飲用水源周邊水禽養(yǎng)殖污水凈化人工濕地的設計

張玲一

(揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225000)

飲用水源周邊水禽養(yǎng)殖污水凈化人工濕地的設計

張玲一

(揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225000)

水禽養(yǎng)殖是中國畜牧業(yè)的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一。隨著水禽養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，水禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的污水排放對生態(tài)環(huán)境的破壞日益加劇，未經(jīng)處理排放的污水使得周圍地區(qū)的飲用水源受到污染。因此，研究人工濕地對水禽養(yǎng)殖污水凈化處理技術和設計方法具有重要意義。本文通過對水禽養(yǎng)殖排放污水的成分分析，進行人工濕地的設計，設計內容主要包括濕地幾何尺寸的確定、填料的選擇設置、植物選擇、防滲設計，以及系統(tǒng)運行五個部分。

水禽養(yǎng)殖；飲用水源；污水排放；水質凈化；人工濕地設計

近年來，隨著水禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐年增加，以及水禽產(chǎn)業(yè)組織和經(jīng)營模式的轉變，帶來了一系列環(huán)境問題，未經(jīng)處理排放的污水使得局部地區(qū)的水資源受到污染，不僅直接影響到了水禽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且對周圍的生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的破壞。

水禽養(yǎng)殖過程中所產(chǎn)生的污染物主要有水禽糞便、尿液、飼料殘余物、沖洗養(yǎng)殖場地的污水、雨水沖刷后的污水、青貯飼料的流失、水禽動物的死尸、殺蟲劑以及抗生素等。其中，對水環(huán)境影響最大的是水禽排泄物[1]。排泄物中含有高濃度的化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)及懸浮物(SS)等污染物[2]，除了以上常見的5種污染物外，還有用于降低養(yǎng)殖發(fā)病風險而使用的殘留抗生素，以及在夏秋季節(jié)抵抗各種吸血蟲所使用的殺蟲劑。

對于1萬～5萬只中等規(guī)模的肉鴨養(yǎng)殖場，日排污水量20～100 m3左右；對于5萬～10萬只的大型規(guī)模的肉鴨養(yǎng)殖場，日排污水量100～200 m3。對于日排污水量較少的水禽養(yǎng)殖場，可以采用表面流人工濕地凈化污水，這種人工濕地處理能力低、效率低，但運行費用也低，操作簡單；對于日排污水量較大的水禽養(yǎng)殖場，可采用水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地凈化污水，這兩種人工濕地處理能力較高，但投資費用較高，尤其是垂直潛流人工濕地系統(tǒng)相對復雜、投資高于其他兩種濕地[3]。

本文首先根據(jù)水禽養(yǎng)殖場的規(guī)模以及日排污水量確定人工濕地的類型，然后根據(jù)水禽養(yǎng)殖場污染物的成分、人工濕地的進出口水質，對濕地進行具體設計。很多學者已經(jīng)去思考如何降低水禽養(yǎng)殖對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負影響[3-5]，但大多通過改變養(yǎng)殖方式。與之不同的是，本文使用人工濕地直接對排放污水進行凈化處理，使得凈化后的污水能夠達到飲用水源收納污水的標準。我國針對規(guī)模化養(yǎng)豬、養(yǎng)雞、養(yǎng)牛場污水處理做了大量工作，但對水禽養(yǎng)殖的污水處理研究較少，對于能夠達到飲用水源收納污水標準的處理研究更少。

1 人工濕地設計

本文主要討論中等規(guī)模的肉鴨養(yǎng)殖場，肉鴨養(yǎng)殖場是水禽養(yǎng)殖中需要水源最多并且污染水體程度最高的一種水禽。因此，研究肉鴨養(yǎng)殖污水處理的人工濕地設計方法，對于水禽養(yǎng)殖污水處理人工濕地的設計具有代表性的意義。

