劉長娥,周勝，2*,孫會峰，2,張繼寧，2,陳桂發(fā)，2

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學院,上海 201403；2.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海 201415）

復(fù)合人工濕地處理低濃度畜禽養(yǎng)殖廢水的凈化效果

劉長娥1,周勝1，2*,孫會峰1，2,張繼寧1，2,陳桂發(fā)1，2

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學院,上海 201403；2.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海 201415）

為了解人工濕地對低濃度畜禽養(yǎng)殖廢水的去除速度與凈化效果,采用4級復(fù)合人工濕地以間歇進水的方式處理低濃度豬場廢水,監(jiān)測不同時期各級濕地進出水中TN、TP、NH+4-N、CODCr等污染物指標濃度的變化。結(jié)果表明,復(fù)合人工濕地進水中TN、TP、NH+4-N、CODCr年平均初始濃度分別為41.6、8.4、21.4、253.9 mg·L-1,去除率分別為94.66%、79.36%、91.04%、32.32%。其中1級濕地(蘆葦-礫石垂直滲透流）對TN、TP和CODCr去除速度較快,分別為2.9、0.6、7.5 g·m-2·d-1；2級濕地(蘆葦-沸石垂直滲透流）對NH+4-N去除速度較快,為1.8 g·m-2·d-1；3級濕地(蘆葦-礫石水平潛流）和4級濕地(稻田水平表面流）對污染物的去除速度較低,對TN、TP、NH+4-N的去除速度均小于0.4 g·m-2·d-1,對CODCr的去除速度小于2.3 g·m-2·d-1。污染物去除率受季節(jié)溫度變化的影響較小。

復(fù)合人工濕地；畜禽養(yǎng)殖廢水；去除速度；去除率

隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,畜禽養(yǎng)殖業(yè)成為我國農(nóng)村經(jīng)濟的重要組成部分,農(nóng)村養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,使得一些地方畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的N、P數(shù)量劇增,成為各大水域的重要污染源。有分析結(jié)果顯示,我國農(nóng)業(yè)面源污染的程度已十分嚴重,進入21世紀初,農(nóng)業(yè)面源污染對水體富營養(yǎng)化的影響將進一步加劇,農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展引起的水污染將成為中國可持續(xù)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)之一［1］。

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生大量的畜禽糞尿等有機污染物,《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 497—2009）指出,畜禽養(yǎng)殖廢水是指由畜禽養(yǎng)殖場產(chǎn)生的尿液、全部糞便或殘余糞便及飼料殘渣、沖洗水及工人生活、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水的總稱。這些廢水在儲運、利用過程中,因為降雨和其他原因營養(yǎng)物質(zhì)隨徑流進入水體而形成污染,不僅造成了河流湖泊和地下水的污染,而且影響環(huán)境的清潔,導致生態(tài)環(huán)境惡化,對人們的身體健康造成極大的威脅。

本研究設(shè)計4級復(fù)合人工濕地,對低濃度畜禽養(yǎng)殖廢水進行深度處理,通過分析復(fù)合濕地對主要污染物的去除效果、年內(nèi)進出水濃度變化以及不同濕地單元的作用等,了解人工濕地高效處理低濃度畜禽養(yǎng)殖廢水的相關(guān)技術(shù),為今后深度凈化畜禽養(yǎng)殖廢水的人工濕地建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上海市農(nóng)業(yè)科學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的莊行生態(tài)環(huán)境實驗區(qū),4級復(fù)合人工濕地分別為1級蘆葦-礫石垂直滲透流(W1）、2級蘆葦-沸石垂直滲透流(W2）、3級蘆葦-礫石水平潛流(W3）、4級稻田水平表面流(W4）,具體組成見表1。

在歷時1個月的河水預(yù)試驗后,植物(蘆葦）生長基本穩(wěn)定,株高和密度都達到了正常生長狀態(tài),各級濕地運行基本正常,進出水呈現(xiàn)出一定的規(guī)律,濕地系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)的功能群培養(yǎng)趨于成熟,2015年5月開始進行低濃度的畜禽養(yǎng)殖廢水處理試驗。

