水葫芦在养殖污水处理中的循环利用

水葫芦在养殖污水处理中的循环利用
翁伯奇黄勤陈曦陈秀霞万先炜
福建省农业科学院
摘要：本实验项目旨在为我省广泛、散在的畜禽污染排放治理问题提供新的解决模式。

设计的系统以干清粪为前提。

处理过程中先用水葫芦干草对进入兼氧池的污水进行预处理，再用预处理过的污水栽培水葫芦。

待水葫芦长到约70cm高时将其收获，加工成干草供兼氧池使用。

该模式与传统的水葫芦氧化塘不同处在于充分发挥水葫芦草对磷的吸附性能，把原本废弃的水葫芦垃圾转化成为污水净化材料。

对水葫芦草的这种利用方式在国内外均属首例。

水葫芦叶柄含丰富的蜂窝组织，除便于挂菌，还可贮藏污水中颗粒较小的悬浮物以及结合在悬浮物上的不同形态的磷。

水葫芦草的去磷效率主要受草与污水的接触时间影响，没有明显的季节特征。

吸附了磷的水葫芦草还可进一步开发成有机肥，从另一个途径促进形成有益人类生活的农业生态循环。

关键词：水葫芦除磷养猪场污水循环利用
Abstract:Both live plants and dried straw of water hyacinth were applied to a sequential treatment of swine wastewater for nitrogen and phosphorus reduction. In the facultative tank, the straw behaved as a kind of adsorbent toward phosphorus. Its phosphorus removal rate varied considerably with contact time between the straw and the influent. In the laboratory, the straw displayed a rapid total phosphorus reduction on a KH2PO4 solution. The adsorption efficiency was about 36% upon saturation. At the same time, the water hyacinth straw in the facultative tank enhanced NH3-N removal efficiency as well. However, no adsorption was evident. This study demonstrated an economically feasible means to apply water hyacinth phosphorus straw for the swine wastewater treatment. The sequential system employed significantly reduced the land use, as compared to the wastewater stabilization pond treatment, for pollution amelioration of swine waste.
Keywords: Water hyacinth，Phosphorus removal，Swine wastewater，Recycled use
前言
2001年，国家环保总局公布了《畜禽养殖业污染物排放标准》。

如何改善畜禽养殖业污染物排放状况更加成为政府、养殖企业（户）和广大人民群众共同关注和焦虑的问题。

近年来，我国大部分地区通过设立禁养区减少畜禽排泄污染对城区环境和城市供水的不良影响。

与此同时，不少地方政府积极鼓励相关企业引进或创建循环经济模式，在赢得环境效益的同时创造更大的经济效益[1]。

目前常见的畜禽养殖循环经济模式主要有“排泄物—沼气—发电”和“猪—沼—草—猪”两种形式。

前者用养殖过程产生的排泄物生产沼气，再将沼气转化成热、电能量。

后者在沼气利用的基础上，把沼液也利用起来，用它养草喂猪，比起前者又进了一步[2]。

以上模式在我省个别规模较大的养殖场取得示范性成效，但在另外一些养殖场没有取得预期的效果。

发展沼气带来沼液污染的现象有时很令人尴尬。

与养殖排放结伴而行的是江河湖泊水葫芦疯长。

打捞水葫芦可以改善水质，但是如何处置水葫芦又成为新的难题。

2006年4月，福建农科院水葫芦综合利用课题组向福建省环保厅科技处提出开展《水葫芦循环经济模式在处理养猪场排放物污染中的应用》研究的立项申请，设计出以干清粪为前提，用水葫芦干草对清栏污水进行预处理，用预处理过的污水栽培水葫芦，再用收获的水葫芦加工干草的水葫芦循环利用模式。

