全 文 ：第 9 卷 第 3 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 9，No ． 3
2 0 1 5 年 3 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Mar ． 2 0 1 5
不同浓度养殖废水对青萍生长能力的影响
顾新娇1，2 杨 闯3 王文国1，2* 汤晓玉1，2 胡启春1，2
(1．农业部沼气科学研究所，成都 610041;2． 农业部农村可再生能源开发利用重点实验室，
成都 610041;3．四川师范大学生命科学学院，成都 610066)
摘 要 为了探讨废水浓度对青萍(Lemna minor)净化能力、生物质和能量积累能力的影响，以猪场养殖废水为供试废
水，分析了在不同废水浓度下青萍对废水中总氮(TN)、氨氮和总磷(TP)的净化能力，青萍的生长情况，以及青萍中碳(C)、
氮(N)、磷(P)元素含量和热值的变化情况。研究表明，青萍在 1%浓度的废水中表现出最高的污染物净化能力。虽然青萍
的 C、N、P含量和热值均随废水浓度的增加而增加，但是由于相对增长率以 1%的废水中生长的青萍最高，青萍的最高生产
力、C和能量的固定能力均出现在 1%废水浓度培养的青萍中，其次是 5%废水浓度培养的青萍。多项式回归分析表明，可
以使青萍获得最大 C和能量固定能力的废水浓度为 3． 4%，对应的氨氮浓度为 26 mg /L，TP浓度为 3． 4 mg /L。研究结果为
进一步优化高生物质生产、高污染物去除率的养殖废水-浮萍培养体系提供了一定的基础。
关键词 青萍 养殖废水 净化能力 生物质 热值
中图分类号 X713 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2015)03-1103-06
Influence of livestock wastewater concentration on growth
of common duckweed (Lemna minor)
Gu Xinjiao1，2 Yang Chuang3 Wang Wenguo1，2 Tang Xiaoyu1，2 Hu Qichun1，2
(1． Biogas Institute of Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China;2． Key Laboratory of Development and Application of Ｒural Ｒenewable
Energy，Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China;3． College of Life Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610066，China)
Abstract The effects of wastewater concentrations on the purification capacity，biomass and energy accu-
mulation of common duckweed (Lemna minor)were investigated in this study． Swine wastewater was used as
culture solution． The results indicated that the duckweed presented the highest purification capability in 1%
wastewater． Even though carbon，nitrogen，phosphorus and calorific value increased with the increasing concen-
tration of wastewater，the highest biomass productivity and highest fixation of carbon and energy appeared in 1%
wastewater，followed by 5% wastewater，because the highest relative growth rate was present in 1% wastewater．
Polynomial regression analysis showed that the highest fixation of carbon and energy would be obtained under
3． 4% wastewater，in which ammonia nitrogen and TP were 26 mg /L and 3． 4 mg /L，respectively． This study
would provide the basis for the optimization of aquaculture wastewater-duckweed culture system with high biomass
accumulation and pollutant removal rate．
