兩種潛流人工濕地系統(tǒng)對(duì)畜禽養(yǎng)殖污水凈化能力的比較研究

王定國(guó) ，白林 ，馬祥 ，周立新 ，劉金鑫 ，蘇中海

（1.成都市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，四川 成都 610041；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 溫江 611130）

兩種潛流人工濕地系統(tǒng)對(duì)畜禽養(yǎng)殖污水凈化能力的比較研究

王定國(guó)1，白林2*，馬祥2，周立新1，劉金鑫1，蘇中海1

（1.成都市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，四川 成都 610041；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 溫江 611130）

基質(zhì)類型和水力停留時(shí)間是人工濕地污水處理系統(tǒng)的重要組成部分和主要運(yùn)行參數(shù)，可直接影響系統(tǒng)的處理效果。本文選用兩種混合基質(zhì)（沸石+碎磚石、蛭石+碎磚石）構(gòu)建人工濕地系統(tǒng)，比較其對(duì)畜禽養(yǎng)殖污水中COD、NH4+-N、TP、Cu、Zn等污染物的的去除效果。結(jié)果表明：兩種基質(zhì)對(duì)COD、NH4+-N、TP都有很好的去除效果，且沸石+碎磚石的去除效果略好于蛭石+碎磚石。

混合基質(zhì)；人工濕地；畜禽污水；水力停留時(shí)間；去除率

近年來，人工濕地以其高效、低耗、低運(yùn)行成本在養(yǎng)殖污水處理中得到了廣泛應(yīng)用。人工濕地主要由水體、基質(zhì)、水生植物和微生物四個(gè)基本要素組成[1]，基質(zhì)、水生植物和微生物三者通過物理、化學(xué)及生物三重協(xié)同作用完成水質(zhì)凈化[2-3]。基質(zhì)多選擇具有較大表面積的礫石、沙子和土壤等，為去除污染物提供物理、化學(xué)和生物轉(zhuǎn)化的環(huán)境。濕地系統(tǒng)對(duì)污水進(jìn)行處理時(shí),基質(zhì)主要是通過物理和化學(xué)途徑對(duì)污水中的氮、磷等進(jìn)行去除[4]，其凈化過程包括有機(jī)、無機(jī)膠體的吸收、絡(luò)合和沉淀，離子交換、氣體擴(kuò)散和機(jī)械截留等。

人工濕地雖然對(duì)養(yǎng)殖污水凈化處理取得了比較好的效果，但還存在污水中氨、氮難以去除[5]，去除率一般不超過60%，水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)等問題。人工濕地系統(tǒng)中除氨、氮的關(guān)鍵在于選擇填料[6-7]，目前蛭石和沸石是比較理想的吸附填料。本試驗(yàn)選用蛭石、沸石、碎磚石作為主要基質(zhì)填料，用美人蕉作為濕地植物，比較以“蛭石+碎磚石”和“沸石+碎磚石”為主要基質(zhì)材料的人工濕地系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)殖污水處理能力的差異，確定人工濕地系統(tǒng)的最佳水力停留時(shí)間，評(píng)估畜禽養(yǎng)殖污水處理最佳人工濕地系統(tǒng)，為養(yǎng)殖污水的有效處理提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用基質(zhì)：礫石、蛭石、沸石、碎磚石、沙壤土，其中礫石采購(gòu)于建筑工地，粒徑大小為3～5cm；蛭石為園藝用蛭石，沸石為天然沸石，粒徑大小為5～10mm；碎磚石采購(gòu)于建筑工地，使用前將其破碎成粒徑為5～20mm的小顆粒；沙壤土過篩使粒徑小于2mm。

試驗(yàn)用濕地植物：美人蕉，采挖于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)，選擇健康、生長(zhǎng)旺盛、株重相當(dāng)?shù)拿廊私?8株。

