CN111018119A - 一种高效处理重金属和氮磷污染养殖废水的人工湿地处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效处理重金属和/或氮磷污染养殖废水的人工湿地处理系统及方法。该系统包括总进水口、依次连通的多级预处理池、垂直潜流人工湿地、沉淀池、集水池和总出水口，其中所述垂直潜流人工湿地包括设置在内部的湿地填充基质；湿地填充基质为集水槽至上依次铺设的砾石层、砂土层、表面活性多孔生态填料层以及植物层，表面活性多孔生态填料层为沸石、生物炭、复合微生物菌剂或小球藻中的一种或几种，植物层种植皇竹草和空心菜。本发明能持久有效降低养殖污水中重金属和氮磷的含量，种植的空心菜和皇竹草可作为青贮饲料回归农业生产重新回收利用，达到变养殖、边生产、边修复的效果，运行管理方便，处理成本低，环保性好。

Description

一种高效处理重金属和氮磷污染养殖废水的人工湿地处理系 统及方法

技术领域

本发明属于畜禽养殖污水修复技术领域。更具体地，涉及一种高效处理重金属和氮磷污染养殖废水的人工湿地处理系统及方法。

背景技术

规模化养殖能够带来较高的经济效益，但同时也带来超标污水集中排放造成的环境污染问题。人工湿地因其具有投资少、易维护等优点，越来越多的被运用到污水处理上。

有机砷作为饲料添加剂具有能够抑制病原微生物繁殖、促进畜禽生长以及改善畜禽外观与畜禽产品颜色的功效，因而被广泛应用于畜禽养殖业，但有机砷添加剂在动物体内不易被吸收，不可避免地通过饲料—畜禽—粪便途径进入沼气发酵池，再被暴露于环境中，影响环境和人体健康。土壤As污染问题因其具有长期性、隐蔽性及不可逆性等特点长期困扰着人们(纪冬丽等，2016)。国务院发布的《重金属污染综合防治“十二五”规划》中，砷被列为第一类重点防控污染物。

一般来说，水体、基质、植物和微生物是构成人工湿地污水处理系统的基本要素，其中最重要的要素便是基质、植物、微生物(廖新俤，2002)。人工湿地对污水的净化有着非常复杂的机理过程，植物吸收、微生物代谢以及基质的吸附、过滤、沉淀在人工湿地污染物的去除过程起着关键的作用。不同的基质因其性质不同，对污染物的去除能力也不相同(徐德福等，2007)，不同湿地植物对污水的净化效果也不一样，不同微生物对湿地微生物群落结构、空间分布和功能影响也各不相同。因此，选择合适的基质、植物和微生物对于人工湿地系统的运行效果具有重要意义。

目前国内已逐渐出现利用活性填料控制废水污染的报道及相关专利，如专利 (CN201810437182.7)《一种禽畜废弃物养分回收兼水质达标工艺方法》、(CN 201210269870.X)《一种反硝化聚磷菌强化人工湿地处理农村生活污水的方法》等，但上述专利普遍存在以下不足：(1)填料的紧密堆积容易导致水体底质状况的完全改变，破坏底栖生物的生存环境，虽然覆盖初期的效果较明显，但因为底栖生境的严重破坏，且难以重建，使修复水体的生态系统退化；(2)填料针对控制的废水释放污染物较为单一，且主要为氮磷，对重金属释放无法做到有效控制；(3)对于人工湿地的水生植物研究大多是集中于景观植物(如以美人蕉、芦苇等作为湿地植物)，而景观植物无法作为养殖场原料重新回收利用，造成资源的浪费。这些对于需要控制多种污染物释放的受污染养殖废水的修复来说，显然存在着很大的局限。

皇竹草(Pennisetum hydridum)又名粮竹草、王草、皇竹、巨象草、甘蔗草，为多年生禾本科植物，目前学者多研究皇竹草对重金属镉的吸收累积作用，对于皇竹草对重金属砷的吸收累积作用关注较少(易自成等，2014；李钱鱼等，2012)。当前也未见有皇竹草作为湿地植物的报导。而且由于养殖废水成分较为复杂，对水体中某种污染物有较好净化效果的湿地植物比不代表其对其它污染物有较好的净化效果，因此如何合理的搭配不同种类的湿地植物，使其对污水中各种污染物实现最大效率的降解的问题有待进一步解决。

发明内容

本发明的目的在于是针对现有养殖废水处理技术和人工湿地技术的不足，提供一种高效处理重金属和/或氮磷污染养殖废水的人工湿地处理系统。

本发明的另一目的是提供一种利用空心菜和皇竹草修复重金属和/或氮磷污染养殖废水的方法。

本发明的再一目的是提供一种高效处理重金属和/或氮磷污染养殖废水的人工湿地处理方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高效处理重金属和/或氮磷污染养殖废水的人工湿地处理系统，包括总进水口、依次连通的多级预处理池、垂直潜流人工湿地、沉淀池、集水池和总出水口，其中所述垂直潜流人工湿地包括其出水口设置在所述垂直潜流人工湿地顶端的布水管，设置在垂直潜流人工湿地底部的集水槽和出水口、以及设置在垂直潜流人工湿地内部的湿地填充基质；所述湿地填充基质为集水槽至上依次铺设的砾石层、砂土层、表面活性多孔生态填料层以及植物层，所述表面活性多孔生态填料层为沸石、生物炭、复合微生物菌剂或小球藻中的一种或几种，所述植物层种植皇竹草和空心菜。

