李远航，刘洋，刘铭羽，李希，周脚根，李裕元，吴金水

（1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 桃源县农业资源与环境保护管理站，湖南 桃源 415700）

近年来，农业面源已成为中国乃至世界各地主要的污染源之一，其过量输入水体的氮（N）、磷（P）等营养物质导致了大规模的水体富营养化问题，严重破坏水体生态环境[1]。2010年第一次全国污染源普查公报数据显示，在农业源主要污染物排放总量中，畜禽养殖来源的化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）排放分别为96%、38%和57%，养殖业导致的污染问题十分突出，已经成为我国最主要的污染源。其主要原因在于我国农业生产长期以来存在的一些结构性问题，即种植—养殖—加工分离，循环利用措施缺位[2-3]。养猪场产生的废水，由于其具有排放量大、有机物浓度和氨氮含量高等特点，极易导致下游河流湖泊的水质恶化[4-5]。因此，养猪废水的排放问题已经成为国内许多养猪业集中地区的棘手问题，对养猪废水的治理问题已经成为规模化养猪业可持续发展的主要瓶颈。

目前对养殖废水的处理工艺主要有好氧法、厌氧法和人工湿地处理法等工程或生态处理技术措施，并在此基础上建立了各种养殖废水处理模式[6]，主要有还田处理模式、自然处理模式和工业化处理模式。还田处理模式指直接将养殖废水作为肥料还田[7]，该模式具有投资少、低耗能和运行费低等优点，但也存在明显的缺点：需要大量土地面积以消纳养殖废水，并且在雨季和非用肥季节无法处理；长期施用还可能引起土壤氮磷累积并造成淋失、流失等二次污染，并对地下水和地表水水质构成一定威胁。自然处理模式主要采用氧化塘、土地处理系统或人工湿地等自然处理系统对养殖场粪便污水进行处理[8-9]。该模式优点在于：投资少、低耗能和运行费低，缺点在于：土地面积需求大，单用氧化塘、土地处理系统或人工湿地无法实现废水处理达标。工业化处理模式包括厌氧处理、好氧处理以及厌氧—好氧处理等不同处理组合系统[10-12]。工业化模式的主要优点在于占地少，适应性广，不受地理位置限制和季节温度变化的影响。其主要缺点是工程建设投资大；能耗高和运转费用高；机械设备多，需要专人维护。目前，国内使用传统的厌氧好氧组合工艺处理大规模养猪场废水居多，此工艺中大部分可降解的有机物在厌氧处理阶段可被去除，COD降低，可生化性差，同时厌氧消化过程中有机氮被转化为氨氮，厌氧出水中氨氮含量依然很高，系统出水很难达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）的要求。因而在通过厌氧池之后的废水处理显得尤为重要。

近5年来中国科学院亚热带农业生态研究所针对养殖废水治理的问题研发了稻草—绿狐尾藻（M.elatinoides）生态治理技术[13-15]，具有工程投资少和运行成本低的特点，本文主要针对该技术在大规模养猪场的实际应用情况，通过对实际处理效果的动态监测，系统分析了该技术对养殖废水主要污染物（COD、总氮、氨氮、总磷）的去除效果，并对其产生的直接经济效益进行了初步测算，以期为该技术在规模化养殖场的推广应用与治理效果定量评价提供案例和数据基础。

1 材料与方法

1.1 示范工程概况与技术简介

示范工程位于浙江省绍兴市上虞区某大型养猪场，区内为滨海平原地貌，属东南湿润季风气候，多年平均降水量约为1 400 mm，年平均气温16.4 ℃，无霜期251 d左右。