試驗(yàn)用污水：收集于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)污水處理廠循環(huán)活性污泥系統(tǒng)（CASS）曝氣池的出水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)的人工濕地裝置選用25cm和35cm高的塑料桶，在桶側(cè)底裝一個(gè)水龍頭，以控制污水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間，在試驗(yàn)桶內(nèi)由下至上依次填充6kg的礫石、蛭石+碎磚石或沸石+碎磚石的混合基質(zhì)，沙壤土，最后在沙壤土內(nèi)種植美人蕉。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示，每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)運(yùn)行 選擇生長(zhǎng)良好的美人蕉分別種植在試驗(yàn)桶，先用自來水澆灌使美人蕉進(jìn)行適應(yīng)性生長(zhǎng)，待植株成活、生長(zhǎng)旺盛后改澆試驗(yàn)污水，使人工濕地系統(tǒng)穩(wěn)定1個(gè)月。試驗(yàn)前將系統(tǒng)內(nèi)的污水抽干，間隔1天后進(jìn)水，每個(gè)試驗(yàn)桶的進(jìn)水量為2L。檢測(cè)水力停留時(shí)間（HRT）分別為 1、2、3、4、5、6、7、8、9 d 時(shí)的污水凈化情況。本試驗(yàn)歷時(shí)半年。

1.4 樣本采集與測(cè)定 采集試驗(yàn)污水進(jìn)、出水樣，污水采樣主要集中在早上8～9點(diǎn)進(jìn)行，水樣采集后，盡快帶回實(shí)驗(yàn)室并盡快進(jìn)行水質(zhì)分析，檢測(cè)的主要水質(zhì)指標(biāo)有：pH值、化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）、NH4+-N、Cu、Zn。根據(jù)R=[（Ai-A0）/Ai]×100%來計(jì)算各污染物的去除效率（其中，Ai和A0分別表示進(jìn)、出水的污染物濃度）。

2 結(jié)果與分析

2.1 污水pH值對(duì)人工濕地系統(tǒng)去污效果的影響 污水pH值與人工濕地系統(tǒng)去除污染物的效果密切相關(guān)。去除COD時(shí)，pH值影響降解微生物的數(shù)量和種類，從而影響COD的去除效果；去除NH4+-N時(shí)，pH值不僅影響硝化與反硝化細(xì)菌的數(shù)量活性，還影響著NH4+-N的存在形式；去除TP時(shí)，pH值決定無機(jī)磷酸鹽在水中的存在形態(tài)，影響對(duì)磷的吸附量。同時(shí)，pH值對(duì)基質(zhì)中金屬離子的活性也有很大影響，從而影響基質(zhì)表面水解產(chǎn)物的類型和濃度。試驗(yàn)表明，pH值在7.6左右時(shí)各種污染源物的去除效果均較好，同時(shí)是這一pH值停留5d左右達(dá)到的。

2.2 人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中COD去除率的比較 兩種基質(zhì)去除COD的效果均較好，蛭石型混合基質(zhì)最高去除率達(dá)到了92.8%，沸石型混合基質(zhì)最高去除率達(dá)到了92.63%（見表2）。在第4d，兩種類型基質(zhì)的去除率均有下降，這與較高的pH值有關(guān)。從表中還可以看出，沸石型混合基質(zhì)的去除效果略好于蛭石型，去除最佳時(shí)間在5d左右。

表2 兩種混合基質(zhì)人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中COD去除率的比較

2.3 人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中NH4+-N去除率的比較 從表3可以看出，兩種混合型基質(zhì)對(duì)NH4+-N都有很好的去除效果。蛭石最高去除率達(dá)到99.72%，沸石最高去除率達(dá)到99.81%。停留5d之后去除率趨于平穩(wěn)，差異不是很顯著，只是略有升高，從經(jīng)濟(jì)上說停留5d左右最佳。

表3 兩種混合基質(zhì)人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中NH4+-N去除率的比較

2.4 人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中TP去除率的比較 磷的去除主要是靠基質(zhì)的吸附、沉淀并與植物、微生物協(xié)同完成，其中基質(zhì)起著主要作用。從試驗(yàn)結(jié)果來看，兩種混合基質(zhì)對(duì)磷的去除效果均較好。蛭石最高去除率能達(dá)到98.72%，沸石最高去除率能達(dá)到98.64%。前3d去除率隨時(shí)間的增加去除效果十分顯著，5d過后去除率隨時(shí)間變化略有增加，但效果不顯著。停留4d時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)去除率下降的趨勢(shì)，這可能跟pH值在此階段最高有關(guān)。

