全 文 ：第 5 卷 第 11 期 环 境 工 程 学 报 Vol． 5，No． 11
2 0 1 1 年 1 1 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Nov ． 2 0 1 1
湿地植物齿果酸模对猪场废水净化作用研究
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 为了选择对养殖业废水有较强耐污及净化能力的湿地植物，提高人工湿地对养殖业废水处理效果，采用基质
栽培法对耐寒植物齿果酸模在猪场废水中的生长特性及其对氮、磷的去除效果进行了研究。结果表明，该植物在氨氮浓度
150 mg /L左右的废水中长势良好，单株植物的生物量干重达到 148． 7 g，其氮、磷积累量分别为 4． 55 g和 0． 50 g，在单株处
理水量为 9 L，水力停留时间 7 d时，齿果酸模对废水中氨氮、总氮、总磷及化学需氧量的平均去除率都在 70%以上。可见，
齿果酸模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养殖业废水。
关键词 人工湿地 齿果酸模 基质栽培 猪场废水 净化作用
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9108( 2011) 11-2405-06
Study on purification of swine wastewater by wetland plants Rumex dentatus
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 choose wetland plants of bearing dirty or purification capacity and improve wetland
treatment efficiency on swine wastewater，experiments were carried out by aggregate culture to study the growth
characteristics and removal rates of nitrogen and phosphorus of cold resistance Rumex dentatus in swine
wastewater． The results showed that the plant could grow well in the wastewater with ammonia nitrogen concentra-
tion of 150 mg /L，and plant biomass dry weight was 148． 7 g，its accumulated amount of nitrogen and phosphorus
in individual plant was 4． 55 g and 0． 50 g，respectively． At the treatment capacity of 9 L and the hydraulic re-
tention time of 7 d，the average removal rate of ammonia nitrogen，total nitrogen，total phosphorus and COD were
above 70% by Rumex dentatus． Therefore，Rumex dentatus can be applied to constructed wetland，which had
better bearing dirty ability and treatment performances on swine wastewater．
Key words constructed wetland; Rumex dentatus; aggregate culture; swine wastewater; purification
基金项目:国家“水体污染控制与治理”科技重大专项( 2008ZX07010-
004) ;河南省教育厅项目( 2010B610011)
收稿日期: 2011 － 03 － 23; 修订日期: 2011 － 04 － 28
作者简介:张彩莹( 1970 ～ ) ，女，博士研究生，主要从事人工湿地方