废水处理示范工程建设时间为2013年8—11月，养殖场内有存栏生猪5万头，废水排放量约为500 m3/d，处理系统总面积为54 000 m2，工程建设总投资为300万元（不含征地费）。废水治理采用中国科学院亚热带农业生态研究所研发的稻草—绿狐尾藻生态治理技术[13-15]，该工程仅处理经过固液分离并厌氧处理以后的养殖废水（沼液），总的工艺流程见图1。工程主体由稻草生物基质消纳系统和绿狐尾藻湿地消纳系统两部分组成。其中稻草基质消纳系统总面积为4 000 m2，等分为两级，为半地下混凝土池式建筑，池深1.2 m，水深0.8～1 m，池周与底部全部做防渗处理，基质池的水力停留时间为6～14 d，运行前投放干稻草约200 t；绿狐尾藻生态湿地总面积为50 000 m2，为地下式混凝土池塘式建筑，底部为夯实土底，四周为混凝土浇筑，湿地内不加填料。整个湿地系统根据地形分为4级，各级之间通过三个管径300 mm的管道联通。每一级的面积分别为8 000～15 000 m2，湿地深度1.5～1.8 m，水深为1.2～1.5 m，水力停留时间为90～120 d。系统开始运行前抽入部分清水，水深30 cm左右，并栽种绿狐尾藻使其盖度达到40%～60%。

图1 养殖废水生态治理技术工艺流程图Fig. 1 The process chart of ecological disposal technology for swine wastewater

系统启动后，首先将经过厌氧无害化处理的废水泵入第一级稻草基质消纳池，然后废水利用自然落差逐级向下游湿地流动。养殖废水经过系统综合处理，水体中的氮磷等污染物逐步得到消纳，到末端出水口的废水可以达到安全排放标准。猪场污染负荷产生量和工程对污染物的消纳量见表1。运行过程中，要对生态湿地中的绿狐尾藻进行定期（一般间隔2～3个月）收获，适当清洗之后可作为母猪的青绿饲料进行利用。工程运行2个月以后，在末端两级生态湿地（约为20 000 m2）内可放入鱼苗，鱼苗种类以鲤鱼、鲢和鳙鱼为主，鱼苗投放量约为20 000尾（尾重50～60 g），采用“人放天养”模式（即不投喂饲料）进行水产养殖，鱼类以湿地内的浮游生物为食，可强化绿狐尾藻湿地的净化能力。当年11月份投放的鱼苗，一般在第二年10—11月份可以陆续打捞。

表1 某规模化养猪场污染负荷产生量与工程消纳总量Table 1 The total loadings and consumption amount in the engineering of pollutants produced in a large scale pig farm

1.2 样品采集与分析

工程于2013年11月竣工并开始运行，2014年3—12月份每月在系统的进出水口和每一级湿地末端（共计7个监测点）出口附近的不同位置采集3个水样（500 ml）并分别测定，取平均值作为该监测点的结果。每次采集的样品随即用冷藏箱保存并带回实验室，对样品首先进行预处理：取100 ml左右的水样用0.45 μm滤膜进行抽滤，用于测定氨氮，剩余未抽滤水样用于测定COD、总氮和总磷。样品一般在48小时之内进行分析，不能及时分析的先放入-18 ℃冰箱冷冻保存。

各个指标的测定主要参考国标方法[17]并采用相关仪器进行测定。COD采用重铬酸钾消解—紫外分光光度法，氨氮采用流动分析仪法，总氮采用碱性过硫酸钾消解—流动分析仪法，总磷采用过硫酸钾消解—钼蓝比色法。

1.3 污染物去除率与减排量计算方法

污染物去除率计算方法为：

式中：r为污染物（COD、氮、磷）的去除率（%）；C1为系统或某一环节污染物的进水浓度（mg/L）；C2为系统或某一环节污染物的出水浓度（mg/L）；C0为污染物进入系统的起始浓度（mg/L）。

污染物年减排量的估算方法为：

式中：Qin为污染物年输入量（t/a）；i为月份；为输入污染物的月平均浓度（mg/L）；Vi每月污水排放量（m3/月）（根据监测可知每月的污水排放量为15 000 m3）；Qout为污染物年输出量（t/a）；为输出污染物浓度（mg/L）；Q为工程年消纳量（t/a）。1、2月份未监测，进出水质浓度均采用12月份监测数据（均为冬季）。本文忽略了废水处理系统的水面蒸发、植物蒸腾和湿地系统的渗漏量。

