1-3]，磷的控制对于治理水体富营养化问题具有重要意义[4]。近年来，农业面源污染已经成为我国环境污染的主要来源，尤其是畜禽养殖业对农业面源污染磷负荷的贡献率已经高达37.9%[5]，因此对畜禽养殖业污染的控制已经成为农业面源污染治理的重中之重。在现行常用的工程化污水处理技术中，一般是采用吸附材料直接吸附[6-7]或采用活性污泥法[8]通过聚磷菌超量富集水体中的磷素，从而实现对废水磷素的去除和污水处理的达标排放，该类技术具有占地少、效率高的优点，但是工程建设和运行成本相对较高，废水中的磷素资源也未得到有效利用，因此不符合当前以“环境友好和资源节约”为主要目标的生态治理方向[9]。

湖南省是传统的养猪大省，《中国统计摘要-2019》中表明2019年湖南省生猪出栏规模在全国排名前三。当地群众也有长期养猪传统，少则几十头，多则上百头[10]。因此，在该地区开展养殖废水治理研究具有重要的实践指导意义。近年来中科院亚热带所相关研究人员研发的利用浮水植物绿狐尾藻（Myriophyllum elatinoides）构建高效人工湿地处理养殖废水的技术，对去除养殖废水中的磷酸盐具有显著效果及可资源化利用的显著优势[11-12]。但大规模养殖场排放的养殖废水中磷酸盐浓度较高，总磷酸盐（TP）浓度高达20～350 mg/L[13]，在很大程度上会超出湿地一般水生植物的耐受范围[14]，因此对高负荷养殖废水做适当处理以降低污染物的浓度，使其能适应于人工湿地植物的正常生长，是实现养殖废水生态治理和确保稳定处理效果的重要前提[15]。基于此，本文选取南北方常见的农作物秸秆麦秸、玉米秆、稻草作为生物基质材料，探讨低成本的生物基质处理系统对高负荷养殖废水的处理效果，以期为高负荷养殖废水高效生态处理技术的进一步完善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于湖南省长沙县金井镇脱甲村的中国科学院长沙农业环境观测站（112°56'～113°30'E、27°55'～28°40'N），区内为典型亚热带湿润季风气候，年平均气温17.5 ℃，最高气温40.1 ℃，最低气温-5.2 ℃[10]，区内年平均降水量1 200～1 500 mm，且降水主要集中于3～7月[16]。

1.2 试验设计

本研究所用麦秸、玉米秆分别采购于河南开封与河南焦作，稻草取自中国科学院长沙农业环境观测研究站附近的农田；所有秸秆先风干处理后截成长约5～10 cm的小段备用，秸秆材料的基本理化性状见表1。本研究所用养殖废水均来自长沙县白沙乡大花养猪场，猪场栏舍面积约5 800 m2，年出栏生猪规模为3 000头，废水产生量约6 t/d，水质有一定的波动性。试验期间不同污染物浓度变化范围依次为：化学需氧量（COD）1 652.33～2 015.29 mg/L、总氮（TN）581.37～877.65 mg/L、氨氮334.50～683.89 mg/L、总磷（TP）75.14～121.62 mg/L、颗粒态磷（PP）24.63～83.25 mg/L、溶解态无机磷（DIP）26.87～47.35 mg/L、溶解态有机磷（DOP）2.96～11.73 mg/L。

表1 三种秸秆主要组成成分及含量（g/kg）Table 1 The main composition and content of three kinds of straw（g/kg）

本试验通过小区定位试验研究不同秸秆材料对养猪场废水中磷素的去除效果。试验设置麦秸、稻草、玉米秆与对照（不添加秸秆材料）共四个处理，每个处理三次重复。每个处理的基质池均分为三级，由三个同等大小的水泥池（长×宽×深：100 cm×50 cm×70 cm）串联组成，每个池内（除对照处理外）填充12.5 kg（35.71 kg/m3）经风干并破碎处理的作物秸秆。养殖废水经蠕动泵从储水池泵入第一级基质池，再由水力推动向下逐级流动，经过三级基质池处理后的养殖废水出水排入绿狐尾藻人工湿地。试验小区（基质池）布局与水力流向（折反式）见图1，水力停留时间设置为7 d，进水流量控制为 50 L/d，均采用连续进水方式。