Key words Lemna minor;swine wastewater;purification;biomass;calorific value
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51108239) ;四川省应用基
础研究计划项目(2013JY0005)
收稿日期:2014 － 02 － 16;修订日期:2014 － 03 － 06
作者简介:顾新娇(1988—) ，女，硕士研究生，主要研究方向为农业
废弃物资源化利用。E-mail:guxinjiao@ 126． com
* 通讯联系人，E-mail:wangwenguo@ caas． cn
能源短缺和环境污染问题成为世界各国共同关
注的焦点，正确处理好能源开发利用与环境保护之
间的关系，是世界各国迫切需要解决的问题，开发生
物质能源被认为是解决当前全球能源、环境和粮食
问题的一条可行之路［1］。水生能源植物以其能够
同时进行生物质累积和净化水质，并且不与粮争地
等的优势，引起广泛的关注［2］。浮萍是对浮萍科
(Lemnaceae)植物的总称，是一类水生漂浮植物，近
年来以其高淀粉含量、高繁殖速度、培养和收获方式
简易等特点被认为是进行污水净化和生物质能源生
产的优良植物物种［3-5］。
养殖废水中的氮磷比例适合于浮萍植物的生
长［6］，利用养殖废水培养浮萍有利于在废水净化的
同时获得高效的生物质积累。Bergmann 等［7，8］曾利
用猪场废水对不同地理来源的浮萍种群进行了筛
环 境 工 程 学 报 第 9 卷
选，获得了若干在猪场废水中具有高生物质积累能
力和污染物净化能力的浮萍物种，青萍(Lemna mi-
nor)是其中之一。青萍作为一种在全世界分布广
泛，适应能力强的浮萍植物，目前已经被应用于水处
理［9］、重金属等污染物的植物修复［10］、动物饲
料［11］、有害物质生物检测［12］等方面。研究表明，青
萍可以在猪场废水中高效积累蛋白质、淀粉等物质
用于动物饲料或生物乙醇的生产，并达到水质净化
的目的，但是这些研究都是在经稀释的低浓度的废
水中进行的［3，13-15］。对其他浮萍植物的研究表明，
高浓度的养殖废水会影响浮萍的生长和净化能
力［16，17］。甚至有研究指出，青萍只适宜修复轻度富
营养化水体［18］。本研究以猪场废水为供试废水，通
过不同的稀释倍数控制污染物浓度，进一步分析了
青萍在不同猪场浓度下的净化能力、生物质和能量
的积累能力变化，为高生物质积累、高污染物去除率
的养殖废水-浮萍培养体系的进一步优化提供一定
的基础。
1 材料与方法
1． 1 实验材料
本实验所用青萍采自成都附近富营养化的池
塘，为了避免材料之间的遗传差异，本实验所用青萍
均为生长在 Hoagland 培养液［19］中来自于同一个克
隆的种群。青萍接种废水前用清水冲洗 3 次以去除
培养液，捞起自由滤水 5 min，在滤纸上吸水 5 min
后称重。每份鲜重 10 g 的青萍用于废水处理和青
萍初始碳(C)含量和热值的分析(C 含量为
28． 38%;热值为 14 067 J /g)。本实验所用养殖废
水采自四川简阳四川省畜牧科学研究院生猪示范基
地，废水中总氮(TN)浓度为 839． 46 mg /L、氨氮浓
度为 772 mg /L、总磷(TP)浓度为 99． 04 mg /L。
1． 2 培养方法
实验在 45 cm ×35． 6 cm ×25 cm (W × L × D)的
塑料盆中进行，水深 10 cm(废水总量为 16 L)，放置
于户外遮雨棚下，实验时间为 9 月份(成都地区日
平均温度为 20 ～ 28℃)。每盆放鲜浮萍 10 g(干重
为 0． 50 g)。养殖废水初始浓度按 100%计，实验中
将其按体积分数用自来水稀释至 0． 2%、1%、5%和
10% 4 个浓度梯度，培养时间为 1 周。每个处理设
置 3 个重复。实验前后测定水质成分，收获后对青
萍的生物量、碳(C)、氮(N)、磷(P)的含量和热值进
行分析。
1． 3 分析方法
1． 3． 1 废水水质测定方法
TP采用钼锑抗分光光度法测定，TN采用紫外分
光光度计法测定，氨氮采用紫外分光光度计法测定［20］。
采用污染物的去除率评价青萍对水质的净化能力。
1． 3． 2 水质净化能力分析方法
采用污染物的去除率(Ｒ)对青萍对水质的净化
能力进行评价:
Ｒ =(C2 － C1)/C1 × 100%
式中:Ｒ为污染物(TN、氨氮或 TP)的去除率，%;C1
和 C2 分别为用于青萍培养前和培养后废水中污染
物的浓度，mg /L。
1． 3． 3 浮萍生物质和能量累积分析方法
用滤水网斗将收货的青萍用清水清洗 3 次以除
去吸附物质，在烘箱中 100 ～ 105℃杀青 15 min后在
80℃下烘至恒重，用电子天平测定干重后用于元素
和热值分析。N 含量采用美国 EAI 公司 CE-440 元
素分析仪测定;P 含量采用 H2SO4-H2O2 消煮-钼锑
抗分光光度法测定［20］;C 含量采用岛津 TOC-5000A
总有机碳分析仪(附固体样品燃烧装置 SSM-
5000A)测定;热值采用 IKA-C2000 量热仪测定。
采用相对增长率(ＲGＲ，g /(g·d) )评价青萍在
不同浓度废水中的生长情况;采用生产力(P，g /(d
