饮用水源周边水禽养殖污水净化人工湿地的设计

张玲一

(扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225000)

饮用水源周边水禽养殖污水净化人工湿地的设计

张玲一

(扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225000)

水禽养殖是中国畜牧业的优势产业之一。随着水禽养殖规模的不断扩大，水禽养殖产业的污水排放对生态环境的破坏日益加剧，未经处理排放的污水使得周围地区的饮用水源受到污染。因此，研究人工湿地对水禽养殖污水净化处理技术和设计方法具有重要意义。本文通过对水禽养殖排放污水的成分分析，进行人工湿地的设计，设计内容主要包括湿地几何尺寸的确定、填料的选择设置、植物选择、防渗设计，以及系统运行五个部分。

水禽养殖；饮用水源；污水排放；水质净化；人工湿地设计

近年来，随着水禽养殖产业规模的逐年增加，以及水禽产业组织和经营模式的转变，带来了一系列环境问题，未经处理排放的污水使得局部地区的水资源受到污染，不仅直接影响到了水禽产业的发展，而且对周围的生态环境造成了严重的破坏。

水禽养殖过程中所产生的污染物主要有水禽粪便、尿液、饲料残余物、冲洗养殖场地的污水、雨水冲刷后的污水、青贮饲料的流失、水禽动物的死尸、杀虫剂以及抗生素等。其中，对水环境影响最大的是水禽排泄物[1]。排泄物中含有高浓度的化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)及悬浮物(SS)等污染物[2]，除了以上常见的5种污染物外，还有用于降低养殖发病风险而使用的残留抗生素，以及在夏秋季节抵抗各种吸血虫所使用的杀虫剂。

对于1万～5万只中等规模的肉鸭养殖场，日排污水量20～100 m3左右；对于5万～10万只的大型规模的肉鸭养殖场，日排污水量100～200 m3。对于日排污水量较少的水禽养殖场，可以采用表面流人工湿地净化污水，这种人工湿地处理能力低、效率低，但运行费用也低，操作简单；对于日排污水量较大的水禽养殖场，可采用水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地净化污水，这两种人工湿地处理能力较高，但投资费用较高，尤其是垂直潜流人工湿地系统相对复杂、投资高于其他两种湿地[3]。

本文首先根据水禽养殖场的规模以及日排污水量确定人工湿地的类型，然后根据水禽养殖场污染物的成分、人工湿地的进出口水质，对湿地进行具体设计。很多学者已经去思考如何降低水禽养殖对生态环境产生的负影响[3-5]，但大多通过改变养殖方式。与之不同的是，本文使用人工湿地直接对排放污水进行净化处理，使得净化后的污水能够达到饮用水源收纳污水的标准。我国针对规模化养猪、养鸡、养牛场污水处理做了大量工作，但对水禽养殖的污水处理研究较少，对于能够达到饮用水源收纳污水标准的处理研究更少。

1 人工湿地设计

本文主要讨论中等规模的肉鸭养殖场，肉鸭养殖场是水禽养殖中需要水源最多并且污染水体程度最高的一种水禽。因此，研究肉鸭养殖污水处理的人工湿地设计方法，对于水禽养殖污水处理人工湿地的设计具有代表性的意义。

学者郑杰[2]调查了5个中等规模的肉鸭场，养殖规模均在3.5万～4万只，均采用水泥地面养殖方式，粪污采用水冲式清粪且污水基本未经处理直接排入附近河流，鸭场日排污水量达到80 m3。因此，本文设计的人工湿地针对中等规模(4万只)的肉鸭养殖场，数据资料来自参考文献[2]，人工湿地类型采用水平潜流人工湿地。水平潜流人工湿地相比于表面流人工湿地具有较高的净化能力，并且投资费用低于垂直潜流人工湿地，所以该规模下的肉鸭养殖场适宜选用水平潜流人工湿地。

1.1 污水处理条件

此文设计的人工湿地适用于饮用水源周边的水禽养殖场，经过人工湿地净化处理的污水能够达到饮用水源收纳污水的标准，满足《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中规定的一级排放标准。

使用人工湿地对污水进行净化处理之前，首先对水禽排放污水水质进行检测，检测常见的5种COD、BOD5、NH3-N、SS、TP的浓度。参考文献[2]的5个肉鸭场的出口水质指标如表1所示。判断出口水质浓度是否满足《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005—2010)的人工湿地系统进水水质要求，见表2。首先，判断悬浮物(SS)浓度是否大于100 mg/L时，如果大于，则需要设置沉淀池。其次，判断化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)的浓度是否满足要求，如果不满足，则需要采取一定措施对污水进行稀释，在污水中兑入清水进行搅拌稀释，使得进入人工湿地系统的水质满足要求，见表2。

