劉長(zhǎng)娥，周勝，程彬彬*，原源

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院a農(nóng)業(yè)科技信息研究所，上海 201403；b生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海 201403；c上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201415)

畜禽養(yǎng)殖廢水主要指豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水和奶牛場(chǎng)養(yǎng)殖廢水，包括尿液和糞便殘留、沖洗圈舍糞便的沖洗水、清潔設(shè)施設(shè)備用水、工人生產(chǎn)生活用水，以及沖刷養(yǎng)殖場(chǎng)的雨水等，畜禽廢水中含有大量懸浮物、氨氮、致病菌、重金屬元素、獸藥殘留物等，其污染具有長(zhǎng)期性和不可逆性。近年來(lái)，伴隨著生豬市場(chǎng)的需求，生豬生產(chǎn)的區(qū)域化、規(guī)模化和集約化水平不斷提高，大量的養(yǎng)殖類廢水處理和排放成為一大問(wèn)題。另外，我國(guó)農(nóng)村還存在大量的分散式畜禽養(yǎng)殖，進(jìn)一步加重了畜禽養(yǎng)殖廢水的處理負(fù)荷。由于我國(guó)畜禽廢水的資源化利用率較低，廢水得不到有效及時(shí)處理，不僅造成了河流湖泊和地下水的污染，而且導(dǎo)致農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的惡化，對(duì)人們的身心健康造成極大的威脅。畜禽養(yǎng)殖污染已成為繼工業(yè)污染、生活污染之后的第3大污染源，成為農(nóng)村面源污染的重災(zāi)區(qū)[1-3]。

人工濕地是一種技術(shù)成熟的自然生態(tài)污水處理工藝，主要依靠基質(zhì)的吸附交換、基質(zhì)與表面附著微生物的協(xié)作、植物的攝取、微生物的代謝，以及植物與根際微生物的共生等機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)污染水的凈化。具有投資少、設(shè)計(jì)施工方便、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，目前已成為我國(guó)農(nóng)村地區(qū)廣泛應(yīng)用的一種污水處理技術(shù)[4-7]。

華東是我國(guó)畜禽養(yǎng)殖大區(qū)，擔(dān)負(fù)著六省一市艱巨的肉類供應(yīng)責(zé)任，生態(tài)環(huán)境保護(hù)和養(yǎng)殖規(guī)模增長(zhǎng)的矛盾日益加劇，為加快推進(jìn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖污染控制與資源化利用是近期的一項(xiàng)重要任務(wù)，合理利用與凈化處理畜禽養(yǎng)殖糞污是綠色發(fā)展的需求，也是開(kāi)展生態(tài)宜居美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的重要工作。為了深入了解畜禽養(yǎng)殖廢水的有效處理方法與技術(shù)，對(duì)人工濕地類型和植物進(jìn)行初步研究，探析高效人工濕地處理技術(shù)，提高人工濕地對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水的去除效果，實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢水的及時(shí)有效處置，改善我國(guó)生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也為相關(guān)工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 水生植物

本試驗(yàn)選取常見(jiàn)挺水植物蘆葦(Phragmitescommunis)、茭草(Zizaniacaduciflora)、美人蕉(Cannaindica)和黃菖蒲(Irispseudacorus)作為研究對(duì)象。

1.1.2 畜禽養(yǎng)殖廢水

試驗(yàn)用豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水取自上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院養(yǎng)豬場(chǎng)，TN(總氮)濃度為700～1 000 mg·L-1。

1.2 處理設(shè)計(jì)

1.2.1 濕地植物篩選

模擬濕地植物自然生長(zhǎng)狀態(tài)，建立不同處理水生植物小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積約35 m2，種植密度為4株叢·m-2，每個(gè)品種設(shè)置年末收割與不收割2個(gè)處理，每個(gè)處理定期施入相同量的豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水，維持一定的營(yíng)養(yǎng)水平，試驗(yàn)持續(xù)3年。分別從植物的生長(zhǎng)強(qiáng)度、再生能力和氮磷積累量方面進(jìn)行考察，其中，生長(zhǎng)強(qiáng)度主要觀測(cè)移栽當(dāng)年與3年后植物生長(zhǎng)指標(biāo)變化；再生能力綜合考察不同茬次再生植株生長(zhǎng)指標(biāo)變化；氮磷積累量主要測(cè)定4種植物地上部分的氮磷總量。

