人工湿地处理畜禽养殖废水的研究与展望

周 胜，刘长娥，张继宁

（1上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海低碳农业工程技术研究中心，上海 201403；2上海市农业科学院农业科技信息研究所，上海 201403）

人工湿地处理畜禽养殖废水的研究与展望

周 胜1，刘长娥2，张继宁1

（1上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海低碳农业工程技术研究中心，上海 201403；2上海市农业科学院农业科技信息研究所，上海 201403）

畜禽养殖废水含有高浓度的有机物、氨氮、磷及悬浮物等污染物，传统污水处理方法用于畜禽养殖废水处理不仅设备投资多，运行成本高，氮磷等营养元素还难以得到深度净化。人工湿地是一种技术成熟、应用广泛的污水处理生态工程技术，具有投资少、运行维护简便等优点，尤其对畜禽养殖废水中氮磷等营养成分具有较好的去除效果，有利于资源的循环利用。通过对畜禽养殖废水的现状和传统处理方法的利弊的分析，综述了国内外人工湿地处理畜禽养殖废水的研究现状和人工湿地处理畜禽养殖废水存在的主要问题，并就今后的研究方向进行了展望。

畜禽养殖废水；人工湿地；水生植物；基质；湿地构造

随着我国工业废水处理设施的普及和技术水平的提高，工业废水污染排放总量得到了有效控制，反之农业面源污染排放占污染物总排放量的比重不断上升，其中一个主要污染来源就是畜禽养殖过程中排放的各类废水。《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》（HJ 497—2009）指出畜禽养殖废水是指由畜禽养殖场产生的尿液、全部粪便或残余粪便及饲料残渣、冲洗水及工人生活、生产过程中产生的废水的总称。畜禽养殖废水的不合理排放不仅影响环境的清洁和感官舒适度，还会造成河流湖泊和地下水的污染，导致生态环境恶化。

1 畜禽养殖废水的现状

我国畜禽养殖业虽然已逐步进入集约化、规模化和标准化的发展阶段，但仍有大量分散及中小规模的畜禽养殖场存在。根据2010年公布的《第一次全国污染源普查公报》，我国畜禽养殖业每年产生粪便量2.43亿t，尿液量1.63亿t。畜禽养殖业主要污染物化学需氧量（COD）排放量为1 268.26万t，总氮（TN）排放量为102.48万t，总磷（TP）排放量为16.04万t，畜禽养殖业排放的COD、TN、TP已分别占农业污染源的96%、38%和56%［1］，畜禽养殖废水已成为农业面源污染的主要来源之一。由于畜禽粪便的农用费力费时，实施效果又远不如化肥，因此与20世纪80年代前相比，其农用率逐年下降，其中的尿液利用几乎为零。尤其是中小规模的畜禽养殖场粪尿处理设施严重缺乏，即使配备了处理设施的规模化养殖场，也会因维护管理成本高、技术人员缺乏等原因难以正常运行，导致畜禽养殖废水未经有效处理而直接排入邻近水体，成为水环境的主要污染源之一。

发达国家畜禽养殖业规模化、集约化程度高，畜禽养殖废水处理具有较完善的技术指导和基础配套设施。美国、加拿大、荷兰等欧美国家严格规定畜禽养殖废水的排放标准，将畜禽养殖废水进行固液分离，液体进入污水处理系统，固体则采用堆肥发酵处理方法进行综合利用。但是随着畜禽养殖业的不断发展，畜禽养殖产生的粪便和污水得不到有效及时处理，亦会造成水体环境尤其是地下水污染，影响人们的身体健康和生产生活［2］。据美国加州大学调查，由于农田施肥和畜禽粪污施用，2006—2010年调查区域57%人口的饮用水源的地下水中硝酸盐浓度超出安全标准，到2050年预计涉及的人口将达到80%［3］，畜禽养殖污染已成为农业面源污染的主要原因之一。

