稻草—綠狐尾藻復(fù)合人工濕地技術(shù)處理養(yǎng)豬廢水?綜合效益分析

李遠(yuǎn)航，劉洋，劉銘羽，李希，周腳根，李裕元，吳金水

（1. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 桃源縣農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境保護(hù)管理站，湖南 桃源 415700）

近年來，農(nóng)業(yè)面源已成為中國乃至世界各地主要的污染源之一，其過量輸入水體的氮（N）、磷（P）等營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致了大規(guī)模的水體富營養(yǎng)化問題，嚴(yán)重破壞水體生態(tài)環(huán)境[1]。2010年第一次全國污染源普查公報(bào)數(shù)據(jù)顯示，在農(nóng)業(yè)源主要污染物排放總量中，畜禽養(yǎng)殖來源的化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）和總磷（TP）排放分別為96%、38%和57%，養(yǎng)殖業(yè)導(dǎo)致的污染問題十分突出，已經(jīng)成為我國最主要的污染源。其主要原因在于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期以來存在的一些結(jié)構(gòu)性問題，即種植—養(yǎng)殖—加工分離，循環(huán)利用措施缺位[2-3]。養(yǎng)豬場(chǎng)產(chǎn)生的廢水，由于其具有排放量大、有機(jī)物濃度和氨氮含量高等特點(diǎn)，極易導(dǎo)致下游河流湖泊的水質(zhì)惡化[4-5]。因此，養(yǎng)豬廢水的排放問題已經(jīng)成為國內(nèi)許多養(yǎng)豬業(yè)集中地區(qū)的棘手問題，對(duì)養(yǎng)豬廢水的治理問題已經(jīng)成為規(guī)?；B(yǎng)豬業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。

目前對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理工藝主要有好氧法、厭氧法和人工濕地處理法等工程或生態(tài)處理技術(shù)措施，并在此基礎(chǔ)上建立了各種養(yǎng)殖廢水處理模式[6]，主要有還田處理模式、自然處理模式和工業(yè)化處理模式。還田處理模式指直接將養(yǎng)殖廢水作為肥料還田[7]，該模式具有投資少、低耗能和運(yùn)行費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在明顯的缺點(diǎn)：需要大量土地面積以消納養(yǎng)殖廢水，并且在雨季和非用肥季節(jié)無法處理；長期施用還可能引起土壤氮磷累積并造成淋失、流失等二次污染，并對(duì)地下水和地表水水質(zhì)構(gòu)成一定威脅。自然處理模式主要采用氧化塘、土地處理系統(tǒng)或人工濕地等自然處理系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)糞便污水進(jìn)行處理[8-9]。該模式優(yōu)點(diǎn)在于：投資少、低耗能和運(yùn)行費(fèi)低，缺點(diǎn)在于：土地面積需求大，單用氧化塘、土地處理系統(tǒng)或人工濕地?zé)o法實(shí)現(xiàn)廢水處理達(dá)標(biāo)。工業(yè)化處理模式包括厭氧處理、好氧處理以及厭氧—好氧處理等不同處理組合系統(tǒng)[10-12]。工業(yè)化模式的主要優(yōu)點(diǎn)在于占地少，適應(yīng)性廣，不受地理位置限制和季節(jié)溫度變化的影響。其主要缺點(diǎn)是工程建設(shè)投資大；能耗高和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高；機(jī)械設(shè)備多，需要專人維護(hù)。目前，國內(nèi)使用傳統(tǒng)的厭氧好氧組合工藝處理大規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)廢水居多，此工藝中大部分可降解的有機(jī)物在厭氧處理階段可被去除，COD降低，可生化性差，同時(shí)厭氧消化過程中有機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為氨氮，厭氧出水中氨氮含量依然很高，系統(tǒng)出水很難達(dá)到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596—2001）的要求。因而在通過厭氧池之后的廢水處理顯得尤為重要。

