多級(jí)生態(tài)藕塘-表流濕地系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)豬廢水的凈化應(yīng)用研究

王珵瑞 ，雷俊山*，郭成久

1. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院/遼寧省水土流失防控與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110866；2. 長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，湖北 武漢 430051

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使中國(guó)肉蛋奶的消費(fèi)需求穩(wěn)定增長(zhǎng)，禽畜養(yǎng)殖規(guī)模隨之增加，但環(huán)保意識(shí)及有效措施的滯后，使養(yǎng)殖廢水污染問(wèn)題日漸凸顯，尤其是農(nóng)村禽畜養(yǎng)殖作為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要部分，其廢水隨意排放造成的水污染在農(nóng)村面源污染中占有一定比重，已經(jīng)影響到農(nóng)村居民的飲水用水安全，同時(shí)也惡化了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境（楊紅梅，2018；許文志等，2017；陳宏剛，2016；盧玉愛(ài)，2016；趙雅光等，2016）。因此，探索科學(xué)有效的方法對(duì)農(nóng)村養(yǎng)殖廢水進(jìn)行集中凈化再排放至關(guān)重要。

近年來(lái)，生態(tài)塘及人工濕地因?yàn)榈湍芎?、低成本、低投資及水質(zhì)凈化顯著的特點(diǎn)，成為凈化非工業(yè)污水的常用方法，并已開(kāi)始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)污水的處理（王曉玲等，2017；王妹等，2016；齊丹等，2016；崔麗娟等，2011；陳曉強(qiáng)等，2010）。生態(tài)塘可通過(guò)食物網(wǎng)的物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化和能量傳遞，凈化有機(jī)廢水的同時(shí)，輸出水產(chǎn)、水禽及水生植物，使污水處理與經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)合，實(shí)現(xiàn)污水處理資源化（陳曉強(qiáng)等，2010）。而人工濕地則通過(guò)系統(tǒng)中的基質(zhì)-微生物-水生植物連續(xù)體的協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)凈化水體的目的（Mahmoud et al.，2010；崔麗娟等，2010；Vymazal，2009；Kadlec et al.，1996；吳曉磊，1995），可以充分利用水體空間，具有占地面積相對(duì)較小但供氧好、凈化能力高的特點(diǎn)（吳振斌等，2002）。

目前，將多級(jí)生態(tài)塘與人工濕地聯(lián)合配置實(shí)際應(yīng)用于農(nóng)村禽畜養(yǎng)殖廢水的凈化處理研究較少。蓮藕能夠吸收轉(zhuǎn)化養(yǎng)殖廢水及塘底沉積基質(zhì)中的氮、磷等，且能增加額外經(jīng)濟(jì)效益（鄧梅，2013）。將生態(tài)藕塘和人工濕地聯(lián)合用于禽畜養(yǎng)殖廢水的凈化，符合“內(nèi)循環(huán)、外封閉”的養(yǎng)殖理念（王妹等，2016），可以部分解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展和流域生態(tài)環(huán)境污染之間的矛盾。本實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)了在丹江口市余家灣小流域余家灣村建立的多級(jí)生態(tài)藕塘-表流濕地系統(tǒng)，旨在通過(guò)分析其對(duì)養(yǎng)豬廢水的凈化作用，為其推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，并為小流域禽畜養(yǎng)殖廢水治理提供借鑒。

1 工程概況

生態(tài)藕塘-表流濕地系統(tǒng)位于丹江口市余家灣小流域余家灣村（111°15′52.44″E，32°46′00.05″N），由3 級(jí)生態(tài)藕塘（A、B、C）和表流濕地（D）組成，地勢(shì)呈臺(tái)梯式，其東側(cè)、南側(cè)為主河道，西側(cè)、北側(cè)為水稻田。系統(tǒng)主要處理潤(rùn)秋公司的養(yǎng)豬廢水（年養(yǎng)豬900 頭），養(yǎng)豬廢水經(jīng)自建沼氣池匯集和厭氧發(fā)酵（運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間為30 d，啟動(dòng)后每日保持進(jìn)出料平衡且適量）處理后排入系統(tǒng)，依次在生態(tài)藕塘及表流濕地滯留凈化后排入河道，水流方式為堤埂淺層埋管溢滿自流。工藝流程見(jiàn)圖1。

