太陽能曝氣強化人工濕地對養豬廢水的凈化效果

吳薇 陳樹磊 劉建華

摘要 [目的]研究太陽能曝氣強化人工濕地對養豬廢水的凈化效果。[方法]采用人工濕地工藝處理技術，研究“調節池→曝氣溝→垂直流人工濕地”系統對養豬廢水中氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學需氧量（CODCr）的去除效果。[結果]太陽能曝氣強化人工濕地系統對養豬廢水中NH3-N、TP、CODCr的去除效果較好，達到了預期目的。[結論]該工藝能使工程化處理養豬廢水達到國家標準。

關鍵詞 太陽能曝氣;人工濕地;養豬廢水;凈化效果

中圖分類號 X 713 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）12-0067-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.019

開放科學（資源服務）標識碼（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

生態養豬場要求具有環境優美、光照適度、水質良好、水源充足等特點，因此背風向陽、地勢高而干燥、土地充裕的偏遠幽靜山谷成為最佳選擇。考慮到周圍環境對糞污的容納能力以及豬場選址遠離市區導致廢水無法納管，需要因地制宜，對養豬廢水中較高的BOD5、CODCr及NH3-N和TP等進行處理后，才能排放。

人工濕地具有良好的脫氮除磷能力[1-2]，且能夠因地制宜在養殖區域附近搭建[3-7]。以強化人工濕地為核心，構建生態修復與水質凈化組合工藝，通過增氧技術[8]，提高系統溶解氧（DO）水平、碳源利用效率，強化微生物硝化和反硝化作用，提高有機物、氨氮和總氮去除效果，通過本土植物配置技術，利用人工濕地和植物生長等綜合作用，強化運行效果，從而提高氨氮和有機物等污染因子的去除率。

太陽能曝氣機是一種利用太陽能轉化為電能直接驅動曝氣設備，通過在水體中曝氣增氧達到污染治理的水體循環設備[9-13]。該設備具有流量大抗堵塞、增氧效果好、運行管理費用低等特點，非常適用于供氧條件不足的河道、湖泊、氧化塘以及人工湖庫等水體。

筆者以河南省平頂山市某養豬場污水為主要研究對象，針對豬場污水氨氮（NH3-N）、總磷（TP）和化學需氧量（CODCr）濃度高等特點，通過“調節池→曝氣溝→垂直流人工濕地”工藝，探討太陽能曝氣強化人工濕地對養殖廢水中氨氮、總磷和化學需氧量的去除效果，為分散式生態養殖廢水處理系統提供基礎數據，確定最佳運行參數，以期為該工藝在工程中的實際應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 太陽能曝氣裝置。GL-HB750型儲能式太陽能增氧曝氣機（南京古藍環保設備實業有限公司），沉水安裝于水深0.6 m，增氧能力1.2 kg/h，有效曝氣面積4.0 m×1.5 m×1.0 m。

1.1.2 采集與馴養。試驗所用水花生、蘆葦等采自平頂山市某生態養豬場排水溝附近;采集后培養馴化增加其適應性，生長穩定后進行養豬廢水凈化試驗。

1.1.3 水質參數。養殖廢水污染物濃度見表1。國際排放標準為《畜禽養殖業污染物排放標準》（GB 18596—2001）。

1.1.4 人工濕地系統。凈化系統流程：收集調節池→曝氣溝→垂直流人工濕地。

人工濕地結構見圖1。

1.2 方法

先將養豬廢水收集在調節池（6.0 m×4.0 m×3.0 m）中，靜置沉砂，上清液流經4.0 m×1.5 m×1.0 m的曝氣溝，進行太陽能曝氣，然后進入垂直流人工濕地（6.0 m×4.0 m×3.0 m）。

人工濕地水力負荷約為0.31 m3/（m2·d），濕地填料床層深度為1.0 m，有效水深0.9 m，礫石填料粒徑1～5 cm，填料總約210 m3。為防滲，先將300 mm 厚黏土夯實，再用100 g 防滲土工膜鋪設（防滲系數<0.25 mm/h），最后用200 mm 厚黏土夯實。濕地種植植物為蘆葦、水花生等本土挺水植物。人工濕地尺寸為22.0 m×10.0 m×1.2 m，采用磚混結構。

1.3 指標測定

水樣中的氨氮（NH3-N）測定采用納氏試劑分光光度法（HJ535—2009）;總磷（TP）測定采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）;化學需氧量（CODCr）測定采用重鉻酸鹽法（HJ 828—2017）。

2 結果與分析

2.1 對養殖廢水中NH3-N去除效果

從圖2可以看出，在5月1日—8月15日期間，太陽能曝氣強化人工濕地系統能有效去除NH3-N。6月15日的去除率最高，為85.5%，6月1日的去除率最低，僅62.9%，此時的出水NH3-N為78 mg/L，仍然滿足國家排放標準。整個運行區間的人工濕地系統，出水NH3-N都達到了《畜禽養殖業污染物排放標準》（GB18596—2001）中低于80 mg/L的NH3-N排放要求。

