人工濕地處理畜禽養殖廢水研究初探

劉長娥，周勝，程彬彬*，原源

(上海市農業科學院a農業科技信息研究所，上海 201403；b生態環境保護研究所，上海 201403；c上海低碳農業工程技術研究中心，上海 201415)

畜禽養殖廢水主要指豬場養殖廢水和奶牛場養殖廢水，包括尿液和糞便殘留、沖洗圈舍糞便的沖洗水、清潔設施設備用水、工人生產生活用水，以及沖刷養殖場的雨水等，畜禽廢水中含有大量懸浮物、氨氮、致病菌、重金屬元素、獸藥殘留物等，其污染具有長期性和不可逆性。近年來，伴隨著生豬市場的需求，生豬生產的區域化、規模化和集約化水平不斷提高，大量的養殖類廢水處理和排放成為一大問題。另外，我國農村還存在大量的分散式畜禽養殖，進一步加重了畜禽養殖廢水的處理負荷。由于我國畜禽廢水的資源化利用率較低，廢水得不到有效及時處理，不僅造成了河流湖泊和地下水的污染，而且導致農村生態環境的惡化，對人們的身心健康造成極大的威脅。畜禽養殖污染已成為繼工業污染、生活污染之后的第3大污染源，成為農村面源污染的重災區[1-3]。

人工濕地是一種技術成熟的自然生態污水處理工藝，主要依靠基質的吸附交換、基質與表面附著微生物的協作、植物的攝取、微生物的代謝，以及植物與根際微生物的共生等機制實現對污染水的凈化。具有投資少、設計施工方便、運行費用低、維護操作簡單等優勢，目前已成為我國農村地區廣泛應用的一種污水處理技術[4-7]。

華東是我國畜禽養殖大區，擔負著六省一市艱巨的肉類供應責任，生態環境保護和養殖規模增長的矛盾日益加劇，為加快推進鄉村振興戰略的實施和美麗鄉村建設的發展，畜禽養殖污染控制與資源化利用是近期的一項重要任務，合理利用與凈化處理畜禽養殖糞污是綠色發展的需求，也是開展生態宜居美麗鄉村建設的重要工作。為了深入了解畜禽養殖廢水的有效處理方法與技術，對人工濕地類型和植物進行初步研究，探析高效人工濕地處理技術，提高人工濕地對畜禽養殖廢水的去除效果，實現畜禽養殖廢水的及時有效處置，改善我國生態環境，同時也為相關工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 水生植物

本試驗選取常見挺水植物蘆葦(Phragmitescommunis)、茭草(Zizaniacaduciflora)、美人蕉(Cannaindica)和黃菖蒲(Irispseudacorus)作為研究對象。

1.1.2 畜禽養殖廢水

試驗用豬場養殖廢水取自上海市農業科學院養豬場，TN(總氮)濃度為700～1 000 mg·L-1。

1.2 處理設計

1.2.1 濕地植物篩選

模擬濕地植物自然生長狀態，建立不同處理水生植物小區，每個小區面積約35 m2，種植密度為4株叢·m-2，每個品種設置年末收割與不收割2個處理，每個處理定期施入相同量的豬場養殖廢水，維持一定的營養水平，試驗持續3年。分別從植物的生長強度、再生能力和氮磷積累量方面進行考察，其中，生長強度主要觀測移栽當年與3年后植物生長指標變化；再生能力綜合考察不同茬次再生植株生長指標變化；氮磷積累量主要測定4種植物地上部分的氮磷總量。

1.2.2 濕地類型篩選

利用試驗區域內建立的蘆葦-礫石垂直滲透流、蘆葦-沸石垂直滲透流和蘆葦-礫石水平潛流人工濕地進行相關試驗。試驗用水將豬場養殖廢水稀釋，過濾去除雜質，保持進水TN濃度為 40～50 mg·L-1。試驗分別在春、夏、秋、冬季進行，每個季節連續運行1個月，最后取其平均值，對比3種濕地污染物去除速度，篩選去除效能較高的濕地類型。