三級(jí)生態(tài)塘A、B、C 均以蓮藕（Nelumbo nucifera）為主要植物，伴少量香蒲（Typha orientalisPresl）、水芹（Oenanthe javanica）、雀稗（Paspalumthunbergii）、蓼（Polygonum）和荻（Triarrhena sacchariflora），單塘植物密度約25 plant·m-2，面積分別為600、850、1 400 m2，底深均為1.8 m，平均水深均為0.75 m，總?cè)莘e2 137.5 m3。表流濕地D以水芹、雀稗、蓼和荻隨機(jī)密集分布，植物覆蓋率100%，面積750 m2，底深1.0 m，平均水深0.10 m，容積75.0 m3。

圖1 工藝流程圖 Fig. 1 Flow chart of treatment process

2 研究方法

2.1 采樣方法

圖2 采樣點(diǎn)布設(shè)圖 Fig. 2 Setting map of sampling sites

在系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)，即1#、2#、3#、4#、5#五處設(shè)置采樣點(diǎn)，位置見(jiàn)圖2。用500 mL 廣口聚乙烯試劑瓶于五處節(jié)點(diǎn)采集水樣，并用尺測(cè)法與計(jì)時(shí)法測(cè)取各處過(guò)水?dāng)嗝婷娣e及流速，以便計(jì)算節(jié)點(diǎn)水流量與污染物負(fù)荷。采樣年份為2017 年。系統(tǒng)在此次監(jiān)測(cè)之前已較早建成運(yùn)行，每年3—6 月為蓮藕的萌發(fā)生長(zhǎng)期，且因蓮藕的經(jīng)濟(jì)效益，每年12 月生態(tài)藕塘的蓮藕塊根已被挖出售賣，在12 月至下一年5月，養(yǎng)豬糞污多數(shù)用于潤(rùn)秋公司核桃林地漚肥，少量經(jīng)沼氣池進(jìn)入系統(tǒng)，故本研究只考察7—11 月系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)豬廢水的凈化作用。且此次監(jiān)測(cè)時(shí)段一是遇到意外擾動(dòng)情況，水力條件有顯著變化，二是涵蓋了夏季系統(tǒng)生物量繁盛時(shí)期及秋季系統(tǒng)生物量衰減時(shí)期，在環(huán)境溫度變化上也體現(xiàn)出明顯差別，適合于探討系統(tǒng)穩(wěn)定性，故采樣時(shí)段選為7—11 月。采樣次數(shù)為14 次。

2.2 測(cè)定指標(biāo)與測(cè)定方法

根據(jù)養(yǎng)豬廢水的特點(diǎn)（萬(wàn)風(fēng)等，2012），主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為：高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）和懸浮物（SS），分別采用酸性法、過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、鉬銻抗分光光度法、納氏試劑法、紫外分光光度法、重量法進(jìn)行測(cè)定，具體參考《水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第4 版（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2002）。

2.3 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)廢水流量及污染物含量等數(shù)據(jù)，分析污染物含量在單元間及隨時(shí)間的變化，并計(jì)算污染物負(fù)荷削減率，比較單元之間及與系統(tǒng)之間對(duì)污染物削減效果的差異；各環(huán)節(jié)污染物負(fù)荷削減率計(jì)算方法如下：

式中，R 為污染物負(fù)荷削減率；ρ1和ρ2分別為進(jìn)水和出水污染物質(zhì)量濃度；F1和F2分別為進(jìn)水和出水每日水流量。

采用單因子污染指標(biāo)法和綜合污染指數(shù)法定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)（段田莉等，2017），分析系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)豬廢水的凈化能力。

