随着奶牛养殖业的规模化发展, 养殖业粪污污染问题日益严重^[1-2], 为了保护水体不受污染, 保护养殖和人居环境, 国内外在奶牛养殖粪污治理和资源化利用方面已经开展了大量的研究工作, 各种污水处理工艺应运而生。目前养殖废水处理的方法主要有物理处理法、化学处理法和生物处理法3大类^[3-7]。而生物处理法因其建设投资少、运行维护成本低、无二次污染和生态景观效果好等优势而得到了最为广泛的应用。生物处理法主要包括植物、动物和微生物的单一或组合处理方法。其中多种常见的处理工艺(比如稳定塘、生态沟和人工湿地等)中都会用到植物处理, 特别是观赏价值较高的挺水植物已成为污水处理系统中的重要组成部分^[8-12]。水生植物对水体污染的耐受性是植物选择的关键影响因素之一, 对水生植物抗水体污染等方面的研究也越来越受到重视。植物净化污水的机理主要是植物自身的吸收作用、物理化学作用以及与微生物协调降解作用, 所以在选择植物品种时, 可根据耐污性、生长适应能力和根系的发达程度等要求来确定。国内主要运用的挺水植物有鸢尾、香蒲、芦苇、芦竹和黄菖蒲^[13-15], 其中鸢尾属植物应用最为广泛, 其在医药食品、盆栽观赏、切花生产、园林绿化等领域均占有重要地位, 具有良好的经济效益、生态环境效益和社会效益。

迄今为止, 关于鸢尾属植物的研究还比较零散, 主要集中在核型分析、花粉形态、药用、引种及组培快繁等领域, 育种、繁殖生物学、抗旱性、重金属胁迫的生理抗性等方面亦有探讨^[16], 但在养殖废水方面应用的研究较少, 牛场废水对黄鸢尾生长的主要影响因素体现在营养量、盐胁迫、碱胁迫三个方面, 黄鸢尾受到逆境胁迫时, 细胞会主动形成一些渗透调节物质, 以提高溶质浓度、降低水势, 进而从外界吸水, 从而保证植物的正常生长。黄鸢尾净化牛场废水主要通过以下途径:依靠自身的生长从废水中吸收大量的氮、磷等营养物质; 庞大的根系形成特殊的生物膜结构, 对污染物的吸附、过滤和转化起到重要作用; 光合作用产生氧气向水中扩散, 植物周围形成含氧量高的区域, 根区以外贫氧, 为微生物提供合适的好氧、厌氧环境, 完成硝化、反硝化作用, 达到去除污染物的效果^[17]。本研究旨在为黄鸢尾处理牛场养殖废水污染物的研究提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

挺水植物黄鸢尾(黄菖蒲), 水冲粪式规模化奶牛场粪污废水, 水质指标见表 1。

1.2 试验设计

该研究在天津市的农业农村部环境保护科研监测所玻璃温室进行, 试验废水取自天津市某规模化奶牛养殖场。以黄鸢尾为试验对象, 自来水育苗, 长到30~40 cm高进行移栽, 将其固定在四孔(一个孔约放1~2株)泡沫板上并置于水培箱(20 L左右)上, 水培箱中装有一定量的清水。以清水水培的黄鸢尾作空白对照组CK, 另设6组试验组T1~T6, 每组设3个平行。在试验组中, 每个试验组的水培箱清水与牛场废水比分别为40:1(T1)、20:1(T2)、15:1(T3)、10:1(T4)、8:1(T5)、5:1(T6), 牛场废水取自奶牛场粪污收集区, 经过7 d的厌氧发酵, 混合均匀后, 取适量废水测定其COD、NH₄⁺-N、TP和TN的含量, 移栽黄鸢尾一周后再次测定水中COD、NH₄⁺-N、TP和TN的含量, 分别每隔一周取黄鸢尾的茎叶, 去泥后测其生物量, 试验周期为一个月。连续观察黄鸢尾生长情况(茎叶及根部生长情况), 并分别研究废水中COD、NH₄⁺-N、TP和TN含量与黄鸢尾的生长速率(cm·d^-1, 测定株高, 计算出单位时间株高增幅)、生物量变化率的相互影响关系, 以确定黄鸢尾对牛场废水的耐受值。试验期间用蒸馏水每隔2 d补充蒸发水量, 以保持培养用水体积不变。去除率计算方法见公式(1):

(1)

