全 文 ：第 27 卷 第 4 期 农 业 工 程 学 报 Vol.27 No.4
264 2011 年 4 月 Transactions of the CSAE Apr. 2011

大狼把草对猪场废水中污染物的净化效果
张彩莹 1,2，王妍艳 1，王 岩 1※
（1. 郑州大学化工与能源学院，郑州 450001； 2. 南阳师范学院生命科学与技术学院，南阳 473061）

摘 要：为了考察湿地植物大狼把草对猪场废水中污染物的净化能力，采用基质栽培法研究了大狼把草在猪场废水中的
生长特性及其对氮、磷的去除率。结果表明：该植物在氨氮浓度 100 mg/L 左右的废水中能正常生长，单株植物的干质量
达到 245.8 g，其氮、磷积累量分别为 5.63 和 0.42 g，在每株植物处理水量 9 L、水力停留时间（HRT）7 d 时，大狼把草
在营养生长期和花果期对废水中氨氮、总氮及化学需氧量 CODCr的平均去除率都在 80%以上，对总磷的平均去除率在 60%
以上。由此可见，大狼把草对猪场废水有较强的耐污能力和较好的净化效果，可用于人工湿地处理畜禽养殖废水。
关键词：净化，污染，基质，栽培，大狼把草，猪场废水，人工湿地
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.04.047
中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-04-0264-06
张彩莹，王妍艳，王 岩. 大狼把草对猪场废水中污染物的净化效果[J]. 农业工程学报，2011，27(4)：264－269.
Zhang Caiying, Wang Yanyan, Wang Yan. Removal effects of Bidens frondosa on pollutants in swine wastewater [J]. Transactions of
the CSAE, 2011, 27(4): 264－269. (in Chinese with English abstract)

0 引 言
第一次全国污染源普查公报显示，畜禽养殖业的主
要水污染物排放中化学需氧量、总氮和总磷分别占农业
源的 96%、38%和 56%，因此，畜禽养殖业的快速发展，
在为人民群众提供大量畜禽产品的同时，也造成了一定
程度的面源污染[1]。厌氧消化技术作为解决畜禽粪便污染
的最有效途径之一，近年来得到了快速发展，其具有的
潜在的经济和环境效益受到社会公认[2]。对于猪场高浓度
的有机废水，利用厌氧消化能大量地去除其可溶性有机
物[3]，但是厌氧消化液（沼液）中仍然含有相当数量的有
机污染物，属于高浓度有机废水，若不处理，仍会造成
很大的污染[4-5]。
人工湿地作为新型生态污水处理技术的应用始于 20
世纪 70 年代初期，1977 年德国学者 Kickuth 提出的植物
“根区法”理论推动了人们对人工湿地污水处理的试验研
究[6]。其净化机制涉及一系列的生物、物理和化学反应，
其中植物的作用尤其重要[7-8]，近年来，国内外学者利用
芦苇、风车草、香蒲等水生植物人工湿地系统来处理猪
场废水的研究已有报道[9-11]。但在湿地植物的选择利用上
通常照搬发达国家的成果，而对本国本地区很有净化潜
力的植物关注较少。本试验选择中国分布较广的湿生植
物大狼把草（Bidens frondosa L.），俗名接力草、外国脱

