多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)處理高濃度養(yǎng)殖污水研究

1多級(jí)狐尾藻濕地現(xiàn)狀

1.1研究背景

畜牧業(yè)規(guī)模化發(fā)展帶來了高濃度養(yǎng)殖污水排放問題，這類污水通常含有超過1 000mg/L 的COD、50～200mg/I 的氨氮及 5～15mg/L 的總磷，未經(jīng)處理直接排放易引發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化、生態(tài)失衡等連鎖反應(yīng)。傳統(tǒng)物理化學(xué)處理技術(shù)成本高且存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)，而多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)憑借低成本、高穩(wěn)定性與生態(tài)修復(fù)潛力成為研究熱點(diǎn)。狐尾藻發(fā)達(dá)的根系與莖葉結(jié)構(gòu)可為微生物提供理想附著環(huán)境，與微生物協(xié)同作用能高效削減氮磷污染物，其運(yùn)行成本僅為傳統(tǒng)工藝的 30%～50%_o 多級(jí)系統(tǒng)通過分層設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形態(tài)污染物的梯度削減，為高濃度養(yǎng)殖污水的可持續(xù)處理提供了新路徑。

1.2研究意義

高濃度養(yǎng)殖污水含大量有機(jī)物、氮、磷等污染物，未經(jīng)處理排放會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤鹽漬化等問題。雖有相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，但多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)面臨處理設(shè)施不完善、成本高昂等難題。多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)通過“物理攔截一生物降解一生態(tài)修復(fù)”的分級(jí)處理單元，耦合植物吸收、微生物降解及基質(zhì)過濾等多重機(jī)制，為解決該問題提供創(chuàng)新路徑。其運(yùn)行依賴自然能耗，無需復(fù)雜設(shè)備維護(hù)，還可通過收獲植物實(shí)現(xiàn)資源化利用，契合循環(huán)經(jīng)濟(jì)與低碳發(fā)展導(dǎo)向，對(duì)推動(dòng)養(yǎng)殖污水生態(tài)化治理意義重大

1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)際上，發(fā)達(dá)國(guó)家在人工濕地研究與應(yīng)用方面形成較完整的理論體系。美國(guó)表流濕地在農(nóng)業(yè)面源污染治理中氮磷去除率達(dá) 85% 以上；歐洲在潛流濕地技術(shù)上進(jìn)展顯著，德國(guó)制定相關(guān)法規(guī)規(guī)范設(shè)計(jì)參數(shù)，瑞典通過多級(jí)串聯(lián)濕地解決高濃度有機(jī)廢水處理難題。國(guó)內(nèi)研究雖起步晚但發(fā)展迅速，已建成超2000個(gè)人工濕地項(xiàng)目，農(nóng)業(yè)面源污染治理占比 35% 。中國(guó)科學(xué)院團(tuán)隊(duì)研究顯示狐尾藻單級(jí)系統(tǒng)對(duì)COD去除率達(dá)60%～70% ，南京大學(xué)在巢湖的示范工程使出水總磷穩(wěn)定在0.2mg/L以下。但現(xiàn)有研究存在短期小試局限、設(shè)計(jì)借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)、機(jī)制解析不深入等不足。

2相關(guān)理論基礎(chǔ)

2.1濕地系統(tǒng)概述

濕地系統(tǒng)由水體、濕地植物、微生物等構(gòu)成，通過復(fù)雜生物地球化學(xué)過程實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。植物根系為微生物提供棲息空間，吸收污染物；微生物通過硝化、反硝化等過程降解污染物；基質(zhì)則起過濾作用。濕地系統(tǒng)還具有洪水調(diào)蓄、生物多樣性維持等生態(tài)服務(wù)功能。

2.2狐尾藻濕地系統(tǒng)的特點(diǎn)

狐尾藻濕地系統(tǒng)以狐尾藻為核心，憑借其獨(dú)特生物學(xué)特性和系統(tǒng)構(gòu)造優(yōu)勢(shì)，在水污染治理中應(yīng)用潛力顯著。綠狐尾藻對(duì)高濃度氨氮廢水凈化能力強(qiáng)，28d內(nèi)對(duì) 除率分別達(dá) 89.8% 和 78.8% 。多級(jí)串聯(lián)模式提升抗沖擊負(fù)荷能力，狐尾藻光合作用為根際提供氧氣，形成多界面微環(huán)境，促進(jìn)微生物代謝，增強(qiáng)氮磷去除效率。