2 不同畜禽养殖废水处理技术的特点

畜禽养殖废水含有高浓度的有机物、氨氮（NH＋4-N）、磷及悬浮物（TSS）等污染物质。除了污水还田、氧化塘等自然消纳法外，传统处理方法多采用好氧生物处理技术、厌氧生物处理技术或者厌氧-好氧联合生物处理技术［4］。好氧处理是采取人工强化供氧以提高好氧微生物降解能力的废水处理方法，该方法主要有活性污泥法、接触氧化法、生物转盘法、序批式活性污泥法（SBR：Sequencing Batch Reactor）及A/O法（A/O：Anaerobic/Oxic）等工艺，研究和应用较多的是SBR方式［5］。好氧生物处理能较好的去除NH＋4-N［6］，缺点是设备投资多，运行成本高。厌氧处理技术不受供氧能力的限制，能处理较高的有机负荷，能降解好氧微生物不能降解的成分，主要工艺有厌氧滤池（AF：Anaerobic Filter）、上流式厌氧污泥床（UASB：Up-flow Anaerobic Sludge Bed）、厌氧折流板（ABR：Anaerobic Baffled Reactor）等。厌氧技术对有机物和TSS的去除效果较好，COD和TSS的去除率一般为60%—80%，生化需氧量（BOD5）的去除率可达90%以上，但对氮磷的去除效果较差［7-8］。因此对高浓度有机废水多采用厌氧-好氧联合处理方法［9］。但在厌氧-好氧联合处理工艺中，厌氧处理部分需要补充足够的碳源以满足反硝化过程的需求。然而利用工业污水处理工艺虽然能够去除畜禽废水中大部分的有机物、NH＋4-N及TSS，但有些指标与国家地表水环境质量标准（GB 3838—2002）的要求相差甚远，还须经过后续深度处理［5］。

人工湿地工程技术是一种技术成熟、应用较为广泛的污水处理工艺，根据污水来源和特征，既可单独作为处理工艺使用，也可和其他处理工艺配合作为后续深度处理工艺使用。人工湿地和好氧或厌氧生物处理技术相比，具有处理效果好、投资少、运行维护简便等优点，尤其对畜禽废水中氮磷等营养成分具有较好的去除效果，不仅可以循环利用营养成分，湿地系统本身还可美化环境。人工湿地的净化机制主要是依靠基质的吸附交换、基质与表面附着微生物的协作、植物摄取、微生物的代谢作用等［10］。利用湿地系统净化污水研究一直是国际上湿地生态工程研究领域的热点之一，目前已涉及生活废水、农业废水、工业废水、城市径流、垃圾渗滤液和酸性矿排水等水污染控制领域，能够处理的废水种类已达20多种［11］。

3 人工湿地处理畜禽养殖废水研究进展

欧洲与北美国家率先对人工湿地污水净化功能进行了系统研究［12-13］，近年来各国针对畜禽养殖废水处理也开展了广泛的研究，包括净化机理研究、数据库构建以及设计指南开发等［14-17］。美国自然资源保护服务组织（Natural Resources Conservation Service，NRCS）编制了养殖废水处理指南，建议人工湿地每日BOD5负荷为7.3 g/m2，水力停留时间至少12 d［16-17］；Knight等［18］收集了北美地区135个中试和生产规模的养殖业废水湿地处理系统的实际运行数据，初步评估了湿地系统对各污染物的去除效果，结果表明：BOD5、TSS、NH＋4-N、TN、TP的去除率分别为65%、53%、48%、42%、42%。一些欧美国家将养殖废水经过多级氧化塘处理和活性污泥处理后再利用人工湿地进行处理［19］。Meers等［20-21］在荷兰采用活性污泥和芦苇水平潜流人工湿地用于猪场废水处理，出水中污染物的排放浓度能满足排放标准要求。Lee等［22］采用了沉淀池-曝气池-深沼泽-浅沼泽-深沼泽-沉淀池不同处理单元进行串联处理猪场废水，并根据降雨量（干旱与暴雨）设置不同水力停留时间，旱季从第一级进水到最后一级出水时间为48 h，暴雨季进出水时间为14 h，二级湿地曝气池采用间歇3 h曝氧。通过物理沉淀、生物消纳和有机物沉积等过程，使猪场废水中的污染物得到降解，并系统评估了湿地系统N的收支平衡状况，掌握不同湿地系统组分对N去除的贡献。