收稿日期：2010-10-21 修订日期：2011-04-06
基 金 项 目 ： 国 家 科 技 重 大 专 项 “ 水 体 污 染 控 制 与 治 理 ” 资 助
（2008ZX07010-004）；河南省教育厅项目（2010B610011）
作者简介：张彩莹（1970－），女，河南夏邑人，博士研究生，主要从事养
殖业废水处理方面的研究。郑州 郑州大学化工与能源学院，450001。
Email: zcy0612@yahoo.com.cn
※通信作者：王 岩，男，河南台前人，教授，博士生导师，主要从事养殖
业废弃物资源化处理与利用方面的研究。郑州 郑州大学化工与能源学院，
450001。Email: wangyan371@zzu.edu.cn
力草等，为菊科鬼针草属的一年生草本植物，几乎遍及
全国各地，为民间常用草药，在中原地带一般是 4 月下
旬以后出苗，9－10 月结果并成熟，至 11 月中旬（降霜）
以后枯死，其生育期为 150～195 d。研究其在猪场废水
中的生长特性及其对氮、磷的净化能力，以期选择一种
新的植物用于人工湿地处理畜禽养殖废水。
1 材料与方法
1.1 材料
本试验所用大狼把草采自郑州市某污水沟边，用水
为某猪场经过预处理及厌氧消化的出水，其中：化学需
氧量 CODCr质量浓度：730～2 100 mg/L，NH4+-N 质量浓
度：572～836 mg/L，总磷质量浓度：13.28～33.78 mg/L，
pH7.0～8.0，使用时根据需要用自来水稀释。
1.2 试验设计
试验在自然条件下采用基质栽培法进行，试验装置
如图 1。

图 1 试验装置示意图
Fig.1 Pilot experiment system profile chart

采集到的株高 20 cm 左右、每株质量 8～14 g 的大狼
第 4 期 张彩莹等：大狼把草对猪场废水中污染物的净化效果

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把草幼苗根部泥土洗净、称量，移栽至上口径 21 cm、下
口径 14 cm、深 18 cm 的花盆中，每盆 1 株，花盆中放置
粒径 5～10 mm 沙砾和珍珠岩（体积比 2∶1）混合物，
花盆底部有孔。将花盆放置在塑料桶（上口径 32 cm，下
口径 24 cm，深 28 cm）中，每桶注入 9L 废水，水位距
花盆上沿 5 cm 左右。移栽后先用稀释的低浓度猪场废水
（氨氮浓度：100 mg/L 左右）稳定 10 d，实验进行 A、B、
C、D、E、F、G 7 个处理，每个处理 3 个重复，每个处
理用水为猪场废水以氨氮浓度为依据按浓度梯度进行稀
释：50～350 mg/L，基本控制 50 mg/L 为一个梯度，化学
需氧量及总磷的浓度不加以调控。基本水质指标见表 1。
试验时间：2009 年和 2010 年的 5 月中旬—10 月上旬。
考查植物对猪场废水中污染物的处理效果，以不栽
培植物的系统作对照处理。每天定时用自来水补足因蒸
发、植物吸收所损失的水量，取样时把桶内的水搅拌均
匀，用虹吸管在水面下 5 cm 处取样。每批废水的水力停
留时间（HRT，hydraulic retention time）设定为 7 d，试
验期间连续考察植物对废水的处理效果。测定进出水化
学需氧量（CODCr）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、
总磷（TP）浓度并计算相应污染物的去除率。
表 1 试验水样水质指标
Table 1 Water quality of experimental sample
处理 总氮质量浓度/(mg·L-1) NH4+-N 质量浓度/(mg·L-1)
A 55～70 40～60
B 100～120 90～110
C 150～170 140～160
D 190～220 185～210
E 250～270 240～260
F 290～320 290～310
G 340～370 340～360

