灌溉经微生物处理的制糖和酒精发酵混合废水对蔗田土壤理化性状及流域水环境的影响

徐亚幸2 郑政伟2 辛国荣1,2 梁近光3 杨中艺1,2**
（1中山大学生物防治国家重点实验室，广州510275；2中山大学生命科学学院，
广州510275；3广西必佳微生物工程有限公司，南宁530022）

　　[摘要] 应用经复合微生物技术处理的制糖和酒精发酵混合废水进行灌溉实验，探讨实现工业废水无害化及资源化的可行性。实验结果表明，灌溉废水对土壤的肥力没有不良的影响，不会造成土壤肥力的下降，也不存在增加土壤重金属含量的危险，灌溉废水没有对流域水体造成污染。
　　关键词 废水灌溉 废水处理 土壤性状 复合微生物技术 甘蔗

Effect of the irrigation with treated sugar-refinery and alcohol making wastewater on soil properties and regional water environment

Xu Yaxing2, Zheng Zhengwei2, Xin Guorong1,2, Liang Jinguang3 , Yang Zhongyi1,2** (1 State Key Laboratory for Biocontrol, Zhongshan University, Guangzhou 510275; 2 School of life science, Zhongshan University, Guangzhou 510275; 3Guangxi Bijia Microorganism Engineering Ltd. Co. , Nanning 530022)

　　The sugar-refinery and alcohol making wastewater were treated by compound microorganisms technique, and the changes of soil properties of sugarcane farm and regional water environment after irrigating the wastewater were investigated in Liuzhou, Guangxi, in 1999 and 2000. As experimental treatments (treatment A-D), the wastewater with different concentrations were irrigated into the plots which were newly growing sugarcane (Saccharum officinarum L.). Without irrigation and irrigating clear water were conducted as contrasts (ck1 and ck2). The results showed that the wastewater irrigation did not blight the soil fertility, and did not caused soil acidifying and heavy metal accumulating. Furthermore, the results proved that there was no pollution on the regional water environment in the wastewater irrigating area.
　　Key words wastewater irrigation, wastewater treatment, soil properties, compound microorganisms, sugarcane

1.引言

　　缺水是当今一个世界性的普遍现象。目前全球1/5以上的人口面临中高度缺水压力。我国是世界十三个贫水国之一，水资源人均占有量远低于世界平均水平，而且水资源在时空上的分布也极不平衡，历来就存在缺水的干旱区[1]。
　　与此同时，由于生活污水及工业废水的排放而造成的水体污染导致水质恶化，使缺水的问题更显突出。随着社会经济的发展，一方面是生产、生活用水量不断增加[9]；另一方面是污水、废水的排放量不断增加[2]。为此，有专家指出，污水、废水是放错地方的资源，必须加以充分的利用，以缓解我国水资源短缺。事实证明，利用污水灌溉农田是解决水资源短缺的有效途径，我国实行污水农灌也有较长的历史[7] [13] [14]。利用污水灌溉，既可部分解决农业缺水问题，加上部分废水含有作物生长所需的营养物，可以降低农业生产成本，增加经济效益。同时，废水农灌减少了废水的直接外排，并对废水具有一定程度的处理作用，从而减轻了废水排放对环境的压力。但是，污灌所带来的土壤污染问题也不容忽视，特别是用未经处理的工业废水灌溉对土壤所造成的危害更大。常见的有土壤的重金属污染及土壤理化性状的改变[2][6] [10] [14]。因此，用于农业灌溉的废水、污水必须经过合适的处理，以减少其对土壤及作物可能带来的不良影响，才能收到预期的效果。
　　广西柳兴实业开发总公司是一家集农、工、商等综合经营的国有大型企业，属下的新兴糖厂日榨能力达7000吨，全厂每天产生的制糖和制酒精混合废水量为14000M3；属下的农场以种植甘蔗(Saccharum officinarum L.)为主，有甘蔗地40000亩，该地区春旱频发，甘蔗生产常受影响。曾尝试将未经处理废水用于蔗田灌溉，但由于废水浓度高、酸性大，结果造成土壤板结，废水因腐败而发生恶臭，甚至造成蔗苗死亡，同时高浓度废水容易污染流域水系。因此，废水农灌也就没有继续，废水处理和回用问题因而成为制约该企业发展的关键问题。
　　从1997年开始，该厂采用复合微生物技术进行废水排放前处理，一方面消除了恶臭，另一方面废水酸性和有机物含量也大幅度下降，为废水回用创造了良好的条件。本研究探讨了上述经处理废水灌溉甘蔗的可行性，对于实现高浓度工业有机废水无害化和资源化，解决该地区甘蔗灌溉用水缺乏的问题有重要的意义和应用价值。

