多级生态藕塘表流湿地系统对养猪废水的净化应用研究

生态环境学报2019,28(11):[e-mail]基金项目：国家重点研发计划专项（2017YFC0505302）；水利部技术示范项目（SF-201708）作者简介：王珵瑞（1992年生），男，硕士研究生，主要研究方向为面源污染防治。E-mail:[e-mail]*通信作者：雷俊山，教授级高级工程师，主要从事小流域综合治理工作。E-mail:[e-mail]收稿日期：2019-07-24多级生态藕塘-表流湿地系统对养猪废水的净化应用研究王珵瑞1,2，雷俊山2*，郭成久11.沈阳农业大学水利学院/辽宁省水土流失防控与生态修复重点实验室，辽宁沈阳110866；2.长江水资源保护科学研究所，湖北武汉430051摘要：在流域水污染治理中，如何廉价高效处理高污染的禽畜养殖废水，尤其是养猪废水的净化排放，已经受到广泛重视。为了拓展小流域养猪废水的有效治理方法和途径，本研究探究了生态藕塘与表流湿地联合配置实际应用于农村养猪废水的净化作用，对丹江口市余家湾小流域余家湾村构建的多级生态藕塘-表流湿地系统各环节水量、水质等进行了连续监测，并分析了各单元及系统在高浓度低流量和低浓度高流量两种相对进水条件下对养猪废水的净化效果，为小流域禽畜养殖废水治理提供参考借鉴。结果表明，各单元对CODMn、TN、NH3-N、NO3−-N、TP及SS均具备良好的削减作用，系统对上述各污染物的削减效果更稳定，优于各单元。在相对高浓度低流量时段，多级生态藕塘对上述各污染物的平均负荷削减率分别为58.63%、97.75%、95.35%、80.88%、96.20%、25.99%；表流湿地的对应削减率分别为−11.55%、46.91%、53.68%、21.90%、35.61%、4.93%；系统的对应削减率分别为52.36%、98.85%、97.97%、85.75%、97.95%和67.81%；各污染物出水质量浓度均值依次为5.17、0.83、0.51、0.13、0.26、6.00mg·L−1，综合水质由进水严重污染转变为出水良好。在相对低浓度高流量时段，多级生态藕塘对上述各污染物的平均负荷削减率分别为19.03%、72.70%、77.45%、55.98%、54.89%、38.10%；表流湿地的对应削减率分别为−2.68%、5.12%、19.95%、28.64%、10.00%、3.04%；系统的对应削减率分别为17.36%、77.42%、82.96%、71.05%、67.22%、75.95%；各污染物出水质量浓度均值依次为6.44、4.25、2.60、0.13、1.62、8.57mg·L−1，综合水质由进水重污染转变为出水轻污染。在一定的进水条件下，多级生态藕塘-表流湿地系统对养猪废水有非常良好且稳定的净化作用，可进一步推广应用。关键词：生态藕塘；表流湿地；养猪废水；流域水污染；削减率DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2019.11.019中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1674-5906（2019）11-2289-10引用格式：王珵瑞,雷俊山,郭成久,2019.多级生态藕塘-表流湿地系统对养猪废水的净化应用研究[J].生态环境学报,28(11):2289-2298.WANGChengrui,LEIJunshan,GUOChengjiu,2019.Applicationstudiesonpurificationofpiggerywastewaterbymulti-levelartificialsystemofecologicallotuspond-surfaceflowwetland[J].EcologyandEnvironmentalSciences,28(11):2289-2298.经济的发展使中国肉蛋奶的消费需求稳定增长，禽畜养殖规模随之增加，但环保意识及有效措施的滞后，使养殖废水污染问题日渐凸显，尤其是农村禽畜养殖作为农村经济发展的重要部分，其废水随意排放造成的水污染在农村面源污染中占有一定比重，已经影响到农村居民的饮水用水安全，同时也恶化了农村生态环境（杨红梅，2018；许文志等，2017；陈宏刚，2016；卢玉爱，2016；赵雅光等，2016）。因此，探索科学有效的方法对农村养殖废水进行集中净化再排放至关重要。近年来，生态塘及人工湿地因为低能耗、低成本、低投资及水质净化显著的特点，成为净化非工业污水的常用方法，并已开始应用于农业污水的处理（王晓玲等，2017；王妹等，2016；齐丹等，2016；崔丽娟等，2011；陈晓强等，2010）。生态塘可通过食物网的物质迁移、转化和能量传递，净化有机废水的同时，输出水产、水禽及水生植物，使污水处理与经济发展结合，实现污水处理资源化（陈晓强等，2010）。而人工湿地则通过系统中的基质-微生物-水生植物连续体的协同作用来实现净化水体的目的（Mahmoudetal.，2010；崔丽娟等，2010；Vymazal，2009；Kadlecetal.，1996；吴晓磊，1995），可以充分利用水体空间，具有占地面积相对较小但供氧好、净化能力高的特点（吴振斌等，2002）。目前，将多级生态塘与人工湿地联合配置实际应用于农村禽畜养殖废水的净化处理研究较少。莲藕能够吸收转化养殖废水及塘底沉积基质中的氮、磷等，且能增加额外经济效益（邓梅，2013）。将生态藕塘和人工湿地联合用于禽畜养殖废水的净2290生态环境学报第28卷第11期（2019年11月）化，符合“内循环、外封闭”的养殖理念（王妹等，2016），可以部分解决经济发展和流域生态环境污染之间的矛盾。本实验监测了在丹江口市余家湾小流域余家湾村建立的多级生态藕塘-表流湿地系统，旨在通过分析其对养猪废水的净化作用，为其推广应用提供数据支撑，并为小流域禽畜养殖废水治理提供借鉴。