太阳能曝气强化人工湿地对养猪废水的净化效果

吴薇 陈树磊 刘建华

摘要 [目的]研究太阳能曝气强化人工湿地对养猪废水的净化效果。[方法]采用人工湿地工艺处理技术，研究“调节池→曝气沟→垂直流人工湿地”系统对养猪废水中氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、化学需氧量（CODCr）的去除效果。[结果]太阳能曝气强化人工湿地系统对养猪废水中NH3-N、TP、CODCr的去除效果较好，达到了预期目的。[结论]该工艺能使工程化处理养猪废水达到国家标准。

关键词 太阳能曝气;人工湿地;养猪废水;净化效果

中圖分类号 X 713  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）12-0067-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.019

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract [Objective]To study the purification effects of pig wastewater by solar aerated vertical subsurface flow constructed wetlands.[Method]Using artificial wetland treatment technology，we studied the removal efficiency of NH3N，TP，CODCr by water regulating tank→aeration ditch→vertical flow constructed wetland system.[Result]The removal efficiency of NH3N，TP，CODCr by solar aerated vertical subsurface flow constructed wetlands reached the expected goals.[Conclusion]This process can meet the national standards for engineering treatment of pig wastewater.

Key words Solar aeration technology;Constructed wetland;Pig wastewater;Purification effect

生态养猪场要求具有环境优美、光照适度、水质良好、水源充足等特点，因此背风向阳、地势高而干燥、土地充裕的偏远幽静山谷成为最佳选择。考虑到周围环境对粪污的容纳能力以及猪场选址远离市区导致废水无法纳管，需要因地制宜，对养猪废水中较高的BOD5、CODCr及NH3-N和TP等进行处理后，才能排放。

人工湿地具有良好的脱氮除磷能力[1-2]，且能够因地制宜在养殖区域附近搭建[3-7]。以强化人工湿地为核心，构建生态修复与水质净化组合工艺，通过增氧技术[8]，提高系统溶解氧（DO）水平、碳源利用效率，强化微生物硝化和反硝化作用，提高有机物、氨氮和总氮去除效果，通过本土植物配置技术，利用人工湿地和植物生长等综合作用，强化运行效果，从而提高氨氮和有机物等污染因子的去除率。

太阳能曝气机是一种利用太阳能转化为电能直接驱动曝气设备，通过在水体中曝气增氧达到污染治理的水体循环设备[9-13]。该设备具有流量大抗堵塞、增氧效果好、运行管理费用低等特点，非常适用于供氧条件不足的河道、湖泊、氧化塘以及人工湖库等水体。

笔者以河南省平顶山市某养猪场污水为主要研究对象，针对猪场污水氨氮（NH3-N）、总磷（TP）和化学需氧量（CODCr）浓度高等特点，通过“调节池→曝气沟→垂直流人工湿地”工艺，探讨太阳能曝气强化人工湿地对养殖废水中氨氮、总磷和化学需氧量的去除效果，为分散式生态养殖废水处理系统提供基础数据，确定最佳运行参数，以期为该工艺在工程中的实际应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 太阳能曝气装置。GL-HB750型储能式太阳能增氧曝气机（南京古蓝环保设备实业有限公司），沉水安装于水深0.6 m，增氧能力1.2 kg/h，有效曝气面积4.0 m×1.5 m×1.0 m。

1.1.2 采集与驯养。试验所用水花生、芦苇等采自平顶山市某生态养猪场排水沟附近;采集后培养驯化增加其适应性，生长稳定后进行养猪废水净化试验。

1.1.3 水质参数。养殖废水污染物浓度见表1。国际排放标准为《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）。

1.1.4 人工湿地系统。净化系统流程：收集调节池→曝气沟→垂直流人工湿地。

人工湿地结构见图1。

1.2 方法

先将养猪废水收集在调节池（6.0 m×4.0 m×3.0 m）中，静置沉砂，上清液流经4.0 m×1.5 m×1.0 m的曝气沟，进行太阳能曝气，然后进入垂直流人工湿地（6.0 m×4.0 m×3.0 m）。

人工湿地水力负荷约为0.31 m3/（m2·d），湿地填料床层深度为1.0 m，有效水深0.9 m，砾石填料粒径1～5 cm，填料总约210 m3。为防渗，先将300 mm 厚黏土夯实，再用100 g 防渗土工膜铺设（防渗系数<0.25 mm/h），最后用200 mm 厚黏土夯实。湿地种植植物为芦苇、水花生等本土挺水植物。人工湿地尺寸为22.0 m×10.0 m×1.2 m，采用砖混结构。

1.3 指标测定

水样中的氨氮（NH3-N）测定采用纳氏试剂分光光度法（HJ535—2009）;总磷（TP）测定采用钼酸铵分光光度法（GB 11893-89）;化学需氧量（CODCr）测定采用重铬酸盐法（HJ 828—2017）。

2 结果与分析

2.1 对养殖废水中NH3-N去除效果

从图2可以看出，在5月1日—8月15日期间，太阳能曝气强化人工湿地系统能有效去除NH3-N。6月15日的去除率最高，为85.5%，6月1日的去除率最低，仅62.9%，此时的出水NH3-N为78 mg/L，仍然满足国家排放标准。整个运行区间的人工湿地系统，出水NH3-N都达到了《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596—2001）中低于80 mg/L的NH3-N排放要求。

