人工湿地处理畜禽养殖废水研究初探

刘长娥，周胜，程彬彬*，原源

(上海市农业科学院a农业科技信息研究所，上海 201403；b生态环境保护研究所，上海 201403；c上海低碳农业工程技术研究中心，上海 201415)

畜禽养殖废水主要指猪场养殖废水和奶牛场养殖废水，包括尿液和粪便残留、冲洗圈舍粪便的冲洗水、清洁设施设备用水、工人生产生活用水，以及冲刷养殖场的雨水等，畜禽废水中含有大量悬浮物、氨氮、致病菌、重金属元素、兽药残留物等，其污染具有长期性和不可逆性。近年来，伴随着生猪市场的需求，生猪生产的区域化、规模化和集约化水平不断提高，大量的养殖类废水处理和排放成为一大问题。另外，我国农村还存在大量的分散式畜禽养殖，进一步加重了畜禽养殖废水的处理负荷。由于我国畜禽废水的资源化利用率较低，废水得不到有效及时处理，不仅造成了河流湖泊和地下水的污染，而且导致农村生态环境的恶化，对人们的身心健康造成极大的威胁。畜禽养殖污染已成为继工业污染、生活污染之后的第3大污染源，成为农村面源污染的重灾区[1-3]。

人工湿地是一种技术成熟的自然生态污水处理工艺，主要依靠基质的吸附交换、基质与表面附着微生物的协作、植物的摄取、微生物的代谢，以及植物与根际微生物的共生等机制实现对污染水的净化。具有投资少、设计施工方便、运行费用低、维护操作简单等优势，目前已成为我国农村地区广泛应用的一种污水处理技术[4-7]。

华东是我国畜禽养殖大区，担负着六省一市艰巨的肉类供应责任，生态环境保护和养殖规模增长的矛盾日益加剧，为加快推进乡村振兴战略的实施和美丽乡村建设的发展，畜禽养殖污染控制与资源化利用是近期的一项重要任务，合理利用与净化处理畜禽养殖粪污是绿色发展的需求，也是开展生态宜居美丽乡村建设的重要工作。为了深入了解畜禽养殖废水的有效处理方法与技术，对人工湿地类型和植物进行初步研究，探析高效人工湿地处理技术，提高人工湿地对畜禽养殖废水的去除效果，实现畜禽养殖废水的及时有效处置，改善我国生态环境，同时也为相关工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 水生植物

本试验选取常见挺水植物芦苇(Phragmitescommunis)、茭草(Zizaniacaduciflora)、美人蕉(Cannaindica)和黄菖蒲(Irispseudacorus)作为研究对象。

1.1.2 畜禽养殖废水

试验用猪场养殖废水取自上海市农业科学院养猪场，TN(总氮)浓度为700～1 000 mg·L-1。

1.2 处理设计

1.2.1 湿地植物筛选

模拟湿地植物自然生长状态，建立不同处理水生植物小区，每个小区面积约35 m2，种植密度为4株丛·m-2，每个品种设置年末收割与不收割2个处理，每个处理定期施入相同量的猪场养殖废水，维持一定的营养水平，试验持续3年。分别从植物的生长强度、再生能力和氮磷积累量方面进行考察，其中，生长强度主要观测移栽当年与3年后植物生长指标变化；再生能力综合考察不同茬次再生植株生长指标变化；氮磷积累量主要测定4种植物地上部分的氮磷总量。

1.2.2 湿地类型筛选

利用试验区域内建立的芦苇-砾石垂直渗透流、芦苇-沸石垂直渗透流和芦苇-砾石水平潜流人工湿地进行相关试验。试验用水将猪场养殖废水稀释，过滤去除杂质，保持进水TN浓度为 40～50 mg·L-1。试验分别在春、夏、秋、冬季进行，每个季节连续运行1个月，最后取其平均值，对比3种湿地污染物去除速度，筛选去除效能较高的湿地类型。

