两种潜流人工湿地系统对畜禽养殖污水净化能力的比较研究

王定国 ，白林 ，马祥 ，周立新 ，刘金鑫 ，苏中海

（1.成都市动物疫病预防控制中心，四川 成都 610041；2.四川农业大学，四川 温江 611130）

两种潜流人工湿地系统对畜禽养殖污水净化能力的比较研究

王定国1，白林2*，马祥2，周立新1，刘金鑫1，苏中海1

（1.成都市动物疫病预防控制中心，四川 成都 610041；2.四川农业大学，四川 温江 611130）

基质类型和水力停留时间是人工湿地污水处理系统的重要组成部分和主要运行参数，可直接影响系统的处理效果。本文选用两种混合基质（沸石+碎砖石、蛭石+碎砖石）构建人工湿地系统，比较其对畜禽养殖污水中COD、NH4+-N、TP、Cu、Zn等污染物的的去除效果。结果表明：两种基质对COD、NH4+-N、TP都有很好的去除效果，且沸石+碎砖石的去除效果略好于蛭石+碎砖石。

混合基质；人工湿地；畜禽污水；水力停留时间；去除率

近年来，人工湿地以其高效、低耗、低运行成本在养殖污水处理中得到了广泛应用。人工湿地主要由水体、基质、水生植物和微生物四个基本要素组成[1]，基质、水生植物和微生物三者通过物理、化学及生物三重协同作用完成水质净化[2-3]。基质多选择具有较大表面积的砾石、沙子和土壤等，为去除污染物提供物理、化学和生物转化的环境。湿地系统对污水进行处理时,基质主要是通过物理和化学途径对污水中的氮、磷等进行去除[4]，其净化过程包括有机、无机胶体的吸收、络合和沉淀，离子交换、气体扩散和机械截留等。

人工湿地虽然对养殖污水净化处理取得了比较好的效果，但还存在污水中氨、氮难以去除[5]，去除率一般不超过60%，水质难以达标等问题。人工湿地系统中除氨、氮的关键在于选择填料[6-7]，目前蛭石和沸石是比较理想的吸附填料。本试验选用蛭石、沸石、碎砖石作为主要基质填料，用美人蕉作为湿地植物，比较以“蛭石+碎砖石”和“沸石+碎砖石”为主要基质材料的人工湿地系统对养殖污水处理能力的差异，确定人工湿地系统的最佳水力停留时间，评估畜禽养殖污水处理最佳人工湿地系统，为养殖污水的有效处理提供理论与实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验用基质：砾石、蛭石、沸石、碎砖石、沙壤土，其中砾石采购于建筑工地，粒径大小为3～5cm；蛭石为园艺用蛭石，沸石为天然沸石，粒径大小为5～10mm；碎砖石采购于建筑工地，使用前将其破碎成粒径为5～20mm的小颗粒；沙壤土过筛使粒径小于2mm。

试验用湿地植物：美人蕉，采挖于四川农业大学实验农场，选择健康、生长旺盛、株重相当的美人蕉18株。

试验用污水：收集于四川农业大学污水处理厂循环活性污泥系统（CASS）曝气池的出水。

1.2 试验设计 本试验的人工湿地装置选用25cm和35cm高的塑料桶，在桶侧底装一个水龙头，以控制污水在系统内的停留时间，在试验桶内由下至上依次填充6kg的砾石、蛭石+碎砖石或沸石+碎砖石的混合基质，沙壤土，最后在沙壤土内种植美人蕉。试验设计如表1所示，每个处理均设3个重复。

表1 试验设计

1.3 试验运行 选择生长良好的美人蕉分别种植在试验桶，先用自来水浇灌使美人蕉进行适应性生长，待植株成活、生长旺盛后改浇试验污水，使人工湿地系统稳定1个月。试验前将系统内的污水抽干，间隔1天后进水，每个试验桶的进水量为2L。检测水力停留时间（HRT）分别为 1、2、3、4、5、6、7、8、9 d 时的污水净化情况。本试验历时半年。

1.4 样本采集与测定 采集试验污水进、出水样，污水采样主要集中在早上8～9点进行，水样采集后，尽快带回实验室并尽快进行水质分析，检测的主要水质指标有：pH值、化学需氧量（COD）、总磷（TP）、NH4+-N、Cu、Zn。根据R=[（Ai-A0）/Ai]×100%来计算各污染物的去除效率（其中，Ai和A0分别表示进、出水的污染物浓度）。

2 结果与分析

2.1 污水pH值对人工湿地系统去污效果的影响 污水pH值与人工湿地系统去除污染物的效果密切相关。去除COD时，pH值影响降解微生物的数量和种类，从而影响COD的去除效果；去除NH4+-N时，pH值不仅影响硝化与反硝化细菌的数量活性，还影响着NH4+-N的存在形式；去除TP时，pH值决定无机磷酸盐在水中的存在形态，影响对磷的吸附量。同时，pH值对基质中金属离子的活性也有很大影响，从而影响基质表面水解产物的类型和浓度。试验表明，pH值在7.6左右时各种污染源物的去除效果均较好，同时是这一pH值停留5d左右达到的。

