人工濕地系統(tǒng)在處理畜禽養(yǎng)殖廢水中的應用

張 坤 張海珍 于文濤（黑龍江省農(nóng)墾科學院測試化驗中心 黑龍江 佳木斯 154007）

人工濕地系統(tǒng)在處理畜禽養(yǎng)殖廢水中的應用

張 坤 張海珍 于文濤（黑龍江省農(nóng)墾科學院測試化驗中心 黑龍江 佳木斯 154007）

闡述了畜禽養(yǎng)殖廢水的排放特征，同時綜述了人工濕地系統(tǒng)發(fā)展歷史及作用機理、基質(zhì)和植物的選擇等。并討論了目前人工濕地系統(tǒng)在運行中存在的問題，為人工濕地系統(tǒng)處理畜禽養(yǎng)殖廢水提供參考。

人工濕地系統(tǒng)；畜禽養(yǎng)殖；廢水

隨著我國居民生活水平的提高，對畜禽肉類的需求量逐年增大，畜禽養(yǎng)殖業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。畜禽養(yǎng)殖特別是規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染問題，已成為我國農(nóng)村面源污染的主要來源。據(jù)環(huán)境保護部《第一次全國污染源普查公報》數(shù)據(jù)顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便產(chǎn)生量2.43億t，尿液產(chǎn)生量1.63億t。畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要水污染物排放量：化學需氧量排放量1268.26萬t，總氮排放量102.48萬t，總磷排放量16.04萬t。畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染物中化學需氧量、總氮、總磷排放量占到農(nóng)業(yè)源水污染物排放總量的95.78%、37.89%、56.34%。

這些廢水中所含有的營養(yǎng)物質(zhì)大量進入水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，導致水質(zhì)惡化，是造成水體污染和富營養(yǎng)化的主要原因。但是畜禽養(yǎng)殖業(yè)做為一種高風險、低回報行業(yè)，適宜尋求一種經(jīng)濟、高效、實用的生態(tài)處理技術(shù)。人工濕地系統(tǒng)由于投資少，運行管理簡單、無能耗、處理穩(wěn)定持久等優(yōu)勢，適合在畜禽養(yǎng)殖場進行建設。

1 畜禽養(yǎng)殖廢水排放特征

畜禽養(yǎng)殖廢水主要由糞尿、殘余飼料、棟舍地面沖洗水和養(yǎng)殖工人產(chǎn)生的生活污水組成。廢水的產(chǎn)生量和水質(zhì)特征與養(yǎng)殖種類、畜禽棟舍結(jié)構(gòu)、生長周期、清糞方式、沖洗頻次、生產(chǎn)管理水平等因素有關(guān)。各類養(yǎng)殖場廢水中污染物濃度見表1。

由表1可知，畜禽養(yǎng)殖廢水屬于典型的中高濃度有機廢水，其氨氮、總磷指標濃度較高。采用干式清糞工藝的畜禽養(yǎng)殖場，其廢水產(chǎn)生量較少，污染物濃度較低。通常情況下豬場水沖糞工藝產(chǎn)生的污染物經(jīng)固液分離后畜禽養(yǎng)殖廢水中COD為9000-12000mg/L。

2 人工濕地系統(tǒng)歷史及作用機理

世界上第一處用于處理廢水的人工濕地于1903年在英國約克郡Earby建成，并持續(xù)運營到1992年。20世紀70年代由德國學者Kichunth提出根區(qū)法（the root-zone-method）理論之后，逐漸在世界各地受到重視并應用廢水處理。經(jīng)過幾十年的演變和發(fā)展技術(shù)日趨成熟。在目前的廢水自然處理系統(tǒng)中，人工濕地系統(tǒng)是技術(shù)較為成熟、應用較為廣泛的一種處理系統(tǒng)。

人工濕地系統(tǒng)是指人為模擬自然濕地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，在適宜的地形和地理位置，設計建造和控制運行的工程化濕地系統(tǒng)，主要組成部分為透水性基質(zhì)、植物、脊椎或無脊椎動物、微生物群體、水體。在人工基質(zhì)上種植特定的植物，微生物在植物根系上生長建立共生關(guān)系，形成一個開放的動植物生態(tài)系統(tǒng)。廢水在濕地表面沿一定方向流動過程中，有機污染物被人工基質(zhì)、植物根系、土壤阻擋截留，氨氮、總磷通過植物吸收和微生物降解而被去除。充分利用土壤、人工基質(zhì)、植物、微生物群體的物理作用、化學作用、生物作用三者相互協(xié)同，最大限度的利用生物鏈條，進而實現(xiàn)對廢水的高效凈化。其作用機理包括硝化、反硝化、吸附滯留、過濾沉淀、微生物降解、植物吸收。