该系统采用白天曝气的间歇运行方式，在湿地内部营造了一种好氧和缺氧交替的环境，分别促进好氧硝化和缺氧反硝化作用从而强化了脱氮效果。

研究表明，氨氮硝化、氨挥发、植物吸收及基质吸附等是湿地中氨氮去除的途径，其中硝化作用是氨氮去除的主要途径，而植物吸收、基质吸附和自身挥发对氨氮去除的贡献相对较小[1]。在有植物无曝气时，氨氮硝化作用所需的氧主要来自湿地植物根系泌氧，仅靠湿地植物根系泌氧无法根本改变湿地内部的缺氧环境，所以人工湿地提高NH3-N去除率的能力是有限的。间歇曝气改善了湿地基质内溶解氧（DO）的可利用性;增加了湿地内部硝化细菌的数量及活性。这就提高了硝化强度，强化了NH3-N的生物吸收，提高了湿地内NH3-N去除效率[11]。

潜流人工湿地没有曝气时始终处于单一的厌氧环境，有利于反硝化反应的进行。由于间歇曝气的存在，人工湿地中绝大部分NH3-N被转化成NO3--N，出水NH3-N浓度明显降低，NO3--N又经过反硝化作用被去除，以实现较高的总氮（TN）去除效率。

湿地中TN的去除主要通过微生物的硝化、反硝化等作用完成，其中硝化细菌作为一种好氧细菌，需要在充足的DO条件下以氧作为最终电子受体将NH3-N氧化成NO3--N;反硝化菌是一种兼性厌氧菌，利用氧或NO3--N作为最终电子受体，通过反硝化作用转化为气体逸出系统，实现湿地内氮的最终去除[8]。间歇曝气运行策略在湿地内部形成周期变化的好氧和缺氧环境。曝气时湿地内DO含量升高，湿地内DO的可利用性有效增加，促进硝化作用的进行;曝气结束后DO含量降至很低，湿地内部处于缺氧环境，有利于反硝化细菌利用硝化产物和湿地内部碳源进行反硝化反应，最终将湿地进水中的TN去除[9]。

2.2 对养殖废水中TP去除效果

从图3可以看出，虽然进水的TP变化（50～87 mg/L）较大，但去除率稳定在86.4%～96.9%，出水的TP浓度为2.2～8.0 mg/L，都符合国家排放标准。这是因为在潜流湿地内，水中的磷與填料砾石等直接接触，填料不规则的表面导致其比表面积较大，对磷的吸附作用较强，此时磷的吸附滞留是其去除的主要途径[4]。间歇曝气的扰动促进了磷与湿地填料的接触，有利于填料对磷的吸附去除，从而提高了湿地对磷的去除效率。另外，间歇曝气增加了湿地中DO含量，促进了微生物的生长和繁殖，增加了微生物的活性。反过来微生物的活动也促进了填料中Al、Fe等金属元素的逐渐释放，并形成Al-P、Fe-P等[11]。

磷在人工湿地中的迁移转化主要有植物吸收、湿地床中的物化反应及在微生物中的积累等过程。①植物吸收：磷被植物吸收，在植物体内经过同化作用后，就会完成从无机磷转化为有机磷（腺苷三磷酸（ATP）、脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）），通过收割植物最终能够从系统中去除;②微生物同化：一部分磷会通过聚磷菌的吸收同化积累后沉淀，更换湿地床时可将这部分磷去除。而常规的二级污水处理工艺中，磷的吸收率均很低，仅为4.5%～19.0%，主要是缺失了植物的吸收和同化作用这一环节，仅有微生物对磷的同化吸收。整体来看，太阳能间歇曝气促进了微生物的呼吸作用，这一作用与植物在生长过程中的光合作用交替进行，从而好氧和厌氧条件下的摄磷也交替出现，最终提高了磷的去除效率[6]。

2.3 对养殖废水中CODCr去除效果

从图4可以看出，人工湿地系统的CODCr去除效率均高于77.8%，最高达94.3%，该系统有较好的CODCr处理效果。进水CODCr浓度1 307～2 480 mg/L，出水CODCr浓度99～391 mg/L，均达到国家要求的400 mg/L以下，满足了《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596—2001）中CODCr的排放要求。

人工湿地的填料能够截留废水中的不溶性有机物，这些有机物能被微生物所用，同时植物根系也会通过吸收、吸附或生物代谢作用使废水中的可溶性有机物被降解利用。这样废水中大部分有机物被同化为微生物体或矿化为CO2和H2O，在填料更换时从湿地中分离[5]。所以人工湿地不但能脱氮除磷，还能有效去除有机物。

氧气的供给有利于CODCr的去除[9]，太阳能曝气促进了微生物对有机物的降解。因此太阳能曝气保证了湿地内部氧气的供给，使得整个系统的污水净化率较高，其他文献资料也充分证明了这一点[12]。郭烨烨等[9]研究发现间歇曝气系统的出水水质较为稳定，这是因为CODCr的降解和转化主要通过植物根区微生物活动完成，而这些微生物需要适宜的DO环境才能有效地发挥作用，说明了间歇曝气可以在一定程度上保证潜流人工湿地的高效稳定运行。湿地植物自身根系泌氧可在一定程度上提高基质溶氧水平，但仍难以满足全部CODCr降解过程对DO的需求。人工曝气显著提高了湿地内部DO含量，大大增强了有机物降解相关微生物的活性，从而提高湿地CODCr去除率[10]。

3 结论

通过研究太阳能曝气强化人工湿地对养猪废水中NH3-N、总磷和CODCr的去除和净化作用，得出如下结论。

（1）太阳能间歇曝气提高了人工湿地中DO的含量，湿地内部好氧和缺氧交替的环境分别促进好氧硝化和缺氧反硝化作用，从而强化了脱氮效果。