复合人工湿地处理低浓度畜禽养殖废水的净化效果

刘长娥,周胜，2*,孙会峰，2,张继宁，2,陈桂发，2

(1.上海市农业科学院,上海 201403；2.上海低碳农业工程技术研究中心,上海 201415）

复合人工湿地处理低浓度畜禽养殖废水的净化效果

刘长娥1,周胜1，2*,孙会峰1，2,张继宁1，2,陈桂发1，2

(1.上海市农业科学院,上海 201403；2.上海低碳农业工程技术研究中心,上海 201415）

为了解人工湿地对低浓度畜禽养殖废水的去除速度与净化效果,采用4级复合人工湿地以间歇进水的方式处理低浓度猪场废水,监测不同时期各级湿地进出水中TN、TP、NH+4-N、CODCr等污染物指标浓度的变化。结果表明,复合人工湿地进水中TN、TP、NH+4-N、CODCr年平均初始浓度分别为41.6、8.4、21.4、253.9 mg·L-1,去除率分别为94.66%、79.36%、91.04%、32.32%。其中1级湿地(芦苇-砾石垂直渗透流）对TN、TP和CODCr去除速度较快,分别为2.9、0.6、7.5 g·m-2·d-1；2级湿地(芦苇-沸石垂直渗透流）对NH+4-N去除速度较快,为1.8 g·m-2·d-1；3级湿地(芦苇-砾石水平潜流）和4级湿地(稻田水平表面流）对污染物的去除速度较低,对TN、TP、NH+4-N的去除速度均小于0.4 g·m-2·d-1,对CODCr的去除速度小于2.3 g·m-2·d-1。污染物去除率受季节温度变化的影响较小。

复合人工湿地；畜禽养殖废水；去除速度；去除率

随着我国农业产业结构的调整,畜禽养殖业成为我国农村经济的重要组成部分,农村养殖产业的发展,使得一些地方畜禽养殖产生的N、P数量剧增,成为各大水域的重要污染源。有分析结果显示,我国农业面源污染的程度已十分严重,进入21世纪初,农业面源污染对水体富营养化的影响将进一步加剧,农业和农村发展引起的水污染将成为中国可持续发展的最大挑战之一［1］。

畜禽养殖产生大量的畜禽粪尿等有机污染物,《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》(HJ 497—2009）指出,畜禽养殖废水是指由畜禽养殖场产生的尿液、全部粪便或残余粪便及饲料残渣、冲洗水及工人生活、生产过程中产生的废水的总称。这些废水在储运、利用过程中,因为降雨和其他原因营养物质随径流进入水体而形成污染,不仅造成了河流湖泊和地下水的污染,而且影响环境的清洁,导致生态环境恶化,对人们的身体健康造成极大的威胁。

本研究设计4级复合人工湿地,对低浓度畜禽养殖废水进行深度处理,通过分析复合湿地对主要污染物的去除效果、年内进出水浓度变化以及不同湿地单元的作用等,了解人工湿地高效处理低浓度畜禽养殖废水的相关技术,为今后深度净化畜禽养殖废水的人工湿地建设提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于上海市农业科学院现代农业园区的庄行生态环境实验区,4级复合人工湿地分别为1级芦苇-砾石垂直渗透流(W1）、2级芦苇-沸石垂直渗透流(W2）、3级芦苇-砾石水平潜流(W3）、4级稻田水平表面流(W4）,具体组成见表1。

在历时1个月的河水预试验后,植物(芦苇）生长基本稳定,株高和密度都达到了正常生长状态,各级湿地运行基本正常,进出水呈现出一定的规律,湿地系统内相关的功能群培养趋于成熟,2015年5月开始进行低浓度的畜禽养殖废水处理试验。

1.2 试验用水

为模拟畜禽养殖废水经过工程设施处理的出水水质,试验用水采用养猪废水稀释的方法制备。养猪废水取自庄行养猪场,将1车(容量为3.2～3.4 m3）猪粪水［TN(总氮）浓度为700～1000 mg·L-1］注入贮存池(容量为40 m3）,贮存池加河水至满,稀释约10倍。试验期间,人工湿地进水浓度平均为TN 41.6 mg·L-1、TP8.4 mg·L-1-N 21.4 mg·L-1、CODCr253.9 mg·L-1。

