3种湿地植物对养猪废水的净化效果

史佳峰 朱慧杰

摘要 [目的]研究3种湿地植物对养猪废水的脱氮除磷效果。[方法]采用人工湿地工艺处理技术，研究水葫芦、芦苇、水花生对养猪废水中氨氮（NH+4-N）、总磷（TP）、化学需氧量（CODCr）的去除效果。[结果]水力停留时间（HRT）为20 d时，人工湿地对CODCr、NH+4-N、TP的去除效果较好，平均去除率分别达到85.5%、90.6%和82.2%，达到了预期目的。[结论]该工艺能使工程化处理养猪废水达到国家标准。

关键词 垂直流人工湿地；水生植物；养殖废水；净化效果

Purification Effects of 3 Wetland Plants on Pig Wastewater

SHI Jia-feng1，ZHU Hui-jie1，2* （1.Pingdingshan Fengxiang Environmental Protection Technology Co.Ltd.，Pingdingshan，Henan 467000； 2.School of Municipal and Environmental Engineering，Henan University of Urban Construction，Pingdingshan，Henan 467036）

Abstract [Objective]To study the effects of 3 wetland plants on nitrogen and phosphorus removal in pig wastewater.[Method]Using artificial wetland treatment technology，removal efficiency of Eichhornia crassipes，Phragmites australias and Alternanthera philoxeroides on NH+4-N，TP，CODCr were studied.[Result]When the hydraulic retention time （HRT） was 20 d，the removal rate of CODCr，NH+4-N and TP was better by constructed wetland，the average removal rate reached 85.5%，90.6% and 82.2%，respectively，and achieved the desired goal.[Conclusion]This process can meet the national standards for engineering treatment of pig wastewater.

Key words Vertical flow constructed wetland；Aquatic plant；Aquaculture wastewater；Purification effect

目前禽畜养殖业正在向规模化集约化发展，但仍有部分养猪场通过水冲洗粪便排放或将粪便直接排入自然水体中，养猪废水含有较高的化学需氧量（CODCr）、5日生化需氧量（BOD5）及悬浮物（SS）和氨氮（NH+4-N），如果处理不善，会给周围的生态环境、饮用水源等带来威胁和危害[1]。目前，生物技术（包括人工湿地[2-3]、微生物及其固定技术[4]和生物膜法[5]等）已逐步被应用于养殖废水处理中，处理效果理想。其中，人工湿地技术[6-7]不仅具有良好的脱氮除磷能力，还能够根据周圍地形因地制宜，运行方便，适宜在养殖区域附近建立。然而，现有的关于垂直流人工湿地法处理水产养殖废水中运行参数的研究甚少。因此，笔者以真实的养猪废水为研究对象，探讨不同植物构建的人工湿地系统对废水中总磷（TP）、NH+4-N和有机物（以CODCr表示）的去除效果，旨在为中原地区处理养猪废水，构建本土植物的人工湿地系统提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 采集与驯养。试验所用水葫芦、芦苇和水花生均采自河南省平顶山市某养猪场排水沟。植物采集后先用猪场废水进行适应性驯化培养，待植物生长状况稳定后再进行人工湿地系统试验。

1.1.2 培养条件。用氢氧化钠调节溶液pH至7左右，温度23～28 ℃。通过15 d的驯化，3种供试植物均可在实际猪场废水中正常生长繁殖。

1.1.3 水质参数。养猪废水污染物参数：

CODCr浓度500～1 800 mg/L，NH+4-N含量80～200 mg/L，TN含量100～250 mg/L，TP含量25～80 mg/L，pH为6.5～7.5。

1.1.4 人工湿地结构。人工湿地结构见图1。

1.2 试验方法

在实际养猪废水中分别放置3种植物（水葫芦、芦苇和水花生各30株）进行培养。分别测定不同水力停留时间（HRT）0、5、10、15、20 d下各处理水样中的NH+4-N）、TP和CODCr的浓度。采集水样后，为维持水池中水位，用蒸馏水补充至原水位。