面的研究工作。E-mail: zcy0612@ yahoo． com． cn
* 通讯联系人，E-mail: wangyan371@ zzu． edu． cn
畜牧业是我国农业和农村经济的重要组成部
分，畜牧业大力发展所带来的环境污染问题日益严
重，畜禽养殖特别是规模化畜禽养殖已成为我国农
村面源污染的主要来源［1］，养殖场废水中有机物浓
度很高，经处理后出水中除残留较高浓度的 COD、
BOD外，氮、磷含量也很高，需要进一步净化处理才
能达标排放［2］。人工湿地作为新型的生态污水处
理技术，对污染物去除效果好，运行成本低，环境经
济效益显著［3，4］。人工湿地的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，湿地植物不仅直接吸收利用污水中的营养物质
和富集重金属等有害物质，还能输送氧气到根区，满
足根际微生物生长、繁殖和降解对氧的需求，促进湿
地生态系统的硝化和反硝化作用，强化湿地净化能
力［5-7］。近年来，国内外学者利用芦苇、风车草和香
蒲等水生植物人工湿地系统来处理猪场废水的研究
已有许多报道［8，9］。但人们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。
本实验选择我国分布较广的湿生植物齿果酸模
( Rumex dentatus L． ) ，研究其在猪场废水中的生长
特性及其对氮、磷的去除能力，为湿地植物的选择和
提高人工湿地的污水处理效率提供参考依据。
环 境 工 程 学 报 第 5 卷
齿果酸模俗称高杆菠菜，为蓼科酸模属的一年
生或多年生草本植物，该植物在自然界分布广泛，抗
逆性强［10，11］，喜阴暗、潮湿的环境，春季生长速度
快，产量可观，叶蛋白中蛋白质含量较高，可以开发
叶蛋白饲料［12］。
1 材料与方法
1． 1 材 料
实验中所用齿果酸模为 8 月下旬育苗，10 月下
旬移栽。用水为某猪场经过预处理及厌氧消化后的
出水，其中: COD 730 ～ 2 100 mg /L，氨氮 572 ～ 836
mg /L，总氮 580 ～ 865 mg /L，总磷 13． 28 ～ 33． 78 mg /
L，pH 7 ～ 8，使用时根据需要用自来水稀释。
1． 2 实验设计
实验在自然条件下采用基质栽培法进行，实验
装置见图 1。
图 1 实验装置
Fig． 1 Profile chart of pilot experimental system
将单株质量 20 g 左右的齿果酸模幼苗根部泥
土洗净，移栽至的花盆( 盆口直径 21 cm，盆底直径
14 cm，盆深 18 cm) 中，每盆 1 株，花盆中放置粒径 5
～ 10 mm沙砾和珍珠岩( 2 ∶ 1 ) 混合物，花盆底部有
孔。将花盆放置在塑料桶中，每桶注入 9 L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) 稳定培养，期
间水力停留时间( HRT) 设定为 10 d，次年 3 月上旬
进行废水浓度梯度培养。梯度实验分 A、B、C 和 D
4 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 ～
200 mg /L，基本控制 50 mg /L 为一个梯度，COD 及
总磷的浓度不加以调控。pH值 7 ～ 8。
考察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
的水搅匀，用虹吸管在水面下 5 cm处取样。浓度梯
度废水实验时每批废水的 HRT 设定为 7 d，实验期
间连续考察植物对废水的处理效果，并测定进出水
COD、总氮、氨氮和总磷浓度并计算相应污染物的去
除率。
1． 3 水样分析
取水样后于当天测定 COD、总氮、氨氮和总磷
的浓度，各指标测定方法均按国家环境保护总局编
制的《水和废水监测分析方法》［13］。
1． 4 植物样品的采集与分析
对浓度梯度废水培养的齿果酸模选择生长时间
相对一致的植物叶片，采用酸性茚三酮法［14］测定叶
片中脯氨酸的含量。
6 月上旬实验结束后，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
在 70℃下烘干至恒重后称重，计算地上地下生物量
比( A /U) ，测定植株体氮、磷的含量［15］，植物样品用
H2SO4-H2O2 消化制备成溶液，总氮含量用过硫酸钾
氧化吸光光度法测定，总磷含量用钒钼蓝法测定。
2 结果与分析
