人工湿地构建及其在奶牛场污水处理中的应用

人工湿地是一种由人工建造和监督控制的, 与沼泽地类似的地面, 它充分利用了基质—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用来实现对污水的高度净化。湿地被用于净化污水研究1953 年始于德国, 1972 年开发了“根区法” (RZM) , 掀起了人工湿地研究热潮[1 ] , 之后, 20 世纪70 年代末人工湿地系统由试验阶段进入应用阶段, 相继在德国、丹麦、奥地利、比利时、荷兰等国家建立了大量的芦苇床系统, 主要用于小城镇的污水处理[2 ] 。我国采用人工湿地处理污水发展较晚, 直到20 世纪80 年代才有了一定的研
究。但即使到目前为止, 大多数也都停留在试验阶段[3 ] 。何连生等利用循环垂直流人工湿地处理养猪场污水试验也取得较好效果[ 4 ] , 但利用人工湿地处理奶牛场污水的研究不多。本文介绍复合型人工湿地在处理南平市大横镇大乘奶牛场污水的工艺, 以及所取得的效果, 为相关的污水处理应用提供借鉴。
1 　大乘奶牛大横分场的基本情况
大乘奶牛场大横分场位于南平市大横镇大横村, 毗邻南平大横现代农业科技园区, 远离居民住宅区的小山坳里, 占地约2 hm2 , 离闽江上游建溪约215 km , 离205 国道约115 km。目前存栏的牛约800 头, 牛场前面有近5 hm2 水田地, 低处与奶牛场形成近15 m 的落差, 中间由缓坡过渡。由于牛场所处位置远离水源, 牛场的用水主要靠两口的深水井抽取, 每天取水量约50～60 t , 用水比较紧张, 排出水质见表1 。
2 　人工湿地处理污水机理及工艺流程设计
2.1 　人工湿地处理污水机理
人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物三种作用。成熟的湿地系统、填料表面和植物根系将由大量微生物的生产而形成生物膜。废水流经生物膜时, 大量的悬浮物被填料和植物根系阻挡截留, 有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被去除。湿地床系统中因植物根系对氧的传递释放, 使其周围的环境中一次呈现好氧、缺氧和厌氧状态, 保证了废水中的氮、磷不仅能被植物和微生物作为营养成分直接吸收, 而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的积累而将其从废水中去除, 最后通过湿地床填料的定期更换或栽种植物的收割而使污染物最终从系统中去除。

2.2 　面积及工艺流程设计
2.2.1 　人工湿地面积设计　根据人工湿地处理污水机理、大横奶牛现场的地势条件和周边的土地面积, 以及每天的最大出水量(按80 m3 计算) , 设计类潜流式和表流式复合人工湿地系统。按照表面负荷率(ALR) 计算方法[5 ] , 人工湿地面积公式为:

As —湿地面积(m^2 ) ; Q —湿地平均日处理流量(m^3 ·d - 1 ) ; Co —进水污染物浓度( g ·m^- 3 ) ;A L R —BOD5表面负荷率(g ·m^- 3 ·d - 1 ) , 其值一般为8～12g ·m^- 3 d - 1 。在高浓度污水处理时, 一般采用低值。本设计AL R 值取8 g ·m^- 3 ·d - 1 。
2.2.2 　工艺流程图　如图1 所示。
2.3 　工艺流程说明
2.3.1 　干清粪处理　由于牛场水资源紧缺, 冲栏水量有限, 同时, 牛粪又是很好的食用菌生产原料, 因此, 牛粪基本上人工收集, 以减少冲栏用水量, 收集的牛粪晒干后出售。
2.3.2 　人工湿地设计　设计的人工湿地分为两部分, 一部分是在奶牛场外围的坡地种植象草, 把植物收割后不可用的残体覆盖在象草地上, 类似于填料, 污水在土壤表面的植物残体、根茎及土壤浅层中流动, 形成类似潜流式人工湿地; 另一部分是表流式人工湿地, 包括低处种植作物的田地、回流沟和荒草地等。人工湿地目前种植1 hm2 的象草、315 hm2左右的玉米, 冬季在玉米地种植黑麦草,余下的土地除部分建回流沟外, 其他的留作荒草
地。人工湿地根据地势和污水量, 夏季将玉米地分割成大致相同的3 部分, 长宽比为3 ∶1 。由于污水浓度高、负荷大, 因此, 尽量延长污水和植物接触时间, 增加水力停留时间, 提高对污水的处理程度, 一般污水在湿地中停留2 d , 排水后晾1 d 再放进污水。冬季排出的污水虽然量小, 但负荷高,流入田地前需引田间水渠的水稀释后再灌溉黑麦草。污水从集污池出来进入类潜流式人工湿地处理后, 再进入表流式人工湿地, 表流式湿地的回流沟
总计超过500 m , 由土壤、水生植物和微生物构成。回流沟中的污水出来后再流入荒草地, 荒草地的植物主要是芦苇、美人蕉及水生杂草, 而且土壤常年处于水饱和状态, 对污水进一步进行处理, 处理后的水最终汇入田间水渠。
2.3.3 　人工湿地植物种植　根据黑麦草和象草的生物特性, 2 月份在坡地播种象草, 象草株高100～130 cm 时可刈割头茬草, 每隔30 d 左右刈割1次, 1 年可刈割6～8 次, 留茬5～6 cm 为宜。由于象草是多年生, 在南方气候一般到11 月才干枯。
平地5～10 月种植玉米, 收获后10 月份播种黑麦草, 一般播种后40 d 左右、株高达到30～40 cm时, 可收割。割青时留茬高度5～8 cm , 以利于再生。根据生长情况收割4～5 次, 次年5 月全收割。
玉米、黑麦草虽喜湿润, 但不耐水, 因此种植时要起畦, 污水在畦沟中流动, 污水的水位低于畦面,且又能保持土壤湿润。
3 　结果与分析
3.1 　各项指标的去除效果
人工湿地植物物种的选择应根据耐污性、生长能力、根系发达程度以及经济价值和美观要求等因素决定。因此既要考虑植物品种特性、去污的能力和耐肥能力, 又要考虑能否与生产相结合, 实现经济效益, 最后选择了象草、黑麦草2 个品种, 玉米作为与象草配合使用品种。据研究黑麦草、象草在人工湿地和畜禽养殖富营养化水体中生长良好, 株高、根长、鲜重等都有较大幅度增加, 其净化污水中的N、P 效果明显, 尤其象草对N、P 吸收量非常大[ 6 - 8 ] 。这两种植物既可以净化污水, 又可作为饲料草。由于奶牛场夏季排水量大, 在边坡地种植
象草, 在低处田地里种植玉米; 冬季排水量相对较小, 主要靠在田地里种植的黑麦草来吸收处理污水。
大横奶牛场的排水量除冬夏有所区别外, 各阶段的出水相对稳定, 冬季虽然水的污染物负荷相对大些, 但在田间引水稀释, 因此总体而言从奶牛场排出的污水污染物浓度相差不大。在夏季7 月份取样分析各项指标的去除率(表2) 。可见, 污水流经类潜流式人工湿地时, SS 下降最多, 达到86.9 %, 这主要是因比较发达的象草根系、土壤以及覆盖在土壤表面的植物残体由于大量微生物的生产而形成生物膜, 对污水中的悬浮物起到吸附过滤
作用, 很好地拦截污水中的固体悬浮物。由于象草生物量大, 每公顷年产鲜草75～l50t , 高者可达450 t [10 ] , 且对氮磷量需求大。黑麦草具有适应性强、耐肥、生长量大、根系发达的特点, 每年可刈割3 ～ 5 茬, 鲜草产量1.125 万～2.25 万kg ·hm- 2 , 故能大量吸收污水中的N、P及其他营养物质。从表2 可见: TN、N H3 - N ,
包括TP 的去除率也比较高, 分别达到74.9 %、69.2 %、51.6 %。同时还可能通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的积累而将N、P 从废水中去除。
其对氮磷吸收利用转化机理有待进一步的研究探讨。对BOD 和COD 的去除率分别为55.6 %、46.6 % , 可见有机污染物通过植物和生物膜的吸收, 同化及异化作用也可去除一半左右。
表流式湿地对N、P 去除效果比其他类型人工湿地更好[1 ] 。从表2 可见, 污水通过类潜流式湿地后, 再经表流式湿地的TN 、TP 和N H3 - N 的再去除率分别为76.5 %、83.1 %和87.2 % , 比类潜流式湿地分别提高了1.6 、31.5 、18.0 个百分点。
为使除污效果更好, 增加了水力滞留期, 一般在2d 以上。同时, 设计回流沟, 一方面通过污水在回流通过沟中流动, 增加污水的溶氧量, 另一方面增加了水力滞留期, 进一步通过植物的吸收和微生物的降解, 降低污水中的有害物质。经表流式湿地后的BOD 和COD 的去除率是78.0 %和73.3 % , 比类潜流式湿地分别提高了22..6 和26.7 个百分点。
污水经复合型人工湿地系统净化后, BOD、COD、TN、TP、N H3 - N、SS 总的去除率分别为90.2 %、85.7 %、94.1 %、91.8 %、96.0 %、94.4 % , 出水水质完全达到国家颁布的GB18596- 2001《畜禽养殖业污染物排放标准》中规定的BOD ≤150 mg ·L - 1 、COD ≤400 mg ·L - 1 、N H3- N ≤80 mg ·L - 1 、TP ≤810 mg ·L - 1 、SS ≤200mg ·L - 1的要求。
312 　小山坳沟渠最终出水水质
从湿地出来的水, 最后汇入田间的沟渠之中,进一步得稀释和净化, 作为下游蔬菜地的用水。在山坳出口处的沟渠取水检测, 水质各项指标如表3所示, 完成达到农用灌溉水的标准。
3.3 　效益分析
人工湿地净化系统研究始于20 世纪70 年代,是一种基建投资低、运行成本低、维修技术低、低能耗, 生态效益高的污水净化工艺[5 ] 。从大横奶牛场的人工湿地处理污水的工艺可以看出, 该工艺的投入较少, 但对污水处理的效果还是较理想。在人工湿地栽种的象草、黑麦草可作奶牛场青饲料, 在夏季, 象草由于水肥充足, 气温适宜, 大约30 d 收割1 次, 每公顷年产量都在150 t 以上;而冬、春两季的黑麦草也可收割5～6 次, 每公顷总产量也在120 t 以上。按象草100 元·t - 1 、黑麦草120 元·t - 1 计, 每年可为奶牛场节省饲料成本6.5 万元。而玉米则可作为青贮饲料, 补充冬季由于黑麦草等青饲料的不足。由此可见, 利用象草、黑麦草修复奶牛场污水不失为生态与经济效益并重
之举。

4 　结　语
从大横奶牛场人工湿地的运行情况来看, 复合型人工湿地在畜牧场污染治理中, 对N、P、BOD、COD、SS 去除效果显著, 而且通过人工湿地植物选择, 又可以为奶牛场提供青饲料, 具有投资少、去除率高、处理效果稳定、管理容易、运行成本低, 以及回报高的特点, 值得推广。如果在污水排放前进行适当酸化处理, 或能进行厌氧发酵,对污水中的污染物进行降解, 促进植物吸收, 并把病虫卵去除, 效果将更加理想。
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