近5年來中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所針對(duì)養(yǎng)殖廢水治理的問題研發(fā)了稻草—綠狐尾藻（M.elatinoides）生態(tài)治理技術(shù)[13-15]，具有工程投資少和運(yùn)行成本低的特點(diǎn)，本文主要針對(duì)該技術(shù)在大規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況，通過對(duì)實(shí)際處理效果的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)分析了該技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖廢水主要污染物（COD、總氮、氨氮、總磷）的去除效果，并對(duì)其產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了初步測(cè)算，以期為該技術(shù)在規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)的推廣應(yīng)用與治理效果定量評(píng)價(jià)提供案例和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 示范工程概況與技術(shù)簡介

示范工程位于浙江省紹興市上虞區(qū)某大型養(yǎng)豬場(chǎng)，區(qū)內(nèi)為濱海平原地貌，屬東南濕潤季風(fēng)氣候，多年平均降水量約為1 400 mm，年平均氣溫16.4 ℃，無霜期251 d左右。

廢水處理示范工程建設(shè)時(shí)間為2013年8—11月，養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)有存欄生豬5萬頭，廢水排放量約為500 m3/d，處理系統(tǒng)總面積為54 000 m2，工程建設(shè)總投資為300萬元（不含征地費(fèi)）。廢水治理采用中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研發(fā)的稻草—綠狐尾藻生態(tài)治理技術(shù)[13-15]，該工程僅處理經(jīng)過固液分離并厭氧處理以后的養(yǎng)殖廢水（沼液），總的工藝流程見圖1。工程主體由稻草生物基質(zhì)消納系統(tǒng)和綠狐尾藻濕地消納系統(tǒng)兩部分組成。其中稻草基質(zhì)消納系統(tǒng)總面積為4 000 m2，等分為兩級(jí)，為半地下混凝土池式建筑，池深1.2 m，水深0.8～1 m，池周與底部全部做防滲處理，基質(zhì)池的水力停留時(shí)間為6～14 d，運(yùn)行前投放干稻草約200 t；綠狐尾藻生態(tài)濕地總面積為50 000 m2，為地下式混凝土池塘式建筑，底部為夯實(shí)土底，四周為混凝土澆筑，濕地內(nèi)不加填料。整個(gè)濕地系統(tǒng)根據(jù)地形分為4級(jí)，各級(jí)之間通過三個(gè)管徑300 mm的管道聯(lián)通。每一級(jí)的面積分別為8 000～15 000 m2，濕地深度1.5～1.8 m，水深為1.2～1.5 m，水力停留時(shí)間為90～120 d。系統(tǒng)開始運(yùn)行前抽入部分清水，水深30 cm左右，并栽種綠狐尾藻使其蓋度達(dá)到40%～60%。

圖1 養(yǎng)殖廢水生態(tài)治理技術(shù)工藝流程圖Fig. 1 The process chart of ecological disposal technology for swine wastewater

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先將經(jīng)過厭氧無害化處理的廢水泵入第一級(jí)稻草基質(zhì)消納池，然后廢水利用自然落差逐級(jí)向下游濕地流動(dòng)。養(yǎng)殖廢水經(jīng)過系統(tǒng)綜合處理，水體中的氮磷等污染物逐步得到消納，到末端出水口的廢水可以達(dá)到安全排放標(biāo)準(zhǔn)。豬場(chǎng)污染負(fù)荷產(chǎn)生量和工程對(duì)污染物的消納量見表1。運(yùn)行過程中，要對(duì)生態(tài)濕地中的綠狐尾藻進(jìn)行定期（一般間隔2～3個(gè)月）收獲，適當(dāng)清洗之后可作為母豬的青綠飼料進(jìn)行利用。工程運(yùn)行2個(gè)月以后，在末端兩級(jí)生態(tài)濕地（約為20 000 m2）內(nèi)可放入魚苗，魚苗種類以鯉魚、鰱和鳙魚為主，魚苗投放量約為20 000尾（尾重50～60 g），采用“人放天養(yǎng)”模式（即不投喂飼料）進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，魚類以濕地內(nèi)的浮游生物為食，可強(qiáng)化綠狐尾藻濕地的凈化能力。當(dāng)年11月份投放的魚苗，一般在第二年10—11月份可以陸續(xù)打撈。