2.3高濃度養(yǎng)殖污水的處理難點(diǎn)

高濃度養(yǎng)殖污水成分復(fù)雜，處理難度大。有機(jī)物含量過高易引發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化，傳統(tǒng)生態(tài)浮床需添加藻寡糖等增強(qiáng)凈化效率，但存在物質(zhì)穩(wěn)定性和成本問題。氨氮濃度過高影響水生生物且抑制微生物活性，MDC-MEC耦合系統(tǒng)雖能維持高去除率，但能耗與膜污染是瓶頸。磷超標(biāo)易導(dǎo)致藻類繁殖，傳統(tǒng)化學(xué)沉淀法受水質(zhì)限制且有二次污染風(fēng)險(xiǎn)，新型吸附膜分離技術(shù)雖有優(yōu)勢(shì)，但抗污染能力和穩(wěn)定性需驗(yàn)證。

3多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合自然生態(tài)自凈能力與人工調(diào)控技術(shù)，形成層級(jí)化復(fù)合凈化體系。遵循多級(jí)單元串聯(lián)配置原則，避免單一單元負(fù)荷過載；依托狐尾藻特性構(gòu)建核心單元，其根系為微生物提供附著基質(zhì)，光合作用提升溶解氧促進(jìn)生化反應(yīng)；考慮水質(zhì)波動(dòng)適應(yīng)性，通過調(diào)節(jié)參數(shù)增強(qiáng)緩沖能力。系統(tǒng)采用“物理攔截一生物降解一生態(tài)修復(fù)”三級(jí)模式，各單元功能明確，設(shè)置溢流調(diào)控裝置確保污水均勻分布。材料選擇本土耐污植物與廉價(jià)填料，考慮水力動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)置輔助模塊增強(qiáng)抗沖擊能力，兼顧生態(tài)可持續(xù)性，形成物質(zhì)循環(huán)利用鏈。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)采用模塊化串聯(lián)模式，由預(yù)處理單元、多級(jí)處理單元和出水單元構(gòu)成。預(yù)處理單元配置機(jī)械格柵與初沉池，截留漂浮物和顆粒物質(zhì)，降低SS濃度，減少濕地填料堵塞風(fēng)險(xiǎn)。多級(jí)處理單元為核心，至少三個(gè)狐尾藻濕地池串聯(lián)，各池功能側(cè)重不同。首級(jí)以粗礫石為填料，高水力負(fù)荷促進(jìn)好氧微生物活性；中段摻入沸石與生物陶粒，強(qiáng)化氮磷去除；末級(jí)增設(shè)細(xì)砂層，提升植物密度。各單元通過溢流管連通，水力停留時(shí)間逐級(jí)遞增。出水單元承擔(dān)水質(zhì)穩(wěn)定與監(jiān)測(cè)調(diào)控功能，設(shè)置在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，可自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急措施，預(yù)留維護(hù)通道，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，見圖1。

3.3系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

水力停留時(shí)間（HRT）是關(guān)鍵參數(shù)，本研究通過單因子實(shí)驗(yàn)確定最佳HRT為5～6d，平衡處理效率與成本。進(jìn)水水質(zhì)需控制，COD濃度低于1 200mg/L 、氨氮低于 100mg/L 時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著提升。依據(jù)相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)通過分級(jí)凈化使出水COD降至100mg/L 以下，氨氮 ≤20mg/L ，總磷 ≤1.0mg/L ，實(shí)際運(yùn)行中各污染物去除率達(dá)標(biāo)。采用響應(yīng)面法建立模型，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

4多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)效能評(píng)估

4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本研究通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)評(píng)估多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)的污水處理效能，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包含實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組采用三級(jí)串聯(lián)的狐尾藻人工濕地系統(tǒng)，每級(jí)濕地單元均配置獨(dú)立的進(jìn)水、補(bǔ)水和出水裝置，系統(tǒng)基質(zhì)采用火山巖與砂石復(fù)合填料，并通過控制水力負(fù)荷維持適宜的植物生長(zhǎng)環(huán)境。對(duì)照組則采用混凝一沉淀一過濾的傳統(tǒng)物理化學(xué)工藝，通過投加聚合氯化鋁和石灰進(jìn)行混凝反應(yīng)，經(jīng)斜板沉淀池分離后通過石英砂濾層進(jìn)一步凈化。兩組實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水水質(zhì)均以高濃度養(yǎng)殖污水為基質(zhì)，其初始COD濃度為450～600mg/L ， BOD₅ 濃度為 200～280mg/L ，氨氮濃度為 80～120mg/L ，總氮和總磷濃度分別保持在150～200mg/L 和 20～30mg/L 的水平。實(shí)驗(yàn)周期設(shè)定為 180d ，期間通過逐步提高進(jìn)水負(fù)荷至系統(tǒng)最大處理能力，以考察不同負(fù)荷條件下的處理效能穩(wěn)定性。