單因子污染指標(biāo)法評(píng)價(jià)項(xiàng)目：CODMn、TN、NH3-N、NO3--N、TP 及SS，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）評(píng)價(jià)出水水質(zhì)。

綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)項(xiàng)目：CODMn、TN、NH3-N及TP，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法（蔣火華等，1999）如下：

式中，P 為綜合污染指數(shù)；Pi為i 污染物的污染指數(shù)；n 為污染物的種類數(shù)；ρi為i 污染物實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度平均值（mg·L-1）；ρ0為i 污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值（mg·L-1）。評(píng)價(jià)分級(jí)見(jiàn)表1（孫濤等，2014）。

3 結(jié)果與分析

3.1 水力條件

第一時(shí)段（7 月16 日—8 月6 日），系統(tǒng)進(jìn)水（1#）僅為經(jīng)沼氣池所排次生廢水，為相對(duì)高濃度低流量時(shí)段，流量為0.106—0.199 L·s-1，各單元平均水力停留時(shí)間（HRT）依次為34.0、51.6、85.0、6.1 d；第二時(shí)段（8 月8 日—11 月14 日），因毗鄰生態(tài)溝施工影響，系統(tǒng)進(jìn)水（1#）為沼氣池次生廢水、生態(tài)溝水及農(nóng)田排水混合水體，為相對(duì)低濃度高流量時(shí)段，流量為1.333—8.866 L·s-1，各單元平均HRT 依次為0.9、1.4、2.3、0.2 d。系統(tǒng)日進(jìn)水流量變化見(jiàn)圖3，系統(tǒng)進(jìn)水各污染物平均質(zhì)量濃度見(jiàn)表2。

圖3 系統(tǒng)日進(jìn)水流量（Fd）變化 Fig. 3 Variation of the system daily influent flow (Fd)

表2 系統(tǒng)進(jìn)水各污染物平均質(zhì)量濃度 Table 2 Average mass concentration of pollutants in influent of the system mg·L-1

3.2 對(duì)污染物的削減效果

3.2.1 對(duì)CODMn的削減效果

單元及系統(tǒng)對(duì)CODMn的負(fù)荷削減率變化見(jiàn)圖4。第一時(shí)段A、C 起削減作用，平均削減率分別為42.00%和40.82%；而B(niǎo)、D 呈負(fù)削減作用，平均削減率分別為-24.81%和-11.55%。第二時(shí)段C 起削減作用，平均削減率為26.27%；B、D 平均削減率分別為0.50%和-2.68%，基本維持水質(zhì)；A 呈負(fù)削減作用，平均削減率為-11.62%。分析認(rèn)為：第二時(shí)段進(jìn)水流量較大，且CODMn含量較小，引起A 原固持有機(jī)物釋放；B 因進(jìn)水CODMn含量已有所增加，且B 的容積與生物量有所增加，故略有削減作用；C 因容積及生物量遠(yuǎn)大于其他單元，凈化能力也較大；D 因進(jìn)水流量增加，即HRT 較短，雖進(jìn)水CODMn含量較低，但削減率有所增加。

表1 綜合污染指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí) Table 1 Evaluation and grading of Comprehensive pollution Indexes

圖4 CODMn負(fù)荷削減率（R1）變化 Fig. 4 Load reduction rate (R1) changes of CODMn

圖5 系統(tǒng)進(jìn)水CODMn質(zhì)量濃度變化 Fig. 5 Variation of CODMn mass concentration in influent of system

