太陽(yáng)能曝氣強(qiáng)化人工濕地對(duì)養(yǎng)豬廢水的凈化效果

吳薇 陳樹(shù)磊 劉建華

摘要 [目的]研究太陽(yáng)能曝氣強(qiáng)化人工濕地對(duì)養(yǎng)豬廢水的凈化效果。[方法]采用人工濕地工藝處理技術(shù)，研究“調(diào)節(jié)池→曝氣溝→垂直流人工濕地”系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)豬廢水中氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODCr）的去除效果。[結(jié)果]太陽(yáng)能曝氣強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)豬廢水中NH3-N、TP、CODCr的去除效果較好，達(dá)到了預(yù)期目的。[結(jié)論]該工藝能使工程化處理養(yǎng)豬廢水達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞 太陽(yáng)能曝氣;人工濕地;養(yǎng)豬廢水;凈化效果

中圖分類號(hào) X 713 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）12-0067-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.019

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract [Objective]To study the purification effects of pig wastewater by solar aerated vertical subsurface flow constructed wetlands.[Method]Using artificial wetland treatment technology，we studied the removal efficiency of NH3N，TP，CODCr by water regulating tank→aeration ditch→vertical flow constructed wetland system.[Result]The removal efficiency of NH3N，TP，CODCr by solar aerated vertical subsurface flow constructed wetlands reached the expected goals.[Conclusion]This process can meet the national standards for engineering treatment of pig wastewater.

Key words Solar aeration technology;Constructed wetland;Pig wastewater;Purification effect

生態(tài)養(yǎng)豬場(chǎng)要求具有環(huán)境優(yōu)美、光照適度、水質(zhì)良好、水源充足等特點(diǎn)，因此背風(fēng)向陽(yáng)、地勢(shì)高而干燥、土地充裕的偏遠(yuǎn)幽靜山谷成為最佳選擇。考慮到周?chē)h(huán)境對(duì)糞污的容納能力以及豬場(chǎng)選址遠(yuǎn)離市區(qū)導(dǎo)致廢水無(wú)法納管，需要因地制宜，對(duì)養(yǎng)豬廢水中較高的BOD5、CODCr及NH3-N和TP等進(jìn)行處理后，才能排放。

人工濕地具有良好的脫氮除磷能力[1-2]，且能夠因地制宜在養(yǎng)殖區(qū)域附近搭建[3-7]。以強(qiáng)化人工濕地為核心，構(gòu)建生態(tài)修復(fù)與水質(zhì)凈化組合工藝，通過(guò)增氧技術(shù)[8]，提高系統(tǒng)溶解氧（DO）水平、碳源利用效率，強(qiáng)化微生物硝化和反硝化作用，提高有機(jī)物、氨氮和總氮去除效果，通過(guò)本土植物配置技術(shù)，利用人工濕地和植物生長(zhǎng)等綜合作用，強(qiáng)化運(yùn)行效果，從而提高氨氮和有機(jī)物等污染因子的去除率。

太陽(yáng)能曝氣機(jī)是一種利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能直接驅(qū)動(dòng)曝氣設(shè)備，通過(guò)在水體中曝氣增氧達(dá)到污染治理的水體循環(huán)設(shè)備[9-13]。該設(shè)備具有流量大抗堵塞、增氧效果好、運(yùn)行管理費(fèi)用低等特點(diǎn)，非常適用于供氧條件不足的河道、湖泊、氧化塘以及人工湖庫(kù)等水體。

筆者以河南省平頂山市某養(yǎng)豬場(chǎng)污水為主要研究對(duì)象，針對(duì)豬場(chǎng)污水氨氮（NH3-N）、總磷（TP）和化學(xué)需氧量（CODCr）濃度高等特點(diǎn)，通過(guò)“調(diào)節(jié)池→曝氣溝→垂直流人工濕地”工藝，探討太陽(yáng)能曝氣強(qiáng)化人工濕地對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮、總磷和化學(xué)需氧量的去除效果，為分散式生態(tài)養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確定最佳運(yùn)行參數(shù)，以期為該工藝在工程中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 太陽(yáng)能曝氣裝置。GL-HB750型儲(chǔ)能式太陽(yáng)能增氧曝氣機(jī)（南京古藍(lán)環(huán)保設(shè)備實(shí)業(yè)有限公司），沉水安裝于水深0.6 m，增氧能力1.2 kg/h，有效曝氣面積4.0 m×1.5 m×1.0 m。

1.1.2 采集與馴養(yǎng)。試驗(yàn)所用水花生、蘆葦?shù)炔勺云巾斏绞心成鷳B(tài)養(yǎng)豬場(chǎng)排水溝附近;采集后培養(yǎng)馴化增加其適應(yīng)性，生長(zhǎng)穩(wěn)定后進(jìn)行養(yǎng)豬廢水凈化試驗(yàn)。