1.3 水样的采集与分析
取水样后于当天测定 CODCr、TN、NH4+-N 及 TP 的
浓度，测定方法分别为重铬酸钾消解硫酸亚铁铵滴定法、
碱性过硫酸钾紫外分光光度法、纳氏试剂分光光度法、
钼锑抗分光光度法。以上各指标的测试方法均按国家环
保局编制的《水和废水监测分析方法》[12]。所用试剂均
为分析纯。
1.4 植物样品的采集与分析
试验结束后，将植物从基质中移出并用自来水将根
部冲洗干净，分地上部分和地下部分测定植物的湿质量，
在 70℃下烘干至恒定质量后称，计算植物地上地下生物
量比和植物的相对生长速率（RGR，relative growth rate），
测定植物体内氮、磷的含量[13]，植物样品用 H2SO4-H2O2
消煮制备成溶液，总氮含量用过硫酸钾氧化分光光度法
测定，总磷含量用钒钼蓝法测定。
RGR=(lnW2-lnWl)／t2-t1
式中，RGR 为植物的相对生长速率；t1，t2分别代表试验
运行的开始和结束的时间，d；Wl 和 W2 分别为试验开始
时和结束时的干生物量，g。
2 结果与分析
2.1 大狼把草在猪场废水中的生长状况和植物体的氮
磷含量
2.1.1 大狼把草在猪场废水中的生长状况
大狼把草的生长期一般分为 5 个阶段：幼苗期（0～
20 d）、营养生长期（20～40 d）、开花期（40～60 d）
和成熟期（60～80 d）。试验期间，郑州地区夏秋季节气
温较高，平均最低气温 10～15℃，最高气温 27～32℃。
该植物采用基质栽培法移栽成活率 100%。移栽后很快就
进入营养生长期，在用低浓度猪场废水稳定 10 d 期间，
植株平均长高 8 cm。在 A～G 7 个不同浓度的废水处理
中，最初植株的生长差异不明显。但到 6 月底至 7 月上
旬，植物生长速度快，植株高度大多已达 100 cm 以上，
这时不同处理之间生长差异明显，在 D 处理中植物平均
高度及株型大小均优于其他处理，植物分枝较多，叶片
碧绿；而 E 和 F 处理中的植物叶片发黄，有叶片枯死现
象；G 处理由于废水中污染物浓度太高，植物根系有腐
烂现象，植株逐渐萎蔫，直至死掉。图 2 比较了 A、B、
C、D 4 个处理植株的高度变化，从图 2 可以看出,大狼把
草从 5 月中旬至 8 月上旬，植株高度从试验开始时的
20 cm，经过 3 个月的生长高度达 170 cm 左右，株高增长
了 8 倍多，已基本达到株高生长上限。D 处理 7 月底植
物株高已达到上限，8 月中旬下部叶子开始枯萎。A、B
处理中植株直到 8 月中旬才基本停止长高。C、D 处理中
植株开始出现花蕾的时间比 A、B 提早 10 多天，在猪场
废水中大狼把草的营养生长期大约有 70 d。本试验现象
表明，在营养生长期大狼把草能耐受的猪场废水氨氮浓
度可达 200 mg/L 左右，而常用的湿地植物香蒲在人工湿
地污水处理中凯氏氮浓度达到 54.5 mg/L（或氨氮 24.7
mg/L）时香蒲叶子将枯黄或致死，且短期内难以恢复[14]。
由此可见大狼把草具有较强的耐污能力。

注：测定时间 2010 年
图 2 大狼把草在不同浓度废水中的生长状况
Fig.2 Growth conditions of Bidens frondosa in the different
concentration wastewater

9 月下旬，C、D 处理中植物逐渐干枯，提前收获植
株，A、B 处理直到 10 月上旬收获植株，烘干后称质量，
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结果如表 2 所示。大狼把草在不同浓度废水中生长的单
株总生物量在 139.1～245.8 g 之间，其中 B 处理生物量最
大，C 处理最低，C、D 差异不显著。由此可见，大狼把
草生长在氨氮浓度 100 mg/L 左右猪场废水中所获得的生
物量最大。蒋跃平等[7]对处理观赏水的 21 种人工湿地植
物进行研究，大部分植物地上地下生物量比在 1.18～4.29
之间，大狼把草的地上地下生物量比在 5.66～19.51 之间，
这可能与本试验采用猪场废水营养丰富有关，植物地上
部分生长旺盛，另外 C、D 处理在 9 月中旬开始枯萎，收
获时须根系破坏较多，所以地上地下生物量比相对较大。
A、B 处理在 7 d 的 HRT 内，废水中氮磷含量逐渐降低，
植物为了吸收养分，形成了发达的根系，从而导致地上
地下生物量比值较小。植物的地上地下生物量比表现了
植物的生理特征，也为植物的收割方式提供了参考。
表 2 不同浓度废水中大狼把草的生物量和相对生长速率
Tabel 2 Biomass and RGR of Bidens frondosa in the different
concentration wastewater
单株生物量干质量/g 处理
地上部分 地下部分 总生物量
地上地下生
物量比
相对生长速率
RGR/d-1
A 184.5±15b 32.6±5a 217.1±20b 5.66c 0.027a
B 215.4±20a 30.4±6a 245.8±26a 7.09c 0.028a
C 130.9±13c 12.3±2b 143.2±15c 10.64b 0.027a
D 132.7±17c 6.8±3c 139.5±20c 19.51a 0.027a
注：数据为平均值±标准差;同列不同字母表示处理在 0.05 水平差异显著。