2.材料和方法

2.1 试验地概况
　　制糖和酒精废水的灌溉试验从1999年元月开始，2000年底结束，共进行两年。试验地设于广西柳兴实业发展总公司属下农场的甘蔗地。该农场位于广西柳州市市郊，属于华中蔗区南岭闽浙亚区，其降雨量1500毫米左右，尤其在冬季植蔗时期缺水，经常发生严重干旱而影响甘蔗种植[4]。试验期当地月均气温和降雨量如表1所示，1999年冬春季的干旱持续了3个月。当地蔗田土壤主要为黄壤，肥力不高，酸性强，有机质含量低，养分不足，特别是缺磷、钾、氮、钙等养分（表2）。

表1 试验期间当地月均气温（T，℃）和降雨量（P，mm）
Table 1 The monthly average temperature (T，℃) and precipitation (P，mm) in the experimental periods 1月
Jan. 2月
Feb. 3月
Mar. 4月
Apr. 5月
May 6月
Jun. 7月
Jul. 8月
Aug. 9月
Sep. 10月
Oct. 11月
Nov. 12月
Dec. T1999 11.8 14.5 15.9 22.0 23.8 27.5 28.3 27.7 26.6 23.5 12.9 12.2 P1999 37.9 15.8 29.9 294.0 261.3 224.7 376.7 340.2 113.2 81.1 61.0 13.2 T2000 11.4 9.8 15.8 20.4 25.0 27.6 29.3 29.1 26.7 22.1 15.8 13.6 P2000 11.2 45.9 66.8 197.9 315.2 232.0 81.7 177.5 19.7 188.9 6.4 12.8

表2 试验地土壤综合理化性状
Table 2 The soil physical and chemical properties in the experiment site pH 有机质 (%)
Organic matter 全量养分含量 (%)
Total content of NPK 速效养分含量 (mg/kg)
Available content of NPK 重金属含量 (mg/kg)
Heavy metal content N P K N P K Cd Cr Cu Zn Pb 1999 4.91 2.47 0.131 0.068 0.378 96 6.9 73 0.50 39.70 31.25 73.92 9.84 2000 4.39 2.77 0.145 0.082 0.374 132 23.7 125 0.49 46.51 32.06 78.49 6.74

2.2 供试材料
　　废水为广西柳兴实业发展总公司属下新兴糖厂所产生的制糖废液和用废糖蜜（制糖业副产品）发酵生产酒精所产生废液的混合废水，经复合微生物技术处理后，CODcr从10000mg/L以上下降到4000mg/L以下（见表3），其他污染物质也明显下降。由于处理后阻断了腐败的过程，因此，废水不仅未酸化，而且pH值提高，呈中性略偏碱，并消除了因腐败所引起的恶臭。

表3 处理前后废水理化性质的变化
Table 3 The properties of the wastewater before and after treatment with the microorganisms. pH 化学需氧量
CODCr
(mg/L) 五日生化需氧量
BOD5
mg/L） 全氮
TN
（mg/L） 全磷
TP
（mg/L） 氨氮
NH3-N
(mg/L) 悬浮物
SS
（mg/L） 处理前Before treatment 5.6 13938 8725.6 816 52 132 2440 处理后After treatment 7.9 3466 456.2 559 22 153 357