·m2) )、碳固定能力(△C，mg /(d· m2) )和能量固
定能力(△E，J /(d·m2))评价青萍在不同浓度废
水中生物质和能量积累能力。
ＲGＲ =［(lnW2 － lnW1) ］/T
P =(W2 －W1)/(T·S)
△C =(W2 × Cc2 －W1 × Cc1)/(T·S)
△E =(W2 × E2 －W1 × E1)/(T·S)
式中:W1、Cc1 和 E1 分别为废水培养前青萍的干重
(g)、碳含量(%)和热值(J) ;W2、Cc2 和 E2 分别收
获的青萍干重(g)、碳含量(%)和热值(J);T 为培
养时间(d) ;S为培养面积(m2)。
1． 4 统计方法
用 IBM SPSS Statistics 19． 0 软件对实验数据进
行方差、相关性、多项式回归等分析。采用 Origin
8． 0软件进行数据作图。
2 结果与分析
2． 1 青萍对不同浓度猪场废水的净化能力
养殖废水中含有大量的 N 和 P，N、P 的去除是
养殖废水净化的重要部分，本研究表明，青萍对猪场
4011
第 3 期 顾新娇等:不同浓度养殖废水对青萍生长能力的影响
废水中的 N、P有较强的净化能力。如图 1 所示，在
1% 浓度的废水中青萍对 TN 去除率最高，达
95． 29%，而在其他浓度废水中的 TN 去除率仅为
70%左右。养殖废水中的 N以氨氮为主(本研究所
用猪场废水原液中氨氮占 TN的 91． 7%)，废水中氨
氮的去除率的变化趋势与 TN 相同，1%的废水中氨
氮去除率最高的，达 97． 48%，其次 0． 2%的废水中
氨氮去除率也超过 90%，5%和 10%的废水中氨氮
去除率仅为 70%左右(图 2)，与 TN的去除率相当。
不同浓度废水中 TP的去除率差别明显，在 1%浓度
梯度下，TP的去除率最高可达 81%，而在 10%浓度
中的去除率最低，仅有 17%(图 3)。
图 1 不同浓度废水中 TN浓度变化及其去除率
Fig． 1 Change and removal rate of TN under
different wastewater concentrations
图 2 不同浓度废水中氨氮浓度变化及其去除率
Fig． 2 Change and removal rate of ammonia nitrogen
under different wastewater concentrations
2． 2 不同浓度养殖废水中青萍生物质和能量的积累
经过 1 周的培养，在 1%浓度下生长的青萍的
生物量累积最大，干物质重量达 2． 79 g，相对增长率
达到 0． 24 g /(g·d) ，生产力达 2． 04 g /(d·m2) ，高
于在其他浓度中生长的青萍;其次是在 5%中生长
的青萍，干物质的量达 2． 66 g，相对增长率达 0． 23
图 3 不同浓度废水中 TP浓度变化及其去除率
Fig． 3 Change and removal rate of TP under different
wastewater concentrations
g /(g·d) ，生产力达 1． 93 g /(d·m2) ;增长最小的
为 10%的废水中，相对增长率仅为 0． 13 g /(g·d)
(图 4，表 1)。多项式回归分析表明最大生产力对
应的废水浓度为 3%(图 4(a))。
图 4 不同废水浓度下青萍的生产力、碳和能量的固定能力
Fig． 4 Productivity and carbon and energy fixation of
duckweed under different wastewater concentrations
在不同浓度废水中生长的青萍的 C、N、P 含量
的变化明显，都表现出随着废水浓度的增加而升高
的趋势(表 1)，在 10%浓度的废水中分别达到最高
值，分别为 36． 17%、7． 08%和 1． 62%。
5011
环 境 工 程 学 报 第 9 卷
表 1 收获青萍的增长情况、元素含量和热值变化
Table 1 Growth，elemental concentrations and calorific value of duckweed under different wastewater concentrations
废水浓度(%) 终干重(g) ＲGＲ(g /(g·d) ) C含量(%) N含量(%) P含量(%) 热值(J /g)
0． 2 2． 50 ± 0． 06a 0． 22 ± 0． 03a 32． 97 ± 0． 44a 2． 23 ± 0． 02a 1． 15 ± 0． 11a 17 087 ± 12a
1 2． 79 ± 0． 07b 0． 24 ± 0． 04b 35． 82 ± 0． 40b 4． 34 ± 0． 05b 1． 04 ± 0． 03a 17 466 ± 9b
5 2． 66 ± 0． 12a 0． 23 ± 0． 03c 35． 48 ± 0． 32b 6． 59 ± 0． 12c 1． 48 ± 0． 21b 18 011 ± 23c
10 1． 32 ± 0． 11c 0． 13 ± 0． 06d 36． 17 ± 0． 06c 7． 08 ± 0． 09d 1． 62 ± 0． 08b 18 417 ± 15d