大狼把草的相对生长速率与其生物量变化一致，尽
管 C、D 处理在营养生长前期生长速度大于 A、B，但 C、
D 处理开花期提前，叶片提早脱落。B 处理的相对生长速
率高于 A、C、D 处理，但 4 个处理之间相对生长速率差
异不显著。可能是 C、D 处理在生长后期猪场废水中氨氮
浓度直接影响植物的生长。刘德燕等[15]提到适量的氮输
入能延缓湿地植物小叶章的生长发育期，而在长期高氮
输入影响下，叶片的成熟期有所提前，出现早衰现象，C、
D 处理在生长后期出现了早衰现象。樊后保等[16]提到当
生态系统有大量的铵态氮输入时，植物体内的 NH4+与其
他阳离子进行交换，使阳离子从叶片中淋洗掉，从而造
成体内养分不平衡，也会导致叶片过早脱落。
2.1.2 大狼把草在猪场废水中对氮、磷的吸收
植物体内的 N、P 浓度反映了该植物对 N、P 的吸收
能力。收获的大狼把草植株内的 N、P 含量如表 3 所示，
廖新俤等[17]研究香根草和风车草人工湿地处理猪场废水
时，风车草植株内的 N、P 质量分数分别为 22.69 和 6.09
mg/g，香根草植株内的 N、P 质量分数分别为 15.44 和 5.47
mg/g，不同浓度废水中栽培的大狼把草植株内的氮含量
与风车草接近，而磷含量远低于风车草，这与植物本身
生长过程中对营养物质的需求吸收有关。氮积累量 A、B
处理高于 C、D 处理，差异显著。而磷的积累量 B 处理
最高，与 A、C、D 比较差异显著，B 处理系统中污染物
浓度适宜，植物在整个生长期内生长发育正常，对磷的
吸收较多。徐德福等[18]研究 11 种湿地植物对氮、磷的吸
收量范围分别为每株 252.99～1 279.98 mg 和 23.55～
251.83 mg，不同浓度的废水中大狼把草对氮、磷的吸收
范围分别为每株 3 480～5 630 mg 和 190～420 mg，由此
可见大狼把草对氮磷的吸收能力非常强。植物较高的营
养物积累量在污水处理中是非常有利的，因为可以通过
植物收割将其固定的氮磷带出水体。
表 3 大狼把草对氮、磷的吸收
Table 3 Nutrient assimilation of Bidens frondosa
氮质量分数/(mg·g-1) 磷质量分数/(mg·g-1) 每株植物积累量/g 处理
地上部分 地下部分 地上部分 地下部分 N P
A 20.34±0.23b 19.37±0.19c 1.46±0.12b 1.63±0.14a 4.38a 0.32b
B 22.97±0.31b 22.62±0.26b 1.74±0.15a 1.65±0.18a 5.63a 0.42a
C 24.76±0.35a 25.34±0.29a 1.63±0.14a 1.79±0.21a 3.55b 0.24b
D 24.89±0.27a 26.21±0.34a 1.34±0.13b 1.83±0.20a 3.48b 0.19b
注：数据为 3 次取样的平均值±标准差;同列不同字母表示处理单元在 0.05
水平差异显著。