2． 1 齿果酸模在猪场废水中的生长状况
实验育苗一周左右出苗，幼苗生长缓慢，在河南
省郑州地区附近齿果酸模从 9 月中旬至 12 月上旬，
生长速度相对较快，在 12 月中旬至次年 2 月中旬由
于气温较低植物生长速度较慢，从 2 月下旬开始进
入快速生长期。该植物采用基质栽培法移栽成活率
100%。实验中观察到在气温 － 5 ℃以上时植物能
正常存活，在气温低至 － 5 ℃以下时植物叶片会出
现冻害。在本实验中当气温低至 0 ℃以下时，放入
简易塑料棚中保温，避免出现冻害。用低浓度猪场
废水稳定培养期间( 从移栽至 2 月下旬) ，植株平均
增重至 135 g左右。从 3 月上旬进行浓度梯度废水
培养，在 A、B、C 和 D 4 个废水处理中，最初植株的
生长差异不明显，但随着气温逐渐升高，D处理中的
植物生长速度变缓，中午太阳直射或气温较高时，植
物有萎蔫现象。这可能是由于废水中污染物浓度较
高，渗透压大，植物地上部分水分蒸发蒸腾作用较强
时，根系水分供给不上造成的结果。3、4 月份 A、B和
C处理植物生长状况良好，长势差别不明显，至 5 月
份植物进入花期，D 处理棵型比较其他处理明显小，
但直至 6月初收获时没出现死亡现象。该实验结果
表明，齿果酸模能耐受的猪场废水氨氮浓度可达 150
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第 11 期 张彩莹等:湿地植物齿果酸模对猪场废水净化作用研究
mg /L左右，在氨氮浓度 50 ～150 mg /L的废水中长势
较好。而一般常用的湿地植物香蒲在人工湿地污水
处理时凯氏氮浓度达到 54． 5 mg /L( 或氨氮 24． 7 mg /
L) ，香蒲叶子将枯黄或致死，且短期内难以恢复［16］。
由此可见，齿果酸模具有较强的耐污能力。
表 1 中叶片长宽是 4 月份选择每株植物最大的
叶片多次测定的平均值，主花序的长度是 5 月中旬
植物花序生长基本停止后测量的平均值，从结果来
看，A、B和 C 3 个处理中植物的生长差别不明显，D
处理植物的叶片及花序均小于 A、B 和 C 处理。脯
氨酸的含量是 4 月份测定的结果，D 处理中齿果酸
模植物叶片脯氨酸含量高达 1 370 μg /g DW，A处理
植物叶片中脯氨酸含量仅为 170 μg /g DW，脯氨酸
是植物体内一种细胞质渗透调节物质，几乎所有的
逆境都会引起植物体内脯氨酸含量的改变，随着废
水污染物浓度的增大，叶片中脯氨酸含量也增高，这
是植物适应性较强的表现，但在 D 处理中可能由于
废水中污染物浓度过高导致植物生长受抑制［17］。
表 1 不同浓度废水中齿果酸模的比较
Table 1 Comparison of Rumex dentatus in different
concentration wastewater
处 理
叶片长
( cm)
叶片宽
( cm)
脯氨酸含量
( μg /g DW)
主花序长
( cm)
A 35 7 170 45
B 36 7 337 45
C 36 7 822 47
D 28 5 1370 22
6 月上旬收获植株，烘干后称重，结果如表 2 所
示。在不同浓度猪场废水中生长的齿果酸模总生物
量( 干重) 在 80． 7 ～ 149． 7 g 之间，其中 B、C 处理生
物量接近，D 处理最小，D 与 A、B、C 差异显著，但
A、B、C之间差异不显著。齿果酸模的地上地下生
物量比( A /U) 在 3． 89 ～ 4． 88 之间，蒋跃平等［18］对
处理观赏水的 21 种人工湿地植物进行研究，大部分
植物 A /U 在 1． 18 ～ 4． 29 之间，该实验结果可能与
采用猪场废水营养丰富有关，植物根系相对不发达，
而植物地上部分生长旺盛，所以 A /U 较大，C 与 A、
B、D处理之间差异显著。
表 2 不同浓度废水中齿果酸模的生物量
Table 2 Biomass of Rumex dentatus in different
concentration wastewater
处 理
生物量( 干重) ( g)
地上部分 地下部分 总生物量
A /U
A 110． 0 ± 5a 28． 3 ± 3a 138． 3 ± 7a 3． 89a
B 121． 3 ± 7a 28． 3 ± 2a 149． 7 ± 8a 4． 28a
C 123． 3 ± 13a 25． 3 ± 3a 148． 7 ± 13a 4． 88b