學者鄭杰[2]調查了5個中等規(guī)模的肉鴨場，養(yǎng)殖規(guī)模均在3.5萬～4萬只，均采用水泥地面養(yǎng)殖方式，糞污采用水沖式清糞且污水基本未經(jīng)處理直接排入附近河流，鴨場日排污水量達到80 m3。因此，本文設計的人工濕地針對中等規(guī)模(4萬只)的肉鴨養(yǎng)殖場，數(shù)據(jù)資料來自參考文獻[2]，人工濕地類型采用水平潛流人工濕地。水平潛流人工濕地相比于表面流人工濕地具有較高的凈化能力，并且投資費用低于垂直潛流人工濕地，所以該規(guī)模下的肉鴨養(yǎng)殖場適宜選用水平潛流人工濕地。

1.1 污水處理條件

此文設計的人工濕地適用于飲用水源周邊的水禽養(yǎng)殖場，經(jīng)過人工濕地凈化處理的污水能夠達到飲用水源收納污水的標準，滿足《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)中規(guī)定的一級排放標準。

使用人工濕地對污水進行凈化處理之前，首先對水禽排放污水水質進行檢測，檢測常見的5種COD、BOD5、NH3-N、SS、TP的濃度。參考文獻[2]的5個肉鴨場的出口水質指標如表1所示。判斷出口水質濃度是否滿足《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》(HJ 2005—2010)的人工濕地系統(tǒng)進水水質要求，見表2。首先，判斷懸浮物(SS)濃度是否大于100 mg/L時，如果大于，則需要設置沉淀池。其次，判斷化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)的濃度是否滿足要求，如果不滿足，則需要采取一定措施對污水進行稀釋，在污水中兌入清水進行攪拌稀釋，使得進入人工濕地系統(tǒng)的水質滿足要求，見表2。

表1 參考文獻[2]的鴨場污水總排出口水質指標 mg/L

表2 人工濕地系統(tǒng)進水水質要求 mg/L

1.2 濕地幾何尺寸的確定及復核

在設計濕地的幾何尺寸時需要先確定以下三個參數(shù)：

(1)污染物濃度的確定。人工濕地面積的確定需要已知肉鴨養(yǎng)殖場污水總排出口的BOD5濃度，即人工濕地進水水質中BOD5的濃度。本設計BOD5的濃度滿足進水水質要求的最大濃度80 mg/L。

(2)濕地出水水質確定。濕地出水水質應根據(jù)實際情況來考慮，本次設計針對飲用水源周邊的養(yǎng)殖場，因此需要達到飲用水源納污標準。出水水質參考《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)中規(guī)定的一級排放標準，如表3所示。

表3 《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)中規(guī)定的一級排放標準 mg/L

(3)濕地污染面積負荷的確定。《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》(HJ 2005-2010)指出，人工濕地的主要設計參數(shù)，宜根據(jù)試驗資料確定，無試驗資料時，可采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)或按表4確定。人工濕地面積應按BOD5表面有機負荷確定，同時應滿足水力負荷的要求。

表4 人工濕地的主要設計參數(shù)

1.2.1 人工濕地面積的確定

人工濕地面積應按五日生化需氧量表面有機負荷確定，同時應滿足水力負荷的要求。人工濕地面積按式(1)確定。

A=Q×(C0-Ce)/q

(1)

式中：A為人工濕地面積，m2；Q為人工濕地設計水量，m3/d；C0為進水BOD5濃度，mg/L；Ce為出水BOD5濃度，mg/L；q為BOD5面積負荷，g/(m2·d)。

本設計Q取80 m3/d、C0取80 mg/L、Ce取20 mg/L、BOD5負荷取100 kg/(hm2·d)=10 g/(m2·d)，則人工濕地面積A=80×(80-20)/10=480 m2。水平潛流人工濕地的幾何尺寸設計滿足《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》(HJ 2005-2010)，應符合下列要求：①水平潛流人工濕地單元的面積宜小于800 m2；②潛流人工濕地單元的長寬比宜控制在3∶1以下；③潛流人工濕地單元的長度宜為20～50 m；④潛流人工濕地水深宜為0.4～1.6 m；⑤潛流人工濕地的水力坡度宜為0.5%～1%。

因此，該水平潛流人工濕地的幾何尺寸設計為：①面積480 m2；②長40 m、寬12 m；③水深的設計參照人工濕地植物的選擇，設計水深0.8 m；④水力坡度5%。

1.2.2 水力負荷的復核

人工濕地水力負荷按式(2)計算。

u=Q/A

(2)