本发明针对养殖废水的特点，构建的垂直潜流人工湿地系统既保证湿地植物的良好生存环境，又确保了养殖废水的高效顺畅处理，同时，通过对人工湿地填料进行填料材料组成的优化配比和结构的优化配置，并且配合人工湿地植物和微生物，营造湿地处理系统中填料-湿地植物-湿地微生物三位一体的综合作用，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对养殖废水的高效净化，以及实现对废弃物资源的循环利用，克服了在养殖废水处理中使用化学方法易造成二次污染和物理方法治标不治本的缺点，具有投资小、处理效果好、运行维护方便等优点，并具有一定的生态景观效应。该技术将特别适用于养殖废水及生活污水的恢复。

在一些实施例中，将空心菜和皇竹草采取间作的方式同时种植，优选间作比例为2～4∶1，即每隔2～4行空心菜种植1行皇竹草。

在一些实施例中，所述多级预处理池包括依次连通的黑膜沼气池、DST微生物选择塘厌氧发酵池和DST深度处理生化池。

在一些实施例中，所述人工湿地处理系统的进水方式采用间歇式进水。

在一些实施例中，所述砾石层的厚度为2～6cm，砂土层的厚度为5～15cm，表面活性多孔生态填料层的厚度为5～10cm。

在一些实施例中，所述为生物炭和小球藻的混合物，或者沸石和小球藻的混合物，或者沸石、生物炭、微生物与小球藻的混合物，或者生物炭和微生物的混合物，或者沸石和微生物的混合物。本发明中通过投加沸石、生物炭、复合微生物菌剂或小球藻填料，加强了植物、基质和微生物之间的相互作用，同时加强了对湿地的强化作用，有效提高了污水中重金属及氮磷素的去除效率。

在一些优选实施例中，按占待修复养殖废水的质量体积比计算，所述沸石的添加量为1～15g/L，优选5～10g/L；所述生物炭的添加量为1～15g/L，优选5～ 10g/L；所述复合微生物菌剂的添加量为0.05～5g/L，优选0.1～1.5g/L；所述小球藻的添加量为0.1～5g/L，优选0.16～3.5g/L。综合考虑多方面因素，包括多孔生态混合土层的流动性、分散性、黏性等性质，保证其能够很好的直接覆盖于基础种植层而形成多孔生态混合土层，而且要能够适合于空心菜生长，以及多孔生态混合土层与空心菜对重金属和氮磷污染物的协同控制和去除作用，得出上述实施范围。

在一些实施例中，所述复合微生物菌剂由枯草芽孢杆菌属、酵母菌、乳酸菌和絮凝菌按照5～10∶2～10∶1～6∶1～5重量比混合而成。

在一些优选实施例中，所述复合微生物菌剂的活菌总数≥5.0×10⁹cfu·g^-1，优选5.0×10⁹～5.0×10¹⁰cfu·g^-1。

在一些实施例中，所述空心菜的品种选自港种青绿梗叶空心菜、中国台湾大叶白骨空心菜、港种大白骨空心菜、中国台湾大叶白骨空心菜、菜农D-95空心菜、泰国竹叶空心菜中的一种或几种。本发明经过广泛而深入的研究，相对高累积As的空心菜品种是中国台湾大叶白骨空心菜、菜农D-95空心菜、港种青绿梗叶空心菜。

在另一些优选实施例中，所述皇竹草的品种为紫色皇竹草。

在一些优选实施例中，所述生物炭包括麦麸、玉米秸秆炭或小麦秸秆炭中的一种或几种，优选为麦麸。所述生物炭的颗粒尺寸为160～200目；所述沸石的直径为0.5～4cm。所述沸石包括丝光沸石和/或方沸石。

在一些优选实施例中，所述小球藻以对数生长期的小球藻藻液的形式加入。

在一些优选实施例中，将小球藻按照常规培养获得种子液，然后按照1：10 的体积比转入小球藻驯化培养基，培养12小时，得到小球藻液。可按投入量为 (2～10)×10⁸CFU的投入量直接向人工湿地中加入小球藻液，也可将小球藻液离心后取沉淀称重加入。

本发明还涉及了一种利用空心菜和皇竹草修复重金属和/或氮磷污染养殖废水的方法，在被重金属和/或氮磷污染的养殖废水中构建人工湿地系统，将空心菜和皇竹草采取间作的方式同时种植于人工湿地系统中，优选间作比例为2～4∶ 1，即每隔2～4行空心菜种植1行皇竹草，并不定时收割空心菜和皇竹草作为青饲料或绿肥而移出人工湿地处理系统。