1.1.3 水質(zhì)參數(shù)。養(yǎng)殖廢水污染物濃度見(jiàn)表1。國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)為《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596—2001）。

1.1.4 人工濕地系統(tǒng)。凈化系統(tǒng)流程：收集調(diào)節(jié)池→曝氣溝→垂直流人工濕地。

人工濕地結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.2 方法

先將養(yǎng)豬廢水收集在調(diào)節(jié)池（6.0 m×4.0 m×3.0 m）中，靜置沉砂，上清液流經(jīng)4.0 m×1.5 m×1.0 m的曝氣溝，進(jìn)行太陽(yáng)能曝氣，然后進(jìn)入垂直流人工濕地（6.0 m×4.0 m×3.0 m）。

人工濕地水力負(fù)荷約為0.31 m3/（m2·d），濕地填料床層深度為1.0 m，有效水深0.9 m，礫石填料粒徑1～5 cm，填料總約210 m3。為防滲，先將300 mm 厚黏土夯實(shí)，再用100 g 防滲土工膜鋪設(shè)（防滲系數(shù)<0.25 mm/h），最后用200 mm 厚黏土夯實(shí)。濕地種植植物為蘆葦、水花生等本土挺水植物。人工濕地尺寸為22.0 m×10.0 m×1.2 m，采用磚混結(jié)構(gòu)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

水樣中的氨氮（NH3-N）測(cè)定采用納氏試劑分光光度法（HJ535—2009）;總磷（TP）測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）;化學(xué)需氧量（CODCr）測(cè)定采用重鉻酸鹽法（HJ 828—2017）。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)養(yǎng)殖廢水中NH3-N去除效果

從圖2可以看出，在5月1日—8月15日期間，太陽(yáng)能曝氣強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)能有效去除NH3-N。6月15日的去除率最高，為85.5%，6月1日的去除率最低，僅62.9%，此時(shí)的出水NH3-N為78 mg/L，仍然滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)運(yùn)行區(qū)間的人工濕地系統(tǒng)，出水NH3-N都達(dá)到了《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596—2001）中低于80 mg/L的NH3-N排放要求。

該系統(tǒng)采用白天曝氣的間歇運(yùn)行方式，在濕地內(nèi)部營(yíng)造了一種好氧和缺氧交替的環(huán)境，分別促進(jìn)好氧硝化和缺氧反硝化作用從而強(qiáng)化了脫氮效果。

研究表明，氨氮硝化、氨揮發(fā)、植物吸收及基質(zhì)吸附等是濕地中氨氮去除的途徑，其中硝化作用是氨氮去除的主要途徑，而植物吸收、基質(zhì)吸附和自身?yè)]發(fā)對(duì)氨氮去除的貢獻(xiàn)相對(duì)較小[1]。在有植物無(wú)曝氣時(shí)，氨氮硝化作用所需的氧主要來(lái)自濕地植物根系泌氧，僅靠濕地植物根系泌氧無(wú)法根本改變濕地內(nèi)部的缺氧環(huán)境，所以人工濕地提高NH3-N去除率的能力是有限的。間歇曝氣改善了濕地基質(zhì)內(nèi)溶解氧（DO）的可利用性;增加了濕地內(nèi)部硝化細(xì)菌的數(shù)量及活性。這就提高了硝化強(qiáng)度，強(qiáng)化了NH3-N的生物吸收，提高了濕地內(nèi)NH3-N去除效率[11]。

潛流人工濕地沒(méi)有曝氣時(shí)始終處于單一的厭氧環(huán)境，有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。由于間歇曝氣的存在，人工濕地中絕大部分NH3-N被轉(zhuǎn)化成NO3--N，出水NH3-N濃度明顯降低，NO3--N又經(jīng)過(guò)反硝化作用被去除，以實(shí)現(xiàn)較高的總氮（TN）去除效率。

濕地中TN的去除主要通過(guò)微生物的硝化、反硝化等作用完成，其中硝化細(xì)菌作為一種好氧細(xì)菌，需要在充足的DO條件下以氧作為最終電子受體將NH3-N氧化成NO3--N;反硝化菌是一種兼性厭氧菌，利用氧或NO3--N作為最終電子受體，通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)化為氣體逸出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)濕地內(nèi)氮的最終去除[8]。間歇曝氣運(yùn)行策略在濕地內(nèi)部形成周期變化的好氧和缺氧環(huán)境。曝氣時(shí)濕地內(nèi)DO含量升高，濕地內(nèi)DO的可利用性有效增加，促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行;曝氣結(jié)束后DO含量降至很低，濕地內(nèi)部處于缺氧環(huán)境，有利于反硝化細(xì)菌利用硝化產(chǎn)物和濕地內(nèi)部碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)，最終將濕地進(jìn)水中的TN去除[9]。