1.2 試驗用水

為模擬畜禽養(yǎng)殖廢水經(jīng)過工程設(shè)施處理的出水水質(zhì),試驗用水采用養(yǎng)豬廢水稀釋的方法制備。養(yǎng)豬廢水取自莊行養(yǎng)豬場,將1車(容量為3.2～3.4 m3）豬糞水［TN(總氮）濃度為700～1000 mg·L-1］注入貯存池(容量為40 m3）,貯存池加河水至滿,稀釋約10倍。試驗期間,人工濕地進水濃度平均為TN 41.6 mg·L-1、TP8.4 mg·L-1-N 21.4 mg·L-1、CODCr253.9 mg·L-1。

表1 人工濕地結(jié)構(gòu)組成Table 1 Structure composition of constructed wetlands

1.3 試驗時間

選取代表不同季節(jié)的時期進行污水處理試驗,分別為5月(春季）、8月(夏季）、11月(秋季）和1月(冬季）,每階段連續(xù)運行1個月。每天進水量為6 m3,分3次完成,即2 m3/8 h。

1.4 樣品采集與分析

試驗期間,每周取樣2～3次,水樣分別為進水、1級濕地出水、2級濕地出水、3級濕地出水、4級濕地出水。主要分析指標為進出水的TN、TP、NH+4-N、CODCr,測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版）》［13］,TN采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法,TP采用鉬銻抗分光光度法,NH+4-N采用離子色譜儀(ICS930）進行分析,CODCr采用COD-571-1型消解儀進行分析。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用不同時期污染物去除率的平均值±標準差來表示。采用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件在95%的置信區(qū)間作一維方差分析進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合濕地對不同污染物的去除效果

同一時期復(fù)合濕地對不同污染物的去除效果不同,春季TN的去除效果最好,顯著高于-N、TP和CODCr；夏季各污染物去除率均提高-N、TP和CODCr的去除率提高幅度較大,TN、-N的去除率顯著高于TP和CODCr；秋季各污染物去除率均有所提高,TN、-N、TP去除率顯著高于CODCr；冬季TN、-N的去除率較高。污染物平均去除率由高至低排序均為.TN＞-N＞TP＞CODCr(表2）。

表2 復(fù)合濕地對不同污染物的去除率Table 2 Removal efficiencies of different pollutants with combined constructed wetlands

2.2 復(fù)合濕地進出水污染物含量及去除率動態(tài)變化

試驗期間進水污染物濃度的波動,主要受不同時期牲畜尿液、糞便、沖洗水產(chǎn)生量及工人生活、生產(chǎn)過程中廢水產(chǎn)生量的影響。從圖1看,5—10月進水TN濃度相對較平穩(wěn),基本保持在40 mg·L-1左右；11—12月進水TN濃度升高,達到60～90 mg·L-1；12月下旬進水TN濃度急劇下降,恢復(fù)至11月前濃度。出水TN濃度全年變化不大,受進水TN濃度的影響較小,比較穩(wěn)定,基本保持在0.5～3.6 mg·L-1,顯著低于進水TN濃度。不同時期,復(fù)合濕地對TN的去除效果較穩(wěn)定,受進水濃度和季節(jié)變化的影響小。

進水TP濃度年內(nèi)波動較頻繁,說明養(yǎng)殖廢水中TP濃度受其他因素的影響較大。出水TP濃度受進水的影響較小,尤其在10—11月期間比較穩(wěn)定,TP濃度也較低。冬季TP的去除率較低。

進水與出水CODCr濃度變化趨勢基本一致,5—8月濃度較低,比較穩(wěn)定,之后濃度升高,出現(xiàn)緩慢波動；11月后進水CODCr濃度急劇升高,并出現(xiàn)大幅度頻繁波動。CODCr的去除率較低,受季節(jié)變化影響較小。

圖1 不同時期濕地進出水污染物濃度及去除率變化Figure 1 Variations of concentrations of pollutants in influent and effluent and removal efficiencies of constructed wetland during different periods