3.1 处理畜禽养殖废水湿地植物的研究

水生植物在人工湿地系统中净化污染物的作用取决于植物生长习性、进水污染物浓度、水力负荷、水力停留时间、气候条件、收割频率、湿地基质和湿地结构等［10，23-24］。在利用人工湿地净化污水时，虽然植物直接吸收去除的污染物量占总去除量的较小部分（如植物全株吸收的氮量仅占人工湿地系统TN去除量的0.6%—17.3%［25］），但植物通过输氧能力和根系分泌有机物等功能影响根际微生物的群落结构和活性［26-27］，从而促进微生物的有机物降解、硝化与反硝化反应等净化功能。

植物只有耐受高浓度的畜禽养殖废水才能在人工湿地净化系统中发挥作用。研究表明芦苇可以耐受畜禽养殖废水等高浓度废水［28-29］，且对废水中的COD、TN和TP有较好的去除效果，复合型芦苇人工湿地对养猪废水中COD、TN和TP的去除速度每日分别可达54 g/m2、6.4 g/m2和1.1 g/m2［29］。邓仕槐等［30］研究了芦苇在处理畜禽养殖废水过程中脱氮除磷效果以及耐受性，结果表明芦苇具有较好的脱氮除磷效果，尤其是高浓度畜禽养殖废水的胁迫可促使芦苇根系活力明显上升、游离脯氨酸含量在急速下降后稳定在一个较低水平、电解质渗漏不明显等现象，显示出芦苇在畜禽养殖废水胁迫下具有较强的抗逆性和耐受性。廖新俤等［31］以香根草和风车草植物建立人工湿地，香根草和风车草对COD和BOD具有较稳定的去除效果，春季COD和BOD的去除率分别为70%、80%，夏季进水COD高达1 000—1 400 mg/L情况下，COD去除率近90%，秋季COD和BOD的去除率分别为50%—60%、50%，冬季进水COD高达1 003 mg/L情况下，COD去除率近70%以上。颜明娟等［32］利用象草和黑麦草人工湿地系统处理奶牛场养殖废水研究中发现，当水力停留时间为6 d，湿地中氮磷等污染物去除率均达到了80%以上。橐吾也是耐受性较强的植物，在TN质量浓度为91.2 mg/L也能正常生长，耐污能力强于常用的湿地植物香蒲，且对TP、TN、有机物、NH＋4-N的平均去除率均达到80%以上［33］。其他还筛选出多种效果较好的植物种类用于畜禽养殖废水处理，包括尖尾芋、鸟巢蕨、接骨草、石龙芮、鱼腥草、蟛蜞菊、牛耳草和繁缕等［34-36］，但由于植物的生长特点、污染负荷耐受力、输氧能力以及气候与地域的适应性等因素限制，目前芦苇仍是世界范围内最普遍采用、也是最适合畜禽养殖废水处理的人工湿地植物。

