董翠苓

（海東市平安區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村和科技局，青海 海東 810699）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。自1991 年至今，我國肉類產(chǎn)量和禽蛋總產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一。2011 年，我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)總產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的34%左右［1］，在畜牧業(yè)發(fā)展地區(qū)，畜牧業(yè)收入可占當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入的40%左右，因此，畜牧業(yè)已逐步成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一［2］。有資料表明，1988 年我國畜禽糞便產(chǎn)量為18.8 億 t，是當(dāng)年工業(yè)固體廢棄物總量的 3.4 倍［3］。2003 年，我國畜禽糞便產(chǎn)生量約為31.9 億t，遠(yuǎn)超過當(dāng)年工業(yè)固體廢棄物10.0 億t 的總量，畜禽糞便中的總氮量達(dá) 1 394.6 萬 t，總磷量為 378.5 萬 t［4］。2011—2020 年，我國主要畜牧出欄量如表1 所示。結(jié)合表1 數(shù)據(jù)和1988 年、2003 年我國畜禽糞便產(chǎn)量可以看出，近年來我國畜禽糞便產(chǎn)量較高。

表1 2011—2020 年我國主要畜牧出欄量 萬頭（只）

隨著畜禽排泄物對(duì)環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，國內(nèi)外專家對(duì)此做了許多研究。其中，人工濕地污水處理技術(shù)作為一項(xiàng)生態(tài)污水處理技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)人工濕地去除氨、氮等物質(zhì)受到極大的限制，尤為突出的是溶氧量使整體總氮脫除效率受到影響。因此，提高人工濕地床富氧能力，改善濕地氧化去除氨氮的環(huán)境，對(duì)提高濕地氧化去除氨氮效果及速率尤為重要。

筆者采用人工曝氣強(qiáng)化的垂直流人工濕地解決濕地內(nèi)氧環(huán)境差的問題，探討在不同曝氣條件和人工濕地不同的進(jìn)水污染物負(fù)荷濃度下，對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵液的處理效果，分析厭氧發(fā)酵液中污染物在不同曝氣條件下的遷移變化規(guī)律，為曝氣強(qiáng)化垂直流人工濕地的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

本研究所利用的濕地系統(tǒng)包括中部曝氣垂直流人工濕地與底部曝氣垂直流人工濕地，整套系統(tǒng)由垂直流人工濕地床區(qū)、進(jìn)水桶、出水桶、蠕動(dòng)泵、電動(dòng)氣泵和時(shí)間控制器等組成。2 套試驗(yàn)裝置均采用有機(jī)玻璃柱體制成，內(nèi)徑與總高度分別為9、150 cm。進(jìn)水口位于系統(tǒng)底部，距離地面3 cm，排水口距離地面145 cm。這樣的安排使原液在內(nèi)部停留時(shí)間延長，減少重力影響，試驗(yàn)效果更佳。人工濕地床體底部均設(shè)有5 cm 厚的卵石層，以避免進(jìn)水口堵塞，柱體部分采用直徑3 ～5 mm 的石英砂作為填充基質(zhì)。輸氣管由濕地系統(tǒng)頂部通入濕地床體中部或底部，并連接止逆閥以防止?jié)竦貎?nèi)水體倒流。利用蠕動(dòng)泵定時(shí)將污水桶中豬糞厭氧發(fā)酵液灌入濕地床。

1.2 濕地光照

研究采用自然光源。濕地被設(shè)置在溫度為15 ～35 ℃的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。為了抑制濕地內(nèi)壁藻類的生長，在濕地外壁包裹1 層黑色遮光膜。

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)

厭氧發(fā)酵液取自北京市順義區(qū)東華山村沼氣站，在實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存于4 ℃條件下，并測定其初始各污染物的濃度，以備試驗(yàn)。

系統(tǒng)先通入比試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)濃度低的人工配制污水，進(jìn)行濕地植物培養(yǎng)和系統(tǒng)掛膜，歷時(shí)30 d。之后通入試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，進(jìn)行系統(tǒng)微生物馴化培養(yǎng)，歷時(shí)10 d。進(jìn)水、回流及排水均采用蠕動(dòng)泵進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)不同的進(jìn)水量，控制水力負(fù)荷。

試驗(yàn)期間，先將豬糞發(fā)酵液用0.85 mm 篩子過濾，再按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將原沼液稀釋10 倍，并通入試驗(yàn)裝置。平均每隔2 d 取進(jìn)水、出水及裝置中部水各100 mL，儲(chǔ)存于聚乙烯瓶內(nèi)。同時(shí)，立即對(duì)水樣進(jìn)行pH 值、溶解氧（DO）、氧化還原電位（ORP）測定，記錄在運(yùn)行表中；即時(shí)測試水樣中的氨態(tài)氮（NH4+-N）、亞硝態(tài)氮（NO2--N）、正磷酸鹽（PO43--P）、化學(xué)需氧量（COD）指標(biāo)質(zhì)量濃度；剩余水樣保存在冰柜冷藏室中（4 ℃），以抑制微生物活性，收集后每月測試硝態(tài)氮（NO3--N）的質(zhì)量濃度，每個(gè)指標(biāo)2 組重復(fù)。