1.4 效益分析

直接经济效益测算方法为：

式中：E为年经济效益，P1为鱼的单价（根据当地鱼的价格，均价为12元/kg）；Y1为鱼的年产量（kg）（养鱼湿地共计20 000 m2，2014年实测产量为10 000 kg鱼）；P2为绿狐尾藻作为青饲料的单价，估计为0.2元/kg；Y2为绿狐尾藻作为青饲料的产量，绿狐尾藻湿地共计50 000 m2，其中能作为青饲料的湿地30 000 m2，绿狐尾藻盖度为60%，经测算每平方米产30 kg绿狐尾藻，总产量为5.4×105kg；P3为鱼苗单价（2元/尾）；Y3为鱼苗数量20 000尾；P4为绿狐尾藻苗单价（3元/kg）；Y4为绿狐尾藻苗的数量（按盖度30%，2 kg/m2投放，总计18 000 kg）；P5为稻草投入量（200 t/a），Y5为稻草单价（0.4 元/kg）；M为人工管理费，约为3万元/a。

1.5 统计分析

分别采用Excel2007软件进行数据初步处理，用SPSS19.0对逐月数据进行方差分析，差异显著的（P＜0.05）再进一步进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 系统对废水中COD的去除效果

对COD的监测结果表明，其浓度变化范围为753～2 487.5 mg/L，最低浓度出现在9月份，最高浓度在12月份（图2），观测期内进入稻草—绿狐尾藻系统的废水COD平均浓度为1 500 mg/L左右。总体而言，夏秋季（6—10月）进水COD浓度相对较低，而冬春季则相对较高（11月—翌年5月）。由图2可以看出，系统对COD的处理效果很好，全年工程总出水的COD浓度变化范围为14～65 mg/L，即使是出水的最高浓度也远低于国家养殖废水排放标准（≤400 mg/L），其中夏季6—8月份的出水水质甚至达到了国家地表水环境质量Ⅳ类水质标准（≤30 mg/L），而4月份和11月份的出水达到了Ⅴ类水质标准（≤40 mg/L）。

图2 稻草—绿狐尾藻养殖废水生态处理系统进出水COD季节动态变化（2014年）Fig. 2 The dynamic changes of COD of the influent and effluent in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides（2014）

对养猪场污染物产生量的估算结果表明，示范猪场每年的COD产生量高达6 166.7 t（表1），经过干清粪、沼气或厌氧发酵等环节的处理（图1），输入到废水处理工程的COD总量约为273.5 t/a，而工程消纳的量约为265.2 t/a，工程对COD的消纳强度达到53 t/(万头·a)。

COD去除率的逐月变化情况表明，观测期内各月总去除率均在94%以上，平均达到97.3% （表2），但是系统各环节的处理效率有所不同，其中在稻草基质池部分的平均去除率为49.6%，而绿狐尾藻湿地的平均去除率为47.7%。总体而言，稻草基质消纳系统和绿狐尾藻湿地系统前端对COD的去除效率更高，前三级一般在65%以上，以下呈逐级递减趋势。

表2 稻草—绿狐尾藻系统对养殖废水中COD的去除率（%）Table 2 Removal efficiency of COD in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides (%)

2.2 系统对废水中氮的去除效果

图3 稻草—绿狐尾藻养殖废水生态处理系统进出水氮的季节动态变化Fig. 3 The dynamic changes of nitrogen concentration of the influent and effluent in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides（2014）

总氮的监测结果表明，其进水平均浓度为808.1 mg/L，变化范围为294.8～1 290.0 mg/L；出水水质最高浓度仅为40.5 mg/L（图3），其中10月份和11月份的出水水质达地表水Ⅴ类标准（≤2 mg/L）。氨氮的监测结果表明，进水平均浓度为700 mg/L，变化范围为273.15～1078 mg/L，冬春季较高，夏秋季较低；氨氮出水浓度在秋冬季相对低，添加稻草基质池后的出水浓度都比较低，氨氮出水最高浓度是在5月，为26.2 mg/L。其余月份的氨氮浓度都小于4 mg/L，所有月份的出水水质都远低于国标GB 18596—2001中氨氮的排放标准（＜80 mg/L）。总氮与氨氮的变化趋势基本一致，出水浓度也在秋冬季相对较低。