图1 试验小区布局（a）与水力流向（b）示意图Fig. 1 Schematic diagram of test plot layout and hydraulic flow direction

1.3 样品采集与分析

水样的采集与测定：在基质池进水和每一级的出水口进行水质采样和监测，采样点位于水面下20 cm左右，每个采样点各采集约100 mL水样，直接带回实验室进行预处理，其中50 mL水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后用于溶解态总磷（DTP）和溶解态无机磷（DIP）测定；另外50 mL未经过滤的水样用于TP的测定。经处理后水样一般直接进行化学分析，不能及时分析的样品，放入-18 ℃冰箱中保存。其中TP、DTP浓度采用过硫酸钾消解—钼锑抗显色—紫外分光光度法测定（紫外/可见分光光度计，UV2450，日本岛津公司，下同），DIP浓度直接用钼锑抗显色—紫外分光光度法测定[17]。用差减法计算悬浮颗粒态磷（PP）、溶解态有机磷（DOP）的浓度[18]，具体计算方法见公式1和公式2。

式中：PP为颗粒态磷，TP为总磷，DTP为溶解态总磷，DOP为溶解态有机磷，DIP为溶解态无机磷，单位均为mg/L。

此外，进水和每一级收集后的瞬时出水水样的pH值、氧化还原电位Eh、溶解氧DO、水体温度T均采用便携式水质检测仪（Hq40D，美国哈希公司）现场测定。采样时间为2018年10月—2019年3月，每间隔10 d采样一次，每次采集进水口和各处理三级基质池出水口水样，包括3次重复处理，共37个样品。半年时间共计采样19次，合计采集分析了703个水质样品。

底泥沉淀物的采集与测定：试验期（6个月）结束后用底泥采样器对四种处理下三级基质池的各级分别采集池底沉淀物（包括每种处理的三个重复），底泥采样器的固定半径为2.5 cm，每次采集样品250 mL，冷冻干燥后测定干重。干燥后的样品经研磨、过筛（60目），用于测定沉淀中总磷（TPS）和无机磷（TPSI）含量。TPS和TPSI含量采用SMT法[19]测定，沉淀有机磷（TPSO）用差减法计算得到，具体计算方法见公式3。

式中：TPSO为沉淀有机磷（g/kg）；TPS为沉淀总磷（g/kg）；TPSI为沉淀无机磷（g/kg）。

水中污染物去除率r（%）、沉淀磷素总量M计算公式如下：

式中：C1为进水浓度（mg/L）；C2为出水浓度（mg/L）；C0为沉淀干样中磷素含量（g/kg）；M0为沉淀样品干重（g）；S1为基质池底面积（m2）；S0为采样器底面积（m2）。

1.4 数据统计与分析

文中所列数据均为3次重复试验平均值，采用Excel 2010软件进行图表处理分析，Origin 2019作图，并用SPSS 20.0进行one-way ANOVA单因素方差分析，在检验水平P<0.05下分析差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同基质材料对养猪废水磷素的去除效果

2.1.1 不同基质材料处理后磷素浓度的变化 养猪场废水污染物浓度有一定的波动性，试验期内进水总磷平均浓度为98.38 mg/L，经基质池处理后（含对照）均有较大幅度的降低，其中以添加不同秸秆处理的效果最为显著（P<0.05），出水TP浓度总体上均在65 mg/L以下，均降至了绿狐尾藻人工湿地的耐受范围之内（＜73 mg/L）。颗粒态磷（PP）等其他各形态磷的变化趋势与TP基本一致（见表2）。从三种秸秆的比较来看，总体处理效果（TP）变化顺序为：麦秸>玉米秆>稻草，但是不同秸秆材料对各形态磷的处理效果总体上无显著差异（P>0.05）。