裝置運(yùn)行48 d 后，將原沼液過濾，稀釋5 倍通入裝置，進(jìn)行B 階段試驗(yàn)53 d，測定指標(biāo)、測定方式、取樣時(shí)間等，都與前面試驗(yàn)相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH 值、DO、ORP 的變化

2.1.1 pH 值變化分析。pH 值是濕地系統(tǒng)的一個(gè)重要常規(guī)參數(shù)，影響濕地系統(tǒng)中各種物理化學(xué)反應(yīng)及植物生長、微生物活動(dòng)。例如，硝化細(xì)菌適宜的pH 值大于 7.2［5］。在進(jìn)液稀釋 10 倍濃度、底部曝氣的條件下，pH 值沒有超出6.5 ～8.5 的正常范圍；同樣濃度中部曝氣的情況下，超出正常pH 值范圍的值總計(jì)有2 個(gè)，且偏差約為0.099。而在進(jìn)液稀釋5 倍濃度的條件下，中部曝氣pH 值沒有超出正常范圍；而底部曝氣則有2 個(gè)非正常范圍值，且偏差為0.064。因此，進(jìn)液選擇稀釋5 倍，底部曝氣，有利于硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化作用和反硝化作用，有利于濕地環(huán)境穩(wěn)定。

2.1.2 DO 變化分析。根據(jù)亨特定律，氧在1.01×105Pa、25 ℃飽和水中的溶解度為 8.32 mg/L［6］。溶氧量越高，人工濕地降解有機(jī)物和硝化能力越強(qiáng)，同時(shí)去除氨氮能力越強(qiáng)。在進(jìn)液稀釋10 倍、底部曝氣的條件下，平均溶氧量達(dá)到（4.7±0.9）mg/L，最大溶氧量達(dá)6.1 mg/L；相同倍數(shù)稀釋濃度下，選擇中部曝氣，平均溶氧量為（4.1±0.8）mg/L，最高溶氧量為5.7 mg/L。進(jìn)液稀釋5 倍濃度時(shí)，底部曝氣最高溶氧量為 6.9 mg/L，平均溶氧量為（5.3±0.9）mg/L；而中部曝氣最高溶氧量為6.7 mg/L，平均溶氧量為（3.4±1.4）mg/L。因此，從溶氧量分析，進(jìn)液稀釋5 倍，選擇底部曝氣，更有利于濕地對(duì)于氧的溶解，更有利于硝化作用的發(fā)生，除污效果更好。

2.1.3 ORP 變化分析。氧化還原電位越高，溶液氧化性越強(qiáng)，濕地硝化能力越大，去污效果越好。從不同稀釋倍數(shù)來看，稀釋5 倍時(shí)，底部曝氣平均氧化還原電位為（160.9±10.2）mV/L，和中部曝氣的氧化還原電位（169.4±13.0）mV/L 變化都較小，而且都接近于進(jìn)水的氧化還原電位（156.2±15.1）mV/L，但比起稀釋10倍時(shí)的氧化還原電位要高一些。從不同曝氣位置來看，不管在哪個(gè)稀釋倍數(shù)下，中部曝氣的氧化還原電位總高于底部曝氣和進(jìn)水的氧化還原電位。從氧化還原電位來看，進(jìn)液稀釋5 倍、中部曝氣效果較好，但是底部曝氣也沒有太大影響。

2.2 脫氮效果分析

2.2.1 氨態(tài)氮去除效果。在進(jìn)液稀釋10 倍濃度下，底部曝氣裝置中，出水的氨氮去除率最高達(dá)99.8%，平均去除率為99.7%±0.1%；而中部曝氣的出水氨態(tài)氮去除率最高達(dá)97.3%，平均去除率為95.6%±1.6%。在進(jìn)液稀釋5 倍濃度下，底部曝氣的氨態(tài)氮平均去除率為85.4%±12.1%，最高去除率為99.8% ；而中部曝氣的氨態(tài)氮平均去除率為82.0%±16.7%，最高去除率為99.1%。所以，從氨態(tài)氮去除效果來看，進(jìn)液稀釋10 倍，選擇底部曝氣，效果較佳、較穩(wěn)定。