表1 某規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)污染負(fù)荷產(chǎn)生量與工程消納總量Table 1 The total loadings and consumption amount in the engineering of pollutants produced in a large scale pig farm

1.2 樣品采集與分析

工程于2013年11月竣工并開始運(yùn)行，2014年3—12月份每月在系統(tǒng)的進(jìn)出水口和每一級(jí)濕地末端（共計(jì)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）出口附近的不同位置采集3個(gè)水樣（500 ml）并分別測(cè)定，取平均值作為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果。每次采集的樣品隨即用冷藏箱保存并帶回實(shí)驗(yàn)室，對(duì)樣品首先進(jìn)行預(yù)處理：取100 ml左右的水樣用0.45 μm濾膜進(jìn)行抽濾，用于測(cè)定氨氮，剩余未抽濾水樣用于測(cè)定COD、總氮和總磷。樣品一般在48小時(shí)之內(nèi)進(jìn)行分析，不能及時(shí)分析的先放入-18 ℃冰箱冷凍保存。

各個(gè)指標(biāo)的測(cè)定主要參考國標(biāo)方法[17]并采用相關(guān)儀器進(jìn)行測(cè)定。COD采用重鉻酸鉀消解—紫外分光光度法，氨氮采用流動(dòng)分析儀法，總氮采用堿性過硫酸鉀消解—流動(dòng)分析儀法，總磷采用過硫酸鉀消解—鉬藍(lán)比色法。

1.3 污染物去除率與減排量計(jì)算方法

污染物去除率計(jì)算方法為：

式中：r為污染物（COD、氮、磷）的去除率（%）；C1為系統(tǒng)或某一環(huán)節(jié)污染物的進(jìn)水濃度（mg/L）；C2為系統(tǒng)或某一環(huán)節(jié)污染物的出水濃度（mg/L）；C0為污染物進(jìn)入系統(tǒng)的起始濃度（mg/L）。

污染物年減排量的估算方法為：

式中：Qin為污染物年輸入量（t/a）；i為月份；為輸入污染物的月平均濃度（mg/L）；Vi每月污水排放量（m3/月）（根據(jù)監(jiān)測(cè)可知每月的污水排放量為15 000 m3）；Qout為污染物年輸出量（t/a）；為輸出污染物濃度（mg/L）；Q為工程年消納量（t/a）。1、2月份未監(jiān)測(cè)，進(jìn)出水質(zhì)濃度均采用12月份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（均為冬季）。本文忽略了廢水處理系統(tǒng)的水面蒸發(fā)、植物蒸騰和濕地系統(tǒng)的滲漏量。

1.4 效益分析

直接經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算方法為：

式中：E為年經(jīng)濟(jì)效益，P1為魚的單價(jià)（根據(jù)當(dāng)?shù)佤~的價(jià)格，均價(jià)為12元/kg）；Y1為魚的年產(chǎn)量（kg）（養(yǎng)魚濕地共計(jì)20 000 m2，2014年實(shí)測(cè)產(chǎn)量為10 000 kg魚）；P2為綠狐尾藻作為青飼料的單價(jià)，估計(jì)為0.2元/kg；Y2為綠狐尾藻作為青飼料的產(chǎn)量，綠狐尾藻濕地共計(jì)50 000 m2，其中能作為青飼料的濕地30 000 m2，綠狐尾藻蓋度為60%，經(jīng)測(cè)算每平方米產(chǎn)30 kg綠狐尾藻，總產(chǎn)量為5.4×105kg；P3為魚苗單價(jià)（2元/尾）；Y3為魚苗數(shù)量20 000尾；P4為綠狐尾藻苗單價(jià)（3元/kg）；Y4為綠狐尾藻苗的數(shù)量（按蓋度30%，2 kg/m2投放，總計(jì)18 000 kg）；P5為稻草投入量（200 t/a），Y5為稻草單價(jià)（0.4 元/kg）；M為人工管理費(fèi)，約為3萬元/a。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