2.3 试验方法
　　1999年的试验是在新植甘蔗地上按每小区4m×10m的规格设置试验小区。设置了4个不同浓度废水洪涝的试验处理，所用废水的CODcr浓度分别为300、500、1000和1500mg/L，按浓度由低到高分别记为A、B、C、D处理;另设置了自然降水和浇灌清水两个对照，分别记分CK1和CK2。每个处理和对照均设三个重复。
　　2000年的试验小区同样在新植甘蔗地上设置，但情况稍有改变。小区的规格为5m×8m，共设5个用不同浓度经处理废水浇灌处理，所用废水的CODcr浓度改为300、1000、2000、3000和4000mg/L，分别记为A、B、C、D和E处理；同样设自然降水和浇灌清水两个对照，记为CK1和CK2。各处理及对照均设置三个重复。
　　1999年的试验地共浇废水4次，2月10日进行第一次，以后每月一次，至5月份止。每次的灌溉量为每小区2 m3（最后一次因遇大雨减少为1m3）。2000年的试验由于雨水相对较多，废水灌溉量较少，灌溉量为每小区1m3。3月6日第一次浇灌，以后每月一次，共浇灌三次，5月废水浇灌结束。
　　两年的试验均于植蔗前每hm2施复合肥750公斤作基肥，培土时追施复合肥1875公斤和尿素375公斤/hm2。1999年试验地的蔗苗于2月6日埋植，11月26日试验田甘蔗砍收；2000年蔗苗埋植时间为2月26日，2001年1月5日砍收。
2.4 测定项目
　　在试验期间，除了定期观测甘蔗的生长发育情况外，还在每次实验的开始前，第一次灌溉废水后一个月，第二次灌溉废水前及最后一次灌溉废水后一个月分别于各处理小区内对土壤进行取样，测定土壤的pH值、土壤有机质、土壤营养元素含量及重金属含量。土壤pH、有机质和营养元素含量的测定采用文献[5]介绍的方法，重金属的测定采用美国TJA公司IRIS（HR）全谱直读等离子体原子发射光谱仪（ICP）。
2.5 废水灌溉区域水环境监测
　　灌溉区内地表水主要汇集到北部相距3公里的都乐河。在其相对于灌溉的上游、中游（距上游采样点约1.5km）和下游（距中游采样点约2km）各设置一采样点。1999年9月3日、10月25日、11月28日及2000年3月至11月每月采样一次，分别分析水中的CODMn、BOD5、全氮和全磷含量，分析方法采用文献[1]规定的方法。

3.结果

3.1 灌溉废水对蔗田土壤pH及有机质含量的影响
　　试验期间不同处理的土壤pH及有机质含量测定数据如表4所示。无论是土壤酸度还是土壤有机质含量，各试验处理及对照间的差异很小，在统计学上无显著意义。与本底值（表２）相比亦未见明显的差异。

表4 土壤pH值及有机质含量变化
Table 4 The changes of soil pH and content of organic matter 年份
Year 处理
Treatment pH 有机质含量（％）
Content of organic matter 3月/4月
Mar./Apr. 7月
Jul. 3月/4月
Mar./Apr.

7月
Jul.

1999 A 5.13 4.78 2.26 2.44 B 5.17 4.95 2.27 2.13 C 5.36 5.09 2.14 2.34 D 5.63 5.04 2.23 2.30 CK1 5.10 4.88 2.25 2.30 CK2 5.06 4.97 2.17 2.33 2000 A 4.44 4.40 2.79 2.95 B 4.40 4.32 2.92 2.87 C 4.37 4.41 2.90 2.91 D 4.53 4.41 2.91 2.90 E 4.49 4.38 2.97 3.01 CK1 4.41 4.31 3.28 3.19 CK2 4.36 4.41 2.85 3.16