1工程概况生态藕塘-表流湿地系统位于丹江口市余家湾小流域余家湾村（111°15′52.44″E，32°46′00.05″N），由3级生态藕塘（A、B、C）和表流湿地（D）组成，地势呈台梯式，其东侧、南侧为主河道，西侧、北侧为水稻田。系统主要处理润秋公司的养猪废水（年养猪900头），养猪废水经自建沼气池汇集和厌氧发酵（运行启动时间为30d，启动后每日保持进出料平衡且适量）处理后排入系统，依次在生态藕塘及表流湿地滞留净化后排入河道，水流方式为堤埂浅层埋管溢满自流。工艺流程见图1。三级生态塘A、B、C均以莲藕（Nelumbonucifera）为主要植物，伴少量香蒲（TyphaorientalisPresl）、水芹（Oenanthejavanica）、雀稗（Paspalumthunbergii）、蓼（Polygonum）和荻（Triarrhenasacchariflora），单塘植物密度约25plant·m−2，面积分别为600、850、1400m2，底深均为1.8m，平均水深均为0.75m，总容积2137.5m3。表流湿地D以水芹、雀稗、蓼和荻随机密集分布，植物覆盖率100%，面积750m2，底深1.0m，平均水深0.10m，容积75.0m3。2研究方法2.1采样方法在系统各节点，即1#、2#、3#、4#、5#五处设置采样点，位置见图2。用500mL广口聚乙烯试剂瓶于五处节点采集水样，并用尺测法与计时法测取各处过水断面面积及流速，以便计算节点水流量与污染物负荷。采样年份为2017年。系统在此次监测之前已较早建成运行，每年3—6月为莲藕的萌发生长期，且因莲藕的经济效益，每年12月生态藕塘的莲藕块根已被挖出售卖，在12月至下一年5月，养猪粪污多数用于润秋公司核桃林地沤肥，少量经沼气池进入系统，故本研究只考察7—11月系统对养猪废水的净化作用。且此次监测时段一是遇到意外扰动情况，水力条件有显著变化，二是涵盖了夏季系统生物量繁盛时期及秋季系统生物量衰减时期，在环境温度变化上也体现出明显差别，适合于探讨系统稳定性，故采样时段选为7—11月。采样次数为14次。2.2测定指标与测定方法根据养猪废水的特点（万风等，2012），主要监测指标为：高锰酸盐指数（CODMn）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、硝态氮（NO3−-N）和悬浮物（SS），分别采用酸性法、过硫酸钾氧化-紫外分光光度法、钼锑抗分光光度法、纳氏试剂法、紫外分光光度法、重量法进行测定，具体参考《水与废水监测分析方法》第4版（国家环境保护总局，2002）。2.3评价方法根据废水流量及污染物含量等数据，分析污染物含量在单元间及随时间的变化，并计算污染物负荷削减率，比较单元之间及与系统之间对污染物削减效果的差异；各环节污染物负荷削减率计算方法如下：图1工艺流程图Fig.1Flowchartoftreatmentprocess图2采样点布设图Fig.2Settingmapofsamplingsites系统（thesystem）出水theeffluent原废水therawwastewater沼气池biogasdigester次生废水thesecondarywastewater生态藕塘AecologicallotuspondA生态藕塘BecologicallotuspondB生态藕塘CecologicallotuspondC表流湿地DsurfaceflowwetlandD王珵瑞等：多级生态藕塘-表流湿地系统对养猪废水的净化应用研究22912211=1FRFρρ−（1）式中，R为污染物负荷削减率；ρ1和ρ2分别为进水和出水污染物质量浓度；F1和F2分别为进水和出水每日水流量。采用单因子污染指标法和综合污染指数法定量评价系统进出水水质（段田莉等，2017），分析系统对养猪废水的净化能力。单因子污染指标法评价项目：CODMn、TN、NH3-N、NO3−-N、TP及SS，采用《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）评价出水水质。综合污染指数法评价项目：CODMn、TN、NH3-N及TP，采用《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅴ类水质标准进行计算。计算方法（蒋火华等，1999）如下：11=niiPPn=（2）0=iiPρρ（3）式中，P为综合污染指数；Pi为i污染物的污染指数；n为污染物的种类数；ρi为i污染物实测质量浓度平均值（mg·L−1）；ρ0为i污染物的评价标准值（mg·L−1）。评价分级见表1（孙涛等，2014）。3结果与分析3.1水力条件第一时段（7月16日—8月6日），系统进水（1#）仅为经沼气池所排次生废水，为相对高浓度低流量时段，流量为0.106—0.199L·s−1，各单元平均水力停留时间（HRT）依次为34.0、51.6、85.0、6.1d；第二时段（8月8日—11月14日），因毗邻生态沟施工影响，系统进水（1#）为沼气池次生废水、生态沟水及农田排水混合水体，为相对低浓度高流量时段，流量为1.333—8.866L·s−1，各单元平均HRT依次为0.9、1.4、2.3、0.2d。系统日进水流量变化见图3，系统进水各污染物平均质量浓度见表2。3.2对污染物的削减效果3.2.1对CODMn的削减效果单元及系统对CODMn的负荷削减率变化见图4。第一时段A、C起削减作用，平均削减率分别为42.00%和40.82%；而B、D呈负削减作用，平均削减率分别为−24.81%和−11.55%。第二时段C起削减作用，平均削减率为26.27%；B、D平均削减率分别为0.50%和−2.68%，基本维持水质；A呈负削减作用，平均削减率为−11.62%。分析认为：第二时段进水流量较大，且CODMn含量较小，引起A原固持有机物释放；B因进水CODMn含量已有所增加，且B的容积与生物量有所增加，故略有削减作图3系统日进水流量（Fd）变化Fig.3Variationofthesystemdailyinfluentflow(Fd)表1