表2 不同处理下各形态磷的进出水浓度（mg/L）Table 2 The concentrations of different phosphorus forms in the in- and out-put wastewater（mg/L）

2.1.2 不同基质材料磷去除效果变化特征 对TP、DIP去除率的分析结果表明，麦秸、玉米秆、稻草对TP的平均去除率分别为43.6%、40.7%、35.7%，对DIP的平均去除率分别为36.2%、35.3%、34.5%，而对照处理对TP和DIP的平均去除率仅为13.8%和10.8%（见图2、图3）。对TP和DIP去除效率的排序为：麦秸>玉米秆>稻草>对照。从时间动态看，秸秆材料基质池对TP和DIP去除效果的变化略有差异，其中TP去除率在试验初期表现为升高，去除率最高可达50.9%，试验进行40～60 d后TP去除率开始缓慢降低并逐步趋稳的变化趋势，最低为27.3%；而DIP去除率的变化趋势表现为前40 d之内快速降低、40～60 d后缓慢降低并逐步趋稳的表现态势；去除率最高可达56.4%，最低为25.8%。

图2 基质池TP进出水浓度及去除率动态变化Fig. 2 Dynamic changes in the inlet and outlet TP concentrations and removal efficiency in the matrix pool

图3 基质池DIP进出水浓度及去除率动态变化Fig. 3 Dynamic changes in the inlet and outlet DIP concentrations and removal efficiency in the matrix pool

生物基质处理系统中废水的颗粒态磷（PP）含量范围为24.63～83.25 mg/L，均值为53.94 mg/L，各处理在一级池、二级池和三级基质池中去除P占TP的平均比例分别为53.8%、50.4%、43.8%。溶解态无机磷（DIP）含量范围为26.87～47.35 mg/L，均值为37.11 mg/L，在一级、二级和三级基质池中去除P分别占总磷的37.9%、42.1%、48.5%。溶解态有机磷（DOP）含量范围为2.96～11.73 mg/L，均值为7.57 mg/L，在一级、二级和三级基质池中分别占总磷的7.1%、7.2%、7.6%。表明PP占TP的比例随水流方向而逐渐降低，而DIP占TP的比例随水流方向而逐渐升高，DOP在各级之间无显著变化。对各形态磷素的逐级去除效率分析表明，各级对除磷均有明显效果，一级基质池、二级基质池、三级基质池对TP的去除率分别为4.3%～20.0%、5.4%～16.4%、3.6%～10.2%，对DIP的平均去除率分别为3.3%～18.7%、4.6%～13.4%、2.0%～10.2%。结果表明除对照以外，总体上生物基质处理系统第一、二级的除磷效率较高，第三级相对较低（见图4）。

2.2 生物基质处理系统磷的去向

生物基质处理系统对试验期内（6个月）不同处理磷去除负荷的计算结果表明，麦秸、玉米秆、稻草及对照处理对磷的总去除量（负荷）分别为396.27 g、371.25 g、324.37 g、124.38 g，共1 216.27 g，其中PP去除量占比为51.0%～60.3%，为主要部分，其次为DIP，占比为28.9%～38.5%，DOP占比最低，为7.72%～20.12%（见表3），表明生物基质处理系统去除的磷主要以颗粒态磷为主。在试验期末，测得的麦秸、玉米秆、稻草及对照处理中沉淀的磷素总量为68.68～224.44 g，占生物基质处理系统磷总去除量的52.4%～56.9%（平均55.3%）。三种秸秆材料处理底泥的沉淀总量显著高于对照处理，但不同秸秆材料处理之间总体上无显著差异（P>0.05）。从底泥沉淀磷的化学组分来看，无机磷占沉淀总磷的比例均在80%以上，尤其以稻草处理无机磷占比最高，为94.5%（见表3）。因此，生物基质处理系统对P的去除主要以无机磷在底泥中的沉淀为主要去向，一般占总去除负荷的50%以上。此外，秸秆本身会带入少量的磷，根据秸秆磷素含量（见表1）和实际秸秆用量（12.5 kg）计算可知，各处理秸秆带入的磷量分别为30.62 g（麦秸）、13.12 g（玉米秆）、15.62 g（稻草），占试验期内（6个月）基质池系统总输入TP的比例分别为3.4%、1.4%和1.7%，影响不大，故在本文计算中忽略不计。