3.2 灌溉废水对土壤养分含量的影响
　　本试验各处理的土壤养分含量情况如表5所示。土壤全氮和速效氮含量在两年试验期内均未表现出明显的处理效应，虽然速效氮含量比本底值高出许多，但与两个对照区相比未见明显的提高，因此，与本底值的差异应是施肥所造成的。全磷和速效磷的表现与全氮和速效氮相近，仅1999年7月的观测值呈现一定的处理效应。全钾含量尽管大体上表现为随废水浓度增加而上升的趋势，但不是很明显，而速效钾含量则明显地受试验处理的影响，呈现随废水浓度的增加而明显上升的趋势。该特征在1999年3月和2000年4月表现尤其明显。

表5 1999年土壤全氮、全磷、全钾以及速效氮、磷、钾含量
Table 5 The contents of total and available N, P and K of soil in 1999 年份
year 处理
Treat-ment 全氮（％）
Total N 全磷（％）
Total P 全钾（％）
Total K 速效氮（mg/kg）
Available N 速效磷（mg/kg）
Available P 速效钾（mg/kg）
Available K 3月*
Mar. 7月
Jul. 3月*
Mar. 7月
Jul. 3月*
Mar. 7月
Jul. 3月*
Mar. 7月
Jul. 3月* Mar. 7月
Jul. 3月*

Mar. 7月
Jul. 1999 A 0.136 0.122 0.070 0.078 0.363 0.373 170 142 6.8 12.0 211 116 B 0.138 0.130 0.073 0.073 0.381 0.346 78 161 6.3 11.5 221 135 C 0.132 0.132 0.075 0.084 0.404 0.364 201 131 7.6 14.8 506 130 D 0.143 0.136 0.073 0.093 0.407 0.355 217 138 6.3 16.0 659 202 CK1 0.142 0.133 0.075 0.072 0.365 0.389 199 132 7.7 7.4 178 103 CK2 0.120 0.137 0.076 0.081 0.366 0.372 102 138 8.4 9.6 116 101 2000 A 0.148 0.150 0.086 0.101 0.382 0.370 164 124 28.8 31.7 116 130 B 0.152 0.152 0.091 0.106 0.417 0.375 144 114 30.8 31.4 151 96 C 0.163 0.155 0.091 0.096 0.369 0.406 122 128 44.5 29.3 187 144 D 0.149 0.163 0.085 0.099 0.411 0.387 152 130 35.6 39.6 202 122 E 0.153 0.159 0.095 0.116 0.415 0.408 156 141 53.6 54.4 235 144 CK1 0.156 0.161 0.099 0.106 0.373 0.372 168 141 51.5 51.0 125 101 CK2 0.158 0.155 0.097 0.104 0.331 0.367 170 141 47.9 52.1 125 92

* 2000年为4月。 April in 2000.

3.3 灌溉废水对蔗田土壤重金属含量的影响
　　各试验区土壤Cd、Cr、Cu、Zn和Pb含量的变化如表6所示，各重金属含量在两年试验期内未受到灌溉废水的影响，各处理区的上述各重金属的含量与对照区差异不大，与本底值（表2）也没有明显的差异。

表6 1999年土壤五种重金属元素含量（mg/kg）
Table 6 The contents of the tested heavy metals of soil in 1999 (mg/kg) 年份
Year 处理
Treat-ment 镉 Cd 铬 Cr 铜 Cu 锌Zn 铅Pb 3月*
Mar. 7月
Jul. 3月*
Mar. 7月
Jul. 3月*
Mar. 7月
Jul. 3月*
Mar. 7月
Jul. 3月*
Mar. 7月
Jul. 1999 A 0.472 0.495 33.491 58.828 30.818 16.502 67.296 31.518 10.456 13.779 B 0.445 0.478 41.617 57.006 31.306 17.277 61.499 31.688 10.163 13.376 C 0.407 0.459 29.886 41.361 31.352 26.758 70.603 58.945 9.202 9.862 D 0.398 0.484 31.290 57.097 31.529 23.548 70.780 46.371 8.360 14.597 CK1 0.482 0.583 47.428 50.500 35.691 17.000 66.640 35.833 9.968 14.083 CK2 0.484 0.470 26.129 45.063 27.500 19.749 61.532 37.853 8.548 10.972 2000 A 0.411 0.313 44.161 29.075 32.895 32.132 74.836 73.589 8.141 5.878 B 0.403 0.302 54.516 24.169 31.129 28.097 74.355 68.958 7.742 4.834 C 0.462 0.407 39.000 35.912 32.462 31.759 77.154 72.313 9.077 6.678 D 0.492 0.299 47.131 26.722 30.082 27.769 73.770 65.195 8.197 5.988 E 0.415 0.326 36.047 33.143 32.890 33.958 81.811 77.524 6.977 6.596 CK1 0.383 0.332 27.914 44.684 31.518 32.558 79.601 74.252 5.598 6.728 CK2 0.500 0.325 28.750 26.542 30.500 31.088 79.333 73.214 9.250 6.169