2.3 污染物去除率與氣溫的相關(guān)性

2.4 不同濕地污染物去除速度對比

復(fù)合人工濕地是由4級不同濕地組合而成,不同類型濕地對污染物的去除效果與貢獻不同。由圖3可以看出,TN、TP和CODCr去除速度最高的均是1級濕地,顯著高于其他濕地；NH+4-N去除速度最高的是2級濕地,顯著高于其他濕地；3級濕地和4級濕地的污染物去除速度普遍較低。總體而言,4級濕地污染物的去除效果最差,對復(fù)合濕地污染物去除的貢獻較小。

圖2 不同污染物去除率與日均溫的相關(guān)性Figure 2 Correlation between pollutants removal efficiencies and mean daily temperature

各級濕地對不同污染物去除速度的穩(wěn)定性也不同,TN去除速度穩(wěn)定性最好的是4級濕地,不同時期TN去除速度差異較小,穩(wěn)定性較差的是1級濕地。-N去除速度較穩(wěn)定的同樣也是4級濕地,1級濕地和2級濕地對NH+4-N去除效果的穩(wěn)定性均較差,不同時期去除速度差異較大。TP去除速度穩(wěn)定性較好的是3級濕地,其次是1級濕地,而2級濕地和4級濕地TP的去除效果不穩(wěn)定。CODCr去除速度穩(wěn)定性較好的是4級濕地。

總體而言,復(fù)合濕地系統(tǒng)中,1級濕地對TN、TP和CODCr去除速度快,去除效率高；2級濕地對-N去除效率高；3級濕地和4級濕地在組合濕地中對4種污染物的去除速度均慢。

圖3 不同濕地污染物去除速度對比Figure 3 Contrast of removal rate of pollutants in different wetlands

3 討論

3.1 復(fù)合人工濕地對氮的去除

植物直接作用對廢水中污染物的去除效果說法不一,研究普遍認為通過植物地上部分所吸收的氮僅占人工濕地系統(tǒng)TN去除量的0.3%～14.1%［16］。而部分國外研究者［17-18］則認為植物的吸收去氮量占人工濕地去氮量的50%～90%,其中植物的種類和生長習性、供試污水的污染物濃度、水力停留時間、氣候條件、進水負荷、收割頻率、濕地基質(zhì)和濕地結(jié)構(gòu)等都是影響因素［19-20］。本研究中蘆葦-礫石垂直滲透流濕地和蘆葦-沸石垂直滲透流濕地TN去除率高于潛流和表面流濕地,主要是滲透流的布水方式更有利于濕地基質(zhì)和植物對污染物的吸收與吸附,其中,沸石對-N具有良好的吸收特性。植物通過吸收作用去除的污染物量很少,植物對氮的儲存能力與TN和-N去除率之間的相關(guān)性雖然不顯著(圖4）,但間接作用對污染物的去除影響較大,植物根系可以連續(xù)分泌有機化合物,主要包括一些代謝產(chǎn)物、脫落細胞、滲出物和分解物等,微生物可以利用這些有機化合物,在植物根際間形成豐富的微生物群落［21］,促進硝化與反硝化的進行。而植物對廢水處理效果的影響主要在于濕地植物能夠顯著影響濕地微生物的組成和多樣性。

植物對濕地系統(tǒng)污染物去除效果的影響主要體現(xiàn)在兩方面.一是可以通過根系直接吸收同化水中的氮,并將其變成體內(nèi)的有機成分,二是它的根區(qū)為微生物的生存和降解污染物質(zhì)提供了必要的場所和好氧、厭氧條件。

填料主要是作為微生物的載體影響其代謝過程從而影響氮的去除［22］,填料對氮的直接去除作用是對-N的物理吸附作用和離子交換作用。有研究發(fā)現(xiàn)沸石對-N的去除效果較好［23］,可能也是蘆葦-沸石垂直滲透流濕地N去除率較高的一個原因。