表1 各類畜禽養(yǎng)殖場廢水中污染物濃度mg/L

3 人工濕地系統(tǒng)的類型

人工濕地系統(tǒng)按污水流動方式分為表面流人工濕地（SFW）、潛流式人工濕地（SFS）兩類。表面流人工濕地在其四周筑有一定高度的固堤，水層厚度一般為0.3-0.5m。濕地中多種植蘆葦?shù)鹊湫屯λ椭参?，也可適當種植浮水及沉水植物。廢水緩慢流動進入濕地，在漫流過程中使廢水與土壤、植物及植物根部的生物膜充分接觸，進行一系列的物理、化學以及生物反應，廢水在人工濕地中停留若干天后，得到凈化后即可排出。

潛流式人工濕地是目前人工濕地的核心技術(shù)。潛流式人工濕地按流態(tài)特點分為垂直潛流式人工濕地和水平潛流式人工濕地。垂直流潛流式濕地又分為上行式和下行式，均具有完整的布水系統(tǒng)和集水系統(tǒng)，在下行式垂直潛流式人工濕地中，廢水由濕地表面縱向進入基質(zhì)床底部，在縱向流入的過程中廢水依次通過不同的基質(zhì)層。其基質(zhì)床體始終處于不飽和狀態(tài)，通過擴散作用和植物將氧氣傳輸進入人工濕地系統(tǒng)，通過生物硝化-反硝化作用進行脫氮除磷，可用于處理氮磷含量高的污水。在水平潛流式人工濕地中，廢水沿水平方向進行流動，依次通過砂石、基質(zhì)、植物根系，以達到凈化目的。其對有機物的處理能力較強，對BOD5、COD、重金屬、懸浮物等污染指標的去除效果好。

4 人工濕地系統(tǒng)基質(zhì)的選擇

人工濕地系統(tǒng)中的基質(zhì)又被稱為填料，是由粒徑規(guī)格不同的材料按一定厚度鋪成的床體。其作用是為植物提供生長所需的載體，同時也是微生物形成以及物理、化學和生物協(xié)同作用的發(fā)生場所，常規(guī)的人工基質(zhì)主要有土壤、粗砂、碎石、礫石、煤灰渣、碎瓦片、石英砂、硅灰石、火山巖、沸石中的一種或幾種組成的混合物。不同人工基質(zhì)的選擇將在很大程度上影響人工濕地的使用壽命和廢水中污染物的凈化處理效果。應盡可能采用透水良好的顆粒物，使其具有良好的過濾性能?；|(zhì)是人工濕地系統(tǒng)去除廢水中CODcr和BOD5的主要途徑，并能利用其吸附作用去除廢水中的部分氨氮。朱夕珍等以石英砂、煤灰渣和高爐渣為基質(zhì)構(gòu)建人工濕地的結(jié)果表明：煤灰渣基質(zhì)的人工濕地對有機污染物的處理效果最好，COD和BOD5的去除率分別達到71%-88%和80%-89%；高爐渣人工濕地的除磷效果最好，總磷去除率高達83%-90%；而石英砂人工濕地處理效果較差，COD、BOD5和TP的去除率分別為36%-49%、65%-75%和45%-55%。王巖等研究了土壤、蛭石、煤渣和碎石四種人工濕地基質(zhì)不同組合凈化養(yǎng)豬場污水的能力。結(jié)果表明：以上層蛭石土混合物、下層煤渣和碎石的組合處理效果最佳，14d內(nèi)COD、NH3-N、TP的去除率分別達到了95.3%、90%、91.6%。

5 人工濕地系統(tǒng)植物的選擇

人工濕地植物種類的選擇是濕地系統(tǒng)設計的關(guān)鍵。濕地中的植物包括浮水植物、沉水植物和挺水植物，常見的水生植物有蘆葦、美人蕉、香蒲、水葫蘆、浮萍、睡蓮等。挺水植物是人工濕地系統(tǒng)的重要組成部分，選擇是否合理將影響到廢水的最終處理效果。在選擇水生植物時應優(yōu)先選擇較適應環(huán)境的本地品種，凈化能力強、具有一定的耐污染能力、抗病蟲害、年生長周期長的植物，不同種類植物在生長速度和對污染物的吸收能力上都有差異，因此幾種植物混合配置對水質(zhì)的凈化效果優(yōu)于一種植物。

