人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水研究進展

魏甲彬，楊知建，徐華勤，王華

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)進入集約化、規(guī)?；蜆藴驶a(chǎn)的階段，隨之而來的是畜禽養(yǎng)殖廢水的污染問題。根據(jù)國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計，2010年畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便產(chǎn)生量2.43 億噸，尿液產(chǎn)生量1.63 億噸，主要水污染物排放量：COD 達1 268.26 萬噸，TN達102.48 萬噸，TP 達16.04 萬噸，Cu 達2 397.23噸，Zn 達4 756.94 噸。這些污染物不僅造成我國可利用資源的大量流失，還給農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境帶來嚴重破壞，直接影響?zhàn)B殖場周邊地區(qū)整體經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，能否解決好這一污染問題，將是實現(xiàn)我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。筆者分析了傳統(tǒng)畜禽廢水處理技術(shù)在我國畜禽養(yǎng)殖廢水中的應(yīng)用局限，并對人工濕地在畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用前景進行展望。

1 傳統(tǒng)畜禽廢水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)畜禽廢水處理技術(shù)是指我國借鑒發(fā)達國家將工業(yè)生活污水治理技術(shù)應(yīng)用到畜禽養(yǎng)殖廢水污染治理所研發(fā)的生物處理技術(shù)，主要技術(shù)原理為通過物理的、化學(xué)的和生化的途徑，在環(huán)境條件可控的反應(yīng)室內(nèi)高效去除污染物中的有機物，去氮除磷等主要富營養(yǎng)元素和去除污水中懸浮物降低水體的色度等，包括厭氧生物處理技術(shù)、好氧生物處理技術(shù)和厭氧–好氧聯(lián)合生物處理技術(shù)。發(fā)達國家防治畜禽養(yǎng)殖廢水污染十分成功，除了其完善的立法外，更重要的是其雄厚的經(jīng)濟實力、過硬的技術(shù)水平和較高的人員素質(zhì)。傳統(tǒng)畜禽廢水處理技術(shù)具有處理效率高、適應(yīng)性強、占地面積少、不受地理空間限制、受季節(jié)溫度變化影響小和運用形式靈活等特點。雖然傳統(tǒng)畜禽廢水處理在發(fā)達國家發(fā)揮了十分重要的作用，但在我國卻很難充分發(fā)揮其作用。其主要原因是受其本身的技術(shù)局限，如能源消耗大，投資運行成本高，而我國中小城鎮(zhèn)及農(nóng)村養(yǎng)殖戶負擔(dān)不起或者沒有意愿在沒有直接經(jīng)濟效益的技術(shù)上投資，且傳統(tǒng)廢水處理操作管理復(fù)雜，污染物去除不徹底，不能充分利用廢水中富含的營養(yǎng)元素等原因，也不利于其推廣普及。并且我國的國情不同于發(fā)達國家，不能完全照搬發(fā)達國家治理畜禽養(yǎng)殖廢水污染的對策與辦法，必須在經(jīng)濟條件允許的情況下充分研究能夠達到循環(huán)經(jīng)濟理念的科學(xué)技術(shù)，并以此技術(shù)為中心發(fā)展新的畜禽養(yǎng)殖模式。

2 人工濕地及其畜禽廢水處理研究現(xiàn)狀與問題

人工濕地是模擬自然濕地功能的半控制人工系統(tǒng)，具有觀賞價值，并被廣泛應(yīng)用于園林景觀設(shè)計中，其相關(guān)研究還涉及本土野生生物的棲息地修復(fù)、雨水收集、廢水處理和土地改良等。近年來，作為污水處理系統(tǒng)的人工濕地研究與應(yīng)用囊括了生活廢水、農(nóng)業(yè)廢水、工業(yè)廢水、城市徑流和酸性礦排水等水污染控制領(lǐng)域。到21 世紀，人工濕地技術(shù)能夠處理的廢水種類已達20 多種[1]。人工濕地與傳統(tǒng)畜禽廢水處理技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：1)較低的建造和運行費用，易于維護且技術(shù)含量低；2)可進行有效可靠的廢水處理，人工濕地不僅可以有效去除污水中的COD、SS、氮和磷等，而且能有效去除重金屬、病原微生物、藻毒素等外源生物活性物質(zhì)；3)能緩沖對水力和污染負荷的沖擊；4)可直接和間接增加經(jīng)濟和社會效益，如水產(chǎn)、畜產(chǎn)、造紙原料、建材、綠化、野生動物棲息、娛樂和教育。盡管人工濕地技術(shù)有以上優(yōu)點并且有廣闊的應(yīng)用前景，但也面臨一些挑戰(zhàn)，主要是如何通過優(yōu)化設(shè)計提高濕地床的有效容積，如何加強人工濕地的經(jīng)營管理以增強污染物去除效率和延長人工濕地系統(tǒng)的使用壽命[2]。