1.3 性狀測量與樣品采集

1.3.1 植物

每個小區設置3個固定樣方，面積1 m2，植物生長季，每月定期對樣方內植物的分蘗和株叢高進行測量。10月下旬植物枯黃前對收割處理水生植物的地上部分進行取樣，齊地面刈割，重復3次。分別對應掛上相應處理的植物名稱，按一定長度捆綁放入105 ℃烘箱，殺青15 min，然后調整為80 ℃烘箱中烘干至恒量，換算為單位面積植物地上部分的生物量，將烘干后的植物樣品粉碎，送實驗室進行TN、TP(總磷)的測定。

收割后的植物次年再生后，定期進行分蘗和株叢高的測量。

1.3.2 濕地水

濕地運行期間，每周取樣2次，分別為每個濕地的進水與出水，分別裝瓶編號，放入冰箱，隨時帶回實驗室進行檢測。

1.4 樣品測定

1.5 數據分析與計算

將不同處理數據進行統計分析，采用平均值。其中:生長強度主要考察植物隨年限增加生長的變化；再生能力采用再生率表達，再生能力=[再生構件(分蘗或株叢高)/原生構件(分蘗或株叢高)]×100%；植物氮磷積累量(mg·m-2)=植物氮磷濃度(mg·g-1)×植物生物量(g·m-2)；污染物去除速度(g·m-2·d-1)=進水污染負荷(g·m-2·d-1)-出水污染負荷(g·m-2·d-1)。

2 結果與分析

2.1 濕地植物篩選

為維持濕地植物良好的生長狀態，防止隨使用年限的增長，出現濕地植物退化，保證濕地高效良好運行，選取生長強度、再生能力、養分吸收能力作為考察指標，對濕地植物進行篩選。

2.1.1 生長強度

從株叢高度考察，無論是移栽當年還是3年以后，4種植物中蘆葦均顯示出明顯的優勢，尤其是隨著生長時間的延長，株叢高愈加突出(圖1)。從分蘗看，移栽當年茭草具有較高的分蘗能力，但是隨著生長年限的增加，分蘗能力急劇下降，其他3種植物的分蘗能力不斷增加，以黃菖蒲和蘆葦增加幅度較大。

圖1 不同年限植物株叢高、叢分蘗數的比較

綜合而言，黃菖蒲、美人蕉和蘆葦均顯示出隨年限增加健康生長的潛力，其中，以蘆葦表現最優，具有較高的生長強度。

2.1.2 再生能力

收割后次年4種植物均再生，頭茬株高再生率以黃菖蒲和蘆葦較高，基本恢復至原生狀態，茭草再生植株長勢較慢。二茬蘆葦和茭草株高顯示出優勢，尤其是蘆葦再生株高率近乎原生的3倍(圖2)。收割對于分蘗也有影響，茭草和蘆葦無論是頭茬還是二茬均表現出較高的再生優勢，在某種程度表明，收割有利于促進禾本科植物的生長。

圖2 不同茬次植物再生率的比較

2.1.3 養分吸收能力

植物養分吸收能力受其本身養分含量和生物量的影響，生物量高的植物通常能夠攝取更多的養分，蘆葦具有較高的吸收氮能力，其單位面積氮的攝取量遠高于其他3種植物，但其對磷的吸收能力相對較弱。美人蕉具有較高的磷攝取能力(圖3)。

圖3 植物養分吸收能力的比較

綜合以上分析，從植物的生長強度、再生能力、養分吸收能力綜合考察，蘆葦顯示出明顯的優勢，具有持續健康的生長潛力及較高的氮吸收能力。

植物在人工濕地系統中發揮作用的前提是能夠耐受高污染濃度的畜禽養殖廢水。有研究表明，蘆葦對于畜禽養殖廢水的脅迫具有超強的抗逆性和耐受性，蘆葦濕地對污水中的氮的凈化效果十分明顯，平均去除率可達80%以上。高濃度畜禽養殖廢水的脅迫可促使人工濕地中的蘆葦根系活力明顯上升、游離脯氨酸含量在急速下降后穩定在一個較低水平、電解質滲漏不明顯等現象，可作為人工濕地處理畜禽養殖廢水的主要植物[4-10]。

2.2 濕地類型篩選

表1 不同濕地類型對畜禽廢水污染物的去除速度

垂直潛流人工濕地對污染物的去除速度高于水平潛流，主要原因是垂直流人工濕地污水從濕地表面垂直流過基質床的底部或從底部垂直向上流向表面，溶解氧水平較高，濕地布水方式有利于污水與濕地內部填料全面接觸，其硝化能力強，更有利于污染物的去除[11-14]。

