黑麦草在模拟人工湿地中对奶牛场污水高浓度氮的吸收转化方志坚

福建省农业工程学会学术年会论文集·2009年黑麦草在模拟人工湿地中对奶牛场污水高浓度氮的吸收转化`方志坚’颜明娟”陈子聪,张辉,林诚,(1福建省农科院甘蔗研究所漳州363005,2福建省农科院土壤肥料研究所福州350013)摘要:本文以土壤为基质,黑麦草(L口了j四二j[Ifjo确为植被,通过模拟间歇性人工湿地净化系统处理不同浓度的奶牛场污水试验,研究黑麦草对高浓度畜牧场污水中氮的吸收转化效果。结果表明,黑麦草在间歇性进水的污水浓度高达NT816.8士125.1mg·L一,,NH4飞N443.6士97.gmg·L一,,N03二N141.5`51.7mg·L一嘟能较好的适应,生长良好。在不同浓度处理的净化系统中,水力停留时间为sd的条件下,N+.H一N的去除率为75.9一88.3%;N-03一N的去除率平均为69.3%;TN的去除率74.5一83.%1。本试验黑麦草对污水中氮的吸收转化在系统对氮净化中的贡献率平均为20.0%3。关键词:黑麦草人工湿地奶牛场污水氮Ryegrassinas恤ulatedArtiifeialWeitandforDaiyrWasetwaterinHighConeentrationsofNitrogenAbsorptionand介ansfomraitonFangzhijian’,Yan珑n幻uan,,ehenzicongZ,zhangH位2,Lineheng,(1.sugacraneeRseacrhnIsittuet,FujianAeademy。f^igreulut阁seienee:,Zhanghzou363X()5,2.SoflandFe丙liezreRseacrhnIsittute,FujianAeademyofAigreultU阔Seienees,Fuhzou350013)Abstacrt:nIhitsPaPer,hte5011asasubstrate,yregasrsforhteveget磁on,bysimuliatnghetinetn刀iettntnauterofeonsturetedweitandPuirifciatonsysetmtodealwithidffeernteoneentriatonsofdiayrwasetwaetr’Theerseacrhaboutyregarssontheihgheoneentratlonofinotrgeninilvestcokafrnlemuenteffeetsofabsopritonandtransfomraitonwaseariredout.TheersultsshowedhtatyregarsseanadaPtotgrowwellintheintemllettntsewageinfluenteoneentraitonsofuPtoTN816.8土125.1呢·L一,,阳4+召科3.6”7.9mg·L一l,NO3一书141.5”1.7mg·L一1.Theermovalaerttoammo苗uminotrgenwas75.9一88.3%,tointarte币torgenwasanvaaergeof69.3%andtotoaltintorgenwas74.5~83.1%underhteeoniditonsofthePuirifeiatonsysetmatidffeernteoncentraitonsandthehydaruilceretnitonitmeof8da.yTihsexPeirmentinideateshtatyregarssonhteabsopritonofinotrgeninwastewaetrtohteeontirbuitonofinotrgenPuirifeiatonartewas20.03%.Keywords:yregrass:须fleialweitand:diayrwasetwate;rN随着我国专业化、集约化和规模化畜禽养殖业的迅速兴起,畜禽养殖废水已经成为与工业废水和生活污水相当甚至更大的污染源。