1.3 测定项目与方法

水样中的NH+4-N、TP浓度分别采用纳氏试剂比色法（HJ 535—2009）与过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法（HJ 671—2013）测定；CODCr浓度采用重铬酸钾法（HJ 828—2017）测定。

2 结果与分析

2.1 3种湿地植物对养猪废水中NH+4-N的去除效果

从图2可以看出，前15 d各植物系统都能有效去除养猪废水中的NH+4-N。第15天时，水葫芦、芦苇和水花生的人工湿地系统的NH+4-N去除率分别为74.5%、62.5%和40.0%，对照组仅为7.5%，剩余NH+4-N的浓度为120、75、51和185 mg/L。芦苇和水花生人工湿地系统的出水NH+4-N浓度均小于《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）中规定的80 mg/L NH+4-N，可达标排放。20 d时，水花生、芦苇、水葫芦的人工湿地的剩余NH+4-N浓度分别为60.0、37.5、25.5 mg/L，均已达到排放标准，但对照（92.5 mg/L）尚未达到。这是由于微生物的NH+4-N降解受限因素较多，从而使其NH+4-N降解比其有机物更难降解。

停留时间对对照组NH+4-N的去除影响很小，而对人工湿地系统影响较大。微生物对NH+4-N的作用要经历连好氧硝化及厌氧反硝化，同时残留有机物浓度也影响反硝化过程[8]。对照微生物数量较少，环境的厌氧好氧转化不明显，这些因素会抑制微生物降解NH+4-N的效率。植物根系周围形成的环境，有利于微生物的活动，促进了对NH+4-N的降解[3]，且植物本身及微生物的繁殖生长都会消耗部分NH+4-N。因此，植物人工湿地系统的NH+4-N去除率较对照好，根系最发达的水葫芦去除氨氮效果效果显著[9]。

2.2 3种湿地植物对养猪废水中TP的去除效果

从图3可以看出，0～10 d，3种植物对TP的去除效率逐渐增大，经过10 d，TP去除率增加了52.5%～75.0%，对照组的TP去除率较低，仅为9.8%。随后去除效率持续增长，至20 d水花生、芦苇、水葫芦和对照的TP去除率分别增加至66.25%、86.25%、90.63%和13.75%。可见，HRT对人工湿地处理TP浓度有较大影响，水葫芦和芦苇植物人工湿地系统的TP去除率相差不大[10]。

2.3 3种湿地植物对养猪废水中CODCr的去除效果

从图4可以看出，对照组对CODCr的去除效果最差，比各植物人工湿地系统的平均效率低约69.0%；同时也受HRT的影响较大，HRT的增加均有利于CODCr的去除，各植物人工湿地均有较好的CODCr去除效果，其中水葫芦效果最好，芦苇和水花生次之。

由于进水浓度相对较高，在最初的5 d，各系统均有一个CODCr降解适应过程，CODCr去除率缓慢上升。15～20 d，CODCr去除率上升较快。当HRT为15 d，水花生、芦苇、水葫芦和对照组的出水CODCr浓度分别降为878、731、460和1 691 mg/L，20 d时出水CODCr浓度分别降为480、380、320和1 619 mg/L，水葫芦和芦苇系统均满足了《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）中CODCr的排放要求，CODCr均在400 mg/L以下。

水葫芦人工湿地系统良好的有机物净化效果，与水葫芦生物量大、叶繁肉厚、根系发达，自身生长所需有机物量较大有关[10]。

3 结论

该研究通过水葫芦、芦苇和水花生人工湿地系统对养猪废水中NH+4-N、TP、CODCr的去除试验，得出如下结论：

①3种水生植物对养猪废水中NH+4-N的平均去除率在55.5%～85.5%，对TP的平均去除率在66.3%～90.6%，对CODCr的平均去除率在73.3%～82.2%，而对照组分别为11.0%、13.8%和10.1%。

②总体而言，3种植物对养猪废水的处理效果从大到小依次为水葫芦、芦苇、水花生。

参考文献

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[10] 殷晓乐.季节性植物搭配强化人工湿地净化污水效果及其作用机制研究[D].济南：山东大学，2016.