分別采用Excel2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，用SPSS19.0對(duì)逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，差異顯著的（P＜0.05）再進(jìn)一步進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)對(duì)廢水中COD的去除效果

對(duì)COD的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，其濃度變化范圍為753～2 487.5 mg/L，最低濃度出現(xiàn)在9月份，最高濃度在12月份（圖2），觀測(cè)期內(nèi)進(jìn)入稻草—綠狐尾藻系統(tǒng)的廢水COD平均濃度為1 500 mg/L左右?？傮w而言，夏秋季（6—10月）進(jìn)水COD濃度相對(duì)較低，而冬春季則相對(duì)較高（11月—翌年5月）。由圖2可以看出，系統(tǒng)對(duì)COD的處理效果很好，全年工程總出水的COD濃度變化范圍為14～65 mg/L，即使是出水的最高濃度也遠(yuǎn)低于國家養(yǎng)殖廢水排放標(biāo)準(zhǔn)（≤400 mg/L），其中夏季6—8月份的出水水質(zhì)甚至達(dá)到了國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤30 mg/L），而4月份和11月份的出水達(dá)到了Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤40 mg/L）。

圖2 稻草—綠狐尾藻養(yǎng)殖廢水生態(tài)處理系統(tǒng)進(jìn)出水COD季節(jié)動(dòng)態(tài)變化（2014年）Fig. 2 The dynamic changes of COD of the influent and effluent in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides（2014）

對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)污染物產(chǎn)生量的估算結(jié)果表明，示范豬場(chǎng)每年的COD產(chǎn)生量高達(dá)6 166.7 t（表1），經(jīng)過干清糞、沼氣或厭氧發(fā)酵等環(huán)節(jié)的處理（圖1），輸入到廢水處理工程的COD總量約為273.5 t/a，而工程消納的量約為265.2 t/a，工程對(duì)COD的消納強(qiáng)度達(dá)到53 t/(萬頭·a)。

COD去除率的逐月變化情況表明，觀測(cè)期內(nèi)各月總?cè)コ示?4%以上，平均達(dá)到97.3% （表2），但是系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的處理效率有所不同，其中在稻草基質(zhì)池部分的平均去除率為49.6%，而綠狐尾藻濕地的平均去除率為47.7%?？傮w而言，稻草基質(zhì)消納系統(tǒng)和綠狐尾藻濕地系統(tǒng)前端對(duì)COD的去除效率更高，前三級(jí)一般在65%以上，以下呈逐級(jí)遞減趨勢(shì)。

表2 稻草—綠狐尾藻系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)殖廢水中COD的去除率（%）Table 2 Removal efficiency of COD in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides (%)

2.2 系統(tǒng)對(duì)廢水中氮的去除效果

圖3 稻草—綠狐尾藻養(yǎng)殖廢水生態(tài)處理系統(tǒng)進(jìn)出水氮的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Fig. 3 The dynamic changes of nitrogen concentration of the influent and effluent in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides（2014）

總氮的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，其進(jìn)水平均濃度為808.1 mg/L，變化范圍為294.8～1 290.0 mg/L；出水水質(zhì)最高濃度僅為40.5 mg/L（圖3），其中10月份和11月份的出水水質(zhì)達(dá)地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)（≤2 mg/L）。氨氮的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，進(jìn)水平均濃度為700 mg/L，變化范圍為273.15～1078 mg/L，冬春季較高，夏秋季較低；氨氮出水濃度在秋冬季相對(duì)低，添加稻草基質(zhì)池后的出水濃度都比較低，氨氮出水最高濃度是在5月，為26.2 mg/L。其余月份的氨氮濃度都小于4 mg/L，所有月份的出水水質(zhì)都遠(yuǎn)低于國標(biāo)GB 18596—2001中氨氮的排放標(biāo)準(zhǔn)（＜80 mg/L）。總氮與氨氮的變化趨勢(shì)基本一致，出水濃度也在秋冬季相對(duì)較低。

