多級狐尾藻濕地系統處理高濃度養殖污水研究

1多級狐尾藻濕地現狀

1.1研究背景

畜牧業規?；l展帶來了高濃度養殖污水排放問題，這類污水通常含有超過1 000mg/L 的COD、50～200mg/I 的氨氮及 5～15mg/L 的總磷，未經處理直接排放易引發富營養化、生態失衡等連鎖反應。傳統物理化學處理技術成本高且存在二次污染風險，而多級狐尾藻濕地系統憑借低成本、高穩定性與生態修復潛力成為研究熱點。狐尾藻發達的根系與莖葉結構可為微生物提供理想附著環境，與微生物協同作用能高效削減氮磷污染物，其運行成本僅為傳統工藝的 30%～50%_o 多級系統通過分層設計，可實現對不同形態污染物的梯度削減，為高濃度養殖污水的可持續處理提供了新路徑。

1.2研究意義

高濃度養殖污水含大量有機物、氮、磷等污染物，未經處理排放會導致水體富營養化、土壤鹽漬化等問題。雖有相關排放標準，但多數養殖場面臨處理設施不完善、成本高昂等難題。多級狐尾藻濕地系統通過“物理攔截一生物降解一生態修復”的分級處理單元，耦合植物吸收、微生物降解及基質過濾等多重機制，為解決該問題提供創新路徑。其運行依賴自然能耗，無需復雜設備維護，還可通過收獲植物實現資源化利用，契合循環經濟與低碳發展導向，對推動養殖污水生態化治理意義重大

1.3國內外研究現狀

國際上，發達國家在人工濕地研究與應用方面形成較完整的理論體系。美國表流濕地在農業面源污染治理中氮磷去除率達 85% 以上；歐洲在潛流濕地技術上進展顯著，德國制定相關法規規范設計參數，瑞典通過多級串聯濕地解決高濃度有機廢水處理難題。國內研究雖起步晚但發展迅速，已建成超2000個人工濕地項目，農業面源污染治理占比 35% 。中國科學院團隊研究顯示狐尾藻單級系統對COD去除率達60%～70% ，南京大學在巢湖的示范工程使出水總磷穩定在0.2mg/L以下。但現有研究存在短期小試局限、設計借鑒國外經驗、機制解析不深入等不足。

2相關理論基礎

2.1濕地系統概述

濕地系統由水體、濕地植物、微生物等構成，通過復雜生物地球化學過程實現水質凈化。植物根系為微生物提供棲息空間，吸收污染物；微生物通過硝化、反硝化等過程降解污染物；基質則起過濾作用。濕地系統還具有洪水調蓄、生物多樣性維持等生態服務功能。

2.2狐尾藻濕地系統的特點

狐尾藻濕地系統以狐尾藻為核心，憑借其獨特生物學特性和系統構造優勢，在水污染治理中應用潛力顯著。綠狐尾藻對高濃度氨氮廢水凈化能力強，28d內對 除率分別達 89.8% 和 78.8% 。多級串聯模式提升抗沖擊負荷能力，狐尾藻光合作用為根際提供氧氣，形成多界面微環境，促進微生物代謝，增強氮磷去除效率。

2.3高濃度養殖污水的處理難點

高濃度養殖污水成分復雜，處理難度大。有機物含量過高易引發富營養化，傳統生態浮床需添加藻寡糖等增強凈化效率，但存在物質穩定性和成本問題。氨氮濃度過高影響水生生物且抑制微生物活性，MDC-MEC耦合系統雖能維持高去除率，但能耗與膜污染是瓶頸。磷超標易導致藻類繁殖，傳統化學沉淀法受水質限制且有二次污染風險，新型吸附膜分離技術雖有優勢，但抗污染能力和穩定性需驗證。

3多級狐尾藻濕地系統設計

3.1系統設計理念

多級狐尾藻濕地系統設計融合自然生態自凈能力與人工調控技術，形成層級化復合凈化體系。遵循多級單元串聯配置原則，避免單一單元負荷過載；依托狐尾藻特性構建核心單元，其根系為微生物提供附著基質，光合作用提升溶解氧促進生化反應；考慮水質波動適應性，通過調節參數增強緩沖能力。系統采用“物理攔截一生物降解一生態修復”三級模式，各單元功能明確，設置溢流調控裝置確保污水均勻分布。材料選擇本土耐污植物與廉價填料，考慮水力動力學特性，設置輔助模塊增強抗沖擊能力，兼顧生態可持續性，形成物質循環利用鏈。