3 討論與展望

3.1 討論

人工濕地處理畜禽廢水研究中，有關濕地植物的篩選和濕地類型的應用是普遍被關注的問題。植物直接作用對廢水中污染物的去除效果說法不一，有人認為，通過植物地上部分所吸收的TN和TP僅占人工濕地系統TN和TP去除量的0.3%～14.1%，也有人認為，占50%～90%。這其中受植物種類和生長習性、收割頻率、供試污水的污染物濃度、水力停留時間等因素影響[15-17]，除了直接作用、植物的間接作用對污染物的去除影響較大，植物根系可以連續分泌有機化合物，微生物利用這些有機化合物，在植物根際間形成豐富的微生物群落，促進硝化與反硝化的進行。目前，已在畜禽養殖廢水處理應用且效果良好的植物有許多種，包括蘆葦、美人蕉、梭魚草、黑麥草、尖尾芋等[18-20]，其中，蘆葦是處理畜禽養殖廢水普遍采用的濕地植物。

垂直流人工濕地和水平潛流人工濕地是畜禽養殖廢水研究和應用較多的濕地類型，前者具有較高的硝化能力，后者具有較高的反硝化能力，實際應用中通常將兩種類型濕地進行組合，以增強人工濕地污染去除效能。

人工濕地處理畜禽廢水效果的有效性已經得到了各種研究的證明，由于畜禽養殖廢水屬于高濃度有機廢水，并且含有大量的懸浮物和一些糞便殘渣，因此，在利用人工濕地處理時，要經過預處理。目前的預處理主要利用分離格柵池、沉淀池等，去除大顆粒懸浮物、雜質和泥沙等，這些固體廢物則可以作為有機復合肥的原料。

預處理后的污水利用人工濕地再進行深度處理，從目前已有的工程實踐來看，人工濕地的長期運行尚缺少安全保障，利用人工濕地處理污水的過程中，隨著利用時間的延長普遍存在著濕地系統堵塞、植物生長衰退等現象，從而影響了人工濕地污水處理能力，限制了其處理效果的長效性。四川農業大學研發了一款組合型畜禽廢水處理裝置，包括蓄水池、蚯蚓生態濾池和人工濕地。將物理過濾、有機物分解轉化、生態凈化、生物降解、吸附吸收等功能結合為一體，可以有效減輕濕地堵塞，促進了生態的可持續發展，對環境保護起促進作用。

3.2 展望

隨著資源短缺和生態環境惡化的日趨嚴重，畜禽糞污的資源化利用與生態凈化處理愈加凸顯出其重要性。當前對固體糞污資源化利用率已經趨于提高，但其污水在處理過程中仍存在濕地植物處置困難、濕地綜合利用水平低、缺乏長期高效運行機制等突出問題。

畜禽養殖糞污本身含有農作物所需營養，在今后利用濕地系統處理畜禽廢水中，充分開發解決濕地堵塞與畜禽廢水以及植物資源化利用的研究將是一個較好的發展方向。包括培育適宜濕地污染環境的蚯蚓種類、具有高生長強度的水生蔬菜、水生花卉等濕地植物，以及一些高效微生物種類，達到畜禽養殖環境與經濟可持續協調發展的目標。

常雅軍等[21]利用畜禽養殖廢水規模化生產水芹，水芹產品進行農藥殘留和重金屬含量檢測符合食品安全國家標準，同時畜禽養殖廢水也達到了國家地表水排放標準，可循環至養殖場再利用，實現污染水中營養元素的最大化吸收與利用，使其納入良性循環，促進資源化利用。

微藻是一種在自然界廣泛存在且具有光合效率高、生長周期短、經濟價值高等特點的微生物，微藻培養的廢水處理技術不僅能夠解決畜禽養殖業的環境污染問題，還能利用廢水中的營養元素生產高附加值的生物質產品。未來加大高效藻種的篩選和開發力度，針對不同類型廢水開發出對應的復合藻-菌劑產品，同時進一步開拓下游產品的研發，實現畜禽養殖廢水到生物質產品的轉變，形成綠色循環的產業鏈[22 ]，推動綠色產業發展。