對(duì)污染物產(chǎn)生量的估算結(jié)果（表1）表明，示范豬場(chǎng)每年總氮和氨氮的產(chǎn)生量分別為463.6 t和262.0 t，輸入到廢水處理工程的總氮和氨氮總量分別為148.0 t/a和127.4 t/a，而工程消納量分別為145.7 t/a和126.8 t/a，工程對(duì)總氮和氨氮的消納強(qiáng)度分別為29.1 t/（萬頭·a）和25.4 t/（萬頭·a）。消納量占產(chǎn)污量比達(dá)到31.4%和48.4%。

總氮與氨氮每月的平均去除率基本均在94.7%以上，9—11月份相對(duì)較高（表3）。從系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的比較可見，稻草基質(zhì)池對(duì)總氮的平均去除率為36.4%，而綠狐尾藻濕地對(duì)氨氮的平均去除率為62.6%，稻草基質(zhì)池對(duì)氨氮的平均去除率為37.2%，而綠狐尾藻濕地對(duì)氨氮的平均去除率為62.7%?？偟c氨氮的去除效果大致相似。

表3 稻草—綠狐尾藻養(yǎng)殖廢水生態(tài)處理系統(tǒng)總氮和氨氮的去除率（%）Table 3 Removal efficiency of total nitrogen and ammonia nitrogen in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides （%）

2.3 系統(tǒng)對(duì)廢水中磷的去除效果

進(jìn)入系統(tǒng)的總磷平均濃度為35.0 mg/L，其變化范圍為21.8～49.3 mg/L（圖4），進(jìn)水濃度隨季節(jié)差異波動(dòng)不大。出水TP濃度均在5 mg/L以下，顯著低于國家畜禽養(yǎng)殖廢水排放標(biāo)準(zhǔn)（國標(biāo)GB 18596—2001）的最大限值（8 mg/L）。

對(duì)豬場(chǎng)總磷產(chǎn)生與消納量的估算結(jié)果表明，示范豬場(chǎng)每年的總磷產(chǎn)生量達(dá)58.6 t，輸入到廢水處理系統(tǒng)的總磷量約為6.1 t/a，而工程消納的量約為5.6 t/a，消納強(qiáng)度達(dá)到1.1 t/（萬頭·a）（表1）。

TP去除率的逐月變化情況表明，觀測(cè)期內(nèi)各月總?cè)コ驶径荚?8%以上，平均達(dá)到92.7%，其中在稻草基質(zhì)池部分的平均去除率為38.7%，而綠狐尾藻濕地的平均去除率為54%（表4）。從各環(huán)節(jié)來看，前2級(jí)稻草基質(zhì)消納系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果有波動(dòng)，但全年的平均去除率差異不大；綠狐尾藻濕地系統(tǒng)前兩級(jí)的去除率明顯較高（合計(jì)占57.9%），而后基本呈逐級(jí)遞減趨勢(shì)。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

稻草—綠狐尾藻治污系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果表明，綠狐尾藻濕地養(yǎng)魚無需投加魚飼料，養(yǎng)魚成本僅為魚苗成本4 000元，當(dāng)年養(yǎng)魚的銷售收入約為12萬元，養(yǎng)魚產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為11.6萬元。根據(jù)前文計(jì)算，綠狐尾藻種苗成本為5.4萬元，綠狐尾藻作為青飼料產(chǎn)生的收入為10.8萬元。此外，每年消耗的稻草成本為8萬元，工程運(yùn)行過程中還需一定的人工管理，管理費(fèi)為3萬元/a。因此，經(jīng)初步測(cè)算，該生態(tài)治理養(yǎng)殖廢水處理工程在正常運(yùn)行條件下，每年可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約為6萬元，每萬頭豬產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益約1.2萬元/a（表5）。

