人工湿地处理畜禽养殖废水技术

1.自然处理的方法

自然处理主要采用氧化塘、土地处理系统或人工湿地等方法对养殖场废水进行处理。其净化机理主要有过滤、截流、沉淀、物理和化学吸附、化学分解、生物氧化及吸收等。氧化塘是一种利用天然净化能力对污水进行处理的构筑物的名称，其净化机理与自然水体的自净过程相似。由于污水停留时间长，占地面积大，氧化塘一般作为人工湿地的预处理单元。我国在利用人工湿地处理畜禽养殖产生的废水方面的研究主要集中于植物筛选和处理效果的考察。自然处理模式适用于距城市较远、气温较高、土地宽广且有滩涂、荒地、林地或低洼地可作为污水自然处理系统。经济欠发达的地区，要求养殖场规模中等。自然处理模式的优点：一是投资较省，能耗少，运行管理费用低；二是污泥量少，不需要复杂的污泥处理系统；三是采用地下式厌氧处理系统，即厌氧部分建于地下，基本无臭味；四是便于管理，对周围环境影响小且无噪声；五是可回收能源甲烷。自然处理模式的缺点：一是土地占用量较大；二是处理效果易受季节和温度变化的影响；三是建于地下的厌氧系统出泥困难，并且维修不便；四是存在污染地下水的风险。

（1）氧化塘处理法氧化塘是一种利用天然净化能力对污水进行处理的构筑物，主要用来降低水体的有机污染物含量，同时提高溶解氧的含量，并适当除去水中的氮和磷，减轻水体富营养化的程度。

（2）土地处理系统土地处理系统是处理畜禽废水经济有效的传统方法，这种方法不仅可以有效地处理污染物，使废物资源化，而且能将其中有用的营养成分循环，利用土壤—植物生态系统使畜禽养殖产生的废水不排向环境，达到污染物的零排放，最大限度地实现资源化利用。但这种方法受场地、温度、季节等自然条件的限制比较大。

（3）人工湿地人工湿地是通过沉淀、吸附、阻隔、微生物同化分解、硝化、反硝化及植物吸收等途径除去废水中的悬浮物、有机物、重金属等杂质。人工湿地净化效果好、运行成本低、水生植物可收割利用，具有广泛的应用前景。

自然处理在美国、澳大利亚和东南亚一些国家应用较多，并且国外一般未经厌氧处理而直接进入氧化塘处理畜禽粪便污水，而且往往采用多级厌氧塘、兼性塘、好氧塘与水生植物塘，污水停留时间长（水力停留时间长达600天），占地面积大，多数情况下氧化塘只作为人工湿地的预处理单元。美国及欧洲一些国家较多采用人工湿地处理畜禽养殖产生的废水，美国自然资源保护服务组织（NRCS）编制了养殖废水处理指南，建议人工湿地生化需氧量（BOD₅）负荷为73kg/hm²·天，水力停留时间至少12天。墨西哥湾项目（GMP）调查收集了68处共135个中试和生产规模的湿地处理系统约1300个运行数据，并建立了养殖废水湿地处理数据库，发现污染物平均去除效率生化需氧量（BOD₅）为65%，总悬浮物53%，铵态氮48%，总氮42%，总磷42%。人工湿地存在的主要问题是堵塞，而引起堵塞的主要原因是悬浮物，微生物生长的影响却很小。避免堵塞的方法主要有加强预处理、交替进水和湿地床轮替作业，近些年还发展了“潮汐流”及反粒级（上大下小）等模式避免堵塞。我国南方地区，如江西、福建和广东等省也多应用自然处理模式，但大多采用厌氧预处理后再进入氧化塘进行处理，厌氧处理系统分地上式和地下式，氧化塘为多级塘串联。