式中：u為水力負荷，m3/(m2·d)；A為人工濕地面積，m2；Q為人工濕地設計水量，m3/d。

由(1)計算得出水平潛流人工濕地面積480 m2，人工濕地設計水量80 m3/d，濕地的水力負荷u=80/480=0.167，滿足水力負荷小于0.5的要求。本規(guī)模下的肉鴨養(yǎng)殖場占地面積480 m2，不需要由多個濕地單元組成。如果水禽養(yǎng)殖場規(guī)模較大并且日排污水量較多時，并且計算所需要的濕地面積較大時，則需要幾個人工濕地單元組成人工濕地。此時，需要考慮水禽養(yǎng)殖場附近的空曠面積，若水禽養(yǎng)殖場附近空曠面積較大時，可采用串聯(lián)式，水流依次經(jīng)過人工濕地處理池；若水禽養(yǎng)殖場空曠面積較小時，可采用單一式人工濕地進行回流，回流多次，依舊達到相同的處理效果。如圖1、圖2所示。

圖1 串聯(lián)式人工濕地推流

圖2 單一式人工濕地回流

1.2.3 水力停留時間的復核

人工濕地水力停留時間按式(3)計算。

T=Ahε/Q

(3)

式中：T為水力停留時間，d；A為人工濕地面積，m2；h為人工濕地含水層深度，m；ε為人工濕地孔隙率，%；Q為人工濕地設計水量，m3/d。

人工濕地的含水層深度因不同生物而異，燈心草采用75 cm，蘆葦采用60 cm。因此，此次人工濕地的深度設計根據(jù)具體植物的選擇而設計，本次設計值為0.8 m。人工濕地孔隙率按40%計算，水力停留時間T=480×0.8×40%/80=1.92 d，滿足1～3 d的水力停留時間要求。

1.3 填料的選擇設置

在設計人工濕地前，首先要篩選對污染物去除能力強的當?shù)夭牧献鳛槿斯竦氐幕|。對于水平潛流人工濕地，在進水區(qū)沿水流方向鋪設粒徑從大到小的填料顆粒(建議為16～6 mm)，這樣可以降低填料的堵塞幾率，從而增加人工濕地的運行周期。在出水區(qū)，選擇粒徑較大的填料顆粒(建議為8～16 mm)，使?jié)竦鼐鶆蚺潘甗1]。本次設計選取直徑10 mm的碎石鋪于防滲層之上；緊接著鋪設直徑為5 mm的細沸石，細沸石對N的吸附能力極強；最后面鋪設粗砂石，滿足粒徑從大到小的變化。濾料層上鋪設覆蓋層，覆蓋層上種植植物，根據(jù)《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》(HJ 2005-2010)確定種植土壤的質地為松軟黏土-壤土，土壤厚度宜為20～40 cm。覆蓋層要求不影響氣體交換，并且不能讓固體顆粒進入濾料層。人工濕地填料能為植物和微生物提供良好的生物環(huán)境。如圖3所示。水平潛流人工濕地設計一定的坡度5%，使水流能夠利用自重從進口流向出口。

圖3 人工濕地剖面圖 (引用文獻[1])

1.4 人工濕地的植物選擇

植物是人工濕地的重要組成部分，在人工濕地凈化污水中有著重要的作用。植物能提高人工濕地的滲透率，增加停留時間，延長污水與植物根表或基質的接觸時間，從而提高對污染物的凈化能力[6]。

N、P是植物在人工濕地的生長和繁殖中需要大量吸入的營養(yǎng)元素。研究表明[7]，濕地對N的吸收量為0.03～0.3 g/(m2·d)，對P的吸收量為1.8～18 g/(m2·d)。池杉、水蔥、茭白、菖蒲、水燭、燈心草等去除N、P的效果比較明顯[8]。Gerberg等作了不同高等水生植物人工濕地凈化城鎮(zhèn)綜合污水的研究[9]，發(fā)現(xiàn)進水中氨氮的濃度為24.7 mg/L時，經(jīng)過藨草、蘆葦和寬葉香蒲三種單一植物的人工濕地處理后，出水氨氮濃度分別為1.4 mg/L、5.3 mg/L和7.7 mg/L，藨草、蘆葦對污水中氨氮的去除能力明顯高于香蒲；從三塊濕地對污水中BOD5的去除效果來看，藨草(去除率96%)優(yōu)于蘆葦(81%)和寬葉香蒲(74%)這三種植物的出水BOD5濃度為5.3～30.4 mg/L，優(yōu)于或等效于常規(guī)一級水處理出水質量標準(30 mg/L)。黃時達[10]等比較了蘆葦、燈心草和香蒲三種植物的污染凈化能力，結果發(fā)現(xiàn)燈心草去污能力最強，COD的去除率達到42%～46%。在考慮作物去污能力的同時，作物的經(jīng)濟價值也需要兼顧。