本发明还涉及了一种高效处理重金属和/或氮磷污染养殖废水的人工湿地处理方法，包括以下步骤：

S1.构建上述人工湿地处理系统；

S2.将含重金属和/或氮磷的养殖废水从总进水口引入，水流以间歇进水方式依次流经上述人工湿地处理系统，完成除重金属和/或除氮磷生态处理过程，从总出水口流出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对养殖废水的特点，构建的垂直潜流人工湿地系统既保证湿地植物的良好生存环境，又确保了养殖废水的高效顺畅处理，同时，通过对人工湿地填料进行填料材料组成的优化配比和结构的优化配置，并且配合人工湿地植物和微生物，营造湿地处理系统中填料-湿地植物-湿地微生物三位一体的综合作用，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对养殖废水的高效净化，以及实现对废弃物资源的循环利用。

(2)本发明的人工湿地处理系统和方法，其出水水质指标总磷(TP)、氨氮(NH₄ ⁺-N)、COD达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(DB 44/613-2009) 标准，同时As、Cu、Zn含量指标达到《污水综合排放标准》(GB 8978-88)标准。

(3)本发明种植于表面活性多孔生态填料层之上的空心菜和皇竹草，不仅可以有效的协同多孔生态混合土层降低重金属和/或氮磷的含量，并有助于恢复修复水体生境，改善水体质量，且具有良好的景观效果，同时种植的空心菜、皇竹草可作为青贮饲料回归农业生产重新回收利用，达到变养殖、边生产、边修复的效果。

附图说明

图1为室内模拟人工湿地试验现场示意图。

图2为本发明人工湿地处理系统的结构示意图；其中，1-多级预处理池、2- 垂直潜流人工湿地、3-沉淀池、4-集水池、21-布水管、22集水槽、23-砾石层、 24-砂土层、25-表面活性多孔生态填料层、26植物层。

图3为猪场复合人工湿地处理系统现场示意图。

图4为猪场复合人工湿地进水池示意图。

图5(a)为猪场复合人工湿地系统处理后的水质TP(a)净化效果；注图5(a)至图5(d)：所有数据均为均值±标准误(n＝3)，不同小写字母表示处理间显著差异(p<0.05)；F代表添加沸石处理，T代表添加生物炭处理。

图5(b)为猪场复合人工湿地系统处理后的水质NH₄ ⁺-N(b)净化效果。

图5(c)为猪场复合人工湿地系统处理后的水质COD(c)净化效果。

图5(d)为猪场复合人工湿地系统处理后的水质As(d)净化效果。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。实施方式中简单参数的替换不能一一在实施例中赘述，但并不因此限制本发明，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，应被视为等效的置换方式，都应包含在本发明范围内。

除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

As、Cu、Zn的测定

(1)植物样：称取0.2g植物干样，加8mL硝酸+2mL 30％过氧化氢，经微波消解(CEMMars6)后，用双道原子荧光光度计(AFS-230E，北京科创海光仪器有限公司)测定消解液中As含量，用原子吸收分光光度计 (ZEEnit700P，德国耶拿)测定消解液中Cu、Zn含量。

(2)水样：取5mL水样，加5mL硝酸，经微波消解(CEM Mars6)后，用双道原子荧光光度计(AFS-230E，北京科创海光仪器有限公司)测定消解液中As含量，用原子吸收分光光度计(ZEEnit700P，德国耶拿)测定消解液中Cu、 Zn含量。

转移系数计算

转移系数＝地上部分As含量/地下部分As含量

水质的测定

总磷：钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)；

氨氮：次氯酸钠-水杨酸分光光度法(HJ 534—2009)；

COD_Cr：微波消解-重铬酸钾法，参照Dharmadhikari(Dharmadhikari et al.,2005)的方法，取3mL水样于消解罐中，加入1.5mL重铬酸钾标准溶液(1/6 K₂CrO₇＝0.2500mol/L)、0.06g硫酸汞、4.5mL硫酸-硫酸银溶液(500mL浓硫酸中加入5g硫酸银)，经微波消解(CEM Mars6)15min后，滴加3滴试亚铁灵指示液，用硫酸亚铁铵标准溶液[(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O≈0.1mol/L]滴定；

pH：pH计(PB-10，Sartorius)直接测定。

小球藻菌种购于中国水产科学研究院珠江水产研究所，在对数生长期按1： 10加于无氮的BG11培养基，在光强2700Lx，温度28℃的条件下培养10天至对数生长期，然后用100mL的离心管在转数为3000转的条件下离心后取沉淀称重。