圖4 稻草—綠狐尾藻養(yǎng)殖廢水生態(tài)處理系統(tǒng)進(jìn)出水總磷的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Fig. 4 The dynamic changes of total phosphorus concentration of the influent and effluent in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides（2014）

表4 稻草—綠狐尾藻養(yǎng)殖廢水生態(tài)處理系統(tǒng)總磷的去除率（%）Table 4 Removal efficiency of total phosphorus in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides （%）

表5 稻草—綠狐尾藻治污工程直接經(jīng)濟(jì)效益構(gòu)成Table 5 The constituents of direct economic benefit of rice straw- M. elatinoides swine waste-water disposal engineering

3 討論

長期以來，高負(fù)荷養(yǎng)殖廢水環(huán)境污染與治理問題是困擾企業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，特別是近年來隨著政府對(duì)環(huán)境治理力度的加大，養(yǎng)殖企業(yè)也面臨著很大的環(huán)境壓力。因此近年來探討各種不同技術(shù)治理高負(fù)荷養(yǎng)殖廢水已經(jīng)成為國內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并取得了很大進(jìn)展。如高春芳等[18]研究了采用表面流、水平潛流和垂直潛流人工濕地以及地下滲濾系統(tǒng)組合生態(tài)工藝處理養(yǎng)殖廢水技術(shù)，結(jié)果顯示其對(duì)COD、TN、NH4+-N和TP的去除率分別達(dá)到87.0%、95.0%、97.0%和95.0%，去除效果良好。葉勇等[19]在香港沿海地區(qū)的研究表明，利用高耐鹽性的紅樹植物木欖（Bruguiera gymnorrhiza）和秋茄（Kandelia candel）處理牲畜廢水，其中木欖對(duì)N、P的去除效率達(dá)到95.5%和91.8%，秋茄對(duì)N、P的去除效率達(dá)到84.3%和79.2%，均有良好的處理效果。張寒冰等[20]研究了生物膜法對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理效果，發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)COD和氨氮的去除率分別可達(dá)到79.0%和99.0%。Lin等[21]研究發(fā)現(xiàn)，采用水菠菜（Ipomoea aquatica）和蘆葦（Phragmitesaustralis）構(gòu)建表面流和潛流人工濕地治理養(yǎng)殖廢水，對(duì)NH4+-N和磷酸鹽的去除效率可達(dá)98%和71%。劉長娥等[22]采用4級(jí)復(fù)合人工濕地以間歇進(jìn)水的方式處理低濃度豬場(chǎng)廢水，結(jié)果表明其對(duì)TN、TP和NH4+-N去除率分別為94.7%、79.4%和91.0%?？梢?，這些生態(tài)治理技術(shù)均有較好的治理效果，但多數(shù)研究或技術(shù)研發(fā)還主要處在實(shí)驗(yàn)室或中試階段，尚未得到大范圍的工程應(yīng)用。由于多數(shù)水生植物的生物量低且不耐收割，因此一般的自然生態(tài)濕地對(duì)氮磷污染物的消納容量十分有限，因此難以應(yīng)用于高負(fù)荷的養(yǎng)殖廢水治理[23-24]。本文的研究結(jié)果表明，采用稻草—綠狐尾藻生態(tài)治理技術(shù)對(duì)高負(fù)荷養(yǎng)豬廢水COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別達(dá)到了96.4%、99.3%、97.9%和90.6%，出水水質(zhì)顯著優(yōu)于國家養(yǎng)殖廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求（表2～表4），而且從示范工程全年的運(yùn)行效果來看也相當(dāng)穩(wěn)定，由圖3中看出5月份氨氮濃度相對(duì)較高，其原因可能是當(dāng)月對(duì)綠狐尾藻進(jìn)行了收割管理，在一定程度上影響了濕地的處理效果，但其實(shí)際濃度也僅為26.2 mg/L，僅為國家養(yǎng)殖廢水排放標(biāo)準(zhǔn)（80 mg/L）的1/3，表明該技術(shù)是一項(xiàng)行之有效的生態(tài)治污新技術(shù)，值得在廣大亞熱帶地區(qū)推廣應(yīng)用。