目前，發(fā)達國家的畜禽養(yǎng)殖農(nóng)場規(guī)模足夠大，且有足夠的經(jīng)濟實力購買和運行傳統(tǒng)污水處理技術(shù)設(shè)備，處理畜禽養(yǎng)殖廢水并達標排放，而且政府會對進行污水處理的畜禽養(yǎng)殖農(nóng)場進行補償，其國家完善的基礎(chǔ)設(shè)施使得污水治理變得方便，如日本橫濱市要求牧場主對畜禽產(chǎn)生的糞便和尿液、沖洗水分開，尿液、沖洗水全部進入城市管網(wǎng)，由污水處理廠處理。相比之下，我國畜禽養(yǎng)殖分散在全國各中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村，進行污水處理既沒有國家補償，也沒有完善的技術(shù)指導(dǎo)和完備的基礎(chǔ)配套設(shè)施，因此，人工濕地的優(yōu)點就能在我國的畜禽養(yǎng)殖廢水處理中得以發(fā)揮，但也有諸如占地面積大，且植物易受病蟲害和環(huán)境氣候變化的影響等問題。目前，我國已有相當(dāng)一部分研究人員對處理畜禽廢水的人工濕地技術(shù)進行研究，并取得一定成效。

3 人工濕地在畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用及展望

畜禽養(yǎng)殖廢水處理凈化難度大，除了具有氨氮高、碳氮比低的特點外，還具有如下特點：COD、TSS、磷含量高；可生化性好，沉淀性好；水質(zhì)水量變化大；含致病菌，有惡臭等[3]。另外，有研究顯示新鮮的畜禽廢水具有很好的可生化性，但是長期存放未處理的畜禽廢水的可生化性會降低，甚至不具有可生化性，從而嚴重影響人工濕地系統(tǒng)的處理效率，尤其是會影響TN 的去除率[4]。畜禽廢水的上述特點，再加上人工濕地本身的“黑箱效應(yīng)”，因此，人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水的研究重點主要在人工濕地去污能力的提高上，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 人工濕地的基質(zhì)研究

不同人工基質(zhì)對污水中污染物的凈化能力存在明顯差異，因此，因地制宜選取凈化能力強的本地人工基質(zhì)既可以提高人工濕地凈化能力，還能減少人工濕地的投資成本。基質(zhì)是人工濕地床的基礎(chǔ)，同時也是生物膜形成及大部分物理、化學(xué)和生物反應(yīng)等的發(fā)生場所，基質(zhì)的選擇在很大程度上將影響人工濕地的使用壽命和人工濕地污水凈化能力。常規(guī)的人工基質(zhì)有土壤、細砂、粗砂、礫石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、頁巖鋁礬土、膨潤土、火山巖和沸石等。國外也有用碎玻璃用作人工基質(zhì)[5]。關(guān)于基質(zhì)的研究，目前主要集中在新材料基質(zhì)的開發(fā)和常規(guī)材料基質(zhì)的改造上面，無論是新材料的開發(fā)還是常規(guī)材料的改造，其研究的核心內(nèi)容一般都是材料本身所具有的對畜禽廢水中污染物去除能力的提升上。