系統(tǒng)進(jìn)水CODMn質(zhì)量濃度變化見(jiàn)圖5。第一時(shí)段質(zhì)量濃度為8.31—24.69 mg·L-1，波動(dòng)較大，系統(tǒng)平均負(fù)荷削減率為52.36%；第二時(shí)段質(zhì)量濃度為5.31—9.93 mg·L-1，相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)平均負(fù)荷削減率為17.36%。結(jié)合圖3 及圖4：第一時(shí)段濃度為主變量，系統(tǒng)負(fù)荷削減率變化與濃度變化規(guī)律一致，濃度增加則削減率增加，濃度減小則削減率減??；第二時(shí)段流量為主變量，流量呈梯度增減時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷削減率均穩(wěn)定在40%左右。8 月8 日流量激增58.8 倍、濃度銳減80%，系統(tǒng)負(fù)荷削減率減小190%；10 月14 日流量突增3.2 倍，濃度穩(wěn)定，系統(tǒng)負(fù)荷削減率減小71%。因此，穩(wěn)定或呈梯度增減的進(jìn)水流量和較高的進(jìn)水CODMn含量有利于系統(tǒng)對(duì)CODMn的削減。

3.2.2 對(duì)氮素的削減效果

圖6 TN 負(fù)荷削減率（R2）變化 Fig. 6 Load reduction rate (R2) changes of TN

圖7 NH3-N 負(fù)荷削減率（R3）變化 Fig. 7 Load reduction rate (R3) changes of NH3-N

圖8 NO3--N 負(fù)荷削減率（R4）變化 Fig. 8 Load reduction rate (R4) changes of NO3--N

單元及系統(tǒng)對(duì)TN、NH3-N 及NO3--N 的負(fù)荷削減率變化見(jiàn)圖6—圖8。對(duì)TN，第一時(shí)段A、B、C、D 各單元平均削減率依次為 88.47%、1.62%、59.73%、46.91%；第二時(shí)段對(duì)應(yīng)值為22.35%、7.82%、59.88%、5.12%。對(duì)NH3-N，第一時(shí)段各單元平均削減率依次為74.08%、-10.07%、83.94%、53.68%；第二時(shí)段對(duì)應(yīng)值為 22.35%、7.82%、59.88%、5.12%。對(duì)NO3--N，第一時(shí)段各單元平均削減率依次為62.01%、32.07%、16.42%、21.90%；第二時(shí)段對(duì)應(yīng)值為36.45%、15.27%、10.93%、28.64%。氮素削減率的變化仍然是由各級(jí)進(jìn)水氮素含量變化和流量變化綜合所致，但同時(shí)受各單元削減潛力制約；進(jìn)水氮素含量較高時(shí)，經(jīng)過(guò)某一單元時(shí)可削減空間就較大，削減率便較高；進(jìn)水流量較大時(shí)，污水HRT 較短，在各單元反應(yīng)時(shí)間不充分，削減率便較低；綜合考慮進(jìn)水流量與污染物含量時(shí)，則含量高時(shí)，流量適宜減小，以便有充足削減時(shí)間，含量低時(shí)，流量適宜增大，使HRT 不超過(guò)有效削減時(shí)間；單元容積越大或生物量越多，則其對(duì)污染物削減潛力越大，本底值越低，耐受范圍內(nèi)其削減率就越高或削減作用越穩(wěn)定。

圖9 系統(tǒng)進(jìn)水TN 質(zhì)量濃度變化 Fig. 9 Variation of TN mass concentration in influent of system

圖10 系統(tǒng)進(jìn)水NH3-N 質(zhì)量濃度變化 Fig. 10 Variation of NH3-N mass concentration in influent of system

圖11 系統(tǒng)進(jìn)水NO3--N 質(zhì)量濃度變化 Fig. 11 Variation of NO3--N mass concentration in influent of system