实施例1空心菜品种的筛选

1、方法

(1)试验在华南农业大学生态系农场水泥池(长1m×宽1m×高0.65m) 中进行，15个水泥池，将水泥池内均分成4个小区(每个小区面积长0.5m×宽 0.5m)，共有个小区60块，19个供试空心菜品种均重复3次共需57块小区(空余3小块不种植物)，将19种不同空心菜品种的种子各20粒随机播种于各小区中，待植株长出第1片真叶后定苗4株。试验期间不定期(1～2d)向水泥池中加入等量自来水。定植60d(2015年4～6月)后，在各池4株空心菜中任取一株测定19个空心菜品种的生物量以及砷含量。

(2)供试水泥池土壤来自华南农业大学生态学系农场的耕作层。土壤采集后剔除碎石、枯叶等杂物，自然风干，过2mm筛后混匀备用。水泥池小区As 污染土壤浓度设置为人工再添加50mg As·kg^-1(以三氧化二砷加入，按耕作层 30cm计算)，种植一季水稻老化As后，取样检测其基本理化性质，见表1。

表1供试土壤的理化性质

(3)植物样品的处理：将整株空心菜地上部与地下部(根系)分开，依次用自来水、蒸馏水、去离子水完全洗净后用吸水纸把植株表面水分吸干，装入信封，编号后置于60℃烘箱中烘干至恒重，称干重。然后用粉碎机将空心菜地上部及地下部粉碎，贮存于封口袋中待总As含量分析。

转移系数＝地上部分As含量/地下部分As含量。

2、结果

(1)As胁迫对不同品种空心菜生物量的影响

表2 19个品种空心菜的生物量

注：所有数据均为均值±标准误(n＝3)，同一列不同小写字母表示品种间显著差异(p<0.05)。

由表2可知，19个品种空心菜地上部分生物量(以干重计)范围是1.22～ 19.43g，均值为9.26g，生物量最大的品种是泰国尖叶空心菜，生物量最小的品种是青骨柳叶空心菜，相差15.93倍；地下部分生物量范围是0.63～4.12g，相差5.6倍，均值是1.79g，19种空心菜品种间地下部分生物量差异达显著水平(p <0.05)。

(2)不同品种空心菜As含量的差异

表3空心菜地上部与地下部中As累积的品种差异

注：所有数据均为均值±标准误(n＝3)，同一列不同小写字母表示品种间显著差异(p<0.05)。

由表3可知，空心菜品种间As含量差异很大，其中地上部分As含量最高的是港种青绿梗叶空心菜为191.12mg·kg^-1，As含量最低的是油青空心菜为0.73 mg·kg^-1；地下部分As含量最高的是中国台湾白骨柳叶空心菜为229.76mg·kg^-1，含量最低品种为青骨柳叶空心菜达78.57mg·kg^-1。且19个空心菜品种的转运系数差异明显，最低的中国台湾白骨柳叶空心菜为0.004，最高的港种青绿梗叶空心菜为2.19。其中中国台湾大叶白骨空心菜、菜农D-95空心菜、港种青绿梗叶空心菜、泰国竹叶空心菜4个品种的转运系数大于1。

实施例2室内模拟人工湿地处理系统对猪场沼液的净化效果研究

1、方法

试验在华南农业大学农学院环境生态试验室进行，试验以长×宽×高＝0.5×0.3×0.4的透明玻璃缸为容器，底层铺4cm的河沙用以固定空心菜的根系，每个玻璃缸种植6株长势一致空心菜(株高15cm)。试验共计30d(2016年10～ 11月)，分两个阶段进行，每个阶段15d。室内模拟人工湿地试验现场示意图见图1。

其中，复合微生物菌剂由枯草芽孢杆菌属、酵母菌、乳酸菌、絮凝菌按照 7.5∶6∶3∶2.5重量比混合而成。性状为粉末状。活菌总数≥5.0×10⁹cfu·g^-1。

供试沼液来自某广东某养猪场，为猪场冲舍废水经隔渣固液分离后，再经厌氧沼气发酵处理后排出的废水，性质如表4、表5所示。

表4试验二第一阶段沼液(A)水质

表5试验二第二阶段沼液(B)水质

(1)第一阶段：按水：沼液＝3：1的比例加入12L水、6L沼液，试验共8 个处理。处理如表6所示。

表6室内模拟人工湿地试验设计处理组

每个处理重复三次，共24个处理。试验期间每隔5天用自来水补充各玻璃缸中蒸发的水分以保持每个玻璃缸恒定的水样体积。处理15天后沿水面两个节处收割空心菜的地上部分。于试验的第1、3、5、7、10、15天测量水中的TP 及NH₄ ⁺-N的含量，第5、10、15天测定水中的COD含量。试验结束后测定植物样及水样中的Cu、Zn、As含量。

(2)第二阶段：在第一阶段的第15天收割空心菜的地上部分结束后补充 12L的沼液(B)，其余处理不变。试验为期15天，试验期间每隔5天用自来水补充各玻璃缸中蒸发的水分以保持每个玻璃缸恒定的水样体积。于试验的第1、 5、10、15天测量水中的TP及NH₄ ⁺-N的含量，第1、7、15天测定水中的COD 含量。试验结束后测定植物样及水样中的Cu、Zn、As含量。