表1 参考文献[2]的鸭场污水总排出口水质指标 mg/L

表2 人工湿地系统进水水质要求 mg/L

1.2 湿地几何尺寸的确定及复核

在设计湿地的几何尺寸时需要先确定以下三个参数：

(1)污染物浓度的确定。人工湿地面积的确定需要已知肉鸭养殖场污水总排出口的BOD5浓度，即人工湿地进水水质中BOD5的浓度。本设计BOD5的浓度满足进水水质要求的最大浓度80 mg/L。

(2)湿地出水水质确定。湿地出水水质应根据实际情况来考虑，本次设计针对饮用水源周边的养殖场，因此需要达到饮用水源纳污标准。出水水质参考《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中规定的一级排放标准，如表3所示。

表3 《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中规定的一级排放标准 mg/L

(3)湿地污染面积负荷的确定。《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005-2010)指出，人工湿地的主要设计参数，宜根据试验资料确定，无试验资料时，可采用经验数据或按表4确定。人工湿地面积应按BOD5表面有机负荷确定，同时应满足水力负荷的要求。

表4 人工湿地的主要设计参数

1.2.1 人工湿地面积的确定

人工湿地面积应按五日生化需氧量表面有机负荷确定，同时应满足水力负荷的要求。人工湿地面积按式(1)确定。

A=Q×(C0-Ce)/q

(1)

式中：A为人工湿地面积，m2；Q为人工湿地设计水量，m3/d；C0为进水BOD5浓度，mg/L；Ce为出水BOD5浓度，mg/L；q为BOD5面积负荷，g/(m2·d)。

本设计Q取80 m3/d、C0取80 mg/L、Ce取20 mg/L、BOD5负荷取100 kg/(hm2·d)=10 g/(m2·d)，则人工湿地面积A=80×(80-20)/10=480 m2。水平潜流人工湿地的几何尺寸设计满足《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005-2010)，应符合下列要求：①水平潜流人工湿地单元的面积宜小于800 m2；②潜流人工湿地单元的长宽比宜控制在3∶1以下；③潜流人工湿地单元的长度宜为20～50 m；④潜流人工湿地水深宜为0.4～1.6 m；⑤潜流人工湿地的水力坡度宜为0.5%～1%。

因此，该水平潜流人工湿地的几何尺寸设计为：①面积480 m2；②长40 m、宽12 m；③水深的设计参照人工湿地植物的选择，设计水深0.8 m；④水力坡度5%。

1.2.2 水力负荷的复核

人工湿地水力负荷按式(2)计算。

u=Q/A

(2)

式中：u为水力负荷，m3/(m2·d)；A为人工湿地面积，m2；Q为人工湿地设计水量，m3/d。

由(1)计算得出水平潜流人工湿地面积480 m2，人工湿地设计水量80 m3/d，湿地的水力负荷u=80/480=0.167，满足水力负荷小于0.5的要求。本规模下的肉鸭养殖场占地面积480 m2，不需要由多个湿地单元组成。如果水禽养殖场规模较大并且日排污水量较多时，并且计算所需要的湿地面积较大时，则需要几个人工湿地单元组成人工湿地。此时，需要考虑水禽养殖场附近的空旷面积，若水禽养殖场附近空旷面积较大时，可采用串联式，水流依次经过人工湿地处理池；若水禽养殖场空旷面积较小时，可采用单一式人工湿地进行回流，回流多次，依旧达到相同的处理效果。如图1、图2所示。

图1 串联式人工湿地推流

图2 单一式人工湿地回流

1.2.3 水力停留时间的复核

人工湿地水力停留时间按式(3)计算。

T=Ahε/Q

(3)

式中：T为水力停留时间，d；A为人工湿地面积，m2；h为人工湿地含水层深度，m；ε为人工湿地孔隙率，%；Q为人工湿地设计水量，m3/d。

人工湿地的含水层深度因不同生物而异，灯心草采用75 cm，芦苇采用60 cm。因此，此次人工湿地的深度设计根据具体植物的选择而设计，本次设计值为0.8 m。人工湿地孔隙率按40%计算，水力停留时间T=480×0.8×40%/80=1.92 d，满足1～3 d的水力停留时间要求。