人工濕地植物通過光合作用來為人工濕地系統(tǒng)提供能量來源。直接吸收利用廢水中可利用的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)、富集重金屬，為微生物提供附著的場所，促進微生物的繁殖；植物根系分泌物可促進嗜磷菌、氮細菌的生長，促進其對根際周圍沉積氮磷的釋放轉(zhuǎn)化，同時輸送氧氣至根系，用于微生物的好氧呼吸；增大和維持水利傳輸效率。劉銳研究了人工濕地中不同的水生植物對污水的處理效果，研究表明以美人蕉為主要水生植物的人工濕地對河道中的COD、總氮、總磷、氨氮的平均去除率為57．58%、32．89%、55．15%、36.64%；蘆葦分別為50.56%、29.88%、52.41%、32.57%。陳金發(fā)等以自然濕地中采集的梭魚草和美人蕉為試材，在室外模擬條件下研究了這2種濕地植物組合在高濃度畜禽廢水條件下的凈化作用及植物生理變化。研究表明：以梭魚草和美人蕉的搭配組合對高濃度畜禽廢水的COD去除率為86.17%-92.98%。

6 小結(jié)

人工濕地系統(tǒng)是一種極具應用潛力并符合生態(tài)學原理的廢水處理工藝，可實現(xiàn)資源的綜合利用。對有機物、氮磷均具有較高的去除效率，符合畜禽養(yǎng)殖廢水高氮、高有機物、高磷、間歇性排放的特點，同時畜禽養(yǎng)殖場一般建造在中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村，可以克服其占用土地面積較大的缺點，但我國幅員面積遼闊，南北方氣候差異顯著，人工濕地系統(tǒng)凈化功能受自然條件影響顯著，因此，需根據(jù)不同的氣候條件，選擇適合的人工濕地構(gòu)造及人工濕地植物，可以減少環(huán)境因素對人工濕地凈化能力的影響。

〔1〕中華人民共和國環(huán)境部．公告2010年第13號．關(guān)于發(fā)布《第一次全國污染源普查公報》的公告〔R/OL〕.（2010-02-06）.

〔2〕張華，陳曉東，常文越，張帆，袁英蘭，邢峰．畜禽養(yǎng)殖污水生態(tài)處理及資源化利用方式的探討〔J〕.環(huán)境保護科學，2007，33（3）：38-40.

〔3〕冷庚，但德忠.畜禽廢水處理技術(shù)及其應用進展〔J〕.四川環(huán)境，2009，28（1）：68-71.

〔4〕Hiley PD．The reality of sewage treatment using wetland〔C〕．ICWS，1994：68-83．

〔5〕朱夕珍，崔理華，溫曉露等.不同基質(zhì)垂直流人工濕地對城市污水的凈化效果〔J〕.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2003，22（4）：454-457.

〔6〕王巖，王克科，趙穎等.模擬潛流人工濕地處理豬場廢水的實驗研究〔J〕.農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22（2）：260-263.

〔7〕劉銳．表面流人工濕地和強化生態(tài)塘組合工藝凈化市區(qū)河水研究［D］．哈爾濱工業(yè)大學，2012.

〔8〕陳金發(fā).美人蕉＋梭魚草人工濕地植物組合處理高濃度畜禽廢水的凈化效應和生理響應研究〔J〕.北方園藝，2015（06）：67-71.

Application of Constructed Wetland System in Livestock Wastewater Treatment

ZhangKun（Testing Center of Agricultural Reclamation Sciences Academy of HeiLongjiang Province JiaMusi HeiLongjiang 154007）

The emission characteristics of livestock wastewater are expounded，and the development history，mechanism，matrix and plant selection of constructed wetland are reviewed.The existing problems in the operation of constructed wetland system are discussed，which provides a reference for the treatment of livestock wastewater by constructed wetland system.

Constructed wetland system Livestock breeding Wastewater

X703.1

A

1674-263X（2017）02-0086-03

2017-06-20

張坤（1981-），男，碩士，工程師，從事環(huán)境監(jiān)測工作。