稻草—綠狐尾藻生態(tài)治理技術(shù)的主要治污機(jī)理在于：1）利用稻草作為碳源和微生物附著體，為纖維分解菌、硝化菌和反硝化菌等功能微生物種群在污水中的生長與繁殖提供適宜條件，促進(jìn)養(yǎng)殖廢水中難降解有機(jī)殘留物及抗生素、激素等有機(jī)污染物的降解，快速降低廢水的COD，并促進(jìn)有機(jī)氮磷的礦化[13-15]；2）構(gòu)建綠狐尾藻生態(tài)濕地消納廢水氮磷，由于綠狐尾藻具有耐高氮磷污染物濃度、生長時(shí)間長（在亞熱帶地區(qū)全年生長期可達(dá)10個(gè)月以上）、生物量大等顯著優(yōu)勢(shì)[25-26]，通過植物收割可從水體中移除更多的氮磷污染物，并利用收割的植物加工飼料，從而實(shí)現(xiàn)廢水N、P污染物的資源化利用[27-29]。

大量的工程實(shí)踐表明，對(duì)于經(jīng)濟(jì)收益率相對(duì)較低且市場(chǎng)波動(dòng)大的畜禽養(yǎng)殖企業(yè)而言，工程建設(shè)費(fèi)與運(yùn)行成本是影響其治污技術(shù)應(yīng)用的主要制約因素。事實(shí)上，當(dāng)前應(yīng)用的多數(shù)工業(yè)化治污技術(shù)在技術(shù)層面上都具有很好的治理效果，如厭氧—好氧—化學(xué)沉淀綜合處理技術(shù)對(duì)COD、N、P的去除率均可達(dá)到95%以上[10-12]，且也不斷有一些新的工業(yè)化治污技術(shù)出現(xiàn)，如UASB-SFSBR（分步進(jìn)水序批式反應(yīng)器）–MAP（磷酸銨鎂結(jié)晶）技術(shù)，這是當(dāng)前一種新型工業(yè)化處理養(yǎng)殖廢水的技術(shù)，該技術(shù)通過現(xiàn)代生物技術(shù)和物理化學(xué)技術(shù)（如微曝氣、氨濃縮與氨吹脫、磷化學(xué)結(jié)晶等）實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖廢水污染物的去除，副產(chǎn)品還可以作為肥料實(shí)現(xiàn)N、P污染物的資源化利用，該技術(shù)對(duì)COD、氨氮和總磷的去除率分別可達(dá)到95.1%、92.7%和88.8%[3,30-31]。吳義誠等[32]研發(fā)了利用光微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)豬廢水治理和資源化利用技術(shù)，分別將光合細(xì)菌和微藻作為陽極和陰極接種物，構(gòu)建成雙室光微生物燃料電池，該技術(shù)對(duì)COD、氨氮、總磷的去除率分別達(dá)到91.8%、90.2%和81.7%。這些工業(yè)化處理技術(shù)的共同優(yōu)點(diǎn)就是占地少和處理效率高，但其缺陷也十分明顯，即前期工程投資大和運(yùn)行成本高，一般的養(yǎng)殖企業(yè)難以承受。以本文研究的試驗(yàn)豬場(chǎng)為例，在應(yīng)用本技術(shù)以前，其治污方法主要是曝氣工程工藝，運(yùn)行成本很高，單是電費(fèi)一項(xiàng)每天就需要約1 500元，全年運(yùn)行的話就需要至少50萬元以上，還不包括一些消耗材料費(fèi)用，可見工業(yè)化治污工程對(duì)于養(yǎng)殖企業(yè)而言可謂是“建得起而用不起”，這也正是導(dǎo)致社會(huì)上存在大量“曬太陽”環(huán)保工程的根本原因。因此，國內(nèi)外研究者和企業(yè)都在試圖探索采用低成本的生態(tài)治理技術(shù)[33]。