1.3 填料的选择设置

在设计人工湿地前，首先要筛选对污染物去除能力强的当地材料作为人工湿地的基质。对于水平潜流人工湿地，在进水区沿水流方向铺设粒径从大到小的填料颗粒(建议为16～6 mm)，这样可以降低填料的堵塞几率，从而增加人工湿地的运行周期。在出水区，选择粒径较大的填料颗粒(建议为8～16 mm)，使湿地均匀排水[1]。本次设计选取直径10 mm的碎石铺于防渗层之上；紧接着铺设直径为5 mm的细沸石，细沸石对N的吸附能力极强；最后面铺设粗砂石，满足粒径从大到小的变化。滤料层上铺设覆盖层，覆盖层上种植植物，根据《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005-2010)确定种植土壤的质地为松软黏土-壤土，土壤厚度宜为20～40 cm。覆盖层要求不影响气体交换，并且不能让固体颗粒进入滤料层。人工湿地填料能为植物和微生物提供良好的生物环境。如图3所示。水平潜流人工湿地设计一定的坡度5%，使水流能够利用自重从进口流向出口。

图3 人工湿地剖面图 (引用文献[1])

1.4 人工湿地的植物选择

植物是人工湿地的重要组成部分，在人工湿地净化污水中有着重要的作用。植物能提高人工湿地的渗透率，增加停留时间，延长污水与植物根表或基质的接触时间，从而提高对污染物的净化能力[6]。

N、P是植物在人工湿地的生长和繁殖中需要大量吸入的营养元素。研究表明[7]，湿地对N的吸收量为0.03～0.3 g/(m2·d)，对P的吸收量为1.8～18 g/(m2·d)。池杉、水葱、茭白、菖蒲、水烛、灯心草等去除N、P的效果比较明显[8]。Gerberg等作了不同高等水生植物人工湿地净化城镇综合污水的研究[9]，发现进水中氨氮的浓度为24.7 mg/L时，经过藨草、芦苇和宽叶香蒲三种单一植物的人工湿地处理后，出水氨氮浓度分别为1.4 mg/L、5.3 mg/L和7.7 mg/L，藨草、芦苇对污水中氨氮的去除能力明显高于香蒲；从三块湿地对污水中BOD5的去除效果来看，藨草(去除率96%)优于芦苇(81%)和宽叶香蒲(74%)这三种植物的出水BOD5浓度为5.3～30.4 mg/L，优于或等效于常规一级水处理出水质量标准(30 mg/L)。黄时达[10]等比较了芦苇、灯心草和香蒲三种植物的污染净化能力，结果发现灯心草去污能力最强，COD的去除率达到42%～46%。在考虑作物去污能力的同时，作物的经济价值也需要兼顾。

目前，人工湿地对抗生素的去除机制还不是很清楚，吸附是人工湿地去除抗生素的主要途径，同时植物在抗生素的去除上也起到一定作用[11]。芦苇收割后，人工湿地表层土壤中抗生素含量会减少，因此湿地植物在抗生素的转移和降解中起重要作用[12]。高士博[13]在他的研究中模拟了8套潜流装置用来考察水生植物对微污染物净化的影响，发现芦苇能够对毒死蜱农药有一定的去除率。因此，对杀虫剂的去除需要依靠湿地中的水生植物。

本文设计的水平潜流人工湿地采用多种植物混种，前级芦苇、中间灯心草、后级藨草，提高系统的总体净化能力。植物播种时间为春季，播种时需要严格控制种植密度。根据植物的生长周期，适时的进行更换。

1.5 防渗设计

为了防止污染地下水，要求在施工时尽量保持原土层，并在原土层上设置防渗层。采用厚度大于1.0 mm的高密度聚乙烯树脂，或油毛毡封铺垫等。为防止床体填料尖角对薄膜的损坏，塑料薄膜两侧应衬垫土工布，施工时再在上面预铺一层细沙[1]。

1.6 系统运行

人工湿地的污水处理系统采用直径为40 mm的PVC管进水，40 mm的PVC管出水。进水方式采用间歇式进水，既可以使水流均匀分布，又可以充分利用湿地表面和体积，制造充氧条件，有利于实地中的有氧呼吸及硝化作用[14]。通常情况下日进水2～3次，具体视情况而定。