对污染物产生量的估算结果（表1）表明，示范猪场每年总氮和氨氮的产生量分别为463.6 t和262.0 t，输入到废水处理工程的总氮和氨氮总量分别为148.0 t/a和127.4 t/a，而工程消纳量分别为145.7 t/a和126.8 t/a，工程对总氮和氨氮的消纳强度分别为29.1 t/（万头·a）和25.4 t/（万头·a）。消纳量占产污量比达到31.4%和48.4%。

总氮与氨氮每月的平均去除率基本均在94.7%以上，9—11月份相对较高（表3）。从系统各环节的比较可见，稻草基质池对总氮的平均去除率为36.4%，而绿狐尾藻湿地对氨氮的平均去除率为62.6%，稻草基质池对氨氮的平均去除率为37.2%，而绿狐尾藻湿地对氨氮的平均去除率为62.7%。总氮与氨氮的去除效果大致相似。

表3 稻草—绿狐尾藻养殖废水生态处理系统总氮和氨氮的去除率（%）Table 3 Removal efficiency of total nitrogen and ammonia nitrogen in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides （%）

2.3 系统对废水中磷的去除效果

进入系统的总磷平均浓度为35.0 mg/L，其变化范围为21.8～49.3 mg/L（图4），进水浓度随季节差异波动不大。出水TP浓度均在5 mg/L以下，显著低于国家畜禽养殖废水排放标准（国标GB 18596—2001）的最大限值（8 mg/L）。

对猪场总磷产生与消纳量的估算结果表明，示范猪场每年的总磷产生量达58.6 t，输入到废水处理系统的总磷量约为6.1 t/a，而工程消纳的量约为5.6 t/a，消纳强度达到1.1 t/（万头·a）（表1）。

TP去除率的逐月变化情况表明，观测期内各月总去除率基本都在88%以上，平均达到92.7%，其中在稻草基质池部分的平均去除率为38.7%，而绿狐尾藻湿地的平均去除率为54%（表4）。从各环节来看，前2级稻草基质消纳系统对总磷的去除效果有波动，但全年的平均去除率差异不大；绿狐尾藻湿地系统前两级的去除率明显较高（合计占57.9%），而后基本呈逐级递减趋势。

2.4 经济效益分析

稻草—绿狐尾藻治污系统经济效益分析结果表明，绿狐尾藻湿地养鱼无需投加鱼饲料，养鱼成本仅为鱼苗成本4 000元，当年养鱼的销售收入约为12万元，养鱼产生的直接经济效益为11.6万元。根据前文计算，绿狐尾藻种苗成本为5.4万元，绿狐尾藻作为青饲料产生的收入为10.8万元。此外，每年消耗的稻草成本为8万元，工程运行过程中还需一定的人工管理，管理费为3万元/a。因此，经初步测算，该生态治理养殖废水处理工程在正常运行条件下，每年可产生直接经济效益约为6万元，每万头猪产生的直接经济效益约1.2万元/a（表5）。

图4 稻草—绿狐尾藻养殖废水生态处理系统进出水总磷的季节动态变化Fig. 4 The dynamic changes of total phosphorus concentration of the influent and effluent in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides（2014）

表4 稻草—绿狐尾藻养殖废水生态处理系统总磷的去除率（%）Table 4 Removal efficiency of total phosphorus in the ecological swine wastewater disposal systems of rice straw –M. elatinoides （%）

表5 稻草—绿狐尾藻治污工程直接经济效益构成Table 5 The constituents of direct economic benefit of rice straw- M. elatinoides swine waste-water disposal engineering

