劉小真，石湖泉 ，陳福根

1. 南昌大學資源環(huán)境與化工學院/鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，江西 南昌 330031；2. 南昌務求環(huán)?？萍加邢薰?，江西 南昌 330006

近年來，中國許多規(guī)?；B(yǎng)豬場由于大部分采用水沖式清糞工藝，產(chǎn)生了相當數(shù)量的含高濃度有機質(zhì)、氮和磷廢水（Wang et al.，2013），這些廢水給當?shù)卦斐闪溯^大的環(huán)境污染，并且越來越多地造成周邊水體的富營養(yǎng)化（Deng et al.，2008；Zhu，2007），甚至成為流域面源污染的主要來源之一（劉小真等，2010）。

人工濕地是設計和構建的工程化系統(tǒng)，利用濕地植被、土壤介質(zhì)及其相關微生物相關組合的自然功能在受控制的環(huán)境中進行廢水處理（Kadlec，2009）。由于其具有污染物去除效率好、安裝和維護成本相對較低、操作簡單、水和養(yǎng)分重復利用潛力大（Prochaska et al.，2007；張驍棟等，2016）等特點，人工濕地被運用于許多類型的廢水，包括工業(yè)廢水（Comino et al.，2011；楊旭等，2013）、農(nóng)業(yè)徑流（Zhang et al.，2017）、湖水（Martín et al.，2013）、垃圾滲濾液（Speer et al.，2011）、暴雨徑流（Heyvaert et al.，2006）和泥炭提取流出物（Postila et al.，2015）等。人工濕地可緩沖畜禽廢水的污染負荷沖擊，且能夠有效去除營養(yǎng)物質(zhì)及病原體（顏明娟，2012；Hill et al.，2001），被越來越多地運用于養(yǎng)豬廢水處理（張燕等，2018；劉樹元等，2012；高春芳等，2011）。

本研究以永豐縣某農(nóng)場為試驗基地，針對復合人工濕地存在的地下水污染問題，建立防滲膜連為一體的復合型人工濕地畜禽養(yǎng)殖廢水系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括沼氣池、沉淀池、曝氣池、緩沖池、潛流人工濕地、地表流人工濕地、氧化塘處理單元。對美人蕉（Canna indica）、水芹菜（Oenanthe javanica）、菖蒲（Acorus calamus）、水蔥（Scirpus tabernaemontani）和水葫蘆（Eichhornia crassipes）人工濕地植物進行栽培，旨在研究復合人工濕地對豬廢水的處理效率，為中小型養(yǎng)豬場的廢水處理提供一種可行方案。

1 材料與方法

1.1 研究現(xiàn)場

本研究以永豐縣某豬場新建的復合人工濕地為研究現(xiàn)場。該復合濕地2017年3月正式投入運行，設計處理規(guī)模達140 t·d-1。處理廢水是養(yǎng)豬場沖欄后在沼氣池匯集預處理后排出的廢水，該廢水水質(zhì)見下表1。

表1 復合人工濕地進水水質(zhì)Table 1 The quality of inlet water to composite constructed wetlands