1.3 性状测量与样品采集

1.3.1 植物

每个小区设置3个固定样方，面积1 m2，植物生长季，每月定期对样方内植物的分蘖和株丛高进行测量。10月下旬植物枯黄前对收割处理水生植物的地上部分进行取样，齐地面刈割，重复3次。分别对应挂上相应处理的植物名称，按一定长度捆绑放入105 ℃烘箱，杀青15 min，然后调整为80 ℃烘箱中烘干至恒量，换算为单位面积植物地上部分的生物量，将烘干后的植物样品粉碎，送实验室进行TN、TP(总磷)的测定。

收割后的植物次年再生后，定期进行分蘖和株丛高的测量。

1.3.2 湿地水

湿地运行期间，每周取样2次，分别为每个湿地的进水与出水，分别装瓶编号，放入冰箱，随时带回实验室进行检测。

1.4 样品测定

1.5 数据分析与计算

将不同处理数据进行统计分析，采用平均值。其中:生长强度主要考察植物随年限增加生长的变化；再生能力采用再生率表达，再生能力=[再生构件(分蘖或株丛高)/原生构件(分蘖或株丛高)]×100%；植物氮磷积累量(mg·m-2)=植物氮磷浓度(mg·g-1)×植物生物量(g·m-2)；污染物去除速度(g·m-2·d-1)=进水污染负荷(g·m-2·d-1)-出水污染负荷(g·m-2·d-1)。

2 结果与分析

2.1 湿地植物筛选

为维持湿地植物良好的生长状态，防止随使用年限的增长，出现湿地植物退化，保证湿地高效良好运行，选取生长强度、再生能力、养分吸收能力作为考察指标，对湿地植物进行筛选。

2.1.1 生长强度

从株丛高度考察，无论是移栽当年还是3年以后，4种植物中芦苇均显示出明显的优势，尤其是随着生长时间的延长，株丛高愈加突出(图1)。从分蘖看，移栽当年茭草具有较高的分蘖能力，但是随着生长年限的增加，分蘖能力急剧下降，其他3种植物的分蘖能力不断增加，以黄菖蒲和芦苇增加幅度较大。

图1 不同年限植物株丛高、丛分蘖数的比较

综合而言，黄菖蒲、美人蕉和芦苇均显示出随年限增加健康生长的潜力，其中，以芦苇表现最优，具有较高的生长强度。

2.1.2 再生能力

收割后次年4种植物均再生，头茬株高再生率以黄菖蒲和芦苇较高，基本恢复至原生状态，茭草再生植株长势较慢。二茬芦苇和茭草株高显示出优势，尤其是芦苇再生株高率近乎原生的3倍(图2)。收割对于分蘖也有影响，茭草和芦苇无论是头茬还是二茬均表现出较高的再生优势，在某种程度表明，收割有利于促进禾本科植物的生长。

图2 不同茬次植物再生率的比较

2.1.3 养分吸收能力

植物养分吸收能力受其本身养分含量和生物量的影响，生物量高的植物通常能够摄取更多的养分，芦苇具有较高的吸收氮能力，其单位面积氮的摄取量远高于其他3种植物，但其对磷的吸收能力相对较弱。美人蕉具有较高的磷摄取能力(图3)。

图3 植物养分吸收能力的比较

综合以上分析，从植物的生长强度、再生能力、养分吸收能力综合考察，芦苇显示出明显的优势，具有持续健康的生长潜力及较高的氮吸收能力。

植物在人工湿地系统中发挥作用的前提是能够耐受高污染浓度的畜禽养殖废水。有研究表明，芦苇对于畜禽养殖废水的胁迫具有超强的抗逆性和耐受性，芦苇湿地对污水中的氮的净化效果十分明显，平均去除率可达80%以上。高浓度畜禽养殖废水的胁迫可促使人工湿地中的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，可作为人工湿地处理畜禽养殖废水的主要植物[4-10]。

2.2 湿地类型筛选

表1 不同湿地类型对畜禽废水污染物的去除速度

垂直潜流人工湿地对污染物的去除速度高于水平潜流，主要原因是垂直流人工湿地污水从湿地表面垂直流过基质床的底部或从底部垂直向上流向表面，溶解氧水平较高，湿地布水方式有利于污水与湿地内部填料全面接触，其硝化能力强，更有利于污染物的去除[11-14]。