3 讨论

长期以来，高负荷养殖废水环境污染与治理问题是困扰企业发展的主要瓶颈，特别是近年来随着政府对环境治理力度的加大，养殖企业也面临着很大的环境压力。因此近年来探讨各种不同技术治理高负荷养殖废水已经成为国内的一个研究热点，并取得了很大进展。如高春芳等[18]研究了采用表面流、水平潜流和垂直潜流人工湿地以及地下渗滤系统组合生态工艺处理养殖废水技术，结果显示其对COD、TN、NH4+-N和TP的去除率分别达到87.0%、95.0%、97.0%和95.0%，去除效果良好。叶勇等[19]在香港沿海地区的研究表明，利用高耐盐性的红树植物木榄（Bruguiera gymnorrhiza）和秋茄（Kandelia candel）处理牲畜废水，其中木榄对N、P的去除效率达到95.5%和91.8%，秋茄对N、P的去除效率达到84.3%和79.2%，均有良好的处理效果。张寒冰等[20]研究了生物膜法对养殖废水的处理效果，发现该方法对COD和氨氮的去除率分别可达到79.0%和99.0%。Lin等[21]研究发现，采用水菠菜（Ipomoea aquatica）和芦苇（Phragmitesaustralis）构建表面流和潜流人工湿地治理养殖废水，对NH4+-N和磷酸盐的去除效率可达98%和71%。刘长娥等[22]采用4级复合人工湿地以间歇进水的方式处理低浓度猪场废水，结果表明其对TN、TP和NH4+-N去除率分别为94.7%、79.4%和91.0%。可见，这些生态治理技术均有较好的治理效果，但多数研究或技术研发还主要处在实验室或中试阶段，尚未得到大范围的工程应用。由于多数水生植物的生物量低且不耐收割，因此一般的自然生态湿地对氮磷污染物的消纳容量十分有限，因此难以应用于高负荷的养殖废水治理[23-24]。本文的研究结果表明，采用稻草—绿狐尾藻生态治理技术对高负荷养猪废水COD、氨氮、总氮和总磷的去除率分别达到了96.4%、99.3%、97.9%和90.6%，出水水质显著优于国家养殖废水排放标准的要求（表2～表4），而且从示范工程全年的运行效果来看也相当稳定，由图3中看出5月份氨氮浓度相对较高，其原因可能是当月对绿狐尾藻进行了收割管理，在一定程度上影响了湿地的处理效果，但其实际浓度也仅为26.2 mg/L，仅为国家养殖废水排放标准（80 mg/L）的1/3，表明该技术是一项行之有效的生态治污新技术，值得在广大亚热带地区推广应用。

稻草—绿狐尾藻生态治理技术的主要治污机理在于：1）利用稻草作为碳源和微生物附着体，为纤维分解菌、硝化菌和反硝化菌等功能微生物种群在污水中的生长与繁殖提供适宜条件，促进养殖废水中难降解有机残留物及抗生素、激素等有机污染物的降解，快速降低废水的COD，并促进有机氮磷的矿化[13-15]；2）构建绿狐尾藻生态湿地消纳废水氮磷，由于绿狐尾藻具有耐高氮磷污染物浓度、生长时间长（在亚热带地区全年生长期可达10个月以上）、生物量大等显著优势[25-26]，通过植物收割可从水体中移除更多的氮磷污染物，并利用收割的植物加工饲料，从而实现废水N、P污染物的资源化利用[27-29]。