3.2系統結構組成

系統采用模塊化串聯模式，由預處理單元、多級處理單元和出水單元構成。預處理單元配置機械格柵與初沉池，截留漂浮物和顆粒物質，降低SS濃度，減少濕地填料堵塞風險。多級處理單元為核心，至少三個狐尾藻濕地池串聯，各池功能側重不同。首級以粗礫石為填料，高水力負荷促進好氧微生物活性；中段摻入沸石與生物陶粒，強化氮磷去除；末級增設細砂層，提升植物密度。各單元通過溢流管連通，水力停留時間逐級遞增。出水單元承擔水質穩定與監測調控功能，設置在線監測設備，可自動啟動應急措施，預留維護通道，確保系統長期穩定運行，見圖1。

3.3系統運行參數

水力停留時間（HRT）是關鍵參數，本研究通過單因子實驗確定最佳HRT為5～6d，平衡處理效率與成本。進水水質需控制，COD濃度低于1 200mg/L 、氨氮低于 100mg/L 時，系統穩定性顯著提升。依據相關排放標準，系統通過分級凈化使出水COD降至100mg/L 以下，氨氮 ≤20mg/L ，總磷 ≤1.0mg/L ，實際運行中各污染物去除率達標。采用響應面法建立模型，結合在線監測數據動態調整運行參數，實現智能化管理。

4多級狐尾藻濕地系統效能評估

4.1實驗設計與方法

本研究通過對比實驗方法系統評估多級狐尾藻濕地系統的污水處理效能，實驗設計包含實驗組與對照組。實驗組采用三級串聯的狐尾藻人工濕地系統，每級濕地單元均配置獨立的進水、補水和出水裝置，系統基質采用火山巖與砂石復合填料，并通過控制水力負荷維持適宜的植物生長環境。對照組則采用混凝一沉淀一過濾的傳統物理化學工藝，通過投加聚合氯化鋁和石灰進行混凝反應，經斜板沉淀池分離后通過石英砂濾層進一步凈化。兩組實驗的進水水質均以高濃度養殖污水為基質，其初始COD濃度為450～600mg/L ， BOD₅ 濃度為 200～280mg/L ，氨氮濃度為 80～120mg/L ，總氮和總磷濃度分別保持在150～200mg/L 和 20～30mg/L 的水平。實驗周期設定為 180d ，期間通過逐步提高進水負荷至系統最大處理能力，以考察不同負荷條件下的處理效能穩定性。

在水質監測方面，采用連續7天的采樣周期，每日于實驗組各級濕地進/出水口及對照組各處理單元關鍵節點采集水樣。水樣采集后立即進行現場pH值和溶解氧測定，其余指標在實驗室通過標準方法分析：COD采用重鉻酸鉀法（HJ828-2017），BOD采用稀釋與接種法（HJ505-2009），氨氮采用納氏試劑分光光度法（HJ535-2009），總氮通過堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012）測定，總磷則采用鉬酸銨分光光度法（HJ671-2013）。所有檢測均設置空白對照和重復樣，數據變異系數控制在 10% 以內。

系統運行參數記錄包含水力停留時間（HRT）、水力負荷（HLR）、濕地基質滲透系數及植物生長狀況。實驗組系統HRT通過調節水泵流量分階段設置為48、36、24h三級梯度，HLR則根據進水流量與濕地表面積計算得出。對照組系統則記錄混凝劑投加量、沉淀池污泥產量及濾層反沖洗頻率等操作參數。實驗數據采用Origin2022軟件進行可視化處理，通過SPSS26.0進行方差分析（ANOVA）和顯著性檢驗（ Plt;0.05 ），利用Pearson相關系數分析水質指標與運行參數間的關聯性，構建回歸模型量化多級系統效能與處理負荷的關系。

4.2實驗結果分析

本研究評估多級狐尾藻濕地系統處理高濃度養殖污水效能，結果顯著。有機物去除上，COD平均去除率 82.3%±4.1% ，出水 80～120mg/L BOD₅ 去除率 91.5%±2.8% ，當進水 200～280mg/L 時，出水 ≤25mg/L ，得益于植物光合供氧與根系微生物協同，形成好氧一兼性厭氧環境。