1.2.2 濕地類型篩選

利用試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)建立的蘆葦-礫石垂直滲透流、蘆葦-沸石垂直滲透流和蘆葦-礫石水平潛流人工濕地進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)用水將豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水稀釋，過(guò)濾去除雜質(zhì)，保持進(jìn)水TN濃度為 40～50 mg·L-1。試驗(yàn)分別在春、夏、秋、冬季進(jìn)行，每個(gè)季節(jié)連續(xù)運(yùn)行1個(gè)月，最后取其平均值，對(duì)比3種濕地污染物去除速度，篩選去除效能較高的濕地類型。

1.3 性狀測(cè)量與樣品采集

1.3.1 植物

每個(gè)小區(qū)設(shè)置3個(gè)固定樣方，面積1 m2，植物生長(zhǎng)季，每月定期對(duì)樣方內(nèi)植物的分蘗和株叢高進(jìn)行測(cè)量。10月下旬植物枯黃前對(duì)收割處理水生植物的地上部分進(jìn)行取樣，齊地面刈割，重復(fù)3次。分別對(duì)應(yīng)掛上相應(yīng)處理的植物名稱，按一定長(zhǎng)度捆綁放入105 ℃烘箱，殺青15 min，然后調(diào)整為80 ℃烘箱中烘干至恒量，換算為單位面積植物地上部分的生物量，將烘干后的植物樣品粉碎，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行TN、TP(總磷)的測(cè)定。

收割后的植物次年再生后，定期進(jìn)行分蘗和株叢高的測(cè)量。

1.3.2 濕地水

濕地運(yùn)行期間，每周取樣2次，分別為每個(gè)濕地的進(jìn)水與出水，分別裝瓶編號(hào)，放入冰箱，隨時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。

1.4 樣品測(cè)定

1.5 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算

將不同處理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用平均值。其中:生長(zhǎng)強(qiáng)度主要考察植物隨年限增加生長(zhǎng)的變化；再生能力采用再生率表達(dá)，再生能力=[再生構(gòu)件(分蘗或株叢高)/原生構(gòu)件(分蘗或株叢高)]×100%；植物氮磷積累量(mg·m-2)=植物氮磷濃度(mg·g-1)×植物生物量(g·m-2)；污染物去除速度(g·m-2·d-1)=進(jìn)水污染負(fù)荷(g·m-2·d-1)-出水污染負(fù)荷(g·m-2·d-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地植物篩選

為維持濕地植物良好的生長(zhǎng)狀態(tài)，防止隨使用年限的增長(zhǎng)，出現(xiàn)濕地植物退化，保證濕地高效良好運(yùn)行，選取生長(zhǎng)強(qiáng)度、再生能力、養(yǎng)分吸收能力作為考察指標(biāo)，對(duì)濕地植物進(jìn)行篩選。

2.1.1 生長(zhǎng)強(qiáng)度

從株叢高度考察，無(wú)論是移栽當(dāng)年還是3年以后，4種植物中蘆葦均顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，株叢高愈加突出(圖1)。從分蘗看，移栽當(dāng)年茭草具有較高的分蘗能力，但是隨著生長(zhǎng)年限的增加，分蘗能力急劇下降，其他3種植物的分蘗能力不斷增加，以黃菖蒲和蘆葦增加幅度較大。

圖1 不同年限植物株叢高、叢分蘗數(shù)的比較

綜合而言，黃菖蒲、美人蕉和蘆葦均顯示出隨年限增加健康生長(zhǎng)的潛力，其中，以蘆葦表現(xiàn)最優(yōu)，具有較高的生長(zhǎng)強(qiáng)度。

