人工湿地系统在处理畜禽养殖废水中的应用

张 坤 张海珍 于文涛（黑龙江省农垦科学院测试化验中心 黑龙江 佳木斯 154007）

人工湿地系统在处理畜禽养殖废水中的应用

张 坤 张海珍 于文涛（黑龙江省农垦科学院测试化验中心 黑龙江 佳木斯 154007）

阐述了畜禽养殖废水的排放特征，同时综述了人工湿地系统发展历史及作用机理、基质和植物的选择等。并讨论了目前人工湿地系统在运行中存在的问题，为人工湿地系统处理畜禽养殖废水提供参考。

人工湿地系统；畜禽养殖；废水

随着我国居民生活水平的提高，对畜禽肉类的需求量逐年增大，畜禽养殖业得到了迅猛的发展。畜禽养殖特别是规模化畜禽养殖污染问题，已成为我国农村面源污染的主要来源。据环境保护部《第一次全国污染源普查公报》数据显示，畜禽养殖业粪便产生量2.43亿t，尿液产生量1.63亿t。畜禽养殖业主要水污染物排放量：化学需氧量排放量1268.26万t，总氮排放量102.48万t，总磷排放量16.04万t。畜禽养殖业水污染物中化学需氧量、总氮、总磷排放量占到农业源水污染物排放总量的95.78%、37.89%、56.34%。

这些废水中所含有的营养物质大量进入水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，导致水质恶化，是造成水体污染和富营养化的主要原因。但是畜禽养殖业做为一种高风险、低回报行业，适宜寻求一种经济、高效、实用的生态处理技术。人工湿地系统由于投资少，运行管理简单、无能耗、处理稳定持久等优势，适合在畜禽养殖场进行建设。

1 畜禽养殖废水排放特征

畜禽养殖废水主要由粪尿、残余饲料、栋舍地面冲洗水和养殖工人产生的生活污水组成。废水的产生量和水质特征与养殖种类、畜禽栋舍结构、生长周期、清粪方式、冲洗频次、生产管理水平等因素有关。各类养殖场废水中污染物浓度见表1。

由表1可知，畜禽养殖废水属于典型的中高浓度有机废水，其氨氮、总磷指标浓度较高。采用干式清粪工艺的畜禽养殖场，其废水产生量较少，污染物浓度较低。通常情况下猪场水冲粪工艺产生的污染物经固液分离后畜禽养殖废水中COD为9000-12000mg/L。

2 人工湿地系统历史及作用机理

世界上第一处用于处理废水的人工湿地于1903年在英国约克郡Earby建成，并持续运营到1992年。20世纪70年代由德国学者Kichunth提出根区法（the root-zone-method）理论之后，逐渐在世界各地受到重视并应用废水处理。经过几十年的演变和发展技术日趋成熟。在目前的废水自然处理系统中，人工湿地系统是技术较为成熟、应用较为广泛的一种处理系统。

人工湿地系统是指人为模拟自然湿地系统的结构和功能，在适宜的地形和地理位置，设计建造和控制运行的工程化湿地系统，主要组成部分为透水性基质、植物、脊椎或无脊椎动物、微生物群体、水体。在人工基质上种植特定的植物，微生物在植物根系上生长建立共生关系，形成一个开放的动植物生态系统。废水在湿地表面沿一定方向流动过程中，有机污染物被人工基质、植物根系、土壤阻挡截留，氨氮、总磷通过植物吸收和微生物降解而被去除。充分利用土壤、人工基质、植物、微生物群体的物理作用、化学作用、生物作用三者相互协同，最大限度的利用生物链条，进而实现对废水的高效净化。其作用机理包括硝化、反硝化、吸附滞留、过滤沉淀、微生物降解、植物吸收。

表1 各类畜禽养殖场废水中污染物浓度mg/L

3 人工湿地系统的类型

人工湿地系统按污水流动方式分为表面流人工湿地（SFW）、潜流式人工湿地（SFS）两类。表面流人工湿地在其四周筑有一定高度的固堤，水层厚度一般为0.3-0.5m。湿地中多种植芦苇等典型挺水型植物，也可适当种植浮水及沉水植物。废水缓慢流动进入湿地，在漫流过程中使废水与土壤、植物及植物根部的生物膜充分接触，进行一系列的物理、化学以及生物反应，废水在人工湿地中停留若干天后，得到净化后即可排出。

潜流式人工湿地是目前人工湿地的核心技术。潜流式人工湿地按流态特点分为垂直潜流式人工湿地和水平潜流式人工湿地。垂直流潜流式湿地又分为上行式和下行式，均具有完整的布水系统和集水系统，在下行式垂直潜流式人工湿地中，废水由湿地表面纵向进入基质床底部，在纵向流入的过程中废水依次通过不同的基质层。其基质床体始终处于不饱和状态，通过扩散作用和植物将氧气传输进入人工湿地系统，通过生物硝化-反硝化作用进行脱氮除磷，可用于处理氮磷含量高的污水。在水平潜流式人工湿地中，废水沿水平方向进行流动，依次通过砂石、基质、植物根系，以达到净化目的。其对有机物的处理能力较强，对BOD5、COD、重金属、悬浮物等污染指标的去除效果好。