3.2 復(fù)合人工濕地對磷的去除

圖4 不同污染物去除率與植物氮貯量的相關(guān)性Figure 4 Correlation between different pollutants removal efficiencies and N capacity of plants

人工濕地重要的去除磷的途徑是填料對磷的吸附和沉淀作用,其中化學吸附被認為是濕地除磷的主要作用［24-25］。本研究中,不同填料組成濕地對磷的去除率不同,其中,蘆葦-礫石垂直滲透流濕地春、夏、秋、冬磷去除率分別為66.5%、53.1%、62.9%和63.2%；蘆葦-沸石垂直滲透流濕地分別為35.0%、35.7%、17.1%和-6.7%；蘆葦-礫石水平潛流濕地分別為44.1%、23.6%、34.7%和35.8%；稻田水平表面流濕地分別為-101.5%、37.3%、72.0%和-4.2%。相同水流條件下礫石對磷的去除率高于沸石,相同填料條件下垂直滲透流對磷的去除效果好于水平潛流,說明不同種類填料對磷的吸附能力不同,不同的水流方式對填料的吸附能力有影響。有很多研究評價了各種填料對磷的吸附能力,其中,填料的成分對吸附效果具有較大影響,研究發(fā)現(xiàn)鈣、鐵、鋁等元素含量高并且合理搭配后,可提高填料對磷的吸附能力［26-27］。另外,本研究中稻田土在無植物生長季節(jié),磷的去除率較低,說明填料對磷的去除還受到系統(tǒng)微生物和植物的影響。曹雪瑩等［28］研究發(fā)現(xiàn),人工濕地系統(tǒng)在經(jīng)過長期運行之后,填料呈現(xiàn)出距植物根系越近磷含量越高的特點,表明植物根系對濕地填料磷的滯留具有明顯的影響。陳永華等［29］將這種植物直接吸收與植物提高微生物和填料去污能力的作用稱為植物效應(yīng)。

3.3 復(fù)合人工濕地對CODCr的凈化

在人工濕地中,生物降解是有機物的主要去除機理［30］,因此氧氣的可供給性會在很大程度上影響系統(tǒng)的處理效能。本研究中,人工濕地對CODCr的去除率普遍較低,蘆葦-礫石垂直滲透流年內(nèi)CODCr去除率為10.8%～47.4%,蘆葦-沸石垂直滲透流為-5.2%～14.4%,蘆葦-礫石水平潛流為-8.2%～12.7%,稻田水平表面流為7.7%～13.5%。4種人工濕地相比,蘆葦-礫石垂直滲透流濕地對CODCr的凈化效果相對較好,可能與濕地系統(tǒng)組成特征有利于氧氣的融入有關(guān),其填料粒徑普遍較大(見表1）,填料間的空隙大,同時垂直流能夠促進氧氣融入；稻田水平表面流濕地中,污染水與空氣的接觸面大,處理效果穩(wěn)定。人工濕地主要依賴微生物代謝活動分解去除有機物,填料作為微生物的代謝場所,直接的吸附和其他作用對有機物去除影響較小［31］。氧氣是制約濕地微生物數(shù)量和活性的關(guān)鍵性因素,最大程度改善人工濕地填料下部氧氣分布,提高好氧微生物數(shù)量和活性是提高COD去除效率的關(guān)鍵。

由以上分析可以看出,濕地對污染物的去除效果受多方面因素影響,濕地填料的吸附作用可以去除污水中部分污染物,同時為植物的生長貯備了養(yǎng)分。濕地床填料的截留、吸收及與污染物的各種反應(yīng)等過程也可使污染物得到去除。不同的填料表現(xiàn)出不同的吸附特性和去除效果。濕地結(jié)構(gòu)對廢水中污染物的去除效果也有重要影響,不同濕地結(jié)構(gòu)的布水方式不同,從而影響廢水中污染物與填料的接觸程度,Vymazal等［12］曾匯總了世界各地表面流濕地(SF）、水平潛流濕地(HSSF）和垂直潛流濕地(VF）的TN、TP去除率,發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)濕地TN、TP去除率存在較大差異。NH+4-N和TN去除主要是在水平潛流和垂直潛流人工濕地,而且垂直潛流人工濕地對污染物的去除率均高于水平潛流。主要原因是垂直潛流人工濕地溶解氧水平較高,硝化能力強,而且垂直潛流濕地布水方式有利于污水與濕地內(nèi)部填料充分接觸。本研究中也表現(xiàn)出垂直滲透流濕地對污染物的去除效果較水平潛流和表面流濕地好。