1.2 復合人工濕地系統(tǒng)簡介

本研究復合人工濕地系統(tǒng)由預處理單元、濕地單元和后續(xù)處理單元組成，各單元之間依次用 PE軟管連接。其工藝流程圖如圖1所示。

預處理單元：養(yǎng)豬廢水依次經(jīng)過沼氣池、沉淀池和曝氣池Ⅰ的前處理后，通過PE軟管流入緩沖池。

濕地單元：濕地單元由緩沖池、潛流人工濕地Ⅰ、潛流人工濕地Ⅱ、地表流人工濕地Ⅰ、地表流人工濕地Ⅱ、潛流人工濕地Ⅲ組成。潛流人工濕地和地表流人工濕地底層鋪厚度為1.0 mm的PE防滲膜；床體由下至上按池底坡降為4%，鋪設煤渣層、礫石層、粗砂及土壤覆蓋層（潛流人工濕地(圖2)：煤渣層的厚度為15～20 cm；礫石層的厚度為30～35 cm，礫石粒徑為5～20 mm；粗砂覆蓋層大約5 mm，由粒徑為1～2 mm的粗細砂組成；土壤層25～30 cm。地表流人工濕地(圖3)：煤渣層的厚度為10～15 cm；礫石層的厚度為20 cm，礫石粒徑為5～20 mm；粗砂覆蓋層大約5 mm，由粒徑為1～2 mm的粗細砂組成；土壤層25～30 cm），在土壤層上面種植種植凈化污水能力強并具有一定觀賞性的水生植物，主要是美人蕉、水芹菜、菖蒲、水蔥。

后續(xù)處理單元：后續(xù)處理單元由氧化塘和曝氣池Ⅱ組成。氧化塘底層鋪厚度為1.0 mm的PE防滲膜，保持水位80 cm，塘內(nèi)種植水葫蘆；曝氣池Ⅱ為水泥池，為應對高溫時出現(xiàn)的水質(zhì)變化加建，用1 kW的曝氣泵進行多點曝氣。

1.3 復合人工濕地設計參數(shù)

本研究以永豐縣某豬場為研究區(qū)現(xiàn)場，根據(jù)《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》（HJ 2005—2010）設計各處理單元尺寸，以及《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB 18596—2001）設計人工濕地排放水質(zhì)，其具體設計參數(shù)見表2。

1.4 現(xiàn)場采樣及分析

試驗期間每月進行1次采樣，按照工藝流程，采集各處理單元出水樣，每個采樣口采集2瓶水樣（檢測時均勻混合）。送實驗室檢測CODCr、氨氮、總磷及懸浮物等指標。水樣分析按照《水和廢水檢測分析方法》（第4版）進行，并做平行樣，其中CODCr按照《水質(zhì) 化學需氧量 重鉻酸鹽法》（HJ 828—2017）測定，氨氮按照《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009）測定，總磷按照《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》（GB 11893-89）測定，懸浮物測定采用濾紙法，并結合國家《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB 18596—2001）進行處理效果評價。

圖1 復合人工濕地工藝流程圖Fig. 1 Flowchart of omposite constructed wetlands

圖2 潛流人工濕地填料分層圖Fig. 2 Layer-built of underflow constructed wetlands

圖3 地表流人工濕地填料分層圖Fig. 3 Layer-built of surface flow constructed wetlands

表2 復合人工濕地設計參數(shù)Table 2 Design Parameters of omposite constructed wetlands

2 結果與分析

2.1 復合人工濕地啟動初期對廢水中污染物去除效率

潛流人工濕地和地表流人工濕地于 2017年 2月分別在土壤覆蓋層上栽培了美人蕉、水芹菜、菖蒲和水蔥，通過一個月的培養(yǎng)，這些水生植物基本上存活，且長出了部分新葉。濕地單元從2017年3月啟動，復合人工濕地運行1個月后，4月份在處理單元進出水口采集水樣，濕地各單元對廢水中污染物的去除效率見圖4。

圖4 4月廢水污染物去除效率Fig.4 Removal efficiency of pollutants in wastewater in February

從圖4可知，潛流濕地Ⅰ對污染物去除效果不明顯；潛流濕地Ⅱ?qū)P的去除效果較好，此期間基質(zhì)對磷的物理過濾、吸附和化學沉淀起決定性的作用（Kaseva，2004）。總體而言，濕地單元對TP的去除效果比NH4+-N和CODCr好，潛流人工濕地Ⅲ對廢水中NH4+-N、TP和CODCr的去除率分別達到53.6%、61.4%和41.7%，而后污染物去除效率提升較少。經(jīng)過1個月的運行，濕地植物生長良好，由于栽培時為幼苗，雖然長出的新葉，尚未形成發(fā)達的根系和較大的植物量，因此，污染物處理效果不盡理想（石雷等，2010）。人工濕地底層鋪設的煤渣層、礫石層、粗砂為床體提供了多孔結構，可以吸附廢水中有機物，并且截留可沉降顆粒；同時，多孔結構有利于空氣中的氧進入濕地內(nèi)部，提升濕地系統(tǒng)的復氧能力，為微生物硝化作用的進行提供條件。因此，該階段濕地對污染物的去除以基質(zhì)的物理作用占主導。