表1 人工湿地结构组成Table 1 Structure composition of constructed wetlands

1.3 试验时间

选取代表不同季节的时期进行污水处理试验,分别为5月(春季）、8月(夏季）、11月(秋季）和1月(冬季）,每阶段连续运行1个月。每天进水量为6 m3,分3次完成,即2 m3/8 h。

1.4 样品采集与分析

试验期间,每周取样2～3次,水样分别为进水、1级湿地出水、2级湿地出水、3级湿地出水、4级湿地出水。主要分析指标为进出水的TN、TP、NH+4-N、CODCr,测定方法参照《水和废水监测分析方法(第四版）》［13］,TN采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法,TP采用钼锑抗分光光度法,NH+4-N采用离子色谱仪(ICS930）进行分析,CODCr采用COD-571-1型消解仪进行分析。

1.5 数据分析

数据采用不同时期污染物去除率的平均值±标准差来表示。采用SPSS 13.0统计分析软件在95%的置信区间作一维方差分析进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 复合湿地对不同污染物的去除效果

同一时期复合湿地对不同污染物的去除效果不同,春季TN的去除效果最好,显著高于-N、TP和CODCr；夏季各污染物去除率均提高-N、TP和CODCr的去除率提高幅度较大,TN、-N的去除率显著高于TP和CODCr；秋季各污染物去除率均有所提高,TN、-N、TP去除率显著高于CODCr；冬季TN、-N的去除率较高。污染物平均去除率由高至低排序均为.TN＞-N＞TP＞CODCr(表2）。

表2 复合湿地对不同污染物的去除率Table 2 Removal efficiencies of different pollutants with combined constructed wetlands

2.2 复合湿地进出水污染物含量及去除率动态变化

试验期间进水污染物浓度的波动,主要受不同时期牲畜尿液、粪便、冲洗水产生量及工人生活、生产过程中废水产生量的影响。从图1看,5—10月进水TN浓度相对较平稳,基本保持在40 mg·L-1左右；11—12月进水TN浓度升高,达到60～90 mg·L-1；12月下旬进水TN浓度急剧下降,恢复至11月前浓度。出水TN浓度全年变化不大,受进水TN浓度的影响较小,比较稳定,基本保持在0.5～3.6 mg·L-1,显著低于进水TN浓度。不同时期,复合湿地对TN的去除效果较稳定,受进水浓度和季节变化的影响小。

进水TP浓度年内波动较频繁,说明养殖废水中TP浓度受其他因素的影响较大。出水TP浓度受进水的影响较小,尤其在10—11月期间比较稳定,TP浓度也较低。冬季TP的去除率较低。

进水与出水CODCr浓度变化趋势基本一致,5—8月浓度较低,比较稳定,之后浓度升高,出现缓慢波动；11月后进水CODCr浓度急剧升高,并出现大幅度频繁波动。CODCr的去除率较低,受季节变化影响较小。

图1 不同时期湿地进出水污染物浓度及去除率变化Figure 1 Variations of concentrations of pollutants in influent and effluent and removal efficiencies of constructed wetland during different periods

2.3 污染物去除率与气温的相关性

2.4 不同湿地污染物去除速度对比

复合人工湿地是由4级不同湿地组合而成,不同类型湿地对污染物的去除效果与贡献不同。由图3可以看出,TN、TP和CODCr去除速度最高的均是1级湿地,显著高于其他湿地；NH+4-N去除速度最高的是2级湿地,显著高于其他湿地；3级湿地和4级湿地的污染物去除速度普遍较低。总体而言,4级湿地污染物的去除效果最差,对复合湿地污染物去除的贡献较小。

图2 不同污染物去除率与日均温的相关性Figure 2 Correlation between pollutants removal efficiencies and mean daily temperature

