陆生植物菜用于有机废水的生态治理研究

　　倡福州大学校基金项目（JB０３０２１）资助收稿日期：２００５唱１０唱２９　改回日期：２００６唱０１唱１８陆生植物菜用于有机废水的生态治理研究倡孟　春　石贤爱　陈剑锋　柯秀兴　郭养浩（福州大学生物科学与工程学院　福州　３５０００２）摘　要　试验研究了陆生植物菜对有机废水的治理效果，结果表明：菜在水体中可有效降解COD、有机氨氮；在曝气、进料COD浓度为１３００mg／L条件下，COD降解率达９０％以上，而进料COD浓度为２６００mg／L时，COD昀大处理能力达１０畅５６g／L·d；菜对无机氨氮降解率达９４％，有机氨氮降解率达７３％以上。与水葫芦废水处理过程相比，菜具有较广泛的水体环境适应性，对猪场废水具有一定处理效果。关键词　陆生生态体系　菜　有机废水　曝气　生物降解EcologicaltreatmentoforganicwastewaterbyterraneousIpomoeaaquaticaForsk．MENGChun，SHIXian唱Ai，CHENJian唱Feng，KEXiu唱Xing，GUOYang唱Hao（CollegeofBiologicalSciencesandBiotechnology，FuzhouUniversity，Fuzhou３５０００２，China），CJEA，２００７，１５（５）：１６０～１６２Abstract　TheeffectofwastewatertreatmentbyterraneousIpomoeaaquaticaForskwasstudied．IpomoeaaquaticaForskshowspositiveremovaleffectonorganicnitrogenandCOD．Underaeratingconditions，IpomoeaaquaticaForskcanremove９０％ormoreCODwhenfeedingCODconcentrationis１３００mg／L，withamaximumremovalcapacityof１０畅５６g／L·dwhenfeedingCODconcentrationis２６００mg／L．Inorganicandorganicnitrogenremovalratecanreach，re唱spectively９４％and７３％ormore．ComparedwithEichhorniacrassipesSolms，IpomoeaaquaticaForskhasbetterac唱climatizationandismoreefficientforbiodegradationofpiggerywastewaters．Keywords　Terraneousecosystem，IpomoeaaquaticaForsk，Organicwastewater，Aeration，Biodegradation（ReceivedOct．２９，２００５；revisedJan．１８，２００６利用植物修复富营养化水域是近年来环境领域的研究热点之一［１，２］，该技术具有低投资、低能耗等优点。水生植物如水葫芦应用于植物修复的研究已取得一定成果，但由于水葫芦繁殖不易控制，极易形成１００％的单一群落，破坏水体的生态环境，且水葫芦无直接经济价值，已被国家环保总局列为破坏生态的十大境外入侵植物之一。陆生植物应用于植物修复的报道较少，近年来利用水稻和香根草成功应用于植物修复的研究已见诸报道［３］，而对蔬菜等经济作物应用于修复的研究尚较少。经济类植物与水生植物相比具有更高的经济效益，收获的蔬菜可作为人类的食品或作为动物饲料。在对污水进行深度处理的同时，还可回收资源和固定能源，加之处理过程基本不使用化学品，不会产生有害副产物，是一种非常有潜力的“绿色”处理技术［３，４］。本研究主要采用经济价值较高的菜（俗称空心菜）进行有机废水治理。1　试验材料与方法试验材料为市售的菜种子和水塘中的水葫芦。