不同基質(zhì)對磷的去除有十分明顯的差異，近幾年出現(xiàn)了幾種新的基質(zhì)材料，如廢磚、紅色黏土、海蠣殼、礦化垃圾等，并有將其運用來處理畜禽廢水，結(jié)果表明，新材料的磷去除能力均優(yōu)于常規(guī)基質(zhì)材料。使用灰磚基質(zhì)進行的氮磷吸附試驗顯示，灰磚對磷的吸附量大且穩(wěn)定，比火山巖、沸石去除率要高，而且對NH4+—N 的吸附能力較沙子和火山巖強。但是隨著人工濕地運行時間的延長，灰磚吸附的NH4+—N 會釋放出來，造成二次污染，針對這一缺陷需要進一步的改進[6]。有研究[7–8]表明，Ca、Al 和Fe 含量高的礦物填料磷吸附能力更強，適合用作人工濕地基質(zhì)。海蠣殼、廢磚、火山巖和沸石處理畜禽廢水的對比研究[9]表明，海蠣殼與廢磚具有較高的除磷潛能，除磷能力強于火山巖和沸石，同樣是因為海蠣殼中Ca 含量高。另有報道[10]表明，紅色黏土對35 mg/L 模擬含磷廢水中磷的去除率達到90%，對50 mg/L 模擬含磷廢水中磷的去除率達到85%，均顯著優(yōu)于活性炭，因此，基質(zhì)是人工濕地除磷的主要途徑，并且能夠通過物理吸附作用去除污水中一部分氨氮。另外，礦化垃圾本身包含了大量的有機物以及硝化菌屬，能夠為人工濕地中的硝化作用提供碳源和菌源，增強人工濕地去除畜禽廢水中氮的能力[11]，因此，礦化垃圾直接去磷和間接除氮的能力使其非常適合用作人工濕地基質(zhì)材料。礦化垃圾這一性質(zhì)啟發(fā)了一條尋找新材料及改造常規(guī)材料的思路，即人工濕地基質(zhì)可以作為一種載體，包含或添加促進人工濕地去污過程的物質(zhì)或生物，如硝化細菌硝化過程需要的碳源。

現(xiàn)有的人工濕地基質(zhì)的磷的去除方式存在2 個缺陷：基質(zhì)通過吸附或者化學(xué)反應(yīng)固定的磷鹽的量有一個上限，這將導(dǎo)致在系統(tǒng)運行后期基質(zhì)的除磷效率嚴重降低，且雖然植物可以部分吸收利用基質(zhì)吸附的磷鹽，但是經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)形成的不溶性的磷酸鹽就無法被植物吸收利用，不能形成人工濕地系統(tǒng)內(nèi)部的磷元素的物質(zhì)循環(huán)，需要加入更多的勞動力管理人工濕地。因此，進一步研究開發(fā)既可以高效固定畜禽廢水中的磷鹽，又可以通過某種方式緩慢釋放被固定的磷鹽以供植物吸收利用的基質(zhì)材料，這樣就既可以通過植物循環(huán)利用礦物元素，又能延長人工濕地使用壽命。

3.2 人工濕地中植物與微生物的作用研究

一般認為，人工濕地中植物的作用主要表現(xiàn)為其間接地為微生物提供一定的好氧環(huán)境，促進微生物的去氮除磷能力，并且能維持和加強濕地系統(tǒng)內(nèi)的水力傳導(dǎo)，而植物對污染物質(zhì)的吸附、截留和直接吸收利用在人工濕地系統(tǒng)除污效果中不占重要地位。有研究[12]表明，處理富營養(yǎng)化湖水的人工濕地系統(tǒng)中，通過收獲植物地上部分所吸收的TN 和TP 分別僅占人工濕地系統(tǒng)TN 和TP 去除量的0.3%～14.1%和0.8%～19.6%。而另外一部分國外研究者[13–14]則稱植物的吸收去氮量占人工濕地去氮的50%~90%。其他還有許多研究者得出的結(jié)論也都不統(tǒng)一。造成研究結(jié)果的差異的原因在于研究條件的不同及其復(fù)雜性，比如供試植物的種類和生長習(xí)性、供試污水的污染物濃度、水力停留時間、氣候條件、進水負荷、收割頻率、濕地基質(zhì)和濕地結(jié)構(gòu)等。目前還沒有系統(tǒng)的研究人工濕地中植物的吸收作用在人工濕地去污能力中具體扮演的角色。植物吸收利用是否是去除氮磷等營養(yǎng)元素的主要途徑，若要充分實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢水的資源化利用，應(yīng)用人工濕地凈化污水，植物對氮磷營養(yǎng)元素的吸收利用就必須占人工濕地氮磷去除率的較大比例。因為畜禽廢水資源化的主要途徑在于植物的收割利用，從而將氮磷等營養(yǎng)元素返還土壤或作它用。現(xiàn)階段收割植物的利用形式研究主要是用作肥料覆蓋相關(guān)的種植地如茶園、菜地或者造紙等等。根據(jù)人工濕地的規(guī)模以及收割的植物的生物量以及植物的種類，收割植物的利用形式還有很大的利用潛力。