D 64． 7 ± 10b 16． 0 ± 3b 80． 7 ± 8b 4． 16a
注: 数据为 n次测定的平均值 ±标准差( n = 3 ) ; 同列不同字母
表示处理单元在 0． 05 水平差异显著。
2． 2 齿果酸模在猪场废水中对氮、磷的吸收
植物体内的氮、磷浓度反映了该植物对氮、磷的
吸收能力。齿果酸模植株内的氮、磷含量如表 3 所
示，植物地上部分氮、磷浓度分别在 26． 98 ～ 39． 96
mg /g及 2． 61 ～ 3． 32 mg /g 之间，植物地下部分氮、
磷浓度分别在 19． 24 ～ 26． 40 mg /g 及 2． 37 ～ 3． 78
mg /g之间，祝宇慧等［19］研究 6 种植物对模拟污水
净化能力，植物中的氮、磷浓度分别在 11． 19 ～
21． 46 mg /g及 0． 995 ～ 2． 16 mg /g 之间，齿果酸模植
株内的氮、磷含量较高，可能与实验中所用猪场废水
氮、磷含量相对较高和植物本身生长过程中对营养物
质的需求吸收有关。4 个处理中齿果酸模对氮、磷的
积累量分别为 3 010 ～ 4 550 mg /株和 220 ～ 500 mg /
株，C 处理中氮、磷的积累量最大，植物中的氮、磷
80%以上集中在地上部分，植物较高的营养物积累量
在污水处理中是非常有利的，因为可以通过收割植物
将其固定的氮、磷带出水体。徐德福等［20］研究 11 种
湿地植物对氮、磷的吸收量范围分别为 252． 99 ～
1 279． 98 mg /株和23． 55 ～251． 83 mg /株，由此可见齿
果酸模对废水中氮、磷的吸收能力非常强。
表 3 齿果酸模对氮、磷的吸收
Table 3 Nutrient assimilation of Rumex dentatus
处 理
氮含量( mg /g)
地上部分 地下部分
磷含量( mg /g)
地上部分 地下部分
氮积累量( g)
地上部分 地下部分
磷积累量( g)
地上部分 地下部分
A 26． 98 ± 3． 61b 19． 52 ± 1． 74a 2． 61 ± 0． 20b 2． 37 ± 0． 08a 2． 97a 0． 55a 0． 29b 0． 06b
B 30． 04 ± 3． 29a 19． 24 ± 1． 63a 3． 06 ± 0． 15a 2． 82 ± 0． 05b 3． 64b 0． 54a 0． 37a 0． 08a
C 32． 86 ± 4． 37a 19． 57 ± 2． 51a 3． 32 ± 0． 24a 3． 78 ± 0． 07c 4． 05b 0． 50a 0． 41a 0． 09a
D 39． 96 ± 5． 56c 26． 40 ± 1． 83b 2． 73 ± 0． 08b 2． 97 ± 0． 10b 2． 59a 0． 42b 0． 18b 0． 05b
注: 数据为 n次测定的平均值 ±标准差( n = 3) ;同列不同字母表示处理单元在 0． 05 水平差异显著。
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环 境 工 程 学 报 第 5 卷
2． 3 齿果酸模对猪场废水中的氮、磷去除效果
表 4 为齿果酸模在浓度梯度废水培养期间对
COD、总氮、氨氮和总磷的平均去除率。A、B处理对
COD、总氮和氨氮的去除率高于 C处理，D处理对废
水中污染物去除率最低，但去除率也都在 50%以
上，在低浓度废水稳定培养期间培养基质及植物根
系表面形成大量的生物膜，随着气温逐渐升高，增强
了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。
A、B处理中废水氮、磷含量相对较低，地下部分生物
量较大，有利于微生物的附着，因此有利于提高污染
物的去除效果。植物的良好长势是对氮、磷去除的重
要保证，A、B和 C处理植物长势接近，对废水中污染
物的去除率都较高，C去除率略低于A、B的原因在于
C处理废水中污染物浓度相对较高。
2． 4 齿果酸模对猪场废水污染物去除的贡献
图 2是 5月份测定 C组处理不同停留时间下处
理猪场废水的效果，比较植物系统和对照系统对废水
中 COD、总氮、总磷和氨氮的去除情况，当地 5月份平
均气温 15 ～ 27 ℃。由图 2 可以看出，植物系统对
COD、氮、磷的去除率均高于对照系统，HRT为 7 d时，
表 4 齿果酸模对不同浓度废水中污染物的去除率
Table 4 Removal rate of pollutants in different