3.2 处理畜禽养殖废水湿地基质的研究

人工湿地系统中基质的直接作用是可以物理吸附去除污水中的NH＋4-N和TP，主要通过基质的吸附截留、与填料床基质发生反应等过程去除TP［37］，而植物、藻类等对无机可溶性磷酸盐的吸收作用并不明显［38］。不同的基质表现出不同的吸附特性和去除效果。一般富含Al3＋、Fe3＋、Ca2＋的基质可有效促进对磷的吸附［39-40］。基质的选材比较广泛，除了常用的沸石、砾石、土壤、细砂、炉渣、火山岩和石灰岩外，近几年出现了几种新的基质材料，如红色黏土、凹凸棒吸附剂、海蛎壳、废砖、生物炭等应用于处理畜禽养殖废水，研究结果表明新材料的磷去除能力通常优于常规基质材料。如杭小帅等［41］研究了3种红色黏土对畜禽养殖废水中磷的吸附去除性能，3种红色黏土对养殖废水中TP（质量浓度为35—50 mg/L）的去除率均达到85%—90%。于鹄鹏等［42］制成的新型凹凸棒吸附剂（土∶稻壳＝9∶1）用于吸附处理养殖废水中NH＋4-N，最高去除率可达87%。王振等［43］发现海蛎壳、废砖块对磷素的去除效果要好于火山岩和沸石，其中海蛎壳对磷素的吸附主要为化学吸附，而废砖块对磷素的吸附主要为物理吸附，结果表明海蛎壳是人工湿地处理猪场废水时较为理想的除磷填料。李少朋等［44］选用了活性炭与炉渣（3∶1）、陶粒和火山岩作为垂直流人工湿地基质，研究了不同填料对畜禽养殖废水脱氮除磷效果，结果表明这3种基质对TP均有很好的净化作用，最大去除率分别达到了99.8%、82.2%和93.3%。而活性炭与炉渣混合基质对COD和TN去除比陶粒和火山岩强，可达到93.2%和68%。生物炭作为一种新型生物质处理产物也可用于畜禽养殖废水处理［45］，Sarkhot等［46-47］利用生物炭吸附养牛场废水中的氮，然后将富含氮的生物炭应用于农田以提高土壤肥力，即可有效降低畜禽养殖废水的污染负荷，又有利于养分的循环利用；将生物炭直接用于水平潜流人工湿地构造中亦可显著增强水质净化功能［48］。

3.3 处理畜禽养殖废水湿地结构的研究

人工湿地系统的结构对废水中污染物的去除效果有重要影响，Vymazal［49］汇总了世界各地表面流湿地（SF：Surface Flow）、水平潜流湿地（HSSF：Horizontal Sub-surface Flow）和垂直潜流湿地（VF：Vertical Flow）的TN和TP去除率，发现不同结构的湿地TN和TP去除率存在较大差异。目前处理畜禽废水应用较广的湿地类型为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地，杨旭等［50］采用水平潜流人工湿地对含沼液畜禽养殖废水进行处理，进水流量为1.5 m3/d，COD、TP、TN和NH＋4-N的平均去除率分别为59.2%、538%、55.1%和55.6%，且湿地系统对污染物的去除率是沿水流方向逐渐降低的。岳春雷［51］利用复合垂直流人工湿地处理低浓度养殖废水，其湿地出水的NH＋4-N、TP、COD等绝大多数指标能达到了国家地表水一类标准。高春芳等［52］设计了表面流人工湿地、潜流人工湿地、地下渗滤三级组合生态处理工艺处理猪场养殖废水，人工湿地种植橙花美人蕉、地下渗滤系统种植黑麦草，COD、TN、NH＋4-N和TP的去除率分别达到87%、95%、97%和95%。其中COD的去除主要在第一级的表面流人工湿地；NH＋4-N和TN去除主要是在水平潜流和垂直潜流人工湿地，尤其是垂直潜流人工湿地对污染物的去除率均高于水平潜流，主要原因是垂直潜流人工湿地溶解氧水平较高，硝化能力强，且垂直潜流湿地的布水方式有利于污水与湿地内部填料的接触；研究还表明垂直潜流人工湿地对畜禽废水中磺胺类抗生素也有较好的去除效果［53］。