2.人工湿地处理畜禽养殖污水技术

由畜禽养殖产生的污水即便经过工程处理，将大部分的有机物、悬浮物、氨氮等物质大量去除，使得养殖污水达到国家《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596—2001）的要求，但仍有些指标与国家《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中的Ⅴ类水体要求相差甚远，导致这类污水仍需经过后续处理（即深度处理）。在众多深度处理方式中，人工湿地因其具有氮去除效果好、耐冲击负荷能力强、投资低和生态环境友好等优点，成为较优的选择。人工湿地主要是由湿地植物和基质构成，通过利用湿地中植物、微生物和填料之间的物理、化学和生物作用达到污水净化的目的。而湿地去污能力主要是由植物吸收、基质截留和微生物降解来共同完成的。植物是人工湿地生态系统的重要组成部分，具有良好的景观效应和生态效应。植物（如芦苇）不仅可以直接吸收水中氮、磷、锌等物质，也可通过叶片的光合作用产生的氧气经由植物气道输送至根区，在基质床内的植物根区的还原态介质中形成氧化态的微环境，改变根区微环境，为湿地系统微生物提供好氧—缺氧—厌氧环境，而且植物根系也能过滤、截留悬浮物。水中有机物的分解和转化主要是由植物根区的微生物活动来完成的，微生物将大分子的有机物分解成便于植物吸收的小分子物质，同时湿地植物也能够显著影响湿地系统中微生物的组成与多样性。因此，湿地植物与湿地微生物之间是相互影响和相互作用的。另外，植物根系对湿地基质床体的穿透作用，在基质床体中形成了许多微小的气室或间隙，基质床体的封闭性减弱，疏松度增强，有效减弱了人工湿地堵塞的风险。有学者发现，湿地植物中芦苇因生物量和根系庞大，所以吸收氮、磷的能力远高于茭白、美人蕉等植物，同时芦苇在畜禽养殖污水胁迫下具有较强的抗逆性和耐受性，可作为畜禽养殖污水处理的主要植物之一。但湿地植物由于生长周期的关系对水中污染物的吸附速度有所不同，仅在其生长期封存所吸收的氮、磷等物质，而冬季又释放氮、磷等物质。

【提示】 人工湿地植物生长到衰老期后应及时收割，防止植物因腐烂而导致植株吸收的氮、磷等营养物质又重新释放到水体中，造成二次污染。

作为人工湿地系统重要组成的基质为微生物和水生植物提供了生长的载体和营养物质，其种类、尺寸及填充方式对湿地去除污染物均有影响，多孔、小粒径的基质有利于湿地系统对污染物的吸附、截留。常见的人工湿地基质主要是沸石、火山岩、高炉废渣、土壤、砂石、砾石、膨润土及一些新基质，如纳米材料、废砖、海蛎壳等，但这些基质对氮素的去除效果较对磷素的去除效果相对较弱，这主要是由于基质含有较高的钙、铝、铁等物质，易于吸附磷。此外，由于基质通过吸附或化学反应固定氮、磷的量有一定的上限，这将导致湿地系统运行后期基质的去除效果降低。另外，畜禽养殖污水具有排放相对集中、间歇排水、污染负荷大、成分复杂等特点，在一定程度上削弱了人工湿地堵塞的问题，有利于微生物和植物的生长繁殖，提高污染物的去除率。根据人工湿地系统内部的水流方式的不同，人工湿地分为表面流人工湿地、垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地。(www.xing528.com)

（1）表面流人工湿地表面流人工湿地顾名思义就是水面位于湿地基质层以上，以推流式前进，复氧能力较好，水深较浅（一般在0.1～0.6m），有利于去除耗氧的氨氮和有机污染物，但卫生条件较差，有恶臭气味，易滋生蚊子、苍蝇，占地面积大，水力负荷小，净化能力有限，常作为污水预处理系统的湿地，如图3-29所示。目前，我国表面流人工湿地的研究与应用主要聚焦在污染河水、农田退水、小城镇污水、城市污水、生活污水、鱼塘养殖及农业生产的微污染排水上，这些污水的主要特点是污染负荷低、悬浮物较少。表面流人工湿地对高污染负荷的污水处理的效果相对较弱，致使目前我国单一的表面流人工湿地处理畜禽养殖污水的研究缺乏，然而，我国规模化畜禽养殖场为了防止污染周围环境，有相对充足的缓冲预留地，充分利用养殖场空地，提高土地利用率，美化畜禽养殖环境。表面流人工湿地能在畜禽养殖污水的深度处理上发挥作用。