其属于高有机物浓度、高氮、磷含量和高有害微生物’基金项目:福建省自然科学基金项目(2008J0119)。福建省农业工程学会学术年会论文集·2090年数量的“三高”废水,直接排入水体或存放地点不当,受雨水冲洗进入水体,将可能造成地表水或地下水水质的严重恶化。国内外学者对此做了大量工作,研发了多种方法!’一31。但许多畜牧场污水对周边环境所造成的污染问题,长期以来均未得到根本的解决「2·3,。在众多污水治理技术中,人工湿地具有投资及运行费用低、运行管理方便、对负荷变化适应性强、出水具有一定的生物安全性及生态环境效益显著等特点,应用最为广泛,己被广泛应用于处理工业废水、城镇生活污水、养殖污水、净化暴雨径流、控制农业径流污染和净化受污河、湖库水等多个方面人工湿地净化污染物的机理极为复杂,基质和植物作为人工湿地的重要组成部分,在湿地的净化过程中均发挥着重要的作用。选择合适的基质材料已成为构建人工湿地,提高人工湿地净化能力的关键措施`川。植物除能够提高整个湿地生态系统微生物数量、调整其组成结构、促进系统的硝化和反硝化作用的进行和强化其净化能力外,自身还能吸收同化污水中一定量的氮磷等污染物。植物的吸收作用被一些学者认为是人工湿地去除氮磷等污染物的主要途径〔`.0’71,但也有些学者持不同观点e[,川。黑麦草(Lolj姗二了tjfl毋词具有适应性强、耐肥、生长量大、根系发达的特点;除可做畜禽饲料外,还可修复富营养化水体。利用黑麦草修复富营养化水体不失为生态与经济效益并重之举,以主栽黑麦草构建生态净化工程来促进污水的净化,具有很好的环境效应、生态效应和经济效应。但目前利用黑麦草促进高浓度畜牧场污水净化的研究还不多见。本研究以土壤为基质,以黑麦草为植被模拟人工湿地净化系统,对黑麦草在间歇流人工湿地中对奶牛场高浓度污水的适应性及对污水中氮的去除效果初步探索,以期为今后畜牧场高浓度污水的有效净化提供理论依据。1、材料与方法1.1模拟人工湿地的构建本实验采用长、宽、高分别为64、41.5、35cm(90)L塑料桶在福建南平大乘奶牛场的污水出水口旁空地进行间歇流模拟人工湿地。在每个塑料桶的侧面底端均装有1个水龙头,用于水样的收集和排水。在桶底铺上scm厚粒径为0.5~2.Ocm的砾石,后装上25cm厚的土壤。土壤取自奶牛场附近的菜园土。试验设置5个污水浓度处理,每处理均设5次重复。1.2试验方法试验自2008年12月9日开始至2009年5月10日,试验用水为奶牛场粪尿及冲栏水经集污池和干清粪处理后的污水。试验期为冬春季,污水的浓度较高,水质指标平均为:TN816.8土125.1mg·L一,,阳;`一N443.6士97.9mg·L一,,NO。一N141.5士5一7mg·L一,,TP42.9士11.2mg·L一`,pH5.0士0.5。试验污水5个处理为:(l)空白(自来水),(2)1/4污水(4L污水+12L自来水),(3)l/2污水(SL污水+SL自来水),(4)3/4污水(12L污水+4L自来水),(5)全污水(16L污水)。草高10cm后开始污水实验,采用间歇方式进水,各试验污水一次性注入,水力停留时间为sd,间歇7d。试验期间因蒸散(植物蒸腾和自由蒸发)损失掉的污水不再进行补充,间歇期浇灌自来水补充蒸腾水分。各净化周期结束后记录各处理的出水体积并采集出水水样进行分析,计算系统对TN、NH;’一N、NO3一N和TP的去除率和负荷去除量。同时为了监测净化周期内的污水氮、磷浓度的变化,分别在污水停留的1、2、4、6、sd采集各处理内的水样进行分析。黑麦草的栽种及生一长动态监测:供试黑麦草为特高多花黑麦草,购自福建省农科院生态所。根据土壤饱和持水量每桶注入污水预培养三天后撒播种子5.09。出苗高IOcm后开始污水试验。并开始每隔sd,对每个处理固定选取10株,测定生长高度。收获时测定植物的地上部、地下部生物量干重,各部位的氮、磷含量,用以计算植物的氮、磷吸收量。