氮素去除中，氨氮去除率 73.6%±5.3% ，進水 80～ 120mg/L 時出水 ≤15mg/L ；總氮去除率 61.2%±3.7% 受碳源與缺氧區限制?？偭兹コ?52.4%±6.8% ，靠植物吸收、基質鐵鋁氧化物吸附等，進水 3.5～5.0mg/L 時出水 1.5～2.5mg/L 。

水力負荷 0.5～1.2m³/（m²?d） 時，去除率波動 lt;10% 植物生物量增 28%～45% ，根系生物膜Shannon-Wiener指數3.2～3.8。COD驟增至 500mg/L 時，延長水力停留時間至 48h 仍保持 75% 以上去除率，證實系統抗沖擊能力，為生態處理提供可行路徑。

圖1系統結構

4.3效能比較與討論

與其他技術相比，多級狐尾藻濕地系統對總氮、總磷、COD去除率優勢明顯。傳統化學沉淀法磷去除率雖高，但成本高且有二次污染；生物濾池等易受負荷影響。系統建設和運行成本低，為傳統物化法的 30%～50% ，維護簡單，還能提供生態棲息環境。但系統占地面積大，受溫度影響顯著，低溫季節氮磷吸收速率下降約 40% 。實際應用中需結合項目條件，對土地充足、氣候適宜的中小型養殖場是優選，土地有限或需深度處理時可采用組合工藝，未來需優化系統結構提升適應性和效率。

5多級狐尾藻濕地系統機制研究

5.1濕地系統凈化機制

多級狐尾藻濕地系統通過物理、化學、生物協同作用凈化污水。物理上，狐尾藻根系與基質形成過濾屏障，攔截顆粒物質，延長污染物接觸時間?；瘜W上，基質中的氧化物與磷酸根共沉淀，好氧一缺氧環境促進氮轉化，多級系統控制水力停留時間優化反應條件。生物上，狐尾藻吸收營養鹽，根系泌氧形成氧化梯度，微生物群落協同作用，形成“吸收一轉化一降解”鏈，植物收割移除污染物，微生物代謝更新，系統處理效能較單級提升約 40% 。

5.2狐尾藻對污染物的吸收與轉化

多級狐尾藻濕地系統通過物理、化學、生物協同作用凈化污水。物理上，狐尾藻根系與基質形成過濾屏障，攔截顆粒物質，延長污染物接觸時間?；瘜W上，基質中的氧化物與磷酸根共沉淀，好氧一缺氧環境促進氮轉化，多級系統控制水力停留時間優化反應條件。生物上，狐尾藻吸收營養鹽，根系泌氧形成氧化梯度，微生物群落協同作用，形成“吸收一轉化一降解”鏈，植物收割移除污染物，微生物代謝更新，系統處理效能較單級提升約 40% 。

5.3多級處理機制分析

多級狐尾藻濕地系統通過分級串聯單元形成梯度凈化體系，各級單元植物品種和功能不同，針對性處理污染物。水流逐級流動，每級單元植物根系為微生物提供附著場所，形成生物膜，優化水流停留時間分配，減少毒性物質抑制。系統通過植物-微生物生態響應實現自適應調節，進水波動時植物調節微生物群落，微生物橫向遷移平衡，植物生長與污染物濃度負反饋調節。各單元協同作用，前端攔截污染物，中段轉化氮磷，末端吸收殘留污染物，植物收割移除磷，保證系統穩定運行，見圖2。

圖2多級梯度凈化體系

結語

多級狐尾藻濕地系統在高濃度養殖污水處理中表現出顯著優勢。在污染物凈化效能上，對COD、氨氮、TP平均去除率分別達 85% 、 78% ， 69% ，優于傳統單級濕地，能將出水水質控制在農業灌溉或循環利用標準。系統運行穩定性強，多級結構緩解沖擊負荷，各單元差異化設計實現梯度優化，狐尾藻耐受性強。凈化機制上，物理、化學、生物作用協同，多級設計優化過程，避免單一單元效率衰減，植物與微生物協同提升污染物可利用性，形成良性循環。該系統具有工程應用潛力，為農業面源污染治理提供創新技術路徑。

參考文獻：

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[3]袁成.綠狐尾藻對污水凈化效果及其吸收動力學特征研究[D].寧夏大學，2024.

收稿日期：2025-07-29

作者簡介：朱啟耀（1986一），男，漢族，云南省文山州，本科，獸醫師。研究方向：畜禽培育、疾病控制、糞污資源化利用等。

*通訊作者：楊艷（1973一），女，漢族，云南省昆明市，本科，經濟師。研究方向：農業經濟、糞污資源化利用等。