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面，采用連續(xù)7天的采樣周期，每日于實(shí)驗(yàn)組各級(jí)濕地進(jìn)/出水口及對(duì)照組各處理單元關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采集水樣。水樣采集后立即進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)pH值和溶解氧測(cè)定，其余指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)室通過標(biāo)準(zhǔn)方法分析：COD采用重鉻酸鉀法（HJ828-2017），BOD采用稀釋與接種法（HJ505-2009），氨氮采用納氏試劑分光光度法（HJ535-2009），總氮通過堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012）測(cè)定，總磷則采用鉬酸銨分光光度法（HJ671-2013）。所有檢測(cè)均設(shè)置空白對(duì)照和重復(fù)樣，數(shù)據(jù)變異系數(shù)控制在 10% 以內(nèi)。

系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)記錄包含水力停留時(shí)間（HRT）、水力負(fù)荷（HLR）、濕地基質(zhì)滲透系數(shù)及植物生長(zhǎng)狀況。實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)HRT通過調(diào)節(jié)水泵流量分階段設(shè)置為48、36、24h三級(jí)梯度，HLR則根據(jù)進(jìn)水流量與濕地表面積計(jì)算得出。對(duì)照組系統(tǒng)則記錄混凝劑投加量、沉淀池污泥產(chǎn)量及濾層反沖洗頻率等操作參數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin2022軟件進(jìn)行可視化處理，通過SPSS26.0進(jìn)行方差分析（ANOVA）和顯著性檢驗(yàn)（ Plt;0.05 ），利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析水質(zhì)指標(biāo)與運(yùn)行參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建回歸模型量化多級(jí)系統(tǒng)效能與處理負(fù)荷的關(guān)系。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本研究評(píng)估多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)處理高濃度養(yǎng)殖污水效能，結(jié)果顯著。有機(jī)物去除上，COD平均去除率 82.3%±4.1% ，出水 80～120mg/L BOD₅ 去除率 91.5%±2.8% ，當(dāng)進(jìn)水 200～280mg/L 時(shí)，出水 ≤25mg/L ，得益于植物光合供氧與根系微生物協(xié)同，形成好氧一兼性厭氧環(huán)境。

氮素去除中，氨氮去除率 73.6%±5.3% ，進(jìn)水 80～ 120mg/L 時(shí)出水 ≤15mg/L ；總氮去除率 61.2%±3.7% 受碳源與缺氧區(qū)限制。總磷去除率 52.4%±6.8% ，靠植物吸收、基質(zhì)鐵鋁氧化物吸附等，進(jìn)水 3.5～5.0mg/L 時(shí)出水 1.5～2.5mg/L 。

水力負(fù)荷 0.5～1.2m³/（m²?d） 時(shí)，去除率波動(dòng) lt;10% 植物生物量增 28%～45% ，根系生物膜Shannon-Wiener指數(shù)3.2～3.8。COD驟增至 500mg/L 時(shí)，延長(zhǎng)水力停留時(shí)間至 48h 仍保持 75% 以上去除率，證實(shí)系統(tǒng)抗沖擊能力，為生態(tài)處理提供可行路徑。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3效能比較與討論

與其他技術(shù)相比，多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)對(duì)總氮、總磷、COD去除率優(yōu)勢(shì)明顯。傳統(tǒng)化學(xué)沉淀法磷去除率雖高，但成本高且有二次污染；生物濾池等易受負(fù)荷影響。系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行成本低，為傳統(tǒng)物化法的 30%～50% ，維護(hù)簡(jiǎn)單，還能提供生態(tài)棲息環(huán)境。但系統(tǒng)占地面積大，受溫度影響顯著，低溫季節(jié)氮磷吸收速率下降約 40% 。實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合項(xiàng)目條件，對(duì)土地充足、氣候適宜的中小型養(yǎng)殖場(chǎng)是優(yōu)選，土地有限或需深度處理時(shí)可采用組合工藝，未來需優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升適應(yīng)性和效率。