2.2 復合人工濕地后期對廢水中污染物去除效率

復合人工濕地啟動運行后每月采樣1次，由于8月當?shù)爻掷m(xù)的高溫天氣導致地表流濕地單元生長植物基本上死亡，造成人工濕地處理效果暫時性下降，因此在曝氣塘Ⅱ安裝曝氣泵進行多點曝氣，提高NH4+-N處理效果。

圖 5a表明，濕地單元對污染物去除效果明顯優(yōu)于運行初期，NH4+-N、TP和CODCr的出去效率分別達到了 98.7%、62.1%和 87.1%。該階段濕地經(jīng)過啟動初期的穩(wěn)定運行，植物在濕地中經(jīng)過 3個月的穩(wěn)定生長，形成了由基質(zhì)-植物-微生物組成的人工濕地處理系統(tǒng)，養(yǎng)豬廢水在濕地前端的水平推流作用下，依次通過基質(zhì)、植物根須、微生物群落達到凈化。廢水流經(jīng)潛流濕地Ⅲ去除效果有明顯的提升，總體上看，濕地單元對TP和NH4+-N的處理效果比CODCr好。此階段，人工濕地中基質(zhì)-水生植物-微生物的物理、化學和生物的協(xié)同作用形成，TP和 NH4+-N通過基質(zhì)的過濾、吸附、沉淀、植物吸收和微生物的分解達到凈化，而CODCr主要通過植物根系生物膜的吸附、吸收生物代謝降解去除。

從圖5b可知，9月濕地系統(tǒng)處理TP的效果比較低，主要受8月持續(xù)高溫影響，濕地植物基本枯死，經(jīng)過1個月的栽培恢復，濕地植物量還不夠大，植物吸附磷的效能低，此階段基本通過微生物群落中磷細菌的代謝活性達到去磷效果，TP的去除效果差。養(yǎng)豬廢水流經(jīng)曝氣塘Ⅱ之后，NH4+-N的去除效果達到了98.72%，主要是9月之后在該處理單元增設了1 kW的曝氣泵進行多點曝氣，可見曝氣是提高人工濕地處理NH4+-N效應的有效方法。此階段人工濕地對養(yǎng)豬廢水中的NH4+-N、TP和CODCr的出除效率分別達到了98.7%、62.1%和87.1%。

從圖5c可知，10月潛流濕地Ⅰ和潛流濕地Ⅱ的處理效果比9月好，此階段濕地植物重新恢復，發(fā)達的根須根區(qū)為微生物提供良好的生長條件促進根際污染物的降解，其分泌的各種酶能參與多種生物化學過程，加速部分污染物的降解（敖子強等，2016）。此外，人工濕地床體內(nèi)部形成許多的好氧、缺氧和厭氧區(qū)，基質(zhì)-植物-微生物系統(tǒng)處理廢水中污染物達到高效狀態(tài)，床體內(nèi)部生物膜中微生物的硝化、反硝化、攝磷等同化反應達到峰值。從圖5d可知，12月地表流Ⅰ和Ⅱ?qū)ξ廴疚锶コЧ患?0月好，可能是由于進入冬季，人工濕地植物地下污染物積累受到影響（周旭丹等，2015）。

2.3 氣溫變化對復合人工濕地凈化效果的影響

圖5 復合人工濕地運行后期污染物去除效率Fig. 5 Removal efficiency of pollutants in wastewater in later stage