concentration swine wastewater by Rumex dentatus ( % )
处理 氨氮去除率 总氮去除率 总磷去除率 COD去除率
A 88． 12 ± 2． 3a 86． 47 ± 5． 4a 78． 33 ± 1． 8a 81． 43 ± 3． 5a
B 80． 56 ± 3． 6b 78． 45 ± 5． 3b 67． 34 ± 1． 7b 76． 54 ± 3． 7c
C 75． 91 ± 3． 5b 71． 73 ± 3． 2b 78． 43 ± 2． 4a 74． 30 ± 4． 8b
D 60． 42 ± 3． 3b 59． 67 ± 4． 1b 52． 32 ± 1． 9c 68． 61 ± 3． 9b
注: 数据为多次取样的平均值 ±标准差; 同列不同字母表示处
理单元在 0． 05 水平差异显著。
齿果酸模和对照系统对总氮的平均去除率分别为
71%和 54%，对总磷的去除率分别为 75% 和
63%，对氨氮的去除率分别是 75%和 55%，统计
分析结果表明这 2 种系统对废水中污染物的去除
率差异极显著( P ＜ 0． 01 ) 。与对照系统比较，植物
在氮、磷去除中起到重要作用，齿果酸模对总氮和
氨氮去除率的贡献分别为 17%和 20%，对总磷去
除率的贡献为 14%。齿果酸模对废水总氮和总磷
的去除分别占总去除量的 24%和 19%。这一方面
表明齿果酸模对废水中氮、磷有较强的去除作用，
另一方面也表明植物去除仅占污染物净化量的一
小部分。
图 2 齿果酸模对猪场废水中污染物的去除效果
Fig． 2 Removal effect of pollutants in swine wastewater by Rumex dentatus
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第 11 期 张彩莹等:湿地植物齿果酸模对猪场废水净化作用研究
李林锋等［21］研究了 7 种湿地植物对总氮和总
磷的吸收量分别占人工湿地总氮和总磷去除量的
0． 6% ～17． 3%和 1． 4% ～ 41． 2%。金卫红等［22］研
究当湿地进水总氮和总磷负荷分别为 61． 39 和
7． 39 g / ( m2· a) 时，湿地植物芦苇地上生物量吸收
总氮和总磷分别占湿地总氮和总磷总去除量的46%
和 26． 8%，靖元孝等［23］研究人工湿地栽培的水翁
( Cleistocalyx operculatu) 对总氮和总磷的吸收量分别
占湿地年总氮和总磷去除量的 16． 4% 和12． 6%。
造成以上研究结果有差异的主要原因是研究条件的
不同，污水性质、进水负荷、湿地基质、气候条件、植
物种类及其生长特性等都对植物的氮、磷吸收有着
重要的影响。
从图 2 还可以看出，当 HRT ＜ 2 d 时，植物系统
对总氮、总磷的去除率与对照系统差别较小，可能在
于前两天废水中污染物浓度较高，这时基质的吸附
和生物膜中微生物在污染物的去除中起主要作用，
当污染物浓度降低至一定程度，植物去除作用才明
显;当 HRT ＞ 5 d 时，植物系统对总氮、氨氮的去除
率效果显著，对照系统的去除率仍缓慢上升。
3 结 论
( 1) 齿果酸模是较耐寒的冬春季植物，在不同
浓度废水中生长的齿果酸模生物量、氮磷含量、氮磷
的积累量存在一定的差异。
( 2) 齿果酸模具有较强的耐污和耐冲击负荷能
力，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 150 mg /L左右的猪场废水中
生长速度较快，对氮、磷的去除率稳定，植物内氮、磷
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。
( 3) 在植物旺盛生长期，与对照系统相比较，齿
果酸模对猪场废水中总氮和总磷的去除效果分别占
总去除量的 24%和 19%。
综上所述，通过基质栽培实验表明，湿地植物齿
果酸模具有较强的耐污去污能力和适应性，适合于
构建潜流人工湿地，能够弥补冬春季节湿地植物的
匮乏。目前，国内外还没有关于其在畜禽养殖废水
处理中应用的报道，本实验为开发乡土植物品种提
供了一定的参考。由于齿果酸模产量高，叶蛋白含
量高，可以开发畜禽饲料［9］，所以在构建人工湿地
处理畜禽养殖业废水时能带来一定的经济效益。
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