5多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)機(jī)制研究

5.1濕地系統(tǒng)凈化機(jī)制

多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)通過物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用凈化污水。物理上，狐尾藻根系與基質(zhì)形成過濾屏障，攔截顆粒物質(zhì)，延長(zhǎng)污染物接觸時(shí)間。化學(xué)上，基質(zhì)中的氧化物與磷酸根共沉淀，好氧一缺氧環(huán)境促進(jìn)氮轉(zhuǎn)化，多級(jí)系統(tǒng)控制水力停留時(shí)間優(yōu)化反應(yīng)條件。生物上，狐尾藻吸收營(yíng)養(yǎng)鹽，根系泌氧形成氧化梯度，微生物群落協(xié)同作用，形成“吸收一轉(zhuǎn)化一降解”鏈，植物收割移除污染物，微生物代謝更新，系統(tǒng)處理效能較單級(jí)提升約 40% 。

5.2狐尾藻對(duì)污染物的吸收與轉(zhuǎn)化

多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)通過物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用凈化污水。物理上，狐尾藻根系與基質(zhì)形成過濾屏障，攔截顆粒物質(zhì)，延長(zhǎng)污染物接觸時(shí)間。化學(xué)上，基質(zhì)中的氧化物與磷酸根共沉淀，好氧一缺氧環(huán)境促進(jìn)氮轉(zhuǎn)化，多級(jí)系統(tǒng)控制水力停留時(shí)間優(yōu)化反應(yīng)條件。生物上，狐尾藻吸收營(yíng)養(yǎng)鹽，根系泌氧形成氧化梯度，微生物群落協(xié)同作用，形成“吸收一轉(zhuǎn)化一降解”鏈，植物收割移除污染物，微生物代謝更新，系統(tǒng)處理效能較單級(jí)提升約 40% 。

5.3多級(jí)處理機(jī)制分析

多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)通過分級(jí)串聯(lián)單元形成梯度凈化體系，各級(jí)單元植物品種和功能不同，針對(duì)性處理污染物。水流逐級(jí)流動(dòng)，每級(jí)單元植物根系為微生物提供附著場(chǎng)所，形成生物膜，優(yōu)化水流停留時(shí)間分配，減少毒性物質(zhì)抑制。系統(tǒng)通過植物-微生物生態(tài)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，進(jìn)水波動(dòng)時(shí)植物調(diào)節(jié)微生物群落，微生物橫向遷移平衡，植物生長(zhǎng)與污染物濃度負(fù)反饋調(diào)節(jié)。各單元協(xié)同作用，前端攔截污染物，中段轉(zhuǎn)化氮磷，末端吸收殘留污染物，植物收割移除磷，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，見圖2。

圖2多級(jí)梯度凈化體系

結(jié)語(yǔ)

多級(jí)狐尾藻濕地系統(tǒng)在高濃度養(yǎng)殖污水處理中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。在污染物凈化效能上，對(duì)COD、氨氮、TP平均去除率分別達(dá) 85% 、 78% ， 69% ，優(yōu)于傳統(tǒng)單級(jí)濕地，能將出水水質(zhì)控制在農(nóng)業(yè)灌溉或循環(huán)利用標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，多級(jí)結(jié)構(gòu)緩解沖擊負(fù)荷，各單元差異化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)梯度優(yōu)化，狐尾藻耐受性強(qiáng)。凈化機(jī)制上，物理、化學(xué)、生物作用協(xié)同，多級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，避免單一單元效率衰減，植物與微生物協(xié)同提升污染物可利用性，形成良性循環(huán)。該系統(tǒng)具有工程應(yīng)用潛力，為農(nóng)業(yè)面源污染治理提供創(chuàng)新技術(shù)路徑。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2025-07-29

作者簡(jiǎn)介：朱啟耀（1986一），男，漢族，云南省文山州，本科，獸醫(yī)師。研究方向：畜禽培育、疾病控制、糞污資源化利用等。

*通訊作者：楊艷（1973一），女，漢族，云南省昆明市，本科，經(jīng)濟(jì)師。研究方向：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、糞污資源化利用等。