各级湿地对不同污染物去除速度的稳定性也不同,TN去除速度稳定性最好的是4级湿地,不同时期TN去除速度差异较小,稳定性较差的是1级湿地。-N去除速度较稳定的同样也是4级湿地,1级湿地和2级湿地对NH+4-N去除效果的稳定性均较差,不同时期去除速度差异较大。TP去除速度稳定性较好的是3级湿地,其次是1级湿地,而2级湿地和4级湿地TP的去除效果不稳定。CODCr去除速度稳定性较好的是4级湿地。

总体而言,复合湿地系统中,1级湿地对TN、TP和CODCr去除速度快,去除效率高；2级湿地对-N去除效率高；3级湿地和4级湿地在组合湿地中对4种污染物的去除速度均慢。

图3 不同湿地污染物去除速度对比Figure 3 Contrast of removal rate of pollutants in different wetlands

3 讨论

3.1 复合人工湿地对氮的去除

植物直接作用对废水中污染物的去除效果说法不一,研究普遍认为通过植物地上部分所吸收的氮仅占人工湿地系统TN去除量的0.3%～14.1%［16］。而部分国外研究者［17-18］则认为植物的吸收去氮量占人工湿地去氮量的50%～90%,其中植物的种类和生长习性、供试污水的污染物浓度、水力停留时间、气候条件、进水负荷、收割频率、湿地基质和湿地结构等都是影响因素［19-20］。本研究中芦苇-砾石垂直渗透流湿地和芦苇-沸石垂直渗透流湿地TN去除率高于潜流和表面流湿地,主要是渗透流的布水方式更有利于湿地基质和植物对污染物的吸收与吸附,其中,沸石对-N具有良好的吸收特性。植物通过吸收作用去除的污染物量很少,植物对氮的储存能力与TN和-N去除率之间的相关性虽然不显著(图4）,但间接作用对污染物的去除影响较大,植物根系可以连续分泌有机化合物,主要包括一些代谢产物、脱落细胞、渗出物和分解物等,微生物可以利用这些有机化合物,在植物根际间形成丰富的微生物群落［21］,促进硝化与反硝化的进行。而植物对废水处理效果的影响主要在于湿地植物能够显著影响湿地微生物的组成和多样性。

植物对湿地系统污染物去除效果的影响主要体现在两方面.一是可以通过根系直接吸收同化水中的氮,并将其变成体内的有机成分,二是它的根区为微生物的生存和降解污染物质提供了必要的场所和好氧、厌氧条件。

填料主要是作为微生物的载体影响其代谢过程从而影响氮的去除［22］,填料对氮的直接去除作用是对-N的物理吸附作用和离子交换作用。有研究发现沸石对-N的去除效果较好［23］,可能也是芦苇-沸石垂直渗透流湿地N去除率较高的一个原因。

3.2 复合人工湿地对磷的去除

图4 不同污染物去除率与植物氮贮量的相关性Figure 4 Correlation between different pollutants removal efficiencies and N capacity of plants

人工湿地重要的去除磷的途径是填料对磷的吸附和沉淀作用,其中化学吸附被认为是湿地除磷的主要作用［24-25］。本研究中,不同填料组成湿地对磷的去除率不同,其中,芦苇-砾石垂直渗透流湿地春、夏、秋、冬磷去除率分别为66.5%、53.1%、62.9%和63.2%；芦苇-沸石垂直渗透流湿地分别为35.0%、35.7%、17.1%和-6.7%；芦苇-砾石水平潜流湿地分别为44.1%、23.6%、34.7%和35.8%；稻田水平表面流湿地分别为-101.5%、37.3%、72.0%和-4.2%。相同水流条件下砾石对磷的去除率高于沸石,相同填料条件下垂直渗透流对磷的去除效果好于水平潜流,说明不同种类填料对磷的吸附能力不同,不同的水流方式对填料的吸附能力有影响。有很多研究评价了各种填料对磷的吸附能力,其中,填料的成分对吸附效果具有较大影响,研究发现钙、铁、铝等元素含量高并且合理搭配后,可提高填料对磷的吸附能力［26-27］。另外,本研究中稻田土在无植物生长季节,磷的去除率较低,说明填料对磷的去除还受到系统微生物和植物的影响。曹雪莹等［28］研究发现,人工湿地系统在经过长期运行之后,填料呈现出距植物根系越近磷含量越高的特点,表明植物根系对湿地填料磷的滞留具有明显的影响。陈永华等［29］将这种植物直接吸收与植物提高微生物和填料去污能力的作用称为植物效应。