另外，本实验中以下所有数据均为均值±标准误(n＝3)，同一列不同小写字母表示处理间显著差异(p<0.05)，同一行不同大写字母表示不同时间显著差异(p<0.05)。T1代表沸石；T2代表生物炭；T3代表沸石+微生物；T4代表沸石+小球藻；T5代表生物炭+微生物；T6代表生物炭+小球藻；T7代表沸石 +生物炭+微生物+小球藻。

2、室内模拟人工湿地处理系统对TP的去除效果

(1)第一阶段

表7室内模拟人工湿地系统第一阶段TP含量变随时间化情况(mg/L)

由表7可知，室内模拟人工湿地处理系统第一阶段各处理TP的去除率在 71.60％～92.11％之间，净化能力大小为：T6(生物炭+小球藻)>T7(沸石+生物炭+ 微生物+小球藻)>T5(生物炭+微生物)>T2(生物炭)＝T3(沸石+微生物)>T4(沸石+小球藻)>T1(沸石)>CK。

由试验的去除率大小：T3>T4>T1，T6>T5>T2；可以知道沸石、生物炭与复合微生物菌剂结合对空心菜人工湿地系统的净化效果的增强与沸石、微生物单独添加相比有一定的优势，且不同组合的去除效果不一致，但也并不意味着添加的填料越多净化效果越好。

(2)第二阶段

表8室内模拟人工湿地系统第二阶段TP含量变随时间化情况(mg/L)

由表8可知，室内模拟人工湿地处理系统第二阶段各处理TP的去除率在 64.13％～82.03％之间，净化能力大小为：T4(沸石+小球藻)>T6(生物炭+小球藻)>T7(沸石+生物炭+微生物+小球藻)>T2(生物炭)>T3(沸石+微生物)> CK>T1(沸石)>T5(生物炭+微生物)。

综上，各处理在试验第一阶段对TP的去除效果比第二阶段好，空心菜湿地处理系统对沼液TP的净化有一定的效果，沸石、生物炭的吸附效果随时间的增长而降低，有一定的吸附极限，但无论是第一阶段还是第二阶段，沸石与小球藻的组合、生物炭与小球藻的组合添加到空心菜湿地系统对TP都保持较好的去除效果。

3、室内模拟人工湿地处理系统对NH₄ ⁺-N的去除效果

(1)第一阶段

表9室内模拟人工湿地系统第一阶段NH₄ ⁺-N含量变随时间化情况(mg/L)

由表9可知，第一阶段各处理NH₄ ⁺-N去除率在88.01％～99.55％之间，净化能力大小为：T7(沸石+生物炭+微生物+小球藻)>T3(沸石+微生物)>T5(生物炭 +微生物)>T6(生物炭+小球藻)>T4(沸石+小球藻)>T1(沸石)>T2(生物炭)>CK。

(2)第二阶段

表10室内模拟人工湿地系统第二阶段NH₄ ⁺-N含量变随时间化情况(mg/L)

由表11可知，第二阶段各处理NH₄ ⁺-N的去除率在69.67％～100.00％之间，净化能力大小为：T7(沸石+生物炭+微生物+小球藻)＝T4(沸石+小球藻)>T6(生物炭+小球藻)>T3(沸石+微生物)>T5(生物炭+微生物)>T2(生物炭)>T1(沸石)> CK。

综上，除T4、T6、T7处理在第二阶段试验对NH₄ ⁺-N的去除效果好于第一阶段外，其余处理均是在第一阶段比第二阶段对NH₄ ⁺-N有更好的去除效果，空心菜人工湿地对NH₄ ⁺-N有较好的去除效果，且无论是第一阶段还是第二阶段沸石、生物炭、复合微生物菌剂、小球藻叠加使用对NH₄ ⁺-N都有最好的去除效果。

4、室内模拟人工湿地处理系统对COD去除效果

(1)第一阶段

表11室内模拟人工湿地系统第一阶段COD含量变随时间化情况(mg/L)

由表11所示，第一阶段各处理COD去除率在80.32％～84.11％之间，净化能力大小为：T7(沸石+生物炭+微生物+小球藻)>T5(生物炭+微生物)>T3(沸石+ 微生物)＝T4(沸石+小球藻)＝T6(生物炭+小球藻)>T1(沸石)>T2(生物炭)>CK。

(2)第二阶段

表12室内模拟人工湿地系统第二阶段COD含量变随时间化情况(mg/L)

由表12可知，第二阶段各处理COD的去除率在95.10％～98.77％之间，净化能力大小为：T6(生物炭+小球藻)>T5(生物炭+微生物)>T1(沸石)>T4(沸石+小球藻)>T7(沸石+生物炭+微生物+小球藻)>T3(沸石+微生物)>CK>T2(生物炭)。