2.2 大狼把草对猪场废水中的污染物去除效果
表 4 为大狼把草在生长期内对废水中 CODCr、TN、
NH4+-N、TP 的去除率。本研究中营养生长期的去除率是
指 6 月上旬－8 月上旬测定结果的平均值，期间取样 9 次，
花果期的去除率是 8 月下旬－9 月上旬测定结果的平均
值，期间取样 5 次。A 处理在整个生长期内对 CODCr、
TN、NH4+-N 的去除率都在 80%以上，在营养生长期对
CODCr、TN、NH4+-N 的去除率与 B、C、D 处理比较差
异显著，夏秋季节气温高，增强了附着于植物根部生物
膜中藻类和微生物对氮磷的吸收吸附，提高了生物膜中
好氧区和厌/缺氧区对氮磷的生物转化，同时，充足的光
照促进了光合作用，也促进了植物对氮、磷的吸收。在
花果期 B 处理对 CODCr、TN、NH4+-N 的去除率高于 A、
C、D 处理，有显著差异，这与植物的生长状况相一致。
4 个处理在整个生长期内对 TN 的去除率接近 80%，而 C、
D处理到生长后期对NH4+-N的去除率低于TN的去除率，
可能与生长后期叶片脱落较多，光合作用减弱，植物吸
收 NH4+-N 的强度降低，同时植物传输到根部的氧减少，
表 4 大狼把草在生长期内对猪场废水中污染物的去除率
Table 4 Removal rate of pollutants to swine wastewater in growth period of Bidens frondosa
氨氮去除率/% 总氮去除率/% 总磷去除率/% 化学需氧量 CODCr 去除率/% 处理
营养生长期 花果期 营养生长期 花果期 营养生长期 花果期 营养生长期 花果期
A 93.13±2.1a 88.16±1.9b 90.49±4.5a 83.16±3.9b 83.23±2.1a 60.26±1.8a 89.03±4.5a 85.16±3.1b
B 86.70±3.5b 92.03±2.7a 83.70±5.7b 92.03±2.7a 68.71±1.9b 62.14±3.4a 75.34±3.2c 92.13±2.2a
C 86.48±3.9b 62.28±4.0c 84.48±5.1b 74.31±3.5b 63.28±2.2b 54.22±3.2b 83.23±5.1b 81.46±1.4b
D 88.52±3.0b 56.16±3.6c 81.52±5.3b 68.46±3.1c 61.32±1.7c 34.36±2.9c 80.07±4.2b 59.01±2.0c
注：营养生长期是指 6 月上旬—8 月上旬，取样 9 次，去除率为平均值；花果期是指 8 月下旬—9 月上旬，取样 5 次，去除率为平均值；表中数据为平均值±
标准差，同列不同字母表示不同处理在 0.05 水平差异显著。
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导致 NH4+-N 去除率降低。但是，试验期间环境温度高，
微生物活跃，废水中其他形态的氮转化速度快，所以 TN
的去除率一直较高。磷的去除主要与基质吸附有关，在
基质栽培时所用的沙砾和珍珠岩本身吸附性差，当植物
生长活动降低时，磷的去除率也随之降低。
图 3 是 2010 年 7 月份测定 B 组处理系统不同 HRT
处理猪场废水的效果，比较有植物和无植物系统对废水
中 CODCr、TN、TP 和氨氮的去除情况。由图 3 可以看出，
有植物系统 CODCr、氮、磷的去除率均高于无植物系统，
HRT 为 7 d 时，有植物和无植物对照系统对 TN 的平均去
除率分别为 87%和 67%，对 TP 的去除率分别为 75%和
64%，对氨氮的去除率分别是 87%和 72%，与无植物对
照系统比较大狼把草对 TN 和氨氮去除率的贡献分别为
20%和 15%，对 TP 去除率的贡献为 11%，李林锋[19]研究
了 7种湿地植物对TN和TP的吸收量分别占人工湿地TN
和 TP 去除量的 0.6%～17.3%和 1.4%～41.2%。这一方面
表明大狼把草对 N、P 有较强的吸收作用，另一方面也表
明植物吸收仅占污染物净化量的一小部分。在污染物的去
除过程中除了植物的吸收作用外，净化效果还与系统的微
生物活动密切相关，试验期间气温较高，在无植物对照系
统中基质表面藻类及微生物活动活跃，此外，N、P 化合
物本身的降解、沉淀、转化、挥发等都能降低自身的浓度，
所以在无植物对照系统中 TN 和 TP 的去除率分别高达
67%和 64%。当 HRT>4 d 时，植物系统对 TP 的去除率上
升缓慢；当 HRT>5 d 时，植物系统对 TN 的去除率增高不
明显；无植物系统的 TN、TP 去除率在 HRT 超过 5 d 后仍
缓慢上升。当植物处于快速生长期，废水中可供植物吸收
的 N、P 在 5 d 内即可被植物系统利用，其余部分较难被
去除。以无植物系统为对照，统计分析结果表明这两种系
统对废水中污染物的去除率差异极显著（在 0.01 水平）。