以下对这个项目的实验方法和结果作介绍，希望为我省广泛、散在的畜禽污染物排放治理问题提供新的解决模式。

1、材料与方法
1-1、实验地点：长乐市海力农畜综合开发有限公司养猪场。

实验期间，猪舍内每日保持生猪（母）45头，平均体重240kg，每头每天约产生排泄物15-20kg。

1-2、污水处理串联池结构与功能：图1示本实验污水处理串联池结构。

清粪沟长35m，过滤沟长3.1m，沉淀池长0.85m，兼氧池长7m，氧化池长26.5m，池宽0.85m。

各池水力停留时间(HRT)分别预期为1天, 7天和 27天。

选做试验的猪舍墙外有一道清粪沟。

清理猪粪时，先通过出粪口（共14个，每个37×12 cm2）将舍内粪便扫入清粪沟，再用铲子、箩筐收集清粪沟里的粪便，随后用清水冲洗猪圈。

粪便堆放在指定地点另行处理。

猪圈隔天（或两天）清洗一次，平均每天大约产生0.5 m3污水。

过滤沟、沉淀池和兼氧池里都铺有用水葫芦叶柄切片填充的过滤袋。

每个过滤袋大小0.5×0.5m2。

冲洗猪圈时，被水流带出的固体物大部分被过滤袋拦截在清粪沟和过滤沟中。

猪舍清洗完毕用铲子和箩筐将它们清走。

出水
图1、本实验污水处理串联池平面结构示意图。

各池容积和表面积如下：沉淀池0.43 m3/0.72
m2,兼氧池3.57 m3/5.95 m2，氧化池13.52 m3/22.5 m2。

水样采集点P1−3分别选在过滤沟、
兼氧池和氧化池的出水口。

1-3、检测方法：水质检测参照国家《畜牧养殖业污染物排放标准（GB 18596－2001）》。

水葫芦草氮、磷及干物质含量的检测分别依据《饲料中粗蛋白测定方法(GB/T 6432-1994, PRC)》、《饲料中总磷的测定 (GB/T 6437-2002,PRC)》和《饲料中粗灰分的测定方法(GB/T 6438-1992, PRC)》。

1-4、水葫芦草的采收：实验开始时，系统里的水葫芦还没有长起来。

供应实验用的水葫芦干草由厦门绿波生物科技有限公司提供。

采收时挑选植株叶柄长70cm左右的池子，批量打捞，劈去根、叶，留叶柄。

叶柄经浸泡处理晒干待用。

叶柄浸泡萃取液另有用途。

2、结果
系统于3月底引入水葫芦（平均株高30cm）。

沉淀池于2008年4月14日开始接纳污水。

不到一周，沉淀池和兼氧池里的植株全部枯亡。

氧化池水葫芦植株起初约占水面1/10；到7月中旬，平均株高达70cm左右，水面被覆盖得密不见隙。

水葫芦氧化池于4月21日开始接纳兼氧池出水，至5月13日蓄满。

水质采样分三期：2008年4-5月代表初试期；7-8月代表夏季运行效果；2008年12月及2009年2月代表冬季运行效果。

表一示初试期水质检测数据。

表二示夏季和冬季的检测数据。

表一、2008年4月和5月的水质检测数据(单位: mg L-1).
日期检测项目
采样点去除率（%）
（P1-P2）/P1 P1 P2
4月29日20℃NH3-N 560 234 58.2 TP 88 16 81.8 SS 2303 800 65.3
五月13日
25℃NH3-N 876 380 56.6 TP 71 44 38.0 SS 1450 530 63.4
表二、2008年7月、8月、12月及2009年2月水质检测数据(单位: mg L-1).
日期项目
采样点去除率（%）
P1 P2 P3 （P1-P2）/P1 （P2-P3）/P2 （P1-P3）/P1
7月1日36℃NH3-N 653 184 19 71.8 89.7 97.1
TP 73 33 8.2 54.8 75.8 89.0 SS 1644 481 162 70.7 66.3 90.1 COD
cr
3990 1770 717 55.6 59.5 82.0
BOD
5
2400 1250 200 47.9 84.0 91.7
8月15日33℃NH3-N 526 120 6.1 77.2 94.9 98.8 TP 96 56 7.3 41.7 87.0 92.4
SS 1400 271 34 80.6 87.5 97.6 COD
cr
3800 1200 770 68.4 35.8 79.7
BOD
5
2667 1345 213 49.6 84.2 92.0
12月24日15℃NH3-N 333 99 72 70.2 27.7 78.4 TP 57.6 45.2 17 21.5 62.4 70.5
SS 1172 263 66 77.6 74.9 94.4 COD
cr
3244 825 633 74.6 23.3 80.5
BOD
5
1953 705 223 63.9 68.4 88.6
2月5日12℃NH3-N 1330 644 578 51.6 10.4 56.6 TP 212 58 28 72.8 50.0 86.4 SS 4830 953 347 80.3 63.6 92.8
根据表二显示的数据，系统对NH3-N 的去除率夏季明显高过冬季，前者平均97.5%，后者平均67.5%。