综上，各处理在第二阶段对COD的去除效果比第一阶段的去除效果要好，前期各处理对COD的去除效果差异不大，后期微生物菌剂、小球藻与生物炭结合使用对COD的去除表现出明显的优势。

5、室内模拟人工湿地处理系统对As去除效果

(1)第一阶段

表13第一阶段对水中As去除效果(As：μg/L)

由表13可知，室内模拟人工湿地处理系统试验第一阶段各处理对水中As 的去除率在74.61％～83.89％之间，去除率最高的是T5，去除率最低的是T1。

(2)第二阶段

表14第二阶段对水中As去除效果(As：μg/L)

微生物菌剂与生物炭叠加施用以及沸石、生物炭、微生物菌剂、小球藻叠加施用于空心菜人工湿地系统都表现出对As有较好的去除效果。第二阶段各处理对水中As的去除率在35.38％～74.09％之间。

综上，空心菜人工湿地系统对重金属As有显著的去除效果。

6、室内模拟人工湿地处理系统中空心菜累积重金属含量

表15室内第一阶段空心菜地上部分重金属含量(mg/kg)

上述结果表明，沸石、生物炭作为吸附剂添加到空心菜人工湿地系统能降低空心菜对Cu、Zn、As的累积效果，且沸石对Cu的累积效果的降低较为明显。

表16室内第二阶段空心菜As含量(mg/kg)

由表16可知，室内模拟人工湿地处理系统第二阶段空心菜地上、地下部分累积As含量大小为：地下部分>地上部分。

综上，沸石、生物炭作为吸附剂添加到空心菜人工湿地系统中能够减少空心菜对重金属Cu、Zn、As的累积量，所有处理空心菜累积Cu含量都符合《饲料中Cu的允许量》(GB26419-2010)中仔猪配合饲料(Cu≤200mg/kg)以及生长肥育猪前期配合饲料(20kg～60kg体重)(Cu≤150mg/kg)标准；所有处理空心菜累积Zn含量都符合《饲料中锌的允许量》(NY929-2005)；所有处理空心菜累积As含量都符合《饲料卫生标准》(GB 13078-2001)(As≤10mg·kg^-1)。因此，空心菜人工湿地处理中湿地植物空心菜可以作为青贮饲料回归农业生产。

实施例3一种高效处理重金属和氮磷污染养殖废水的人工湿地处理系统

一种高效处理重金属和氮磷污染养殖废水的人工湿地处理系统如图2所示，包括总进水口、依次连通的多级预处理池1、垂直潜流人工湿地2、沉淀池3、集水池4和总出水口。其中该多级预处理池1包括依次连通的黑膜沼气池、DST 微生物选择塘厌氧发酵池和DST深度处理生化池。该垂直潜流人工湿地2包括其出水口设置在该垂直潜流人工湿地顶端的布水管21、设置在底部的集水槽22 和出水口、以及设置内部的湿地填充基质。该湿地填充基质为集水槽22至上依次铺设的砾石层23、砂土层24、表面活性多孔生态填料层25以及植物层26。该砾石层23的厚度为2～6cm，砂土层24的厚度为5～15cm，表面活性多孔生态填料层的厚度为5～10cm。该表面活性多孔生态填料层为沸石、生物炭、复合微生物菌剂或小球藻中的两种或两种以上的混合物，该植物层种植皇竹草和空心菜。该人工湿地处理系统的进水方式采用间歇式进水。

实施例4某猪场人工湿地处理系统对养殖废水的净化效果研究

本实施例于广州增城地区某公司养猪场的人工湿地处理系统进行。该人工湿地处理系统的结构同实施例3。

1、试验方法

试验构建皇竹草(青色+紫色品种皇竹草)---空心菜垂直潜流人工湿地系统，人工湿地分为3个单元(A、B、C)，每个单元面积为392m²(长：28m，宽： 14m，高：1.5m，构筑物由砖和水泥砌成，如图4、图5所示)。将空心菜和皇竹草采取间作的方式同时种植，间作比例为2∶1，即每隔2行空心菜种植1行皇竹草。

取150方黑膜沼气池处理后沼液在进水池中，加入10斤上述实施例2的复合微生物菌剂(微生物用沼液搅拌溶解)，待扩繁一天后再进行试验，每5天重复一次操作。试验的3个单元(A、B、C)分别选取3种不同处理：CK；F：将 150斤沸石粉均匀撒在小区内；W：将150进生物炭均匀撒在小区内。

湿地进水采用水管布水，8：00am开始进水，进水时长为1小时，进水总量为30方；出水时长为8小时，流速为3.75方/h。流速由流量计控制，保证3 个单元的流速一致，通过控制开启出水阀门来调整水力停留时间。于试验的第1、 3、6、9、12天进水两小时后取水样，测定水中的总磷、氨氮、COD以及As含量。试验为期15天，试验结束后随机采样3株空心菜、3株皇竹草测量As含量。