注:不同小写字母表示处理间差异显著(P ＜ 0． 05)。
在不同浓度废水中生长的青萍的热值测定结果
显示，培养 7 d 后的青萍热值与猪场废水浓度呈显
著正相关，在 10%浓度的废水中青萍热值最大为
18 417 J /g(表 1)。青萍热值随废水浓度变化的趋
势与青萍的 C、N和 P的含量变化趋势相同，它们之
间存在一定的正相关性(表 2)。在本研究的培养体
系中能量固定能力最大的仍为 1%废水中培养的青
萍，达 37 205． 75 J /(d·m2) ，其次为 5%的废水中
青萍，达 36 456． 01 J /(d·m2) ，最低值出现在 10%
废水中生长的青萍，不到 1%废水中生长青萍的一
半。多项式回归分析表明青萍最高能量固定能力对
应的废水浓度为 3． 4%(图 4(b，c))。
碳的固定能力与能量的固定能力呈极显著的正
相关性(P ＜ 0． 01) ，最高值和最低值同样分别出现
在 1%和 10%废水中生长的青萍，最低值仅为最高
值的 38． 7%，青萍最高碳固定能力对应的废水浓度
与最高能量固定能力对应的废水浓度相同，均为
3． 4%(表 2，图 4)。
3 讨论与结论
在浮萍塘污水处理系统中，N、P 的去除是由沉
淀、挥发等物理、化学作用、浮萍和微生物的生物转
化作用等共同工作完成的［21］。浮萍不仅可以自身
同化吸收废水中的 N、P等物质，而且可以为水中多
种的微生物提供栖息场所和氧气，促进微生物对水
质的净化，所以浮萍的生长情况与其净化能力密切
相关。在本研究中相对增长率最高和对 TN、氨氮和
TP净化能力最高的青萍均生长在 1%的废水中。
在较低的废水浓度条件下，由于 N、P 等物质浓度较
低，会造成青萍营养盐供应不足，使其生长发育受到
一定的影响，导致其净化能力下降。而在高浓度的
废水中过高的氨氮等物质浓度也会对浮萍的生长造
成影响，甚至产生毒害作用，从而导致净化能力下
降［22］，这与对其他浮萍物种的研究结果是一
致的［16，23］。
青萍对污染物的去除效果与污染物的浓度密切
相关，在本研究中 N、P去除率最高的为 1%的废水，
该浓度废水中 P和氨氮的初始浓度分别为 0． 9 mg /
L和 7． 7 mg /L，接近于青萍对磷酸盐和氨氮的最大
吸收速率分别对应的 TP和氨氮浓度［24，25］。
青萍在净化养殖废水的同时可以累积生物质，
固定的太阳能，而且在青萍中能量主要储存物质为
淀粉，进一步进行能源化利用的成本相对较低［3］。
目前对青萍生物质转化利用的研究主要以淀粉转化
醇类为主［5］。在以获取生物质为目的的废水培养
青萍体系中，青萍的生产力、C固定能力和能量固定
表 2 收获青萍的生产力、元素含量、热值、碳和能量的固定能力与废水浓度之间的相关性分析
Table 2 Correlation analysis between productivity，elemental concentrations，calorific values，
carbon and energy fixation and wastewater concentrations
废水浓度 生产力 C含量 N含量 P含量 热 值 碳固定能力
生产力 － 0． 861 1
C含量 0． 65 － 0． 351 1
N含量 0． 884 － 0． 534 0． 847 1
P含量 0． 941* － 0． 746 0． 461 0． 843 1
热值 0． 966* － 0． 711 0． 789 0． 974* 0． 907 1
碳固定能力 － 0． 781 0． 987* － 0． 194 － 0． 411 － 0． 699 － 0． 606 1
能量固定能力 － 0． 801 0． 994＊＊ － 0． 267 － 0． 441 － 0． 684 － 0． 631 0． 995＊＊
注:* P ＜ 0． 05;＊＊P ＜ 0． 05。
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第 3 期 顾新娇等:不同浓度养殖废水对青萍生长能力的影响
能力是极为重要的参数。在本研究中，这 3 个参数
成正相关性，最高值均出现在 1%废水浓度培养的
青萍，其次为 5%浓度废水中培养的青萍。本实验
中青萍最大 C 和能量固定能力对应的养殖废水浓
度均为 3． 4%，该浓度条件下氨氮浓度为 24 mg /L，
接近于 L． minor 8627 的在美国秋季气候条件下产
生最大生长速率的浓度(26 mg /L)［10］。
高浓度的猪场养殖废水不利于青萍的生长，进
一步影响青萍对废水的净化能力和生物质与能量的
积累能力，需要将废水稀释到合适的浓度以获得青
萍生物质和能量的最大积累。在本实验条件下 1%
的废水使青萍产生最大的污染物净化能力和生物
质。通过二次多项式回归得到 3． 4%的废水(对应
氨氮浓度为 26 mg /L，TP 浓度为 3． 4 mg /L)中可以
获得青萍最大碳和能量的固定能力，更有利于用于
生物质能源利用的青萍培养。对养殖废水的稀释需
要占用一定量的水资源，不利于废水净化，也会增加
浮萍的养殖成本，需要通过循环利用等途径减少养
殖废水-浮萍培养体系中对过多水资源的依赖。
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