4 人工湿地系统基质的选择

人工湿地系统中的基质又被称为填料，是由粒径规格不同的材料按一定厚度铺成的床体。其作用是为植物提供生长所需的载体，同时也是微生物形成以及物理、化学和生物协同作用的发生场所，常规的人工基质主要有土壤、粗砂、碎石、砾石、煤灰渣、碎瓦片、石英砂、硅灰石、火山岩、沸石中的一种或几种组成的混合物。不同人工基质的选择将在很大程度上影响人工湿地的使用寿命和废水中污染物的净化处理效果。应尽可能采用透水良好的颗粒物，使其具有良好的过滤性能。基质是人工湿地系统去除废水中CODcr和BOD5的主要途径，并能利用其吸附作用去除废水中的部分氨氮。朱夕珍等以石英砂、煤灰渣和高炉渣为基质构建人工湿地的结果表明：煤灰渣基质的人工湿地对有机污染物的处理效果最好，COD和BOD5的去除率分别达到71%-88%和80%-89%；高炉渣人工湿地的除磷效果最好，总磷去除率高达83%-90%；而石英砂人工湿地处理效果较差，COD、BOD5和TP的去除率分别为36%-49%、65%-75%和45%-55%。王岩等研究了土壤、蛭石、煤渣和碎石四种人工湿地基质不同组合净化养猪场污水的能力。结果表明：以上层蛭石土混合物、下层煤渣和碎石的组合处理效果最佳，14d内COD、NH3-N、TP的去除率分别达到了95.3%、90%、91.6%。

5 人工湿地系统植物的选择

人工湿地植物种类的选择是湿地系统设计的关键。湿地中的植物包括浮水植物、沉水植物和挺水植物，常见的水生植物有芦苇、美人蕉、香蒲、水葫芦、浮萍、睡莲等。挺水植物是人工湿地系统的重要组成部分，选择是否合理将影响到废水的最终处理效果。在选择水生植物时应优先选择较适应环境的本地品种，净化能力强、具有一定的耐污染能力、抗病虫害、年生长周期长的植物，不同种类植物在生长速度和对污染物的吸收能力上都有差异，因此几种植物混合配置对水质的净化效果优于一种植物。

人工湿地植物通过光合作用来为人工湿地系统提供能量来源。直接吸收利用废水中可利用的氮、磷等营养物质、富集重金属，为微生物提供附着的场所，促进微生物的繁殖；植物根系分泌物可促进嗜磷菌、氮细菌的生长，促进其对根际周围沉积氮磷的释放转化，同时输送氧气至根系，用于微生物的好氧呼吸；增大和维持水利传输效率。刘锐研究了人工湿地中不同的水生植物对污水的处理效果，研究表明以美人蕉为主要水生植物的人工湿地对河道中的COD、总氮、总磷、氨氮的平均去除率为57．58%、32．89%、55．15%、36.64%；芦苇分别为50.56%、29.88%、52.41%、32.57%。陈金发等以自然湿地中采集的梭鱼草和美人蕉为试材，在室外模拟条件下研究了这2种湿地植物组合在高浓度畜禽废水条件下的净化作用及植物生理变化。研究表明：以梭鱼草和美人蕉的搭配组合对高浓度畜禽废水的COD去除率为86.17%-92.98%。

6 小结

人工湿地系统是一种极具应用潜力并符合生态学原理的废水处理工艺，可实现资源的综合利用。对有机物、氮磷均具有较高的去除效率，符合畜禽养殖废水高氮、高有机物、高磷、间歇性排放的特点，同时畜禽养殖场一般建造在中小城镇和农村，可以克服其占用土地面积较大的缺点，但我国幅员面积辽阔，南北方气候差异显著，人工湿地系统净化功能受自然条件影响显著，因此，需根据不同的气候条件，选择适合的人工湿地构造及人工湿地植物，可以减少环境因素对人工湿地净化能力的影响。

〔1〕中华人民共和国环境部．公告2010年第13号．关于发布《第一次全国污染源普查公报》的公告〔R/OL〕.（2010-02-06）.

〔2〕张华，陈晓东，常文越，张帆，袁英兰，邢峰．畜禽养殖污水生态处理及资源化利用方式的探讨〔J〕.环境保护科学，2007，33（3）：38-40.

〔3〕冷庚，但德忠.畜禽废水处理技术及其应用进展〔J〕.四川环境，2009，28（1）：68-71.

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

〔5〕朱夕珍，崔理华，温晓露等.不同基质垂直流人工湿地对城市污水的净化效果〔J〕.农业环境科学学报，2003，22（4）：454-457.

〔6〕王岩，王克科，赵颖等.模拟潜流人工湿地处理猪场废水的实验研究〔J〕.农业工程学报，2006，22（2）：260-263.

〔7〕刘锐．表面流人工湿地和强化生态塘组合工艺净化市区河水研究［D］．哈尔滨工业大学，2012.

〔8〕陈金发.美人蕉＋梭鱼草人工湿地植物组合处理高浓度畜禽废水的净化效应和生理响应研究〔J〕.北方园艺，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

张坤（1981-），男，硕士，工程师，从事环境监测工作。