圖6 人工濕地系統(tǒng)污染物去除效率與氣溫變化圖Fig. 6 Pollution removal efficiency and temperature variation of constructed wetlands

人工濕地通過物理、化學和生物復雜的過程去除污染物，諸如沉降、過濾、揮發(fā)、吸附、植物吸收和各種微生物過程，這些過程通常直接或間接地受到外部環(huán)境條件的影響。通過繪制人工濕地對污染物的去除效率和溫度變化曲線圖，探討氣溫變化對人工濕地凈化效果的影響，結果如圖6所示。從圖6可知，NH4+-N和TP去除效率變化基本同步，說明人工濕地影響NH4+-N和TP處理效能的因素基本相同。10月NH4+-N、TP和CODCr的去除率都達到最大值，分別為98.8%、62.1%和87.1%。8月氣溫達到最高（最高氣溫達36 ℃），NH4+-N和TP的去除效率達到最低，由于8月持續(xù)的高溫造成濕地植物大量枯死，濕地植物對NH4+-N和TP的吸收作用很?。煌瑫r影響到了濕地基質(zhì)中微生物的數(shù)量和活性，進而影響基質(zhì)微生物群落的硝化-反硝化作用和無機磷酸鹽轉(zhuǎn)化作用（鄭疆秋等，2012）。9月、10月NH4+-N和TP處理效率又提高，說明濕地植物根系和植株恢復正常，濕地植物量和微生物群落達到峰值。12月NH4+-N、TP和CODCr的去除效率相對于 10月都降低了，同時氣溫也達到了最低（5 ℃）。人工濕地系統(tǒng)由基質(zhì)、植物、微生物組成，不同的成員在系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的作用，尤其是在污染處理過程中，微生物群落起到了關鍵作用（Coban et al.，2015；周旭丹等，2015），低溫可以抑制濕地植物根區(qū)微生物的活性（Wang et al.，2017）。同時，12月是濕地植物枯萎期，植物光合作用降低，導致供養(yǎng)能力和根系分泌物減少，進而影響根區(qū)微生物的生長繁殖和活性。因此，12月濕地處理污染物效率又降低。

通過比較 NH4+-N、TP和 CODCr的去除效率變化曲線圖可以看出，氣溫對NH4+-N和TP去除效果影響明顯大于 CODCr去除的影響。這與Rozema et al.（2016）研究的結果一致，氣溫對人工濕地處理 CODCr的效率影響較小，這可能與CODCr去除主要依賴于濕地植物的吸收利用有關，微生物活性變化對CODCr去除的影響不是很大。

3 結論

本研究以永豐縣某農(nóng)場為試驗基地，建立復合型人工濕地畜禽養(yǎng)殖廢水系統(tǒng)，對其人工濕地處理處理單元處理廢水污染物效率進行了評價，并對溫度與系統(tǒng)處理污染物效率的變化進行分析，得到以下結論：

（1）人工濕地啟動初期污染物去除效率較低，需要形成良好的根系結構后對污染物的去除能力才會穩(wěn)定提高。

（2）復合人工濕地處理養(yǎng)豬廢水污染物效率在10月達到最高，NH4+-N、TP和CODCr的去除效率分別為98.8%、62.1%和87.1%，排放濃度達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB 18596—2001）；同時，濕地后續(xù)單元增加曝氣能有效處理養(yǎng)豬廢水中的NH4+-N。

（3）人工濕地處理 NH4+-N、TP和 CODCr的去除效率受氣溫影響，且對 CODCr去除效率影響更加明顯。

（4）采用濕地填料和底層鋪設 PE防滲膜的方法，且在人工潛流濕地和人工地表流濕地種植美人蕉、水芹菜、菖蒲、水蔥、水葫蘆等濕地植物對養(yǎng)豬廢水中的污染物去除效果較好，可以進一步推廣到中小型養(yǎng)豬場人工濕地廢水處理中應用。