3.4 影响人工湿地处理畜禽养殖废水的其他因素

为保证人工湿地的长期高效运行，对畜禽养殖废水进行前处理是必不可少的条件，包括固液分离技术和固相吸附技术，固液分离技术通常采用格栅、筛网、滤网、离心、沉淀等固液分离技术对畜禽养殖废水进行预处理［54-55］。一般利用滤网过滤等固液分离设施可去除其中40%—65%的固体悬浮物，降低25%—35%的生化需氧量。固相吸附通常是采用具有较大吸附容量的固相材料对废水进行吸附处理。

在北方寒冷地区利用人工湿地处理高浓度畜禽养殖废水，要维持稳定的处理效果还需要考虑低温冻结及湿地堵塞问题。Kato等［56］在日本北海道地区建造了数座包括垂直潜流与水平潜流的复合型人工湿地处理奶牛场、猪场等养殖废水。奶牛场平均进水量为4.9—6.6 m3/d，COD质量浓度为2 400—5 000 mg/L；含有冲洗水的猪场废水平均进水量为4.1 m3/d，COD为9 500 mg/L；含有尿液的猪场废水平均进水量16.9 m3/d，COD为10 100 mg/L。所有人工湿地建设地点的年平均温度为5—8℃。为应对寒冷地区低温结冰及湿地堵塞问题，Kato等［56］在垂直潜流人工湿地中设计了旁路系统，并且在湿地表面增加覆盖了低密度可漂浮的多孔质轻石材料，有效地解决了堵塞和冻结问题，维持了湿地中芦苇和蚯蚓的生长，使人工湿地每日平均氧气输送速度达到了16—99 g/m2，COD的平均去除率达到了70%—96%，TN达到了39%—90%，NH＋4-N达到了36%—82%，TP达到了70%—93%［56］。

4 人工湿地处理畜禽养殖废水问题与展望

4.1 湿地堵塞问题

利用人工湿地处理畜禽养殖废水普遍存在湿地内部堵塞的问题，人工湿地在投入运行5年后易形成堵塞，堵塞主要发生在湿地表层0—15 cm处。有报道称约73%的孔隙堵塞是由于高浓度进水及植物地上部分残体所造成的有机物积累，27%的孔隙堵塞源于湿地植物的根与地下茎［57］。畜禽养殖废水中的粪渣、植物地上部衰亡时的残留物、根系及根系分泌物都可促进湿地系统中有机物累积量的增加；植物根部与地下茎死亡和腐烂以后也会导致大量有机物积累，进一步加剧湿地的堵塞。

4.2 湿地植物处置问题

水生植物是人工湿地中不可缺少的构成元素，水生植物不但能直接吸收污水中的营养物质，而且能输送氧气到根区为微生物的生长、繁殖和降解污染物创造适宜条件。利用水生植物净化污水体具有成本低、效率高、改善景观及生物多样性等优点。虽然水生植物净化污水有很多优点，但在其净化污水过程中随着体内养分的饱和以及植物生长的减弱、枯萎以及死亡，部分养分会释放出来重返水体，造成二次污染。为减少这种情况的发生，目前采用植物收割的方法将植物吸收的养分移出湿地系统。虽然收割能够改善湿地系统，但收割的植物如果没有经济可靠的后续处理方法，不仅会增加运行成本，还会造成资源浪费和二次污染。

4.3 研究展望

资源短缺和生态环境恶化已严重制约社会经济发展与生态文明建设，影响了人民群众的生活环境。如何充分利用人工湿地的自然降解功能，达到对畜禽养殖废水的良好净化效果，同时发挥湿地生态功能和景观效应，实现环境友好、资源利用、生态修复的良性循环，是保障我国经济社会可持续发展、改善生态环境的迫切需要。为更好发挥人工湿地的净化与生态功能，未来利用人工湿地处理畜禽养殖废水需要考虑从以下几个方面开展研究。