人工合成废水分别采用蔗糖、（NH４）２SO４、蛋白胨０畅１g／L、K２HPO４等配置。猪场废水取自福州市郊区某猪场。无土栽培装置采用自制温控玻璃室，蠕动泵连续进水，采用市售鱼泵曝气。温室规格１５０cm×５０cm×１００cm，由有机玻璃板制成培养箱，外罩塑料薄膜，恒温控制。蔬菜培养水槽规格５０cm×４０cm×２０cm，每个玻璃柜可放置两个水槽。水槽在１０cm高处开有出水口，水槽内通过鱼泵通入O２。菜液体培养时在厚度为５cm的塑料泡膜板上凿适宜的孔径，将试验菜固定在泡膜上，间距约为５cm×５cm，泡膜漂浮在水槽，蔬菜根系以２／３浸入溶液中为宜。溶解氧采用溶氧电极测定（MettlerToledo），水样COD、溶氧、P、N的测定见文献［５，６］。第１５卷第５期中国生态农业学报Vol．１５　No．５２００７年９月ChineseJournalofEco唱AgricultureSept．，　２００７2　结果与分析2畅1　水体中菜根系生物滤网的形成菜是典型的须根系植物，在陆地上从靠近地面的茎基部长出不定根，伸入土中，起支持作用的同时，还负责对相关营养物质的吸收。菜茎部存在空腔，与其他实心茎的陆地生植物相比，可有效在不同部位保持O２的输送，在水体中更易生长。试验结果表明，２７℃下，１个月后水体中生长的菜比陆生菜具有更发达的根系，湿重是陆生根系的１０倍，强大的根系扩大了其在水体中对营养物质的吸收面积，保证了营养物质的吸收。水体中菜根系交织在一起，根部富集了大量微生物群系，形成网状的生物滤网，可有效沉积和吸附水中的颗粒及有机物。图1　不同pH对菜、水葫芦生长的影响Fig．１　EffectofpHongrowthofIpomoeaaquaticaForskandEichhorniacrassipesSolms2畅2　菜对有机废水的处理效果２７℃、pH３畅０～９畅０范围内，采用人工合成废水（蔗糖１g／L，蛋白胨０畅１g／L）研究了菜、水葫芦生长状况。１周后的结果表明，菜对pH变化有很强的适应能力，在pH４畅０～９畅０范围内均能生长（图１），其昀适生长pH为６畅０～８畅０，表明菜有潜力处理pH不固定的生活或工业排放污水。而水葫芦昀适生长pH为中性，在pH８畅５及４畅５条件下，３h后叶片出现严重枯萎现象，随后出现根系发臭，茎叶枯萎，并昀终死亡。在陆生生长环境中，根系生长在多孔的土壤中，可保持根部对氧的吸收。而在水体中，氧的溶解度较低，且微生物群系对氧的利用速度较高，在高浓度COD条件下易造成水体缺氧，可能影响植物的生长及生态体系的形成。为进一步研究水体中氧对菜根系生态体系治理废水的效果，分别在通气（通气比为１∶１VVM）及未通氧两种条件下，采用蔗糖配制废水，进行菜生长及废水降解的研究。表1　菜对不同COD浓度的降解效果比较Tab．１　EffectsofIpomoeaaquaticaForskonCODbiodegradationindifferentCODconcentrations进样COD／mg·L－１FeedingCOD降解率／％Biodegradationrate出样pHpHofexportedwater处理能力／g·L－１·d－１Biodegradationactivity出水状况Statusofexportedwater２００５３８畅９３０畅５３正常，无异味５００８１８畅３５２畅０２微黄色，无异味厌氧５００７０５畅７７１畅７５酸臭，絮状膜１３００９３６畅３０６畅０４微酸味２６００　８１畅２５畅２９１０畅５６出现酸臭　　２７℃下运行的试验结果表明，菜在通氧及未通氧条件下，生长无明显差异。但在供氧条件下，水体中微生物种群与未供氧样品中的种群可能有较大差异，因此其水质的处理效果有一定程度的提高（表１）。在进水浓度５００mg（COD）／L、进水负荷２畅５g（COD）／L·d条件下，供氧样品的出水COD去除率达８１％，而未供氧样品仅有７０％。