2.1.2 再生能力

收割后次年4種植物均再生，頭茬株高再生率以黃菖蒲和蘆葦較高，基本恢復(fù)至原生狀態(tài)，茭草再生植株長(zhǎng)勢(shì)較慢。二茬蘆葦和茭草株高顯示出優(yōu)勢(shì)，尤其是蘆葦再生株高率近乎原生的3倍(圖2)。收割對(duì)于分蘗也有影響，茭草和蘆葦無(wú)論是頭茬還是二茬均表現(xiàn)出較高的再生優(yōu)勢(shì)，在某種程度表明，收割有利于促進(jìn)禾本科植物的生長(zhǎng)。

圖2 不同茬次植物再生率的比較

2.1.3 養(yǎng)分吸收能力

植物養(yǎng)分吸收能力受其本身養(yǎng)分含量和生物量的影響，生物量高的植物通常能夠攝取更多的養(yǎng)分，蘆葦具有較高的吸收氮能力，其單位面積氮的攝取量遠(yuǎn)高于其他3種植物，但其對(duì)磷的吸收能力相對(duì)較弱。美人蕉具有較高的磷攝取能力(圖3)。

圖3 植物養(yǎng)分吸收能力的比較

綜合以上分析，從植物的生長(zhǎng)強(qiáng)度、再生能力、養(yǎng)分吸收能力綜合考察，蘆葦顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，具有持續(xù)健康的生長(zhǎng)潛力及較高的氮吸收能力。

植物在人工濕地系統(tǒng)中發(fā)揮作用的前提是能夠耐受高污染濃度的畜禽養(yǎng)殖廢水。有研究表明，蘆葦對(duì)于畜禽養(yǎng)殖廢水的脅迫具有超強(qiáng)的抗逆性和耐受性，蘆葦濕地對(duì)污水中的氮的凈化效果十分明顯，平均去除率可達(dá)80%以上。高濃度畜禽養(yǎng)殖廢水的脅迫可促使人工濕地中的蘆葦根系活力明顯上升、游離脯氨酸含量在急速下降后穩(wěn)定在一個(gè)較低水平、電解質(zhì)滲漏不明顯等現(xiàn)象，可作為人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水的主要植物[4-10]。

2.2 濕地類型篩選

表1 不同濕地類型對(duì)畜禽廢水污染物的去除速度

垂直潛流人工濕地對(duì)污染物的去除速度高于水平潛流，主要原因是垂直流人工濕地污水從濕地表面垂直流過(guò)基質(zhì)床的底部或從底部垂直向上流向表面，溶解氧水平較高，濕地布水方式有利于污水與濕地內(nèi)部填料全面接觸，其硝化能力強(qiáng)，更有利于污染物的去除[11-14]。

3 討論與展望

3.1 討論

人工濕地處理畜禽廢水研究中，有關(guān)濕地植物的篩選和濕地類型的應(yīng)用是普遍被關(guān)注的問(wèn)題。植物直接作用對(duì)廢水中污染物的去除效果說(shuō)法不一，有人認(rèn)為，通過(guò)植物地上部分所吸收的TN和TP僅占人工濕地系統(tǒng)TN和TP去除量的0.3%～14.1%，也有人認(rèn)為，占50%～90%。這其中受植物種類和生長(zhǎng)習(xí)性、收割頻率、供試污水的污染物濃度、水力停留時(shí)間等因素影響[15-17]，除了直接作用、植物的間接作用對(duì)污染物的去除影響較大，植物根系可以連續(xù)分泌有機(jī)化合物，微生物利用這些有機(jī)化合物，在植物根際間形成豐富的微生物群落，促進(jìn)硝化與反硝化的進(jìn)行。目前，已在畜禽養(yǎng)殖廢水處理應(yīng)用且效果良好的植物有許多種，包括蘆葦、美人蕉、梭魚草、黑麥草、尖尾芋等[18-20]，其中，蘆葦是處理畜禽養(yǎng)殖廢水普遍采用的濕地植物。

垂直流人工濕地和水平潛流人工濕地是畜禽養(yǎng)殖廢水研究和應(yīng)用較多的濕地類型，前者具有較高的硝化能力，后者具有較高的反硝化能力，實(shí)際應(yīng)用中通常將兩種類型濕地進(jìn)行組合，以增強(qiáng)人工濕地污染去除效能。