1.3 测定项目与方法

COD测定采用微波消解滴定法^[18], NH₄⁺-N测定采用纳氏试剂比色法^[19], TN测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法^[20], TP测定采用钼酸铵分光光度法^[21], pH值测定用pH计, 盐度测定用电导率仪, MPN多管发酵法测定氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌, 特定生长率测定采用测鲜质量法。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel、Origin软件对数据进行处理和绘图, 并用SPSS 20.0统计软件对数据进行统计分析, Duncan法对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析 2.1 废水浓度对黄鸢尾生长速率的影响

从试验开始到结束, 黄鸢尾的生物量持续增加。由图 1可以看出, T3处理组黄鸢尾的生长速率高于CK、T1、T2、T4、T5、T6处理组, 且T3与T4、T5、T6差异均达到了5%的显著水平。从图中可以明显看出T1、T2浓度与CK相比对黄鸢尾生长速率影响不大, 第一周生长速率分别提高了35.19%、24.36%, 第二周生长速率分别提高了6.45%、11.65%, T3对黄鸢尾生长速率起到了很大的促进作用, 第一周和第二周生长率分别提高了84.31%、28.26%, 说明此浓度适合黄鸢尾的生长, T4、T5、T6组黄鸢尾的第一周和第二周生长速度相对于空白对照分别降低了34.88%、86.89%、91.85%和23.44%、39.17%、57.12%, 当浓度高于T3组时黄鸢尾的生长速率低于CK, 黄鸢尾的生长受到了抑制。从图中可以看出牛场废水浓度在低于T3组时黄鸢尾生长速率得到促进, T3处理组COD、TN、TP和NH₄⁺-N浓度分别为1 250.7、150.4、36.5、100.2 mg·L^-1, 当废水水质指标控制在此浓度左右时为黄鸢尾的最佳生长浓度, 当水质指标高于此浓度时, 黄鸢尾的生长受到抑制。

2.2 废水浓度对黄鸢尾净化能力的影响

牛场废水浓度与黄鸢尾对水中污染物去除率关系如图 2所示, 此图表示的是用6个不同浓度的牛场废水培养黄鸢尾, 各个梯度水中污染物去除率的变化。一周之后, 黄鸢尾对COD、NH₄⁺-N、TN和TP的去除率最高达到57.1%、59.49%、82.59%和72.39%。从图中可以明显地看出T1、T2、T3组黄鸢尾对水中的COD、TN、TP和NH₄⁺-N去除率比较高, 证明其生长状况比较好, 能达到预期的处理效果, 其中对TP、TN的去除率比其他两个指标高, 黄鸢尾对TP、TN的去除效果更为明显。当废水浓度继续增加去除率明显下降, 证明黄鸢尾的生长速率降低, 当废水浓度超过T3试验组, 黄鸢尾对牛场废水的净化能力被抑制。

2.3 废水浓度与黄鸢尾生长速率相关性分析

当废水浓度较高时, 黄鸢尾的生长速率降低, 生长被抑制, 表 2可以表明牛场废水中TN、NH₄⁺-N的浓度与黄鸢尾生长速率存在显著负相关关系(P < 0.05);从表 3可以看出黄鸢尾生长速率与TN和NH₄⁺-N的去除率存在显著正相关关系, 而与TP的去除率存在极显著正相关关系, 黄鸢尾生长速率越高, 对COD、TN、NH₄⁺-N和TP的去除率也越高。植物去除污染物的能力与生物生长量有明显的正相关。研究表明, 生产量年产率表征的是植物生物量的净增长速率, 也是植物生长活跃度和生命旺盛度的一种体现, 更活跃的植物生长能够有效改善根区微生物的生境, 提高微生物的数量和活度, 进而达到更好的污水处理效果。

2.4 不同浓度废水中细菌数量

氨化作用是异养细菌将蛋白质水解为氨基酸, 进而脱氨基产生氨的过程。硝化作用是指氨经过微生物的作用氧化成亚硝酸和硝酸的过程。第一阶段由亚硝酸菌氧化氨为亚硝酸; 第二阶段由硝酸菌氧化亚硝酸为硝酸。在氮污染情况下, 氮循环菌中的氨化菌数量显著高于其他氮循环菌多个数量级。由图 3可知, 浮游态亚硝化菌和反硝化菌的数量随水体氮污染程度的增加而升高, T3组反硝化细菌数量明显高于其他组, 较好地完成反硝化脱氮, 从而达到对污染物较高的去除率, T6组氨化细菌、亚硝化细菌数量显著高于其他组, 特别是亚硝化细菌远远高于其他处理组, 相关研究表明, 微生物数量或生物量随水环境中营养程度的递增而增加, 水中含有大量的铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐, 说明水体已经被氮严重污染, 过高浓度的氨氮胁迫会造成植物氮代谢的紊乱, 抑制叶绿素的合成, 减弱光合作用, 影响能量供应, 进而影响植物的正常生长。