人工濕地處理畜禽廢水研究應(yīng)側(cè)重不同種類植物的人工濕地系統(tǒng)耐污去污能力上。對蘆葦、再力花、荻和美人蕉4 種典型的人工濕地植物的研究報道[15]表明，同種植物的植物量與人工濕地系統(tǒng)對COD、BOD5、TN 去除率呈顯著正相關(guān)，與TP 相關(guān)性不強；不同種類植物生物量年產(chǎn)率與各種污染物的去除率均顯著相關(guān)，表明植物在人工濕地系統(tǒng)去污效率影響很大。另一方面不同的植物對污染物的耐受能力有很大的差別，尤其畜禽廢水或者廢沼液中都含有高濃度的COD、SS 和氮磷，因此，植物在人工濕地系統(tǒng)中發(fā)揮作用的前提是能夠耐受高污染濃度的畜禽廢水。有研究[16–17]表明蘆葦在畜禽廢水脅迫下具有較強的抗逆性和耐受性，可作為畜禽廢水處理的主要植物之一。目前已在畜禽廢水處理中研究應(yīng)用且處理效果良好的其他植物有許多種，效果較好的有尖尾芋、鳥巢蕨和橐吾[18–19]，石龍芮和接骨草[20]等。這些植物都有如下共性：耐污性和抗逆性強、生長速度快、分蘗能力強、生物量較大、根系發(fā)達、病蟲害少，這些特性使得這些植物應(yīng)用于人工濕地處理畜禽廢水，并且能夠有良好穩(wěn)定的效果成為可能。

微生物的降解作用是人工濕地處理污水中分解有機物和去氮的有效途徑。研究微生物降解有機物和吸收氮的作用機理以及影響微生物作用的因素，有助于提高人工濕地的凈化除污能力。污水中有機物的分解主要依靠微生物的氨化作用，生成的氨氮則由硝化細菌降解，降解生成的硝酸根和亞硝酸根則由反硝化細菌通過反硝化作用還原成N2O 或N2。關(guān)于人工濕地中微生物的研究十分復(fù)雜，影響微生物的分布和其功能發(fā)揮的因素非常多，如溫度、pH、氧化還原電位、水力負荷、污染負荷、水力停留時間、人工濕地結(jié)構(gòu)和供氧狀況等。因此，關(guān)于微生物在人工濕地中的去污效果和影響因素的研究主要集中在人工濕地中功能微生物種類、數(shù)量和分布、群落結(jié)構(gòu)、功能群和生態(tài)多樣性及其對人工濕地污染物去除效率的影響上。夏宏生等[21]對人工濕地中微生物的研究表明，氨化細菌是除氮的優(yōu)勢菌群，隨著人工濕地的運行，其數(shù)量逐漸增加；而硝化細菌屬于好氧細菌，隨著人工濕地的連續(xù)運行硝化細菌的數(shù)量有所下降。王愛平等[22]對人工濕地中硝化與反硝化細菌的研究表明，在垂直潛流人工濕地和復(fù)合潛流人工濕地的中下層，反硝化細菌數(shù)量較多，是反硝化作用的主要場所；但由于大量有機物在人工濕地前端和上部被分解，因此會造成反硝化細菌碳源不足。針對碳源不足的問題，武海濤[23]做了關(guān)于人工濕地系統(tǒng)反硝化脫氮外加碳源的研究，結(jié)果顯示有碳源添加系統(tǒng)中，去除率普遍較高，反應(yīng)前期及中期脫氮率穩(wěn)定處于較高水平，在92%～100%之間，且與植物種類無顯著相關(guān)性，因此，合理的碳源加入方式或者碳源來源影響脫氮效率。