注：测定时间 2010 年 7 月
图 3 大狼把草对猪场废水中污染物的去除效果
Fig.3 Removal effect of pollutants on swine wastewater by Bidens frondosa

3 结 论
通过湿地植物大狼把草对猪场废水的净化试验，得
出以下结论：
1）营养生长期，大狼把草具有较强的耐污能力和耐
冲击负荷，在 50～200 mg/L 的氨氮浓度范围内该植物都
能生长，并且在氨氮浓度 200 mg/L 左右的猪场废水中有
最快的生长速度，但在氨氮浓度较高的情况下，大狼把
草的生长周期缩短，并且在生长后期对 N、P 的去除率有
所下降。在氨氮浓度 100 mg/L 左右的废水中，大狼把草
的生长期长，对 N、P 的去除率稳定，植物内 N、P 积累
量最高，所以该浓度是人工湿地运行时可以参考的进水
浓度。
2）与无植物系统处理相比较，在氨氮浓度 100 mg/L
左右的废水中，大狼把草在营养生长期（7 月份）对猪场
废水中 TN 和 TP 的去除率的贡献分别可达 20%和 11%。
综上所述，大狼把草湿地植物具有较好地去除畜禽
养殖废水中污染物的能力，适合于构建人工湿地，国内
外还没有关于其在畜禽养殖废水处理应用的报道，本试
验为开发乡土植物品种提供了一定的参考。由于大狼把
农业工程学报 2011 年

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草具有一定的药用价值，并且大狼把草的营养成分在干
草中粗蛋白质含量较高，粗纤维含量较低，可以作为干
饲料应用，在构建畜禽养殖业废水人工湿地处理系统中
能带来一定的经济效益，因此具有较大的优势，其在人
工湿地中正常运行的工艺参数将在另文报道。
[参 考 文 献]
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abstract)




Removal effects of Bidens frondosa on pollutants in swine wastewater

Zhang Caiying1,2, Wang Yanyan1, Wang Yan1※
(1. School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China；
2. School of Life Science and Technology, Nanyang Normal University, Nanyang 473061, China)

Abstract: In order to investigate removal effects of Bidens frondosa on several pollutants in swine wastewater,
experiments were carried out by aggregate culture to study the growth characteristics and removal rates of nitrogen and
phosphorus of Bidens frondosa in swine wastewater. The results showed that the plant could grow normally in the
wastewater with ammonia nitrogen concentration of 100 mg/L, and plant biomass dry weight was 245.8 g, its
accumulated amount of nitrogen and phosphorus in individual plant was 5.63 and 0.42 g respectively. At the treatment
capacity of 9 L and the hydraulic retention time (HRT) 7 d, the average removal rate of ammonia nitrogen, total nitrogen
and COD were above 80% and the average removal rate of the total phosphorus was above 60% in the period vegetative
growth and flower fruit of Bidens frondosa. Therefore, Bidens frondosa can be applied to constructed wetland, which
had better bearing dirty ability and treatment performances on swine wastewater．
Key words: removal, pollution, aggregate, culture, Bidens frondosa, swine wastewater, constructed wetland