系統(tǒng)進(jìn)水TN、NH3-N 及NO3--N 的質(zhì)量濃度變化見(jiàn)圖9—圖11。對(duì)TN 及NH3-N，第一時(shí)段質(zhì)量濃度分別為55.66—159.53 mg·L-1和15.2—109.81 mg·L-1，波動(dòng)較大，系統(tǒng)平均負(fù)荷削減率分別為98.85%和97.97%；第二時(shí)段質(zhì)量濃度分別為15.31—22.51 mg·L-1和12.19—20.14 mg·L-1，相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)平均負(fù)荷削減率分別為77.42%和82.96%。結(jié)合圖3、圖6、圖7，第一時(shí)段濃度為主變量，系統(tǒng)TN 及NH3-N 負(fù)荷削減率均穩(wěn)定在90%以上，并不隨濃度明顯變化。第二時(shí)段流量為主變量，流量呈梯度增減時(shí)，系統(tǒng)TN 及NH3-N 負(fù)荷削減率均穩(wěn)定在80%以上。8 月8 日，系統(tǒng)TN 及NH3-N 負(fù)荷削減率均仍達(dá)80%以上；而10 月14 日，系統(tǒng)TN 及NH3-N 負(fù)荷削減率分別減至33.26%和41.17%。另外，第二時(shí)段系統(tǒng)TN 及NH3-N 負(fù)荷削減率均低于第一時(shí)段。綜上，流量穩(wěn)定時(shí)，濃度變化對(duì)系統(tǒng)TN及NH3-N 負(fù)荷削減率無(wú)顯著影響；濃度穩(wěn)定時(shí)，流量呈梯度增減對(duì)系統(tǒng)TN 及NH3-N 負(fù)荷削減率均無(wú)顯著影響，但流量由較低值突增時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)TN及NH3-N 負(fù)荷削減率顯著減??；流量激增而濃度銳減時(shí)，系統(tǒng)TN 及NH3-N 負(fù)荷削減率不受顯著影響；低流量高濃度進(jìn)水比高流量低濃度進(jìn)水更有利于系統(tǒng)對(duì)TN 及NH3-N 的削減。對(duì)NO3--N，結(jié)合圖3、圖8，全時(shí)段質(zhì)量濃度為0.45—6.72 mg·L-1，波動(dòng)較大，系統(tǒng)負(fù)荷削減率均較高，與流量及濃度變化無(wú)明顯對(duì)應(yīng)趨勢(shì)，所以流量與濃度變化對(duì)系統(tǒng)NO3--N 負(fù)荷削減率無(wú)明顯影響。

3.2.3 對(duì)TP 的削減效果

圖12 TP 負(fù)荷削減率（R5）變化 Fig. 12 Load reduction rate (R5) changes of TP

單元及系統(tǒng)對(duì)TP 的負(fù)荷削減率變化見(jiàn)圖12。第一時(shí)段A、C、D 各平均削減率分別為83.48%、73.20%、35.61%；B 呈負(fù)削減作用，平均削減率為-14.09%。第二時(shí)段A、C、D 各平均削減率依次為3.68%、40.82%、10.00%，均有大幅減?。籅平均削減率為20.13%，有大幅增加。分析認(rèn)為：對(duì)A、C、D，一是進(jìn)水TP 含量較低，延緩了削減作用啟動(dòng)；二是HRT 較短，削減作用時(shí)間不充分。對(duì)B，應(yīng)是其進(jìn)水TP 含量相對(duì)較高，促進(jìn)了削減作用啟動(dòng)，但HRT 不足限制了其削減率進(jìn)一步提高。

系統(tǒng)進(jìn)水TP 含量變化見(jiàn)圖13。第一時(shí)段質(zhì)量濃度為7.62—37.05 mg·L-1，波動(dòng)較大，系統(tǒng)平均負(fù)荷削減率為97.95%；第二時(shí)段質(zhì)量濃度為2.67—6.84 mg·L-1，相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)平均負(fù)荷削減率為67.22%。結(jié)合圖3、圖12：第一時(shí)段濃度為主變量，系統(tǒng)負(fù)荷削減率穩(wěn)定高達(dá)95%以上。第二時(shí)段流量為主變量，流量呈梯度增減時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷削減率有所減小但穩(wěn)定在70%以上。8 月8日，系統(tǒng)負(fù)荷削減率減至55.29%；10 月14 日，系統(tǒng)負(fù)荷削減率減至27.31%。因此，流量穩(wěn)定時(shí)，濃度變化對(duì)系統(tǒng)TP 負(fù)荷削減率無(wú)顯著影響；濃度穩(wěn)定時(shí)，流量呈梯度增減對(duì)系統(tǒng)TP 負(fù)荷削減率無(wú)顯著影響；較高的進(jìn)水TP 濃度有利于提高其負(fù)荷削減率；流量由較低值突增會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)TP 負(fù)荷削減率大幅減小。