3 讨论与展望

3.1 讨论

人工湿地处理畜禽废水研究中，有关湿地植物的筛选和湿地类型的应用是普遍被关注的问题。植物直接作用对废水中污染物的去除效果说法不一，有人认为，通过植物地上部分所吸收的TN和TP仅占人工湿地系统TN和TP去除量的0.3%～14.1%，也有人认为，占50%～90%。这其中受植物种类和生长习性、收割频率、供试污水的污染物浓度、水力停留时间等因素影响[15-17]，除了直接作用、植物的间接作用对污染物的去除影响较大，植物根系可以连续分泌有机化合物，微生物利用这些有机化合物，在植物根际间形成丰富的微生物群落，促进硝化与反硝化的进行。目前，已在畜禽养殖废水处理应用且效果良好的植物有许多种，包括芦苇、美人蕉、梭鱼草、黑麦草、尖尾芋等[18-20]，其中，芦苇是处理畜禽养殖废水普遍采用的湿地植物。

垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地是畜禽养殖废水研究和应用较多的湿地类型，前者具有较高的硝化能力，后者具有较高的反硝化能力，实际应用中通常将两种类型湿地进行组合，以增强人工湿地污染去除效能。

人工湿地处理畜禽废水效果的有效性已经得到了各种研究的证明，由于畜禽养殖废水属于高浓度有机废水，并且含有大量的悬浮物和一些粪便残渣，因此，在利用人工湿地处理时，要经过预处理。目前的预处理主要利用分离格栅池、沉淀池等，去除大颗粒悬浮物、杂质和泥沙等，这些固体废物则可以作为有机复合肥的原料。

预处理后的污水利用人工湿地再进行深度处理，从目前已有的工程实践来看，人工湿地的长期运行尚缺少安全保障，利用人工湿地处理污水的过程中，随着利用时间的延长普遍存在着湿地系统堵塞、植物生长衰退等现象，从而影响了人工湿地污水处理能力，限制了其处理效果的长效性。四川农业大学研发了一款组合型畜禽废水处理装置，包括蓄水池、蚯蚓生态滤池和人工湿地。将物理过滤、有机物分解转化、生态净化、生物降解、吸附吸收等功能结合为一体，可以有效减轻湿地堵塞，促进了生态的可持续发展，对环境保护起促进作用。

3.2 展望

随着资源短缺和生态环境恶化的日趋严重，畜禽粪污的资源化利用与生态净化处理愈加凸显出其重要性。当前对固体粪污资源化利用率已经趋于提高，但其污水在处理过程中仍存在湿地植物处置困难、湿地综合利用水平低、缺乏长期高效运行机制等突出问题。

畜禽养殖粪污本身含有农作物所需营养，在今后利用湿地系统处理畜禽废水中，充分开发解决湿地堵塞与畜禽废水以及植物资源化利用的研究将是一个较好的发展方向。包括培育适宜湿地污染环境的蚯蚓种类、具有高生长强度的水生蔬菜、水生花卉等湿地植物，以及一些高效微生物种类，达到畜禽养殖环境与经济可持续协调发展的目标。

常雅军等[21]利用畜禽养殖废水规模化生产水芹，水芹产品进行农药残留和重金属含量检测符合食品安全国家标准，同时畜禽养殖废水也达到了国家地表水排放标准，可循环至养殖场再利用，实现污染水中营养元素的最大化吸收与利用，使其纳入良性循环，促进资源化利用。

微藻是一种在自然界广泛存在且具有光合效率高、生长周期短、经济价值高等特点的微生物，微藻培养的废水处理技术不仅能够解决畜禽养殖业的环境污染问题，还能利用废水中的营养元素生产高附加值的生物质产品。未来加大高效藻种的筛选和开发力度，针对不同类型废水开发出对应的复合藻-菌剂产品，同时进一步开拓下游产品的研发，实现畜禽养殖废水到生物质产品的转变，形成绿色循环的产业链[22 ]，推动绿色产业发展。