2.2.2 亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮去除效果。進(jìn)液稀釋10 倍時(shí)，2 種曝氣方式下亞硝態(tài)氮的含量沒有明顯變化且接近進(jìn)液中硝態(tài)氮含量。進(jìn)液稀釋5 倍、底部曝氣時(shí)，亞硝態(tài)氮的含量有2 次明顯的上升和回落變化，最高值達(dá)到36.7 mg/L，但最終含量接近于進(jìn)液中硝態(tài)氮含量；進(jìn)液稀釋5 倍、中部曝氣時(shí)，亞硝態(tài)氮含量上升緩慢，然而94 d 左右后又急速上升，最高達(dá)21.0 mg/L，最后在100 d 左右回落至進(jìn)水中硝態(tài)氮含量。硝態(tài)氮的含量總體均在進(jìn)液硝態(tài)氮含量之上。進(jìn)液稀釋10 倍時(shí)，2 種曝氣方式下，硝態(tài)氮的含量總體呈下降趨勢，而底部曝氣時(shí)硝態(tài)氮平均含量為（53.0±9.8）mg/L，中部曝氣硝態(tài)氮平均含量為（56.0±14.8）mg/L，高于底部曝氣；進(jìn)液稀釋5 倍時(shí)，2 種曝氣方式下，雖然硝態(tài)氮的含量變化均有較大波動(dòng)，但是總體都呈上升趨勢，底部曝氣時(shí)硝態(tài)氮平均含量為（106.7±32.0）mg/L，中部曝氣時(shí)硝態(tài)氮的平均含量為（112.8±44.9）mg/L，也高于底部曝氣。在進(jìn)液稀釋10 倍濃度下，底部曝氣時(shí)出水的總氮去除率最高達(dá)73.4%，平均去除率為60.1%±6.8%；中部曝氣時(shí)出水的總氮去除率最高為69.5%，平均去除率為53.8%±9.8%。在進(jìn)液稀釋5 倍濃度下，底部曝氣時(shí)出水的總氮最高去除率為60.3%，平均去除率為41.6%±9.0%；中部曝氣時(shí)出水的總氮去除率最高為62.7%，平均去除率為40.1%±15.0%。整體分析，進(jìn)液稀釋10 倍、底部曝氣時(shí)，總氮去除率最高、最穩(wěn)定，此時(shí)濕地除氮效果較佳。

2.3 除磷效果分析

濕地中的植物對(duì)于污水中的磷有吸收作用，通過植物的吸收和積累，再通過對(duì)植物的收割將磷去除，但其去除比例只有6%左右［7］；濕地中的聚磷菌在好氧條件下可以過量吸收污水中的磷，使出水含磷量降低。但是，大部分磷通過與基質(zhì)中的鈣、鐵和鋁等發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)形成沉淀，進(jìn)而被吸附和沉淀下來。因此，濕地的除磷能力與基質(zhì)的選擇有很大的關(guān)系。在進(jìn)液稀釋10 倍、底部曝氣的條件下，人工濕地對(duì)于磷的去除率最高為54.4%，平均去除率為35.1%±14.7%；而同樣稀釋濃度下，中部曝氣對(duì)磷的最高去除率為50.4%，平均去除率為33.1%±13.6%。在進(jìn)液稀釋5 倍、底部曝氣的條件下，人工濕地對(duì)于磷的去除率最高為47.7%，平均去除率為34.2%±8.8%；而同樣稀釋濃度下，中部曝氣對(duì)磷的最高去除率為32.2%，平均去除率為10.4%±10.3%。所以總體來看，濕地在進(jìn)液稀釋10 倍、底部曝氣的情況下，除磷效果較好、較穩(wěn)定。

2.4 COD 去除效果分析

在進(jìn)液稀釋10 倍濃度下，底部曝氣時(shí)的有機(jī)物平均去除率為80.0%±9.3%，中部曝氣的平均去除率為69.7%±5.6%；在進(jìn)液稀釋5 倍濃度時(shí)，底部曝氣下有機(jī)物的平均去除率為81.3%±15.6%；中部曝氣有機(jī)物的平均去除率為68.2%±17.7%。因此，垂直流人工濕地選擇進(jìn)液稀釋5 倍、底部曝氣更有利于去除有機(jī)物。

3 結(jié)論與討論

開展試驗(yàn)的總體目標(biāo)是提高人工濕地的除污能力。從測定的出水指標(biāo)來看，氮、磷、COD 含量越低，表示人工濕地的除污效果越好。因?yàn)镃OD 指標(biāo)是測定有機(jī)污染物處理效果的指標(biāo)，COD 含量越高，說明出水中有機(jī)污染物含量越高，表示濕地對(duì)有機(jī)污染物的處理效果越差。從試驗(yàn)結(jié)果來看，其他條件不變，只改變通入沼液的稀釋倍數(shù)時(shí)，通入稀釋10 倍沼液時(shí)的總氮、磷及有機(jī)物的去除率較通入5 倍稀釋沼液時(shí)的去除率高，且去除效果較穩(wěn)定，反應(yīng)環(huán)境變化較小、較穩(wěn)定。如果只改變曝氣位置，其他條件不發(fā)生變化，底部曝氣時(shí)各項(xiàng)污染物的去除率均高于中部曝氣，效果相對(duì)較穩(wěn)定，硝化作用和反硝化作用也相對(duì)較穩(wěn)定。