2、植物样品的处理

(1)空心菜：将整株空心菜地上部与地下部(根系)分开，依次用自来水，蒸馏水，去离子水完全洗净后用吸水纸把植株表面水分吸干，装入信封，编号后置于60℃烘箱中烘干至恒重，称干重。然后用粉碎机将空心菜地上部及地下部粉碎，贮存于封口袋中待总As含量分析。

(2)皇竹草：将皇竹草地上部分依次用自来水，蒸馏水，去离子水完全洗净后用吸水纸把植株表面水分吸干，将皇竹草分成若干段装入信封，编号后置于 60℃烘箱中烘干至恒重，然后用粉碎机将皇竹草各段分别粉碎混匀，贮存于封口袋中待总As含量分析。

3、结果

(1)如图5(a)、5(b)、5(c)和5(d)猪场复合人工湿地对于猪场沼液有较好的净化效果，沸石作为吸附剂添加到人工湿地中对于TP、NH₄ ⁺-N、COD有较好的去除效果，生物炭作为吸附剂添加到人工湿地中对于As有较好的去除效果。

(2)猪场符合人工湿地系统中空心菜及皇竹草中As含量差异

表17猪场复合人工湿地系统空心菜、皇竹草中As(mg·kg^-1)含量

综合表17可知，将空心菜和皇竹草间作种植可有效降低养殖废水As含量，且猪场复合人工湿地系统中空心菜地上部分As含量高于青色和紫色皇竹草，且空心菜、青色皇竹草与紫色皇竹草累积的As含量都符合《饲料卫生标准》(GB 13078-2001)，可以作为青贮饲料回归农业生产。

(3)猪场复合人工湿地系统水质内梅罗指数

猪场复合人工湿地试验出水水质指标TP、NH₄ ⁺-N、COD执行广东省《畜禽养殖业污染物排放标准》(DB 44/613-2009)，As执行《污水综合排放标准》(GB 8978-88)。

表18猪场复合人工湿地处理出水的环境综合污染指数

由表18可知，除F处理在试验的第1d出水水质较好，达到清洁等级外，在整个试验阶段各处理的出水均受到不同程度的污染，水质状况不达标。CK出水的污染程度最高，第9～12d甚至达到了重度污染；F处理出水的污染程度最低，但在试验第3～9d出水水质等级也达到了轻度污染；T处理出水水质等级则处于轻度污染与污染之间。可见，虽然空心菜-皇竹草复合人工湿地处理系统对猪场沼液有明显的净化效果。

综上，空心菜-皇竹草复合人工湿地处理系统对沼液有较高的耐受能力，且经过人工湿地处理后的沼液水质有明显改善。

实施例4

本实施例的实施地点在广州增城地区某公司养猪场的人工湿地进行。该养猪厂的人工湿地处理系统如图2所示，每天排放废水量约为500m³，主要包括猪尿、部分猪粪和猪舍冲洗水，属于高浓度有机废水，而且悬浮物和氨氮含量大。主要污染物年平均浓度为：COD＝11400mg/L，总磷＝25mg/L，氨氮＝417mg/L，As＝108 μg/L，Cu＝7mg/L，Zn＝0.8mg/L。具体步骤为：

在启动运行期，将上述步骤(3)制备的活性多孔生态填料投加于人工湿地中。并在人工湿地上种植港种青绿梗叶空心菜和紫色皇竹草。在运行过程中，将生活污水和养猪场废弃物经固液分离产生的有机废水，经酸碱度调节后依序进入黑膜沼气池、DST微生物选择塘厌氧发酵池、DST深度处理生化池处理后，再进入人工湿地，污水在人工湿地内的水力停留时间10天。经人工湿地处理后的水进入絮凝沉淀池进行沉淀处理后进入排水池。

实施例5

本实施例的实施地点、实施条件和实施方法与实施例4相同。具体步骤为：

在启动运行期，将上述步骤(3)制备的活性多孔生态填料投加于人工湿地中。并在人工湿地上种植中国台湾大叶白骨空心菜和紫色皇竹草。在运行过程中，将生活污水和养猪场废弃物经固液分离产生的有机废水，经酸碱度调节后依序进入黑膜沼气池、DST微生物选择塘厌氧发酵池、DST深度处理生化池处理后，再进入人工湿地，污水在人工湿地内的水力停留时间10天。

实施例6

本实施例的实施地点、实施条件和实施方法与实施例4相同。具体步骤为：

在启动运行期，将上述步骤(3)制备的活性多孔生态填料投加于人工湿地中。并在人工湿地上种植泰国竹叶空心菜和青色皇竹草。在运行过程中，将生活污水和养猪场废弃物经固液分离产生的有机废水，经酸碱度调节后依序进入黑膜沼气池、DST微生物选择塘厌氧发酵池、DST深度处理生化池处理后，再进入人工湿地，污水在人工湿地内的水力停留时间10天。