图4 基质池对不同形态磷素去除效率的分级特征Fig. 4 Hierarchical characteristics of P removal efficiency for different P forms in the matrix pools

表3 试验期生物基质处理系统磷去向特征比较Table 3 Comparison of phosphorus fate characteristics in biomatrix treatment system during the experimental period

2.3 水环境因子对磷去除率的影响

对生物基质处理系统水环境因子的观测结果表明，试验期内养殖废水在生物基质处理系统中pH变化范围为7.02～8.17，总体呈弱碱性环境；Eh和DO的变化范围分别为-34.5～-7.75 mV和0.01～0.24 mg/L，两者在基质池不同梯级间均表现为三级>二级>一级。对不同形态磷去除率与水环境因子的Pearson相关性分析结果表明（表4），TP、PP和DOP的去除率与水环境因子均无显著相关性（P>0.05），DIP去除率与水体温度（T）呈显著正相关关系（P<0.05），与pH呈极显著正相关关系（P<0.01），但其与Eh、DO也无显著相关性（P>0.05），表明生物基质处理系统中只有DIP的转化去除会受到水体温度和水体pH的显著影响，而PP和DOP等形态磷素的转化受水环境因素的影响相对较小。

3 讨论

3.1 不同生物基质材料的除磷效果

连续6个月的观测结果表明，添加麦秸、玉米秆、稻草三种生物基质材料均可不同程度地去除养殖废水中的各形态磷素，总体处理效果（TP）的变化顺序为：麦秸>玉米秆>稻草，总去除率达到35.7%～43.6%（见表2），出水水质得到明显改善，总磷（TP）浓度降至绿狐尾藻生态湿地的耐受范围之内（<73 mg/L），基质处理技术作为前处理技术，有利于下游生态湿地对废水的进一步生态处理。虽然生物基质处理系统对TP的去除率比采用一般的工程化处理技术的去除率[20-21]相对偏低，但本研究中基质处理系统出水中大部分的磷（56.4%～64.3%）可以通过基质池出水直接流入湿地系统进行进一步的生态处理，部分可转化为植物生物质，同时湿地生长的绿狐尾藻再经过进一步的加工处理可作为动物饲料，从而实现养殖废水中磷素的资源化利用[14]，符合国家当前对农业废弃物资源化利用的发展方向，因此该技术有较强的实用性。

表4 各形态磷去除率与水体理化指标的相关性Table 4 Correlation between phosphorus removal rate and physicochemical parameters in water

3.2 生物基质材料补充周期

不同秸秆总磷（TP）去除率的变化有一定的差异，但均具有明显的阶段性，具体表现为先升高再缓慢降低并逐步趋稳的变化趋势（见图3）。其原因可能在于生物基质处理系统运行初期基质材料表面的微生物需要一定阶段的驯化过程。刘铭羽等[15]的研究表明，该驯化阶段需要约21～35 d时间，随后TP去除率逐渐升高。而在系统运行一段时间以后（本试验为90～120 d），由于秸秆材料的主要成份纤维素和半纤维素（见表1）逐步被微生物降解，材料本身对磷素的吸附容量也逐渐饱和，因此系统对P的去除率也随之出现了明显的降低。此时，需要对秸秆材料进行补充。因此根据生物基质系统对总磷去除率的时间动态变化，建议稻草和麦秸的补充周期为90 d，而玉米秆的补充周期为120 d。