2.5 人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中Cu、Zn去除率的比較 污水進(jìn)水中Cu的平均濃度為116.66μg/L，而出水中未檢出Cu。表明在低Cu濃度下，本試驗(yàn)構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)對(duì)重金屬Cu的吸收能力很強(qiáng)。兩種類型混合基質(zhì)對(duì)Zn的去除率沒有顯著差異，但不同的水力停留時(shí)間（HRT）對(duì)去除率有顯著影響（P＜0.05）。詳見表5。其中HRT為5d和3d時(shí)，去除率達(dá)到最大；當(dāng)HRT大于5 d時(shí)，沸石基質(zhì)對(duì)Zn的去除率開始顯著降低（P＜0.05）。

表4 兩種混合基質(zhì)人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中TP去除率的比較

表5 兩種混合基質(zhì)人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中重金屬Zn去除率的比較

3 結(jié)論

3.1 兩種混合基質(zhì)對(duì)COD、NH4+-N、TP都有很好的去除效果。蛭石+碎磚石對(duì)COD、NH4+-N、TP的平均去除率分別為75.02%、99.42%、96.69%，沸石+碎磚石對(duì)COD、NH4+-N、TP的平均去除率分別為82.16%、98.97%、96.87%。可見沸石+碎磚石的去除效果略好于蛭石+碎磚石。

3.2 污水停留時(shí)間在5d左右去除率相對(duì)最高，之后趨于平穩(wěn)。停留 1d、2d、3d，對(duì) COD、NH4+-N、TP 的去除效果比較顯著。停留5d之后，去除效果隨時(shí)間的增加而不顯著。停留4d，去除率有所下降，可能跟污水的pH值太高有關(guān)。

3.3 污水pH值對(duì)COD、NH4+-N、TP的去除效果影響巨大，其中對(duì)COD的影響最大。污水pH值在7.5～7.8時(shí)去除效果最好，且pH值隨著停留時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)周期性變化，即先升高后下降，之后再升高，這可能跟系統(tǒng)中微生物的活動(dòng)和數(shù)量有關(guān)。

4 討論

4.1 本試驗(yàn)在晚春至初夏進(jìn)行，溫度較高，微生物活性強(qiáng)，處理效果較好。但炎熱的夏季和寒冷的冬季去除效果未知。

4.2 試驗(yàn)用污水已經(jīng)是經(jīng)過處理的（厭氧發(fā)酵、沉淀、過濾），水中COD、NH4+-N、TP含量相對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的污水低很多，故該系統(tǒng)對(duì)高污染養(yǎng)殖廢水的處理效果未知。

4.3 兩種基質(zhì)對(duì)COD、NH4+-N、TP的去除各有一定的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，可以考慮將蛭石和沸石混合組成另一個(gè)濕地系統(tǒng)。

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A Comparative Study on the Performance of Two Mixed Matrix of Constructed Wetland Wastewater Treatment System for Livestock and Poultry Industry

Wang Dingguo1，Bai Lin2*，Ma Xiang2，et al.
（1.Animal Disease Prevention and Control Center of Chengdu City，Sichuan Chengdu 610041；2.Sichuan Agricultural University，Sichuan Wenjiang 611130，China）

The matrix type and hydraulic retention time（HRT）are the most important parts and parameter of the constructed wetland sewage treatment system，which directly affect the treatment effect.In this paper，two kinds of mixed matrix（zeolite trubble，vermiculite+rubble）were selected to construct artificial wetland system to evaluate its effect on the removal rate of COD，NH4+-N，TP，Cu，Zn and other pollutants in livestock farm′s wastewater.The results showed that two kinds of mixed matrix had very good effect on removal of COD，NH4+-N，TP，and the effect of zeolite+rubble was just slightly better than that if vermiculite+rubble.

Mixed matrix；Constructed wetland；Livestock and poultry sewage；HRT；Removal rate

X954

B

1001-8964（2017）11-0035-03

2017-08-08

國(guó)家生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系四川創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目（SZCXTD-2）

王定國(guó)（1966-），男，四川溫江人，大學(xué)本科，高級(jí)畜牧師，研究方向：動(dòng)物生產(chǎn)與廢棄物資源化利用。

*通訊作者：白林（1970-），男，四川漢源人，教授，博導(dǎo)，研究方向：動(dòng)物生產(chǎn)與環(huán)境控制。