圖13 系統(tǒng)進(jìn)水TP 質(zhì)量濃度變化 Fig. 13 Variation of TP mass concentration in influent of system

3.2.4 對(duì)SS 的去除效果

單元及系統(tǒng)對(duì)SS 的負(fù)荷削減率變化見(jiàn)圖14。第一時(shí)段各單元平均削減率依次為 44.32%、-13.20%、19.72%、4.93%。第二時(shí)段各單元平均削減率依次為26.57%、-2.23%、45.86%、3.04%。變化原因同CODMn。

圖14 SS 負(fù)荷削減率（R6）變化 Fig. 14 Load reduction rate (R6) changes of SS

圖15 系統(tǒng)進(jìn)水SS 質(zhì)量濃度變化 Fig. 15 Variation of SS mass concentration in influent of system

系統(tǒng)進(jìn)水SS 含量變化見(jiàn)圖15，全時(shí)段波動(dòng)較大，質(zhì)量濃度為4.00—69.00 mg·L-1。結(jié)合圖3、圖14：第一時(shí)段濃度為主變量，系統(tǒng)SS 負(fù)荷削減率變化與濃度變化規(guī)律基本一致，濃度高則SS 負(fù)荷削減率高；濃度低則SS 負(fù)荷削減率低。第二時(shí)段流量與濃度均為約束變量，除突變外，系統(tǒng)SS 負(fù)荷削減率均高達(dá)62%以上，難以分析流量影響。8月8 日，系統(tǒng)SS 負(fù)荷削減率減小240.3%；10 月14 日，系統(tǒng)SS 負(fù)荷削減率減小183.1%。因此，流量穩(wěn)定時(shí)，濃度變化對(duì)系統(tǒng)SS 負(fù)荷削減率有很大影響，濃度越高越有利于SS 負(fù)荷的削減；流量激增且濃度銳減時(shí)，則SS 負(fù)荷削減率銳減。圖14 中個(gè)別單元個(gè)別時(shí)段出現(xiàn)SS 濃度極大增加，SS 負(fù)荷削減率均為顯著異常值，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由附近村民時(shí)有在系統(tǒng)周圍散放耕牛擾動(dòng)出水所致。

3.3 污染物凈化效果的點(diǎn)位間比較

圖16 CODMn、TN、NH3-N、NO3-N、TP、SS 質(zhì)量濃度點(diǎn)位間變化 Fig. 16 Variation in mass concentrations of CODMn, TN, NH3-N, NO3--N, TP and SS at different sampling points

污染物凈化效果的點(diǎn)位間差異通過(guò)其點(diǎn)位間的濃度變化分析，見(jiàn)圖16。1#為系統(tǒng)進(jìn)水，各污染物濃度最高；2#、3#、4#分別為第1、2、3 級(jí)生態(tài)藕塘出水；5#為表流濕地出水也即系統(tǒng)出水，各污染物濃度基本為五點(diǎn)間最低，能達(dá)到Ⅲ類或Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，符合凈化養(yǎng)豬廢水的目的。由圖知，6 種污染物通過(guò)3 級(jí)生態(tài)藕塘滯留凈化，濃度均已削減至較低水平；多數(shù)污染物的削減過(guò)程主要發(fā)生在單元A 和C，而B(niǎo)、D 單元?jiǎng)t基本維持當(dāng)前水質(zhì)；系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水污染物濃度具有較高的耐受限度，運(yùn)行過(guò)程中未有突破，且在限度內(nèi)污染物濃度越高，系統(tǒng)削減效果越好；第二時(shí)段各單元多數(shù)污染物的削減效果要差于第一時(shí)段，表明較高污染物濃度、較低進(jìn)水流量的進(jìn)水條件更有利于系統(tǒng)對(duì)污染物的削減。NO3--N 第二時(shí)段進(jìn)水濃度較高，但削減情況較差，同一點(diǎn)位第二時(shí)段含量均遠(yuǎn)高于第一時(shí)段。