人工濕地處理畜禽廢水效果的有效性已經(jīng)得到了各種研究的證明，由于畜禽養(yǎng)殖廢水屬于高濃度有機(jī)廢水，并且含有大量的懸浮物和一些糞便殘?jiān)?，因此，在利用人工濕地處理時(shí)，要經(jīng)過(guò)預(yù)處理。目前的預(yù)處理主要利用分離格柵池、沉淀池等，去除大顆粒懸浮物、雜質(zhì)和泥沙等，這些固體廢物則可以作為有機(jī)復(fù)合肥的原料。

預(yù)處理后的污水利用人工濕地再進(jìn)行深度處理，從目前已有的工程實(shí)踐來(lái)看，人工濕地的長(zhǎng)期運(yùn)行尚缺少安全保障，利用人工濕地處理污水的過(guò)程中，隨著利用時(shí)間的延長(zhǎng)普遍存在著濕地系統(tǒng)堵塞、植物生長(zhǎng)衰退等現(xiàn)象，從而影響了人工濕地污水處理能力，限制了其處理效果的長(zhǎng)效性。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了一款組合型畜禽廢水處理裝置，包括蓄水池、蚯蚓生態(tài)濾池和人工濕地。將物理過(guò)濾、有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化、生態(tài)凈化、生物降解、吸附吸收等功能結(jié)合為一體，可以有效減輕濕地堵塞，促進(jìn)了生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)起促進(jìn)作用。

3.2 展望

隨著資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化的日趨嚴(yán)重，畜禽糞污的資源化利用與生態(tài)凈化處理愈加凸顯出其重要性。當(dāng)前對(duì)固體糞污資源化利用率已經(jīng)趨于提高，但其污水在處理過(guò)程中仍存在濕地植物處置困難、濕地綜合利用水平低、缺乏長(zhǎng)期高效運(yùn)行機(jī)制等突出問(wèn)題。

畜禽養(yǎng)殖糞污本身含有農(nóng)作物所需營(yíng)養(yǎng)，在今后利用濕地系統(tǒng)處理畜禽廢水中，充分開(kāi)發(fā)解決濕地堵塞與畜禽廢水以及植物資源化利用的研究將是一個(gè)較好的發(fā)展方向。包括培育適宜濕地污染環(huán)境的蚯蚓種類、具有高生長(zhǎng)強(qiáng)度的水生蔬菜、水生花卉等濕地植物，以及一些高效微生物種類，達(dá)到畜禽養(yǎng)殖環(huán)境與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)。

常雅軍等[21]利用畜禽養(yǎng)殖廢水規(guī)?；a(chǎn)水芹，水芹產(chǎn)品進(jìn)行農(nóng)藥殘留和重金屬含量檢測(cè)符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)畜禽養(yǎng)殖廢水也達(dá)到了國(guó)家地表水排放標(biāo)準(zhǔn)，可循環(huán)至養(yǎng)殖場(chǎng)再利用，實(shí)現(xiàn)污染水中營(yíng)養(yǎng)元素的最大化吸收與利用，使其納入良性循環(huán)，促進(jìn)資源化利用。

微藻是一種在自然界廣泛存在且具有光合效率高、生長(zhǎng)周期短、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等特點(diǎn)的微生物，微藻培養(yǎng)的廢水處理技術(shù)不僅能夠解決畜禽養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境污染問(wèn)題，還能利用廢水中的營(yíng)養(yǎng)元素生產(chǎn)高附加值的生物質(zhì)產(chǎn)品。未來(lái)加大高效藻種的篩選和開(kāi)發(fā)力度，針對(duì)不同類型廢水開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的復(fù)合藻-菌劑產(chǎn)品，同時(shí)進(jìn)一步開(kāi)拓下游產(chǎn)品的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢水到生物質(zhì)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，形成綠色循環(huán)的產(chǎn)業(yè)鏈[22 ]，推動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展。