4.3.1 针对湿地堵塞问题的研究内容，除了优化人工湿地运行参数及加强高浓度废水前处理等方法外，研究培育适应湿地环境的蚯蚓品种也是解决堵塞问题的可选途径。利用蚯蚓的摄食与活动行为，发挥生物（植物、蚯蚓、微生物）的作用，降解湿地内部积累的有机质，疏通湿地基质间空隙，缓解湿地堵塞现象，同时蚯蚓可作为生物资源进行再利用。

4.3.2 研究湿地植物收割后的资源化利用方法，例如将湿地植物收割后加工成生物质炭，既可以作为湿地填料提高污水的净化效果，也可以作为土壤改良剂施入农田；或者将湿地植物替换成具有经济效益的水生植物（如水稻、花卉等），通过收割植物，既可去除湿地系统中积累的营养物质，又可以获得经济效益。4.3.3 根据地形气候特点改良湿地结构。需要结合畜禽养殖废水的特点以及当地地形气候条件对人工湿地结构与工艺进行改进和提高，尤其是在四川、广东、贵州、云南等养殖大省，需要考虑如何利用山地的天然水力落差来设计人工湿地的布水和流向，减少用泵提升水位，从而进一步降低能耗和运行维护成本；在内蒙古、东北等北方寒冷地带，需要考虑利用地热、耐寒填料及旁路系统等措施减少低温对湿地运行的影响。

4.3.4 加强人工湿地对畜禽养殖废水中抗生素和重金属去除效果的研究。磺胺类抗生素以及铜、锌等重金属被广泛应用于畜禽养殖业。养殖废水中也含有较高浓度的抗生素和重金属，这些污染物质进入水环境不仅对水生动植物的生长发育造成影响，还会诱导环境微生物产生抗生素抗性基因，对公共卫生安全造成潜在威胁。因此，有必要加强人工湿地对畜禽养殖废水中抗生素和重金属去除效果及其动态的研究。

4.3.5 全面评价人工湿地处理畜禽养殖废水的经济和环境效益。传统污水处理工艺具有耗电量大、需要添加药剂、运行维护成本高等缺点，并且整个处理过程的综合温室气体排放量大；而人工湿地系统主要依靠植物-微生物-基质的协同作用，处理畜禽养殖废水需要的能耗少，运行维护简易，且具有景观生态效应。因此对人工湿地处理畜禽养殖废水不仅要评估其水质净化效果，还需从经济效益、低碳效应以及生物多样性等方面对人工湿地进行综合评价。

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（责任编辑：张睿）

Research and prospect of livestock wastewater treatment using constructed wetlands

ZHOU Sheng1，LIU Chang-e2，ZHANG Ji-ning1
（1Eco-environmental Protection Institute，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，Shanghai Engineering Research Centre of Low-carbon Agriculture，Shanghai201403，China；2Information Research Institute of Science and Technology，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，Shanghai201403，China）

Livestock wastewater contains high concentration of organicmatter，ammonia nitrogen，phosphorus and suspended solids.The investment and running cost of traditional wastewater treatment processes are usually expensive.In addition，the removal efficiency of nutrients by traditional wastewater treatment processes is less effective.Constructed wetland has the advantage with low investmentand simplemaintenance，which is technical maturity and used widely.Particularly，constructed wetland has good removal efficiency for nutrients，which is beneficial to recycling of resources.This paper analyzed briefly the situation of livestock wastewater and advantages and disadvantages of traditional wastewater treatment processes，and further summarized the development situation of livestock wastewater treatment using by constructed wetlands in China and oversea.Then，themain problems of constructed wetland for livestock wastewater treatmentwere concluded.Finally，future research interests on constructed wetland technique were also proposed.

Livestock Wastewater；Constructed Wetland；hydrophyte；Substrate；Construction

S815；X713

：A

1000-3924（2017）02-154-07

10.15955j.issn1000-3924.2017.02.28

2017-02-06

上海市科技兴农重点攻关项目［沪农科攻字（2016）第6-3-1号］

周胜（1971—），男，博士，研究员，主要从事低碳农业研究。E-mail：zhous＠263.net