4 運(yùn)行效果評(píng)價(jià)

4.1 單因子污染指標(biāo)評(píng)價(jià)

系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)圖17，進(jìn)水水質(zhì)較差，6 種污染物濃度均較高，而出水水質(zhì)得到顯著改善。系統(tǒng)第一時(shí)段出水CODMn、TN 和NH3-N 質(zhì)量濃度均低于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，TP 質(zhì)量濃度低于Ⅳ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，總體水質(zhì)良好，Ⅳ類水質(zhì)達(dá)標(biāo)率100%；第二時(shí)段CODMn和NH3-N 質(zhì)量濃度均低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，TN 和TP 質(zhì)量濃度則均高于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值（但均有大幅削減），總體水質(zhì)欠佳。兩個(gè)時(shí)段系統(tǒng)進(jìn)出水NO3--N 及SS 質(zhì)量濃度均較低。

圖17 系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)對(duì)比 Fig. 17 Comparison of influent and effluent quality of system

4.2 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，第一時(shí)段系統(tǒng)進(jìn)水P 值為29.26，水質(zhì)屬嚴(yán)重污染；出水P 值為0.42，水質(zhì)良好。第二時(shí)段系統(tǒng)進(jìn)水P 值為7.90，水質(zhì)屬重污染；出水P值為1.98，水質(zhì)屬輕污染。

5 討論

本試驗(yàn)為實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，非控制性試驗(yàn)，處理的原廢水為養(yǎng)豬場(chǎng)實(shí)際產(chǎn)生的養(yǎng)殖廢水，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。生態(tài)塘選擇蓮藕作為主要耐污植物具有非常好的凈化優(yōu)勢(shì)，蓮藕本身喜淤泥耐有機(jī)性污水，對(duì)有機(jī)污染具有良好的吸收作用，同時(shí)根莖與種實(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，荷花與蓮葉又具有很好的景觀觀賞性，將水質(zhì)凈化、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與景觀作用同時(shí)進(jìn)行了結(jié)合，符合生態(tài)治理理念（鄧梅，2013）。此外，將多級(jí)生態(tài)藕塘-表流濕地系統(tǒng)與沼氣池技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，養(yǎng)殖廢水首先經(jīng)過(guò)沼氣池匯集和發(fā)酵處理，有機(jī)物可得到大量分解，有害微生物含量也會(huì)銳減（侯如梁，2014；姚亮等，2005），這不僅可以產(chǎn)生沼氣供養(yǎng)殖場(chǎng)作為清潔能源使用，而且有利于系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)殖廢水的富營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行快速轉(zhuǎn)化和吸收，也有利于降低出水微生物危害的風(fēng)險(xiǎn)。

由各污染物負(fù)荷削減率變化可知，第一時(shí)段單元B、D 對(duì)CODMn、SS 等污染物呈負(fù)削減作用或微削減作用，分析認(rèn)為可能原因：一是A、C 出水污染物含量已分別低于B、D 的自然本底值；二是A、C 出水污染物含量雖未分別低于B、D 本底值，但較低含量下，水體在B、D 的HRT 超過(guò)有效時(shí)間（張毓媛等，2016）。全時(shí)段進(jìn)水流量和濃度與NO3--N 的削減變化無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，但第二時(shí)段其系統(tǒng)負(fù)荷削減率呈線性遞減，考慮到隨季節(jié)變化，水溫逐月遞減，因此認(rèn)為第二時(shí)段水溫是約束變量，NO3--N 削減率的遞減可能是因水溫降低抑制了相關(guān)生化降解過(guò)程（段田莉，2016）。