另一方面，傳統(tǒng)的工業(yè)化治污技術(shù)主要是將污染物N、P從廢水中移除并實(shí)現(xiàn)廢水的“達(dá)標(biāo)排放”，多數(shù)未考慮對(duì)N、P的利用問題，因此這些技術(shù)在不同程度上造成了N、P資源的浪費(fèi)，不符合我國當(dāng)前“資源節(jié)約”的政策導(dǎo)向。稻草—綠狐尾藻治污技術(shù)恰恰彌補(bǔ)了這一缺陷，不僅工程投資低（約80萬元/萬頭豬），每年通過濕地水產(chǎn)養(yǎng)殖和飼料加工等還可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，扣除運(yùn)行費(fèi)和稻草的成本還略有盈余（表5），在一定程度上減輕了工程運(yùn)行的成本負(fù)擔(dān)，也增加了稻草的利用，因此是一種典型的“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”生態(tài)治理技術(shù)，值得大力推廣和應(yīng)用。

此外，由于養(yǎng)殖廢水通常還含有一定量的重金屬和抗生素，因此公眾對(duì)廢水及治污過程中所產(chǎn)生植物生物質(zhì)的資源化利用也有一定的擔(dān)心。但作者所在團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究表明，稻草—綠狐尾藻治污技術(shù)對(duì)磺胺類和奎洛酮類抗生素的平均去除率達(dá)98%以上，對(duì)土霉素和四環(huán)素的去除率達(dá)91%（結(jié)果尚未發(fā)表）。對(duì)養(yǎng)殖廢水中生長的綠狐尾藻成份的測(cè)定結(jié)果也顯示，重金屬砷（As）、鎘（Cd）、鉛（Pb）含量分別為0.02、0.03和0.3 mg/kg，遠(yuǎn)低于國家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB 13078—2001，As≤10.0 mg/kg、Cd≤0.5 mg/kg、Pb≤40.0 mg/kg），因此可以安全用作畜禽飼料。吳飛等[34]最新研究還表明，豬飼糧中添加10%左右的綠狐尾藻，對(duì)肥育豬的生長性能無顯著影響，而且還可顯著改善豬的血清生化指標(biāo)，降低平均背膘厚，減緩肌肉pH下降速度，降低損失，即總體上改善豬肉品質(zhì)。因此，在濕地系統(tǒng)后端進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖和對(duì)綠狐尾藻進(jìn)行飼料化利用不存在抗生素有機(jī)污染和重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

基于5萬頭生豬存欄大規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)示范工程的觀測(cè)結(jié)果表明，稻草—綠狐尾藻養(yǎng)豬廢水生態(tài)治理技術(shù)具有良好的治理效果，該系統(tǒng)出水COD、總氮和總磷濃度均優(yōu)于國家養(yǎng)殖廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，每萬頭豬COD、總氮、氨氮和總磷的污染物減排量分別達(dá)到265.2、145.7、126.8和5.7 t/a。

通過生態(tài)濕地系統(tǒng)綠狐尾藻生物質(zhì)的飼料化利用與濕地水產(chǎn)養(yǎng)殖等資源化利用途徑，在扣除工程運(yùn)行成本條件下，每萬頭豬產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益約1.2萬元/a，可以實(shí)現(xiàn)治污工程運(yùn)行費(fèi)的基本自給并略有盈余。因此，稻草—綠狐尾藻養(yǎng)殖廢水生態(tài)治理技術(shù)是一項(xiàng)投資少、運(yùn)行成本低、可產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益的生態(tài)治污新技術(shù)，值得在我國亞熱帶地區(qū)大力推廣應(yīng)用。

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