2.5 不同浓度废水含盐量

由表 4可以看出不同梯度牛场废水的含盐量情况, 平均最高不超过1084 mg·L^-1, 已有研究表明盐度对污水中污染物的净化效率有显著影响, 随着废水中污染物浓度及盐度的增加, 植物对氨氮和正磷酸盐的去除效果明显减弱。石静^[22]研究表明, 盐度对黄鸢尾氨氮、磷的去除率有显著影响, 低盐度(0.14%)处理组黄鸢尾对氨氮的去除率达到95.4%, 磷的去除率达到89.8%, 所以低盐度对黄鸢尾生长吸收废水中的氮磷影响不显著。试验牛场废水盐度低于0.14%, 所以试验牛场废水盐度对黄鸢尾生长影响不明显。

2.6 养殖优势区典型养殖场粪污选择

对比国内几大奶牛养殖优势区域粪便样品考察结果(表 5)^[23], 国内代表性奶牛养殖场粪便中氮磷含量比范围为1.80~4.51, 张帅等^[24]调研的牛场中粪污废水总氮、总磷含量平均值分别为540 mg·L^-1和53.3 mg·L^-1, 质量分数比为10:1。本试验中废水由粪便与清水经过不同比例稀释, 经过7日厌氧发酵获得, 稀释发酵后总氮总磷比范围为2.74~6.91, 最适宜黄鸢尾生长废水浓度T3试验组总氮总磷比为4.12, 在国内代表性养殖场的粪便氮磷含量比范围内, 因此所选样品具有其普遍代表性。

3 讨论

植物净化污水的机理主要是三个方面:①植物的吸收作用, 植物的生长需要从水体中吸收大量的氮、磷、钾等营养物质合成自身结构的组成物质, 如蛋白质和核酸等, 水体环境的污染物水平、植物个体的生长速度是水生植物吸收水体中氮磷速度的直接影响因素; ②物理化学作用, 水生植物庞大的根系能形成特殊的生物膜结构, 对污染物的吸附、吸收、过滤和转化有相当重要的作用; ③植物与微生物协调降解作用, 微生物对水体中污染物的降解也起着重要作用, 水生植物群落的存在, 为微生物和微型动物提供了附着场所和栖息地, 它们各个部位光合作用产生的氧气向水中扩散, 在植物周围形成含氧量高的区域, 而根区以外的贫氧区则为厌氧微生物提供了生存环境, 从而不断进行着硝化、反硝化反应, 达到降解有机质和其他污染物的效果, 两者缺一不可^[25-26]。黄鸢尾主要从以上三个方面减少水中污染物, 达到净化水质的作用。

研究表明, 黄鸢尾作为湿地处理养殖废水中重要的水生植物, 在湿地系统中, 水力负荷、水力停留时间、水深是影响人工湿地运行的三大要素^[27-28], 所以试验控制黄鸢尾处理废水的体积、水深不变, 观察同一时间段黄鸢尾的生长速率随废水浓度的变化, 开始生长速率随着废水浓度的增加而增大, 到一个峰值后生长速率会随着废水浓度增加而减小, 最终低于空白组, 说明生长速率受到了抑制, 与马牧源等^[29]研究结果相同。本试验组的转折点出现在T3~T4试验组, 从T4组开始, 黄鸢尾的生长速率以及对牛场废水污染物的去除率出现了下降趋势, 说明黄鸢尾已经开始表现出不适应废水浓度的趋势, 牛场废水影响黄鸢尾生长主要是营养含量、盐度和pH三个方面, 试验牛场废水pH在6.92~7.34, 盐度低于0.1%, 不会抑制黄鸢尾的生长, 当废水浓度过高, 水中氨氮、磷酸盐浓度高出黄鸢尾适宜范围, 黄鸢尾的生长受到抑制。原因是细胞膜是感受胁迫最敏感的部分。膜系统被认为是植物逆境下受伤害的最初和关键部位。逆境胁迫是造成生物体内活性氧过量积累并导致细胞膜损伤的重要因素^[30]。而黄鸢尾去除污水中各种形态氮是物理、化学及生物共同作用的结果, 主要有挥发、氨化、硝化、反硝化、吸收和沉降等途径。物理作用主要是沉降与挥发, 固体物质通过重力作用沉淀, 对氮的去除作用较小, pH大于8.0时, 氨容易挥发; 化学作用主要是吸附, 氨氮吸附通常迅速且可逆, 但并非植物修复氮去除的长期途径; 生物作用是黄鸢尾自身的吸收以及微生物作用, 微生物通过氨化和硝化反硝化去除氮的效果显著, 无机氮可直接被植物吸收, 摄取的氮量较显著^[31]。