实施例7

本实施例的实施地点、实施条件和实施方法与实施例4相同。具体步骤为：

在启动运行期，将上述步骤(3)制备的活性多孔生态填料投加于人工湿地中。并在人工湿地上种植泰国中叶空心菜和青色皇竹草。在运行过程中，将生活污水和养猪场废弃物经固液分离产生的有机废水，经酸碱度调节后依序进入黑膜沼气池、DST微生物选择塘厌氧发酵池、DST深度处理生化池处理后，再进入人工湿地，污水在人工湿地内的水力停留时间10天。经人工湿地处理后的水进入絮凝沉淀池进行沉淀处理后进入排水池。通过空心菜、沸石、生物炭微生物和小球藻之间的相互作用，经吸附、离子交换、植物吸收转移等过程，有效降低水体中的重金属(主要是As、Cu、Zn)、有机物、氮、磷等污染物的含量。

最后测得上述实施例4～7排水池的出水水质指标总磷(TP)、氨氮(NH₄ ⁺-N)、 COD均达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(DB 44/613-2009)标准，同时As、 Cu、Zn含量指标均达到《污水综合排放标准》(GB 8978-88)标准。且实施例 4和实施例5重金属As的去除效果好于实施例6和7。

本发明上述实施例中污水在黑膜沼气池、DST微生物选择塘厌氧发酵池、 DST深度处理生化池、絮凝沉淀池的处理时间，养殖污水处理领域的技术人员可以根据实际污染情况进行适当调整。

申请人声明，以上具体实施方式为便于理解本发明而说明的较佳实施例，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种高效处理重金属和/或氮磷污染养殖废水的人工湿地处理系统，其特征在于，包括总进水口、依次连通的多级预处理池、垂直潜流人工湿地、沉淀池、集水池和总出水口，其中所述垂直潜流人工湿地包括其出水口设置在所述垂直潜流人工湿地顶端的布水管，设置在垂直潜流人工湿地底部的集水槽和出水口、以及设置在垂直潜流人工湿地内部的湿地填充基质；所述湿地填充基质为集水槽至上依次铺设的砾石层、砂土层、表面活性多孔生态填料层以及植物层，所述表面活性多孔生态填料层为沸石、生物炭、复合微生物菌剂或小球藻中的一种或几种，所述植物层种植皇竹草(Pennisetum hydridum)和空心菜(Ipomoeaaquatica Forsk)。

2.根据权利要求1所述的人工湿地处理系统，其特征在于，将空心菜和皇竹草采取间作的方式同时种植，间作比例为2～4∶1，即每隔2～4行空心菜种植1行皇竹草。

3.根据权利要求1所述的人工湿地处理系统，其特征在于，所述多级预处理池包括依次连通的黑膜沼气池、DST微生物选择塘厌氧发酵池和DST深度处理生化池。

4.根据权利要求1所述的人工湿地处理系统，其特征在于，所述砾石层的厚度为2～6cm，砂土层的厚度为5～15cm，表面活性多孔生态填料层的厚度为5～10cm。

5.根据权利要求4所述的人工湿地处理系统，其特征在于，所述表面活性多孔生态填料层为生物炭和小球藻的混合物，或者沸石和小球藻的混合物，或者沸石、生物炭、微生物与小球藻的混合物，或者生物炭和微生物的混合物，或者沸石和微生物的混合物。

6.根据权利要求5所述的人工湿地处理系统，其特征在于，按占待修复养殖废水的质量体积比计算，沸石的添加量占为1～15g/L；所述生物炭的添加量为1～15g/L；所述复合微生物菌剂的添加量为0.05～5g/L；所述小球藻的添加量为0.1～5g/L。

7.根据权利要求6所述的人工湿地处理系统，其特征在于，所述复合微生物菌剂由枯草芽孢杆菌属、酵母菌、乳酸菌和絮凝菌按照5～10∶2～10∶1～6∶1～5重量比混合而成。

8.根据权利要求2所述的人工湿地处理系统，其特征在于，空心菜的品种选自港种青绿梗叶空心菜、中国台湾大叶白骨空心菜、港种大白骨空心菜、中国台湾大叶白骨空心菜、菜农D-95空心菜、泰国竹叶空心菜中的一种或几种。

9.一种利用空心菜和皇竹草修复重金属和/或氮磷污染养殖废水的方法，其特征在于，在被重金属和/或氮磷污染的养殖废水中构建人工湿地系统，将空心菜和皇竹草采取间作的方式同时种植于人工湿地系统中，并不定时收割空心菜和皇竹草作为青饲料或绿肥而移出湿地。

10.一种高效处理重金属和/或氮磷污染养殖废水的人工湿地处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.构建权利要求1～9任一项所述的系统；

S2.将含重金属和/或氮磷的养殖废水从总进水口引入，水流以间歇进水方式依次流经上述人工湿地处理系统，完成除重金属和/或除氮磷生态处理过程，从总出水口流出。

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