这一特征在水葫芦氧化池表现得异常突出, 夏季和冬季的平均值分别是92.4%和19.1%；在兼氧池则不然，夏、冬两季平均值分别是74.5%和60.9%。

氧化池TP去除率也存在明显的季节性差异：夏季平均81.4%，冬季平均56.2%。

兼氧池最高值(72.8%)和最低值(21.5%)都出现在冬季。

经过细致的调查分析后发现，兼氧池总磷去除率与水葫芦草在污水中的浸泡时间有一定关系。

如图2所示，兼氧池被水葫芦草覆盖后第14-39天，TP去除率上升；但到了第90天，TP去除效果显得很差。

在另外一些实验中，我们还记录到水葫芦草被富营养污水浸泡后总磷和灰分含量增加的现象(表三，表四)，显示水葫芦草对污水中的固体物质有一定的吸附能力。

在同一组实验里，水葫芦草的氮含量没有显著变化（表五）。

图2. 示本实验水葫芦草在兼氧池浸泡时间与出水TP去除率的关系。

（横坐标：浸泡天数；纵坐标：出水TP去除率）。

表三、TP content variation in water hyacinth slices before and after their contact with wastewater.
采样日期污水TP
mgL-1
TP/水葫芦草（%）浸泡
天数
污水类型浸泡前浸泡后前后差异
07年8月5日 6.78 0.38 0.57 +50% 15 水葫芦生活污水生化塘（厦门）07年9月27日81.5 0.44 2.54 +477% 15 沼液（福清）
07年10月23日102.3 0.44 2.64 +500% 30 沼液（地点同上）
08年5月12日57 0.44 0.87 +101% 30 本实验兼氧池
注：污水采自被浸泡的水葫芦草边缘。

表四、Ash content variations in the water hyacinth materials before and after their contact with wastewater.
采样日期
水葫芦草灰份含量（%）浸泡
天数
污水类型浸泡前浸泡后前后差异
07年8月5日12.97 31.53 +143 15 水葫芦生活污水生化塘（厦门）
07年9月27日10.87 25.28 +133 15 沼液（福清）
07年10月23日10.87 21.10 +94 30 沼液（地点同上）
08年5月12日10.87 13.10 +21 30 本实验兼氧池
注：污水采自被浸泡的水葫芦草边缘。

表五、TN variation in the water hyacinth materials before and after their contact with wastewater.
采样日期污水NH3-N
mgL-1
TN/水葫芦草（%）浸泡
天数
污水类型浸泡前浸泡后前后差异
07年8月5日约70 3.41 3.46 +1.47 15 水葫芦生活污水生化塘（厦门）07年9月27日586 3.41 3.18 -6.74 15 沼液（福清）
07年10月23日593 3.41 4.42 +29.6 30 沼液（地点同上）
08年5月12日762 2.76 2.60 -5.93 30 本实验兼氧池
注：污水采自被浸泡的水葫芦草边缘。

3、讨论
受劳动力成本上升影响，我省稍具规模的养猪场近年来都拒绝使用干清粪技术。

同时，经过固液分离和沼气、曝气处理的粪水被净化程度能真正达标的为数不多。

水冲粪、水泡粪还是干清粪？有人经过多方面比较，得出结论：“与水冲式和水泡式清粪工艺相比，干清粪工艺固态粪污含水量低，粪中营养成分损失小，肥料价值高，便于高温堆肥或其他方式的处理利用。