4 結(jié)論

(1）復(fù)合人工濕地年平均去除率為TN 94.66%、TP 79.36%、-N 91.04%、CODCr32.32%。4種污染物的去除率與日均溫的相關(guān)性較小,受季節(jié)變化的影響不顯著。

(2）4級復(fù)合人工濕地中,垂直滲透流濕地對污染物去除效果最好,水平潛流濕地次之,水平表面流濕地最差。

(3）4級復(fù)合人工濕地中,1級垂直滲透流濕地對污染物總體去除速度最高,之后依次是2級垂直滲透流濕地、3級水平潛流濕地和4級水平表面流濕地。

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Purification performance of combined constructed wetlands on livestock wastewater with low concentration of pollutants

LIU Chang-e1,ZHOU Sheng1,2*,SUN HUI-feng1,2,ZHANG Ji-ning1,2,CHEN Gui-fa1,2
(1.Shanghai Academy of Agricultural Sciences,Shanghai 201403,China;2.Shanghai Engineering Research Centre of Low-carbon Agriculture(SERCLA）,Shanghai 201415,China）

In order to evaluate the removal rate and efficiency of livestock wastewater with low concentration of pollutants in constructed wetlands,four-stage combined constructed wetlands were used to purify piggery wastewater with low concentration of pollutants under intermittent influent.The variations of TN,TP,NH+4-N,and CODCrin different stages of the wetlands were monitored during spring,summer,autumn, and winter.The annual average concentrations of TN,TP,NH+4-N,and CODCrin the influent were 41.6,8.4,21.4,and 253.9 mg·L-1,respectively,and the removal efficiencies of these pollutants were 94.66%,79.36%,91.04%,and 32.32%,respectively.In addition,the first stage of the wetlands(reed-gravel vertical seepage flow）had higher rates for removing TN,TP,and CODCr,which were 2.9,0.6,and 7.5 g·m-2·d-1, respectively.The second stage of the wetlands(reed-zeolite vertical seepage flow）showed a high removal rate for NH+4-N,which was 1.8 g·m-2· d-1.However,the removal rates of pollutants in the third stage(reed-gravel horizontal undercurrent）and the fourth stage(rice-soil surface flow）of the wetlands were lower.The removal rates of TN,TP,and NH+4-N were all less than 0.4g·m-2·d-1,whereas that of CODCrwas less than 2.3 g·m-2·d-1.Season and temperature had little influence on the removal rates of most of the studied pollutants.

combined constructed wetland;livestock wastewater;removal rate;removal efficiency

X713

A

1672-2043(2017）07-1416-09

10.11654/jaes.2017-0112

劉長娥,周勝,孫會峰,等.復(fù)合人工濕地處理低濃度畜禽養(yǎng)殖廢水的凈化效果［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36(7）.1416-1424.

LIU Chang-e,ZHOU Sheng,SUN HUI-feng,et al.Purification performance of combined constructed wetlands on livestock wastewater with low concentration of pollutants［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1416-1424.

2017-01-20

劉長娥(1967—）,女,副研究員,主要從事濕地生態(tài)與科技情報方面的研究。E-mail:le566@163.com

*通信作者：周勝E-mail:zhous@263.net

上海市科委基礎(chǔ)研究重點項目(12JC1407900）；上海市科技興農(nóng)重點攻關(guān)項目(滬農(nóng)科攻字(2016）第6-3-1號）

Project supported：Key Basic Research Project of Shanghai Science and Technology Committee(12JC1407900）；Shanghai Agriculture Applied Technology Development Program,China(G(2016）No.06-03-01）