图3-29 表面流人工湿地剖面图

（2）垂直潜流人工湿地垂直潜流人工湿地中的污水由表面纵向流至床底，在纵向流的过程中污水依次经过不同的介质层，达到净化的目的（见彩图9）。垂直流人工湿地由于具有净化效率较高、占地面积较小等优点，越来越受到关注，也逐渐成为研究的焦点，但其具有比较复杂的构造，以及较高的建造要求并且对悬浮物的去除率不高，易出现堵塞问题。很多研究表明，垂直潜流人工湿地复氧效果较好，具有较强的硝化能力，硝化细菌在好氧区将铵态氮转化为硝态氮，随后在湿地系统内部厌氧区经过反硝化作用去除。垂直潜流人工湿地内部的布水方式使得湿地基质与污水充分接触，促进基质对污水中氮素的吸附或化学反应，提高了垂直潜流人工湿地对氮素的去除。同时，由于有机物去除主要是依靠好氧微生物的分解作用，因此，垂直潜流人工湿地也有利于水中有机物的去除。另外，由于垂直潜流人工湿地纵向布水，并且布水均匀，加大了污水与基质颗粒的接触面积，同时延长了过水时间，促进了污水中磷素的吸附和截留，增加了湿地系统对磷素的去除能力。

（3）水平潜流人工湿地水平潜流人工湿地中污水在湿地系统前端到后端水平推流的过程中依次通过基质、植物根系，由湿地末端集水区收集排出，从而达到净化的目的（见图3-30）。它可承受较大水力负荷和污染负荷，并且由于污水在地表下流动，可充分利用系统中微生物、植物、基质填料的协同作用，更好地降解污染物，在一定程度上抑制了臭味，使水平潜流人工湿地具有卫生条件好、保温性能好、受气候影响小等特点，是目前应用和研究比较广泛的一种湿地系统。然而，水平潜流人工湿地的缺点是供氧能力不足，从而造成较弱的硝化能力，抑制了硝化反应将铵态氮转化为硝态氮，导致去除氮素能力不足。另外，水平潜流人工湿地由于布水方式不同于垂直潜流人工湿地，使水平潜流人工湿地中部分填料未充分接触污水，填料的吸附作用也不能充分发挥，导致水平潜流人工湿地对污水中氮、磷的去除效果不及垂直潜流人工湿地的处理效果。有研究表明，湿地植物（如香蒲、荸荠）及延长污水停留时间能有效提高水平潜流人工湿地的去污能力。同时，进水量也影响水平潜流人工湿地对污染物的去除能力。

图3-30 水平潜流人工湿地剖面图

（4）组合流人工湿地随着人们对人工湿地的认识及对污水中污染物去除效果的要求越来越高，人们将目光聚焦在不同类型的人工湿地组合上。表面流人工湿地不易堵塞，但卫生条件较差，而潜流人工湿地（包括垂直潜流和水平潜流）具有较好的卫生条件，却常出现堵塞问题。水平潜流系统由于氧气传输能力上的限制不能满足硝化反应要求，而垂直潜流系统由于水流从上往下流经基质，复氧效果良好，可以满足硝化反应的好氧要求，但系统内部却不能顺利进行反硝化反应。目前有人提出利用波形潜流人工湿地处理养猪污水，虽然提高了铵态氮的去除效率，但出水总氮的浓度较高。为了提高对畜禽养殖污水的净化效果，出现了将各种类型的人工湿地组合起来的组合人工湿地，结合各自的特点发挥各自优势，取长补短，提高畜禽养殖污水的去除效率。