相關(guān)研究[24–27]表明，濕地植物能夠顯著影響濕地微生物的組成和多樣性，但是不同種類植物對基質(zhì)微生物數(shù)量的影響沒有明顯差異，且對基質(zhì)微生物群落結(jié)構(gòu)不存在決定性的影響作用，但是對濕地土壤微生物在深度上的分布存在著較顯著的影響。一個關(guān)于植物功能群多樣性對人工濕地中微生物量的研究表明，植物功能群豐富度能夠顯著影響基質(zhì)微生物生物量、植物生物量、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等營養(yǎng)物質(zhì)的滯留，因而在人工濕地植物配置中，植物功能群豐富度將是一個需要考慮的重要參數(shù)。

植物與微生物之間是相互影響的，植物能夠為微生物提供一個局部的好氧環(huán)境，使得人工濕地中好氧微生物更加活躍，提高硝化反應(yīng)強度；而微生物對畜禽廢水中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化使得在不同的水力停留時間下，人工濕地系統(tǒng)中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的比例會隨著時間而變化。有研究表明，植物對氮的形態(tài)具有不同程度的偏好[28]，因此，人工濕地系統(tǒng)中植物群對氮的吸收利用形式更加靈活。

3.3 人工濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

人工濕地按照其流水分布形式可以分為2 種基本類型，即表流人工濕地和潛流人工濕地，其中潛流人工濕地又按其水流方向分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。根據(jù)這2 種基本類型，近幾年又新興一種復(fù)合垂直流人工濕地。不同類型的人工濕地的去污機理和效果有較大差別，應(yīng)根據(jù)不同目的綜合改進運用。如王妍艷[6]將傳統(tǒng)波形潛流人工濕地進行改進，加寬了傳統(tǒng)波形潛流人工濕地中不足10 mm 寬的導(dǎo)流板為250 mm 寬的導(dǎo)流墻，既保持水流通過濕地的波形路徑，又延長了水流與根系的接觸時間，利于植物根系傳輸氧氣到水流中，提高養(yǎng)豬場廢水污染物的去除率，在水力停留時間為4 d，進水COD、TN、NH4+–N、TP 濃度分別為511、120、110、10 mg/L 左右時，該濕地系統(tǒng)對COD、TN、NH4+—N、TP 的去除率分別為86.0%、54.4%、70.1%和91.6%。

3.4 人工濕地與其他技術(shù)的聯(lián)合工藝

目前傳統(tǒng)畜禽廢水處理技術(shù)對廢水中有機物的處理已經(jīng)達到對環(huán)境不產(chǎn)生負面影響的程度。人工濕地綜合了進行厭氧處理、好氧處理和物化處理等的技術(shù)原理，與其他工業(yè)法技術(shù)進行耦合運用的潛力很大。鄧仕槐等[29]采用ABR–CASS–濕地及生態(tài)塘工藝處理豬場養(yǎng)殖廢水，處理后出水主要指標分別為：COD 為( 45～55) mg/L，BOD 為(20～25) mg/L，SS 為(25～30) mg/L，NH3–N 為( 4～5) mg/L，達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》。李捍東等[30]設(shè)計研究了曝氣—微生物—人工濕地組合工藝處理黑臭河水，在進水污染物濃度高且水質(zhì)波動大的情況下，系統(tǒng)仍運行效果良好，COD、NH3—N、TP 分別從519、11.5、6.5 mg/L 左右下降到33、1.5、0.25 mg/L，出水水質(zhì)達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的V 類水質(zhì)標準[30]，同時也能夠應(yīng)用于同樣污染物濃度高的畜禽廢水。由此可見，各種厭氧、好氧與人工濕地的組合工藝不僅實現(xiàn)了廢水中資源的再利用，同時也消除了對環(huán)境的污染。

4 結(jié) 語

畜禽養(yǎng)殖廢水污染問題的解決是轉(zhuǎn)變畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展模式的關(guān)鍵。在我國，人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水具有廣闊的前景，其不但去污能力強，而且能夠充分實現(xiàn)資源的綜合利用，符合循環(huán)經(jīng)濟的“3R”原則。雖然人工濕地還存在諸如占地面積大，去污效果受環(huán)境條件如溫度、pH 等的影響，但是通過發(fā)展新型畜禽養(yǎng)殖方式，如有效利用南方草山草坡建立畜禽養(yǎng)殖場及牧場，可以化解其占地面積大的問題；通過相關(guān)技術(shù)手段的研究，如選擇合理的濕地植物布局、微生物菌劑的添加、改進人工濕地結(jié)構(gòu)等，可以減少環(huán)境對人工濕地去污能力的影響。

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