* 2000年为4月。 April in 2000.

3.4 灌溉废水对流域水体水质的影响
　　试验期灌区流域内主要河流都乐河的水质情况如表7所示，除BOD5在1999年11月，2000年5月和6月呈较明显的下游>中游>上游的趋势外，其余观察值均无明显的分布规律，且在两年试验期内变化不大。

表7 1999-2000年都乐河水质指标（mg/L）
Table 7 The water quality of Dule River in the experimental periods (mg/L) 地点*
Position 1999年 2000年 5月
May 10月
Oct. 11月
Nov. 3月
Mar. 4月
Apr. 5月
May 6月
Jun. 7月
Jul. 8月
Aug. 9月
Sep. 10月
Oct. 11月
Nov. Upper 0.359 0.025 0.437 0.246 0.422 0.571 0.690 0.577 0.657 0.657 Middle 0.294 0.331 0.184 0.271 0.503 0.616 0.633 0.356 0.940 0.940 Down 0.423 0.574 0.306 0.211 0.788 0.705 0.986 0.374 0.542 0.542 CODMn Upper 3.021 2.449 2.423 6.181 2.952 2.620 2.983 3.203 3.304 2.469 2.469 3.252 Middle 3.116 2.315 2.455 5.748 2.277 2.479 2.927 3.147 2.962 2.331 2.331 2.427 Down 3.187 2.551 2.953 8.346 2.402 2.645 2.613 3.211 3.272 2.323 2.323 2.532 TN Upper 1.598 1.442 1.489 2.468 2.346 2.823 2.813 2.358 1.468 1.633 1.633 1.645 Middle 1.098 1.428 1.373 1.636 2.480 3.059 2.662 2.182 1.582 1.507 1.507 1.519 Down 1.515 1.483 1.838 2.213 2.400 3.129 3.131 2.227 1.854 1.308 1.308 1.320 TP Upper 0.889 1.075 0.053 0.175 0.723 0.192 0.469 0.167 0.197 0.064 0.064 0.030 Middle 3.099 1.075 0.111 0.101 0.485 0.432 1.292 0.117 0.098 0.040 0.040 0.028 Down 0.889 0.771 0.339 0.125 0.452 0.176 0.308 0.179 0.121 0.056 0.056 0.036