由各污染物點(diǎn)位間含量變化可知，總體上看，系統(tǒng)中A、C 對(duì)進(jìn)水起主要凈化作用，而B(niǎo) 與D 則基本維持進(jìn)水水質(zhì)。分析認(rèn)為，各單元均存在自然本底值，當(dāng)次生廢水經(jīng)過(guò)A 后，污染物含量已削減至與B 本底值相近，所以B 削減作用不明顯；而C出水污染物含量又有小幅削減，是因C 面積更大，其HRT 較長(zhǎng)，且生物量更多，能夠轉(zhuǎn)化、降解和吸收更多污染物量，從而本底值更低；D 出水污染物含量又無(wú)明顯變化，表明D 與C 本底值相近。又可看出D 出水水質(zhì)優(yōu)于B，說(shuō)明D 本底值低于B。因B、C 的面積大于D，所以若面積相同，表流濕地的本底值要遠(yuǎn)低于生態(tài)藕塘，也表明前置生態(tài)藕塘、后置表流濕地的配置是合理的。

分析發(fā)現(xiàn)多級(jí)生態(tài)藕塘-表流濕地系統(tǒng)的凈水作用對(duì)進(jìn)水污染物濃度有很高的耐受限度，對(duì)進(jìn)水流量波動(dòng)也有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)污染物削減率在第一時(shí)段低流量高濃度以及第二時(shí)段高流量低濃度兩種顯著不同的進(jìn)水條件下均能達(dá)到較高水平，但第一時(shí)段污染物削減率更高更穩(wěn)定，第一時(shí)段出水水質(zhì)更良好。所以認(rèn)為系統(tǒng)在耐受范圍內(nèi)，對(duì)進(jìn)水流量的大幅波動(dòng)相比于污染物濃度的大幅波動(dòng)更敏感。因?yàn)榱髁坎▌?dòng)會(huì)導(dǎo)致污水HRT 變化，流量越大，HRT 越小，污染物在系統(tǒng)中的生化降解反應(yīng)越不充分（王世和等，2003）；且流量波動(dòng)會(huì)影響微生物的種群穩(wěn)定性，過(guò)大的流量波動(dòng)會(huì)抑制微生物的增殖與相關(guān)生化反應(yīng)（邱立平等，2004），從而使各單元的凈化效果不穩(wěn)定。

6 結(jié)論

（1）多級(jí)生態(tài)藕塘-表流濕地系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)豬廢水中主要污染物有穩(wěn)定而顯著的削減效果，且在進(jìn)水流量與污染物濃度穩(wěn)定條件下，系統(tǒng)出水綜合水質(zhì)能夠明顯優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

（2）系統(tǒng)的凈化作用能夠耐受較大波動(dòng)的進(jìn)水流量和污染物濃度，但適當(dāng)較大的進(jìn)水污染物濃度和適當(dāng)較小的進(jìn)水流量能夠更充分地發(fā)揮系統(tǒng)的凈化作用。

（3）若面積相同，則表流濕地的環(huán)境背景閾值要低于生態(tài)藕塘，生態(tài)藕塘有利于處理較高污染物濃度進(jìn)水，表流濕地有利于處理較低污染物濃度進(jìn)水，前置生態(tài)藕塘、后置表流濕地的搭配模式有利于對(duì)養(yǎng)殖廢水的凈化。

（4）在進(jìn)水流量與污染物濃度頻繁波動(dòng)條件下，系統(tǒng)出水水質(zhì)一直保持穩(wěn)定良好，出水可作為河道補(bǔ)充用水或農(nóng)業(yè)灌溉，因此多級(jí)生態(tài)藕塘-表流濕地系統(tǒng)具有良好的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益，可以有效應(yīng)用于小流域禽畜養(yǎng)殖廢水的處理上。