目前，人工濕地對抗生素的去除機制還不是很清楚，吸附是人工濕地去除抗生素的主要途徑，同時植物在抗生素的去除上也起到一定作用[11]。蘆葦收割后，人工濕地表層土壤中抗生素含量會減少，因此濕地植物在抗生素的轉移和降解中起重要作用[12]。高士博[13]在他的研究中模擬了8套潛流裝置用來考察水生植物對微污染物凈化的影響，發(fā)現(xiàn)蘆葦能夠對毒死蜱農(nóng)藥有一定的去除率。因此，對殺蟲劑的去除需要依靠濕地中的水生植物。

本文設計的水平潛流人工濕地采用多種植物混種，前級蘆葦、中間燈心草、后級藨草，提高系統(tǒng)的總體凈化能力。植物播種時間為春季，播種時需要嚴格控制種植密度。根據(jù)植物的生長周期，適時的進行更換。

1.5 防滲設計

為了防止污染地下水，要求在施工時盡量保持原土層，并在原土層上設置防滲層。采用厚度大于1.0 mm的高密度聚乙烯樹脂，或油毛氈封鋪墊等。為防止床體填料尖角對薄膜的損壞，塑料薄膜兩側應襯墊土工布，施工時再在上面預鋪一層細沙[1]。

1.6 系統(tǒng)運行

人工濕地的污水處理系統(tǒng)采用直徑為40 mm的PVC管進水，40 mm的PVC管出水。進水方式采用間歇式進水，既可以使水流均勻分布，又可以充分利用濕地表面和體積，制造充氧條件，有利于實地中的有氧呼吸及硝化作用[14]。通常情況下日進水2～3次，具體視情況而定。

采用人工濕地處理水禽養(yǎng)殖場污水，不僅是因為人工濕地是一種生態(tài)污水凈化方法，而且人工濕地的建設成本與運行費用都比較低廉。人工濕地的工程建設投資是城市污水處理廠建設費用的1/3，而理論上可能達到1/8～1/10。人工濕地的植物幾乎是多年生的草本植物，有些植物具有較高的經(jīng)濟價值，可以增加收入，抵補運行費用[1]。

2 結 論

通過對水禽養(yǎng)殖場的污水成分分析，進行人工濕地的設計，使得經(jīng)過凈化的污水滿足飲用水源納污標準。人工濕地在進行污水凈化處理過程中，能夠讓污水在濕地系統(tǒng)中充分利用填料表面的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料的截留作用，實現(xiàn)生態(tài)循環(huán)，減少對外界環(huán)境的影響[1]。因此，人工濕地對飲用水源周邊水禽養(yǎng)殖污水的凈化處理符合低碳經(jīng)濟的發(fā)展要求。本文對飲用水源周邊水禽養(yǎng)殖場進行人工濕地的設計具有較強的實用意義。

但是，由于人工濕地是凈化水禽養(yǎng)殖場污水的一種新方法，仍處于探索階段，有關濕地建造、運行方面的數(shù)據(jù)不足，因此系統(tǒng)設計構造、運行效果等方面還有待進一步研究。目前的設計基本是憑借規(guī)范，理論性的進行設計，缺乏實踐性的實施，更多問題和細節(jié)有待進一步的發(fā)現(xiàn)和改進。

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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

張玲一(1993-)，女，江蘇句容人，碩士研究生，農(nóng)業(yè)水土工程專業(yè)。E-mail:1009479266@qq.com。

X703

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2096-0506(2017)06-0031-05