* Upper：上游 upper current; Middle：中游 middle course; Down：下游 down stream

4. 讨论

　　制糖业是广西的支柱产业之一，其工业产值占广西工业总产值的10%左右[8]。但是，制糖废水以及糖蜜发酵制造酒精所产生的废水的治理问题一直困扰着该地区的的制糖工业。在以往直接排放或直接农灌的做法因导致大量环境问题而不得不放弃的情况下，各制糖企业一直在寻找低成本的适用技术。仅柳兴糖厂便尝试过不下四、五种治理方法，但一直未能从根本上解决问题，许多设备被弃置，造成了资金的大量浪费。应用复合微生物处理上述混合废水的技术恰恰解决了废水的腐败、酸化及恶臭问题，同时极大地降低了废水中环境污染物的浓度，减少了废水农灌的环境风险。目前已有多家糖厂开始应用该项技术，为这些糖厂解决污染治理这一关乎企业生死存亡的关键问题提供了低成本的有效手段。此外，冬春季是广西干旱频发的季节，同时也是植蔗的最重要的时期。试验证明经处理的废水灌溉不仅无害，而且有益之后，蔗农无不争先修渠引废水灌溉自家承包的蔗田，充分体现了本项技术对该地区甘蔗种植业和制糖业的重要性。
　　值得指出的是，尽管复合微生物能够高效降解废水中的污染物，但由于蔗农用水急迫，导致灌入农田的废水仍含有较高浓度的有机质、氮、磷等环境污染物，因此，有必要系统地研究灌溉废水对甘蔗生长和品质以及蔗田土壤和流域水环境的影响，为评价废水灌溉的环境和生态安全性提供依据。本文仅涉及土壤和流域水环境问题，有关灌溉废水对甘蔗生长和品质的影响方面的研究将发表在另一篇论文，需要说明的是，污水灌溉对甘蔗的生长和品质未产生任何不良影响。
　　就本研究的试验处理范围而言，灌溉废水对土壤理化性状以及流域水环境总体上未产生任何不良影响。土壤酸碱度、土壤主要养分以及土壤重金属含量的绝大部分性状在各处理区与对照区以及本底值无显著差异，少部分指标，如土壤速效磷和全钾含量部分地呈现处理正效应，土壤速效钾含量则明显地随灌溉废水浓度的增加而提高。
　　比较出乎意料的是土壤有机质和氮磷含量未呈现明显的处理效应。许多研究表明，污灌具有增加土壤有机质的作用，特别是用有机废水灌溉后，土壤有机质增加更为明显，如谢家恕（1997）等报道啤酒污水用于灌溉藕田，土壤的有机质由1.23%增加到3.46%[12]。本研究未发现上述效应，其原因可能由于废水所含的有机物大多为易生物降解物质，且废水中富含高效微生物，加速了土壤有机质的降解，因此，尽管废水灌溉后土壤的有机质总体上是增加的，但增幅不大，因而未能表现出明显的处理效应。土壤氮和磷含量可能也受到相同因素的作用，同时栽培过程中的施肥也可能掩盖了废水中氮磷的作用。土壤钾含量、尤其是速效钾含量的增加无疑主要是灌溉废水造成的。废水中含有大量锅炉燃烧蔗渣后留下的炉灰（草木灰），一般草木灰均含有丰富的钾[15]，这些钾元素不受微生物降解的影响，因此，废水中钾含量很高（1000-3000mg/L），从而导致经废水灌溉的土壤中钾含量随废水浓度的增加而提高。
　　废水灌溉后土壤重金属含量变化不大，这与当地土壤重金属含量的本底值不是太高有关。根据调查 [11]，我国黄壤地区土壤Cd、Cr、Cu、Zn和Pb的平均含量分别为0.0642、49.6、17.5、71.5和26.9 mg/kg，全距范围分别为0.005-4.500、6.7-313.2、2.4-79.9、13.2-212.0和3.9-193.0 mg/kg，而本蔗区的土壤中Cr和Pb含量低于全国平均值，既是重金属又是营养元素的Cu和Zn含量与全国平均值相近，只有Cd含量一定程度地高于全国平均值。因此，今后有必要对甘蔗的Cd富集作用及其经废水灌溉造成二次污染的风险进行调研和评价。
　　由于进行废水灌溉的时期恰恰是干旱季节，同时又是甘蔗生长需水量大的时期，因此，所灌废水一般迅速被消耗或停留在土壤中，不会形成地表径流或下渗。同时，废水中的复合微生物始终对废水所含环境污染物进行降解，因此，只要管理得当，应不会造成对地表水和地下水的污染。在本研究展开的年份，当地蔗农已经开始大规模利用经处理的废水灌溉蔗田，对灌区主要河流都乐河水质连续监测的结果并未发现灌溉经处理的废水对灌区流域地表水体造成任何不利影响。

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