黄鸢尾最佳适应条件为T3试验组浓度, 生长速率以及对牛场废水污染物的去除率都达到峰值, 所以T3试验组废水浓度为黄鸢尾最佳适宜浓度。T1处理组表现出很高的去除率, 这种现象与废水浓度有关, 黄鸢尾虽然表现出较高的去除作用, 但是并没有体现很好的生长, 生长速率与空白组相当, 因为T1处理组各个指标都很低, 当黄鸢尾处理少量污染物后, 其中一部分是由于黄鸢尾根部吸附了污染物, 从而表现了很高的去除率。

生长在人工湿地相似条件下的试验植物, 其生物量差异显著, 这是植物内在的生长特性, 也表现了物种对这种环境的适应能力。石雷等^[32]研究显示生物量与水体氮磷去除率的相关性良好, 因而可以直接通过生物量来评价它们对氮磷的去除作用。黄鸢尾在T3组表现出较好的生长效果, 同时T3组废水指标有了明显的下降, 说明黄鸢尾对于养殖废水耐受性的研究有着一定的指导意义。黄鸢尾生长速率在同一稀释倍数废水中, 第一周与第二周也存在着差异, 在废水浓度抑制黄鸢尾生长速率的处理组, 第二周相对于第一周生长率有少许增高, 这可能是因为经过一周的时间其对高浓度废水有一定的适应性。黄鸢尾的生长速率与废水中污染物的去除率存在显著正相关关系, 也可以理解成废水污染物去除率的表现形式是黄鸢尾的生长速率, 而生长速率与停留时间长短并不成正比关系, 废水污染物去除率与停留时间长短也不成正比关系, 这一结论与汪宴廷等^[33]研究结果一致, 这可能与植物的生物量积累有关; 试验显示第一周黄鸢尾对污染物的去除率高于第二周, 这也与植物根系对水中污染物的吸附作用有关系。

植物对富营养化水体的三种控制途径中, 微生物的作用贡献最大, 马牧源等^[29]指出黄花鸢尾根际处氮循环菌数量最为密集, 随着取样点与浮板距离的增加, 氮循环菌数量呈下降趋势, 说明黄花鸢尾提高了水体中硝化反硝化作用强度, 更利于水体中氮的去除。这解释了为什么试验中黄鸢尾对总氮的去除率最高。T6组水体中氮循环菌中氨化细菌、亚硝化细菌明显高于反硝化细菌时, 造成氨氮盐、硝酸盐和亚硝酸盐的积累, 影响黄鸢尾的生长, 与T6组试验测得黄鸢尾生长速率结果相吻合。

4 结论

(1) 在牛场养殖废水肥用时, 低浓度养殖废水中的氮、磷养分能够为黄鸢尾的生长提供营养, 随着养分浓度的增加会促进其生长速率的提升, 但过高浓度养殖废水则会抑制植株的生长和生物量积累。

(2) 通过两周种植试验对比发现, T3~T4处理是抑制的关键转折点, 过高的废水浓度会对黄鸢尾生长形成抑制, 但第二周的试验监测发现, 植物本身的耐受适应性开始表现, T4、T5和T6三个高浓度处理组的生长速率均有所提升, 黄鸢尾通过自身的耐受调节机制, 会进一步增加高浓度胁迫下其对污染物的消纳水平。

(3) 抑制黄鸢尾生长过程的主要因素是氮浓度, 控制氮的浓度可以保证黄鸢尾正常生长。

(4) 黄鸢尾对污染物的去除过程中, TN、NH₄⁺-N和TP是主要影响因素, 而TP是影响黄鸢尾生长速率的关键限制性因素, 对粪污中TP含量的调控可影响到黄鸢尾的生长速率。