2.2 對(duì)養(yǎng)殖廢水中TP去除效果

從圖3可以看出，雖然進(jìn)水的TP變化（50～87 mg/L）較大，但去除率穩(wěn)定在86.4%～96.9%，出水的TP濃度為2.2～8.0 mg/L，都符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)樵跐摿鳚竦貎?nèi)，水中的磷與填料礫石等直接接觸，填料不規(guī)則的表面導(dǎo)致其比表面積較大，對(duì)磷的吸附作用較強(qiáng)，此時(shí)磷的吸附滯留是其去除的主要途徑[4]。間歇曝氣的擾動(dòng)促進(jìn)了磷與濕地填料的接觸，有利于填料對(duì)磷的吸附去除，從而提高了濕地對(duì)磷的去除效率。另外，間歇曝氣增加了濕地中DO含量，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)和繁殖，增加了微生物的活性。反過(guò)來(lái)微生物的活動(dòng)也促進(jìn)了填料中Al、Fe等金屬元素的逐漸釋放，并形成Al-P、Fe-P等[11]。

磷在人工濕地中的遷移轉(zhuǎn)化主要有植物吸收、濕地床中的物化反應(yīng)及在微生物中的積累等過(guò)程。①植物吸收：磷被植物吸收，在植物體內(nèi)經(jīng)過(guò)同化作用后，就會(huì)完成從無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷（腺苷三磷酸（ATP）、脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）），通過(guò)收割植物最終能夠從系統(tǒng)中去除;②微生物同化：一部分磷會(huì)通過(guò)聚磷菌的吸收同化積累后沉淀，更換濕地床時(shí)可將這部分磷去除。而常規(guī)的二級(jí)污水處理工藝中，磷的吸收率均很低，僅為4.5%～19.0%，主要是缺失了植物的吸收和同化作用這一環(huán)節(jié)，僅有微生物對(duì)磷的同化吸收。整體來(lái)看，太陽(yáng)能間歇曝氣促進(jìn)了微生物的呼吸作用，這一作用與植物在生長(zhǎng)過(guò)程中的光合作用交替進(jìn)行，從而好氧和厭氧條件下的攝磷也交替出現(xiàn)，最終提高了磷的去除效率[6]。

2.3 對(duì)養(yǎng)殖廢水中CODCr去除效果

從圖4可以看出，人工濕地系統(tǒng)的CODCr去除效率均高于77.8%，最高達(dá)94.3%，該系統(tǒng)有較好的CODCr處理效果。進(jìn)水CODCr濃度1 307～2 480 mg/L，出水CODCr濃度99～391 mg/L，均達(dá)到國(guó)家要求的400 mg/L以下，滿足了《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596—2001）中CODCr的排放要求。

人工濕地的填料能夠截留廢水中的不溶性有機(jī)物，這些有機(jī)物能被微生物所用，同時(shí)植物根系也會(huì)通過(guò)吸收、吸附或生物代謝作用使廢水中的可溶性有機(jī)物被降解利用。這樣廢水中大部分有機(jī)物被同化為微生物體或礦化為CO2和H2O，在填料更換時(shí)從濕地中分離[5]。所以人工濕地不但能脫氮除磷，還能有效去除有機(jī)物。

氧氣的供給有利于CODCr的去除[9]，太陽(yáng)能曝氣促進(jìn)了微生物對(duì)有機(jī)物的降解。因此太陽(yáng)能曝氣保證了濕地內(nèi)部氧氣的供給，使得整個(gè)系統(tǒng)的污水凈化率較高，其他文獻(xiàn)資料也充分證明了這一點(diǎn)[12]。郭燁燁等[9]研究發(fā)現(xiàn)間歇曝氣系統(tǒng)的出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，這是因?yàn)镃ODCr的降解和轉(zhuǎn)化主要通過(guò)植物根區(qū)微生物活動(dòng)完成，而這些微生物需要適宜的DO環(huán)境才能有效地發(fā)揮作用，說(shuō)明了間歇曝氣可以在一定程度上保證潛流人工濕地的高效穩(wěn)定運(yùn)行。濕地植物自身根系泌氧可在一定程度上提高基質(zhì)溶氧水平，但仍難以滿足全部CODCr降解過(guò)程對(duì)DO的需求。人工曝氣顯著提高了濕地內(nèi)部DO含量，大大增強(qiáng)了有機(jī)物降解相關(guān)微生物的活性，從而提高濕地CODCr去除率[10]。

3 結(jié)論

通過(guò)研究太陽(yáng)能曝氣強(qiáng)化人工濕地對(duì)養(yǎng)豬廢水中NH3-N、總磷和CODCr的去除和凈化作用，得出如下結(jié)論。

（1）太陽(yáng)能間歇曝氣提高了人工濕地中DO的含量，濕地內(nèi)部好氧和缺氧交替的環(huán)境分別促進(jìn)好氧硝化和缺氧反硝化作用，從而強(qiáng)化了脫氮效果。