采用人工湿地处理水禽养殖场污水，不仅是因为人工湿地是一种生态污水净化方法，而且人工湿地的建设成本与运行费用都比较低廉。人工湿地的工程建设投资是城市污水处理厂建设费用的1/3，而理论上可能达到1/8～1/10。人工湿地的植物几乎是多年生的草本植物，有些植物具有较高的经济价值，可以增加收入，抵补运行费用[1]。

2 结 论

通过对水禽养殖场的污水成分分析，进行人工湿地的设计，使得经过净化的污水满足饮用水源纳污标准。人工湿地在进行污水净化处理过程中，能够让污水在湿地系统中充分利用填料表面的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料的截留作用，实现生态循环，减少对外界环境的影响[1]。因此，人工湿地对饮用水源周边水禽养殖污水的净化处理符合低碳经济的发展要求。本文对饮用水源周边水禽养殖场进行人工湿地的设计具有较强的实用意义。

但是，由于人工湿地是净化水禽养殖场污水的一种新方法，仍处于探索阶段，有关湿地建造、运行方面的数据不足，因此系统设计构造、运行效果等方面还有待进一步研究。目前的设计基本是凭借规范，理论性的进行设计，缺乏实践性的实施，更多问题和细节有待进一步的发现和改进。

[1] 刘雪芬,王雅鹏. 低碳经济条件下水禽健康养殖发展现状与对策[J]. 华中农业大学学报(社会科学版),2013(1):36-41.

[2] 郑杰,席磊,赵芙蓉. 规模化肉鸭场污水污染物排放及其影响分析[J]. 中国家禽,2013(10):22-25.

[3] 蔡守华.水生态工程[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[4] 王雅鹏,陈娟,何朝秋,等. 基于节能减排的水禽养殖模式选择问题探讨[J]. 中国家禽,2013(15):2-5.

[5] 施振旦. 水禽的生态养殖技术发展[C]// 2009中国肉鸭产业发展高层论坛论文集. 2009:9-10.

[6] 徐德福,李映雪. 用于污水处理的人工湿地的基质、植物及其配置[J]. 湿地科学,2007(1):32-38.

[7] 尹炜，李培军，裘巧俊，等.植物吸收在人工湿地去除氮、磷中的贡献[J].生态学杂志,2006，25(2)：218-221

[8] 吴振斌,陈辉蓉.人工湿地磷的去除研究[J].水生生物学报,2001,25(1):28-35.

[9] Gersberg RM, Elkins B V, Lyon S R,et al. Role of aquatic plants inwastewater treatment by artificial wetlands.Wat Res,1986,20(3):363-368

[10] 黄时达,杨有仪,冷冰，等.人工湿地植物处理污水的试验研究[J]. 四川环境，1995,14(3):5-7.

[11] LlU Lin, LlU Chaoxiang, ZHENG Jiayu，et al. Elimination of veterinary antibiotics and antibiotic resistance genes from swine wastewater in the vertical flow constructed wetlands[J].Chcmosphcrc, 2013，91(8):1088-1093.

[12] HUANG Xu，LIU Chaoxiang, LI Ke，et al. Performace of vertical up-flow constructed wetlands on swine wastewater containing tetracyclines and tet genes[J].Water Research，2015，70(70):109-117.

[13] 高士博. 潜流人工湿地去除毒死蜱、双酚A和4-壬基酚的研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[14] 丁雷.人工湿地的设计及净化养殖污水功能的研究[D].泰安：山东农业大学,2007.

Design of constructed wetland for purification of sewage of waterfowl breeding around drinking water sources

ZHANG Lingyi

(CollegeofWaterConservancyandEnergyEngineering，YangzhouUniversity，Yangzhou225000,China)

Waterfowl breeding is one of the advantage industry of animal husbandry in China. Along with the continuous expansion of waterfowl breeding, sewage of waterfowl breed industry discharge to the destruction of the ecological environment is worsening, and discharge of untreated sewage that the area around drinking water sources is polluted. Therefore, it is important to study the techniques and methods of constructed wetlands for purification of sewage of waterfowl breeding. This article analyzed the element of composition through to waterfowl breeding, then according to the composition of constructed to design constructed wetland, design content mainly includes the determination of wetland geometry, the choice of packing set, constructed wetland plant selection, design of seepage control and system operation five parts.

waterfowl breeding；drinking water source；sewage discharge；the water purification；design of constructed wetland

张玲一(1993-)，女，江苏句容人，硕士研究生，农业水土工程专业。E-mail:1009479266@qq.com。

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2096-0506(2017)06-0031-05