3.3 复合人工湿地对CODCr的净化

在人工湿地中,生物降解是有机物的主要去除机理［30］,因此氧气的可供给性会在很大程度上影响系统的处理效能。本研究中,人工湿地对CODCr的去除率普遍较低,芦苇-砾石垂直渗透流年内CODCr去除率为10.8%～47.4%,芦苇-沸石垂直渗透流为-5.2%～14.4%,芦苇-砾石水平潜流为-8.2%～12.7%,稻田水平表面流为7.7%～13.5%。4种人工湿地相比,芦苇-砾石垂直渗透流湿地对CODCr的净化效果相对较好,可能与湿地系统组成特征有利于氧气的融入有关,其填料粒径普遍较大(见表1）,填料间的空隙大,同时垂直流能够促进氧气融入；稻田水平表面流湿地中,污染水与空气的接触面大,处理效果稳定。人工湿地主要依赖微生物代谢活动分解去除有机物,填料作为微生物的代谢场所,直接的吸附和其他作用对有机物去除影响较小［31］。氧气是制约湿地微生物数量和活性的关键性因素,最大程度改善人工湿地填料下部氧气分布,提高好氧微生物数量和活性是提高COD去除效率的关键。

由以上分析可以看出,湿地对污染物的去除效果受多方面因素影响,湿地填料的吸附作用可以去除污水中部分污染物,同时为植物的生长贮备了养分。湿地床填料的截留、吸收及与污染物的各种反应等过程也可使污染物得到去除。不同的填料表现出不同的吸附特性和去除效果。湿地结构对废水中污染物的去除效果也有重要影响,不同湿地结构的布水方式不同,从而影响废水中污染物与填料的接触程度,Vymazal等［12］曾汇总了世界各地表面流湿地(SF）、水平潜流湿地(HSSF）和垂直潜流湿地(VF）的TN、TP去除率,发现不同结构湿地TN、TP去除率存在较大差异。NH+4-N和TN去除主要是在水平潜流和垂直潜流人工湿地,而且垂直潜流人工湿地对污染物的去除率均高于水平潜流。主要原因是垂直潜流人工湿地溶解氧水平较高,硝化能力强,而且垂直潜流湿地布水方式有利于污水与湿地内部填料充分接触。本研究中也表现出垂直渗透流湿地对污染物的去除效果较水平潜流和表面流湿地好。

4 结论

(1）复合人工湿地年平均去除率为TN 94.66%、TP 79.36%、-N 91.04%、CODCr32.32%。4种污染物的去除率与日均温的相关性较小,受季节变化的影响不显著。

(2）4级复合人工湿地中,垂直渗透流湿地对污染物去除效果最好,水平潜流湿地次之,水平表面流湿地最差。

(3）4级复合人工湿地中,1级垂直渗透流湿地对污染物总体去除速度最高,之后依次是2级垂直渗透流湿地、3级水平潜流湿地和4级水平表面流湿地。

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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

刘长娥,周胜,孙会峰,等.复合人工湿地处理低浓度畜禽养殖废水的净化效果［J］.农业环境科学学报,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

刘长娥(1967—）,女,副研究员,主要从事湿地生态与科技情报方面的研究。E-mail:le566@163.com

*通信作者：周胜E-mail:zhous@263.net

上海市科委基础研究重点项目(12JC1407900）；上海市科技兴农重点攻关项目(沪农科攻字(2016）第6-3-1号）

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）