不同秸秆对磷素去除率的差异与秸秆的物质组成成分有一定的关系，尽管三种秸秆主要构成成分木质素、纤维素和半纤维素含量的差异并不十分明显（见表1），但是本课题组的前期研究结果表明，玉米秆细胞壁的木质化程度相对较高，耐分解能力较强，微生物的繁殖与纤维素的分解需要更长的时间[15]。本试验秸秆补充周期与刘铭羽等[15]的试验结果（150 d）相比也缩短约30 d左右，同时对比其TP去除效率（33.3%）则有所提高，这可能与添加的作物秸秆形态有一定关系，本试验将基质材料进行了适当的破碎处理（全部截断为5～10 cm长的小段），而刘铭羽等[15]的试验利用的是整株秸秆材料，未经破碎。由此可见增加基质材料的粉碎度会增加其与养殖废水的接触面积，因而也相应地能在一定程度上提高TP的去除效率，这与张文艺等[22]和庞小平等[23]采用其他吸附材料的试验结果基本一致，其作用机制主要在于秸秆破碎度增加以后，微生物对秸秆的分解速度有所加快，但是破碎度显然会缩短秸秆材料作用的时间周期。

3.3 生物基质处理系统除磷机制分析

基质处理系统对磷素的去除是基质材料过滤吸附及沉淀等综合作用的结果[6,24]。对于废水中不同形态的磷素，其去除效果和去除机制也有所不同[25]。本试验结果表明，生物基质处理系统对磷的去除主要以颗粒态磷（PP）在系统内的沉淀为主，占51.0%～60.3%，在沉淀的底泥中，磷的主要存在形态为无机磷（80.1%～94.5%，见表3），且有机磷在沉淀中占比随基质池梯级增加而减小。由于颗粒态磷（PP）在水体中存在的形态粒径不一，密度也存在差异，因此会有部分PP在养殖废水中以悬浮固体（SS）的形态存在[26]，或随水流方向进入下游湿地系统。生物基质处理系统中PP的去除主要通过秸秆材料对PP的物理截留为主，养殖废水刚进入基质池时悬浮物较多，被秸秆截留后产生沉降，形成沉淀，试验结果中PP的去除以一、二级效果最好，第三级相对较低（见图4），这也进一步印证了对这一主导去除机制的推断。

溶解态无机磷（DIP）去除率的变化与TP明显不同，DIP去除效果的动态变化表现为前期较高而后持续降低的变化态势（见图4），表明前期生物基质处理系统的物理吸附与秸秆表面的金属离子发生化学反应生成磷酸盐沉淀[27]是磷素去除的主要机制。同时微生物在分解秸秆过程中对DIP的利用也是DIP去除的一个重要方面[28]。此外，由于水温也对微生物的活动有重要影响[29]，试验前期（10月份）水体温度较高、微生物活性强可能也是DIP去除率在初期较高的重要原因。郭夏丽等[30]的研究也表明，厌氧生物除磷的最适温度为35 ℃，所以冬季温度降低时，微生物生长代谢活动降低，去除效果因而会有所减弱。

溶解态有机磷（DOP）在生物基质处理系统中浓度相对较低，在各级基质处理系统中占比均为7%左右，变化不大，表明在短期内（水力停留时间为7 d）废水中有机磷的矿化作用不是生物基质处理系统磷转化的主要方面。

4 结论

三种秸秆材料对总磷（TP）和溶解态无机磷（DIP）去除效果变化顺序为麦秸>玉米秆>稻草，去除率平均可达40.1%和35.9%，出水的TP和DIP平均浓度分别降至54.35～62.35 mg/L和22.68～23.25 mg/L，达到一般生态湿地水生植物的耐受范围。DIP去除率与水体温度（T）及pH呈显著正相关（P<0.05），而TP、PP、DOP去除率与水环境因子的相关性均不显著（P>0.05）。

生物基质处理系统对磷的去除以颗粒态磷(PP)的沉淀为主，占TP去除的比例为51.0%～60.3%。在底泥沉淀中P的主要存在形态为无机磷（80.1%～94.5%）。

三种作物秸秆对磷素的去除能力有一定的差异，当系统对磷素的去除率显著下降时，需要对系统内的秸秆材料进行补充，建议稻草和麦秸的补充周期为90 d，而玉米秆的补充周期为120 d。增加基质材料破碎度也能在一定程度上提高TP的去除效率，但是会缩短秸秆材料作用的时间周期。