当　　样品进水COD达１０００mg／L时［进水负荷５g（COD）／L·d］，未供氧样品出水有明显酸臭味道，而供氧样品COD升至１３００mg／L时降解率达９３％，出水水质良好，无明显异味。进样COD达到２６００mg／L时，菜处理达到昀大负荷，叶片出现萎焉状态，且出水带有酸臭味。进样COD超过３０００mg／L时，随进样糖浓度的提高，菜叶片出现萎焉状态，出水带有酸臭味，pH下降。与好氧条件相比，厌氧过程的降解率下降，且在低负荷条件下出水带有酸臭。研究发现通氧在一定程度上抑制水葫芦的生长。在通氧条件下，水葫芦一部分茎叶会出现老化、死亡，且新个体生长延缓，而未通氧时无烂叶现象，且新个体多。可能在通氧条件下，水体中的微生物种群发生变化，进而影响水葫芦的生长。具体原因有待于进一步研究。2畅3　菜对废水中氨氮、P的降解效果采用（NH４）２SO４配置无机氨氮废水，研究菜生态体系对无机氨氮的降解效果。结果表明，在进水氨氮浓度为６０mg／L时，菜对无机氨氮有极高的降解效率，出水浓度降到３畅７mg／L，去除率维持在９４％左右。采用蛋白胨稀释成不同梯度，配置有机氮废水，研究菜对有机氮废水的处理特性。在水力停留时间为２d条件下，菜在不同浓度蛋白胨废水中生长良好，对氨氮有较好的处理效果。在０畅２５g／L、０畅５０g／L、１g／L蛋白胨有机氮废水进料情况下，氨氮去除率分别达７３畅２％、６０畅５％、３６畅３％，出水pH维持在８畅０左右，叶面呈现深绿色，生长状况良好。第５期孟　春等：陆生植物菜用于有机废水的生态治理研究１６１　　在０畅２５g／L蛋白胨溶液中，水葫芦培养１d后即发生死亡现象，其原因可能与pH上升等有关。在１g／L蛋白胨溶液中培养４h后，水葫芦叶片边缘出现灼烧，随后由于微生物的生长代谢，水葫芦体系的溶液pH上升到８畅４以上，水葫芦出现根系发臭、茎叶枯萎、气囊萎软，并昀终死亡。表明水葫芦对高浓度有机氮污染物耐受性差，菜对有机氮耐受强度高，可用于富含有机氮废水水体的修复。对无机磷的处理试验表明（水力停留时间为２d），在菜早期生长过程中（前１个月），P的去除率较高。在进样P浓度分别为５畅２９mg／L、１０畅６５mg／L条件下，出水浓度降至１畅７９mg／L和５畅４０mg／L。菜生长后期生长开始停滞，菜烂叶、烂根腐烂分解，导致水体的总P浓度升高。图2　菜对猪场废水的处理效果Fig．２　BiodegradationofpigwastewaterbyIpomoeaaquaticaForsk在进样P浓度分别为５畅２９mg／L、１０畅６５mg／L条件下，水葫芦体系处理后出水P浓度降至３畅０４mg／L和４畅３５mg／L。在低P浓度下，菜对P的处理效果优于水葫芦。在较高P进样浓度下，水葫芦具有更高的P利用率。水葫芦的P利用率较高，这也许是水葫芦蔓延疯长、破坏生态的重要原因。2畅4　菜对猪场废水的降解效果猪场废水COD、氨氮及P浓度高，组成为COD１６００～２０００mg／L，氨氮２８０～１０００mg／L，P５０～２２０mg／L。采用上述系统直接处理猪场废水，水力停留２d，在连续进料１个月的情况下，菜体系运行稳定，对猪场废水具有较好的降解效果（图２），COD去除率稳定在８０％以上，氨氮废水处理效率维持在４０％左右，有机磷去除率约为３０％。与进水时的混浊水样相比，出水相对澄清，肉眼几乎观察不到悬浮物，系统还具有良好的过滤性能。3　小　结与水葫芦相比，菜具有较广的pH耐受范围，pH４畅０～９畅０范围内均能生长。以菜为主形成的生态体系对有机物有较强的处理效果，供氧条件下，进料COD浓度为１３００mg／L时COD降解率达９０％以上，COD浓度为２６００mg／L的糖类废水中，COD降解率达７８％以上，处理速率达１０畅５６g（COD）／L·d。菜可有效处理有机和无机氨氮废水，进水无机氨氮浓度为６０mg／L下，氨氮去除率维持在９４％左右。在０畅２５g／L、０畅５０g／L、１g／L蛋白胨有机氮废水进料情况下，氨氮去除率分别达７３畅２％、６０畅５％、３６畅３％，出水pH维持在８畅０左右，生长状况良好，明显优于水葫芦的处理效果。在进样P浓度分别