2.2 人工湿地系统对污水中COD去除率的比较 两种基质去除COD的效果均较好，蛭石型混合基质最高去除率达到了92.8%，沸石型混合基质最高去除率达到了92.63%（见表2）。在第4d，两种类型基质的去除率均有下降，这与较高的pH值有关。从表中还可以看出，沸石型混合基质的去除效果略好于蛭石型，去除最佳时间在5d左右。

表2 两种混合基质人工湿地系统对污水中COD去除率的比较

2.3 人工湿地系统对污水中NH4+-N去除率的比较 从表3可以看出，两种混合型基质对NH4+-N都有很好的去除效果。蛭石最高去除率达到99.72%，沸石最高去除率达到99.81%。停留5d之后去除率趋于平稳，差异不是很显著，只是略有升高，从经济上说停留5d左右最佳。

表3 两种混合基质人工湿地系统对污水中NH4+-N去除率的比较

2.4 人工湿地系统对污水中TP去除率的比较 磷的去除主要是靠基质的吸附、沉淀并与植物、微生物协同完成，其中基质起着主要作用。从试验结果来看，两种混合基质对磷的去除效果均较好。蛭石最高去除率能达到98.72%，沸石最高去除率能达到98.64%。前3d去除率随时间的增加去除效果十分显著，5d过后去除率随时间变化略有增加，但效果不显著。停留4d时，出现了一个去除率下降的趋势，这可能跟pH值在此阶段最高有关。

2.5 人工湿地系统对污水中Cu、Zn去除率的比较 污水进水中Cu的平均浓度为116.66μg/L，而出水中未检出Cu。表明在低Cu浓度下，本试验构建的人工湿地系统对重金属Cu的吸收能力很强。两种类型混合基质对Zn的去除率没有显著差异，但不同的水力停留时间（HRT）对去除率有显著影响（P＜0.05）。详见表5。其中HRT为5d和3d时，去除率达到最大；当HRT大于5 d时，沸石基质对Zn的去除率开始显著降低（P＜0.05）。

表4 两种混合基质人工湿地系统对污水中TP去除率的比较

表5 两种混合基质人工湿地系统对污水中重金属Zn去除率的比较

3 结论

3.1 两种混合基质对COD、NH4+-N、TP都有很好的去除效果。蛭石+碎砖石对COD、NH4+-N、TP的平均去除率分别为75.02%、99.42%、96.69%，沸石+碎砖石对COD、NH4+-N、TP的平均去除率分别为82.16%、98.97%、96.87%。可见沸石+碎砖石的去除效果略好于蛭石+碎砖石。

3.2 污水停留时间在5d左右去除率相对最高，之后趋于平稳。停留 1d、2d、3d，对 COD、NH4+-N、TP 的去除效果比较显著。停留5d之后，去除效果随时间的增加而不显著。停留4d，去除率有所下降，可能跟污水的pH值太高有关。

3.3 污水pH值对COD、NH4+-N、TP的去除效果影响巨大，其中对COD的影响最大。污水pH值在7.5～7.8时去除效果最好，且pH值随着停留时间延长呈现周期性变化，即先升高后下降，之后再升高，这可能跟系统中微生物的活动和数量有关。

4 讨论

4.1 本试验在晚春至初夏进行，温度较高，微生物活性强，处理效果较好。但炎热的夏季和寒冷的冬季去除效果未知。

4.2 试验用污水已经是经过处理的（厌氧发酵、沉淀、过滤），水中COD、NH4+-N、TP含量相对养殖场的污水低很多，故该系统对高污染养殖废水的处理效果未知。

4.3 两种基质对COD、NH4+-N、TP的去除各有一定的优势和劣势，可以考虑将蛭石和沸石混合组成另一个湿地系统。

[1] Knight R L，et al.Constructed wetlands for livestock wastewater management[J].Ecological Engineering，2000（15）：41-55.

[2] 籍国东，孙铁珩，常士俊，等.自由表面流人工湿地处理超稠油废水[J].环境科学，2001，22（4）：95-99.

[3] 吴振斌，成水平，贺锋，等.垂直流人工湿地的设计及净化功能初探明[J].应用生态学报，2002，13（6）：711-718.

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[5] 孙广智，于忠明.人工芦苇床污水处理技术[J].污染防治技术，1999，12（1）：1-4.

[6] 石太宏，方建章，王松平，等.活性碳吸附Zn（II）的热力学与机理研究[J].水处理技术，1999，25（2）：103.

[7] 李立清.利用谷壳灰吸附水中Hg（II）[J].污染防治技术，1998，11（2）：98-99.

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

国家生猪产业技术体系四川创新团队建设项目（SZCXTD-2）

王定国（1966-），男，四川温江人，大学本科，高级畜牧师，研究方向：动物生产与废弃物资源化利用。

*通讯作者：白林（1970-），男，四川汉源人，教授，博导，研究方向：动物生产与环境控制。