1.3分析测定方法TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法;NH;’一N采用靛酚蓝比色法;N03一N采用紫外分光光度法;TP采用过硫酸钾氧化钥蓝比色法。植物样品中的全N和全P采用常规农化分析方法铡定!’2J。福建省农业工程学会学术年会论文集·2009年各污染物去除率计算公式为:去除率犷(进水浓度一取样浓度)+进水浓度X010%2、结果与分析2.1不同污水浓度对黑麦草生长的影响2.1`1不同污水浓度对黑麦草生长的状况。0082年21月21日播种到21月02日开始出苗,由于当时气温较低黑麦草生长缓慢,2009年1月7日各试验处理平均草长9.5士1.3cm,1月9日开始注入污水,并对生长状况进行观察,黑麦草在试验中生长良好,呈鲜绿色,不同污水浓度对于黑麦草的生长速度产生明显的影响(图1)。2月4日前黑麦草生长分孽期,各处理黑麦草平均生长高度分别为0.45、0.51、0.56、0.49、0.44cm·d一`,全污水处理的生长最慢,而12/污水处理的生长最快。可能是由于污水浓度太高抑制了黑麦草的根系生长,影响了植株的生长发育。经过这阶段的适应以后,2月9日以后拔节生长旺盛期各处理黑麦草平均生长高度分别为1.67、1.81、1.87、1.91、2.05Cm·d一,,全污水处理的黑麦草生长最快。第一茬收割时,黑麦草的生长高度与污水浓度成正相关。从图1可看到第二茬、第三茬黑麦草的生长基本与污水浓度成正相关。由此可见,黑麦草在间歇性高浓度污水中生长良好,可作为畜牧场高浓度污水修复植物。一一〔二KKK---~~叫卜~一1/4畜.亏2全屯屯---~,目匕--l/2护亏沙屯屯---.~知月户.~3/4拿笼乡刁丈丈---.勺城.一~当色畜笼亏7长长.……Q0000007654321.用仙塑刃麟翻愁笙宝肖—;毛老钡吐厉趁日寸}笼习(Y一O)000…0006尸J4`。\创坦半州铸椒陡,,叫卜-C饭饭~~~月一1/4污水水一一自一l/2污水水~~~~日.`~~,了月白拼诬户户刃刃一叮竺少少lll用土`,华一一.汾赵健劣州醉侧哄04一104一1504一2004一2504一3005一0505一10第二茬侧定时问《卜川第三茬侧定时间(Y一)D图1不同污水处理黑麦草生长趋势(Fig.l.ryegrassgr洲treadindifferentwastewatertreatmentsystems2.1.2黑麦草在不同污水浓度处理中的生物量及品质。通过5个月的试验,各处理黑麦草不同收割期的地上部平均生物量变化范围在3.18一.471kg·m一2之间,第二茬处理(5)平均生物量最大为.471kg·m一2,从表1可看出污水浓度与第一茬生物量并没有很好的相关,这可能是高淘变污水福建省农业工程学会学术年会论文集.2900年对黑麦草生长初期的抑制作用影响了第一茬的生物量。污水浓度与第二茬和第三茬的生物量有显著相关性(件0.3937`和间.828*7)。不同收割期的黑麦草的含水量均呈下降的趋势,这可能与后期的黑麦草的生长量小,茎的比例大,品质下降有关,这与陈钟佃”3,等研究相符。不同污水浓度与粗蛋白含量和灰分都有很好的相关性。说明高浓度污水对黑麦草生长初期有一定的影响,但在后期可为黑麦草提供足够养分促进黑麦草的生长。不同收割期的黑麦草的粗氮白和灰分均呈下降的趋势,第一茬对氮的吸收最高,含氮量是第三茬的两倍以上。黑麦草在生长后期品质不断下降,氮含量降低,所以黑麦草作为污水修复植物应适时的收割,促进其对养分的吸收,有利于通过收获植物去除污水中的氮。2.2不同污水浓度中氮的去除效果人工湿地系统的除氮机理是多样的,主要包括植物和其他生物的吸收、挥发、氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及基质吸附等,其中微生物的硝化、反硝化作用被认为是湿地脱氮的主要途径`’`一`司。也有一些学者对人工湿地的氮、磷去除机理持不同的观点,认为植物的吸收作用才是湿地系统去除氮、磷的主要机制t,7飞。2.2.1钱氮的去除效果。在整个试验期间,不同污水浓度的进水在间歇性人工湿地系统中NH了一N都有