大量的工程实践表明，对于经济收益率相对较低且市场波动大的畜禽养殖企业而言，工程建设费与运行成本是影响其治污技术应用的主要制约因素。事实上，当前应用的多数工业化治污技术在技术层面上都具有很好的治理效果，如厌氧—好氧—化学沉淀综合处理技术对COD、N、P的去除率均可达到95%以上[10-12]，且也不断有一些新的工业化治污技术出现，如UASB-SFSBR（分步进水序批式反应器）–MAP（磷酸铵镁结晶）技术，这是当前一种新型工业化处理养殖废水的技术，该技术通过现代生物技术和物理化学技术（如微曝气、氨浓缩与氨吹脱、磷化学结晶等）实现对养殖废水污染物的去除，副产品还可以作为肥料实现N、P污染物的资源化利用，该技术对COD、氨氮和总磷的去除率分别可达到95.1%、92.7%和88.8%[3,30-31]。吴义诚等[32]研发了利用光微生物燃料电池实现对养猪废水治理和资源化利用技术，分别将光合细菌和微藻作为阳极和阴极接种物，构建成双室光微生物燃料电池，该技术对COD、氨氮、总磷的去除率分别达到91.8%、90.2%和81.7%。这些工业化处理技术的共同优点就是占地少和处理效率高，但其缺陷也十分明显，即前期工程投资大和运行成本高，一般的养殖企业难以承受。以本文研究的试验猪场为例，在应用本技术以前，其治污方法主要是曝气工程工艺，运行成本很高，单是电费一项每天就需要约1 500元，全年运行的话就需要至少50万元以上，还不包括一些消耗材料费用，可见工业化治污工程对于养殖企业而言可谓是“建得起而用不起”，这也正是导致社会上存在大量“晒太阳”环保工程的根本原因。因此，国内外研究者和企业都在试图探索采用低成本的生态治理技术[33]。

另一方面，传统的工业化治污技术主要是将污染物N、P从废水中移除并实现废水的“达标排放”，多数未考虑对N、P的利用问题，因此这些技术在不同程度上造成了N、P资源的浪费，不符合我国当前“资源节约”的政策导向。稻草—绿狐尾藻治污技术恰恰弥补了这一缺陷，不仅工程投资低（约80万元/万头猪），每年通过湿地水产养殖和饲料加工等还可以产生一定的经济效益，扣除运行费和稻草的成本还略有盈余（表5），在一定程度上减轻了工程运行的成本负担，也增加了稻草的利用，因此是一种典型的“资源节约型”和“环境友好型”生态治理技术，值得大力推广和应用。

此外，由于养殖废水通常还含有一定量的重金属和抗生素，因此公众对废水及治污过程中所产生植物生物质的资源化利用也有一定的担心。但作者所在团队的相关研究表明，稻草—绿狐尾藻治污技术对磺胺类和奎洛酮类抗生素的平均去除率达98%以上，对土霉素和四环素的去除率达91%（结果尚未发表）。对养殖废水中生长的绿狐尾藻成份的测定结果也显示，重金属砷（As）、镉（Cd）、铅（Pb）含量分别为0.02、0.03和0.3 mg/kg，远低于国家饲料卫生标准（GB 13078—2001，As≤10.0 mg/kg、Cd≤0.5 mg/kg、Pb≤40.0 mg/kg），因此可以安全用作畜禽饲料。吴飞等[34]最新研究还表明，猪饲粮中添加10%左右的绿狐尾藻，对肥育猪的生长性能无显著影响，而且还可显著改善猪的血清生化指标，降低平均背膘厚，减缓肌肉pH下降速度，降低损失，即总体上改善猪肉品质。因此，在湿地系统后端进行水产养殖和对绿狐尾藻进行饲料化利用不存在抗生素有机污染和重金属污染的风险。

4 结论

基于5万头生猪存栏大规模养猪场示范工程的观测结果表明，稻草—绿狐尾藻养猪废水生态治理技术具有良好的治理效果，该系统出水COD、总氮和总磷浓度均优于国家养殖废水排放标准，每万头猪COD、总氮、氨氮和总磷的污染物减排量分别达到265.2、145.7、126.8和5.7 t/a。

通过生态湿地系统绿狐尾藻生物质的饲料化利用与湿地水产养殖等资源化利用途径，在扣除工程运行成本条件下，每万头猪产生的直接经济效益约1.2万元/a，可以实现治污工程运行费的基本自给并略有盈余。因此，稻草—绿狐尾藻养殖废水生态治理技术是一项投资少、运行成本低、可产生一定经济效益的生态治污新技术，值得在我国亚热带地区大力推广应用。

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