該系統采用白天曝氣的間歇運行方式，在濕地內部營造了一種好氧和缺氧交替的環境，分別促進好氧硝化和缺氧反硝化作用從而強化了脫氮效果。

研究表明，氨氮硝化、氨揮發、植物吸收及基質吸附等是濕地中氨氮去除的途徑，其中硝化作用是氨氮去除的主要途徑，而植物吸收、基質吸附和自身揮發對氨氮去除的貢獻相對較小[1]。在有植物無曝氣時，氨氮硝化作用所需的氧主要來自濕地植物根系泌氧，僅靠濕地植物根系泌氧無法根本改變濕地內部的缺氧環境，所以人工濕地提高NH3-N去除率的能力是有限的。間歇曝氣改善了濕地基質內溶解氧（DO）的可利用性;增加了濕地內部硝化細菌的數量及活性。這就提高了硝化強度，強化了NH3-N的生物吸收，提高了濕地內NH3-N去除效率[11]。

潛流人工濕地沒有曝氣時始終處于單一的厭氧環境，有利于反硝化反應的進行。由于間歇曝氣的存在，人工濕地中絕大部分NH3-N被轉化成NO3--N，出水NH3-N濃度明顯降低，NO3--N又經過反硝化作用被去除，以實現較高的總氮（TN）去除效率。

濕地中TN的去除主要通過微生物的硝化、反硝化等作用完成，其中硝化細菌作為一種好氧細菌，需要在充足的DO條件下以氧作為最終電子受體將NH3-N氧化成NO3--N;反硝化菌是一種兼性厭氧菌，利用氧或NO3--N作為最終電子受體，通過反硝化作用轉化為氣體逸出系統，實現濕地內氮的最終去除[8]。間歇曝氣運行策略在濕地內部形成周期變化的好氧和缺氧環境。曝氣時濕地內DO含量升高，濕地內DO的可利用性有效增加，促進硝化作用的進行;曝氣結束后DO含量降至很低，濕地內部處于缺氧環境，有利于反硝化細菌利用硝化產物和濕地內部碳源進行反硝化反應，最終將濕地進水中的TN去除[9]。

2.2 對養殖廢水中TP去除效果

從圖3可以看出，雖然進水的TP變化（50～87 mg/L）較大，但去除率穩定在86.4%～96.9%，出水的TP濃度為2.2～8.0 mg/L，都符合國家排放標準。這是因為在潛流濕地內，水中的磷與填料礫石等直接接觸，填料不規則的表面導致其比表面積較大，對磷的吸附作用較強，此時磷的吸附滯留是其去除的主要途徑[4]。間歇曝氣的擾動促進了磷與濕地填料的接觸，有利于填料對磷的吸附去除，從而提高了濕地對磷的去除效率。另外，間歇曝氣增加了濕地中DO含量，促進了微生物的生長和繁殖，增加了微生物的活性。反過來微生物的活動也促進了填料中Al、Fe等金屬元素的逐漸釋放，并形成Al-P、Fe-P等[11]。

磷在人工濕地中的遷移轉化主要有植物吸收、濕地床中的物化反應及在微生物中的積累等過程。①植物吸收：磷被植物吸收，在植物體內經過同化作用后，就會完成從無機磷轉化為有機磷（腺苷三磷酸（ATP）、脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）），通過收割植物最終能夠從系統中去除;②微生物同化：一部分磷會通過聚磷菌的吸收同化積累后沉淀，更換濕地床時可將這部分磷去除。而常規的二級污水處理工藝中，磷的吸收率均很低，僅為4.5%～19.0%，主要是缺失了植物的吸收和同化作用這一環節，僅有微生物對磷的同化吸收。整體來看，太陽能間歇曝氣促進了微生物的呼吸作用，這一作用與植物在生長過程中的光合作用交替進行，從而好氧和厭氧條件下的攝磷也交替出現，最終提高了磷的去除效率[6]。

2.3 對養殖廢水中CODCr去除效果

從圖4可以看出，人工濕地系統的CODCr去除效率均高于77.8%，最高達94.3%，該系統有較好的CODCr處理效果。進水CODCr濃度1 307～2 480 mg/L，出水CODCr濃度99～391 mg/L，均達到國家要求的400 mg/L以下，滿足了《畜禽養殖業污染物排放標準》（GB18596—2001）中CODCr的排放要求。

人工濕地的填料能夠截留廢水中的不溶性有機物，這些有機物能被微生物所用，同時植物根系也會通過吸收、吸附或生物代謝作用使廢水中的可溶性有機物被降解利用。這樣廢水中大部分有機物被同化為微生物體或礦化為CO2和H2O，在填料更換時從濕地中分離[5]。所以人工濕地不但能脫氮除磷，還能有效去除有機物。

氧氣的供給有利于CODCr的去除[9]，太陽能曝氣促進了微生物對有機物的降解。因此太陽能曝氣保證了濕地內部氧氣的供給，使得整個系統的污水凈化率較高，其他文獻資料也充分證明了這一點[12]。郭燁燁等[9]研究發現間歇曝氣系統的出水水質較為穩定，這是因為CODCr的降解和轉化主要通過植物根區微生物活動完成，而這些微生物需要適宜的DO環境才能有效地發揮作用，說明了間歇曝氣可以在一定程度上保證潛流人工濕地的高效穩定運行。濕地植物自身根系泌氧可在一定程度上提高基質溶氧水平，但仍難以滿足全部CODCr降解過程對DO的需求。人工曝氣顯著提高了濕地內部DO含量，大大增強了有機物降解相關微生物的活性，從而提高濕地CODCr去除率[10]。

3 結論

通過研究太陽能曝氣強化人工濕地對養豬廢水中NH3-N、總磷和CODCr的去除和凈化作用，得出如下結論。

（1）太陽能間歇曝氣提高了人工濕地中DO的含量，濕地內部好氧和缺氧交替的環境分別促進好氧硝化和缺氧反硝化作用，從而強化了脫氮效果。