产生的污水量少，且其中的污染物含量低，易于净化处理，在中国劳动力资源比较丰富的条件下，是较为理想的清粪工艺”[3]。

主张固液分离机比干清粪更具优势在某些时候是将养猪场污水处理成本转嫁给公众环境。

既然要把进入水里的生猪排泄物捞起来，何不在第一时间阻止它们进入水体？况且，要将经过固液分离的水还原成清水绝非养猪场的污水处理条件所能做到。

我们曾调查过一个使用“固液分离-沼气”处理技术的养猪场。

那里每天产生的沼液平均含NH3-N 700mg L-1。

如果全部稀释至80mg L-1，则日排放污水接近1300吨。

按每吨污水0.80元处理费计算，每天约需支付1000元，相当于每年36万元。

基于干清粪在环保方面的优势,国内不少环保专家撰文大力推广干清粪工艺在养猪业的应用。

此外,国家环境保护总局2001年发布的《畜禽养殖业污染防治技术规范
HJ/T81-2001》中明确规定:“新建、改建、扩建的畜禽养殖场应采取干法清粪工艺,采取有效措施将粪及时、单独清出,不可与尿、污水混合排出,并将产生的粪渣及时运至贮存或处理场所,实现日产日清。

采用水冲粪、水泡粪湿法清粪工艺的养殖场,要逐步改为干法清粪工艺”[4]。

无论水冲式、水泡式还是沼气厌氧发酵，产生的污水污染物浓度都很高。

如果使用既节能又容易产生生态效益的氧化塘技术进行后续处理，难免陷入土地不能满足需求的困局。

在本项目实验中，45头母猪对应约18立方沉淀净化池，水表面积约30㎡。

净化一头母猪的冲粪污水用地不足0.7㎡。

如果将水深由现有的0.55m增加为0.8-1.2m（水葫芦稳定塘的最佳深度），又可进一步减少对水面的需求。

这样，只要利用猪舍间的空地和周边非农非商的坡地就可解决氧化塘用地问题。

清舍污水经串联净化，出水水质在一年中的大多数季节里可以达到或接近《排放标准》(GH 18596-2001)。

中水用于灌溉坡地周边农田和氧化塘绿化带即可实现污水零排放的理想目标。

本次试验系统与传统的水葫芦氧化塘不同处在于充分发挥水葫芦草对磷的吸附性能，把原本废弃的水葫芦垃圾转化成为污水净化材料。

对水葫芦草的这种利用方式在国内外均属首例。

水葫芦叶柄含丰富的蜂窝组织，除便于挂菌，还可贮藏污水中颗粒较小的悬浮物以及结合在悬浮物上的不同形态的磷。

水葫芦草的去磷效率主要受草与污水的接触时间影
响，没有明显的季节特征。

已知的其他磷吸附材料也有类似特征[5,6]。

与各种化学的以及所谓高科技的生化技术比较，吸附除磷既经济又环保[7]。

吸附了磷的水葫芦草还可进一步开发成有机肥，从另一个途径促进形成有益人类生活的农业生态循环。

该系统兼氧池NH3-N去除效果也明显好过位于其后的水葫芦氧化池。

污水从进入沉淀池（约37.8 g NH3-N m-2day-1）到溢出兼氧池，HRT约8天，NH3-N平均减少64%。

进入水葫芦氧化池后，HRT长达27天，NH3-N去除量却不及全系统去除量的20%。

兼氧池虽然有效降低了污水NH3-N负荷，池中水葫芦草TN含量并没有增加。

我们注意到，在水葫芦草周边长满浮游动物，草上长满青苔乃至各种野草（水葫芦放下去两三天就死掉）。

理论上，微生态系统和低段位食物链对水体有机氮转化起重要作用。

不过，该系统的工作原理还有待进一步考证。

参考文献
[1] 翁伯琦,雷锦桂,江枝和,等.集约化畜牧业污染现状分析及资源化循环利用对策思考[J]。

《农业环
境科学学报》,2010,29(B3):294-299.
[2] 卢启信，许福星. 施灌经厌气发酵猪粪尿废水对狼尾草生长及牧草地土壤与渗漏水性质之影响。

《作物、环境与生物资讯》，2009，6（2）：113-123.
[3] 州牧. 养猪，水冲粪、水泡粪还是干清粪？/论坛2009-7-22.
[4]杨明（记者）. 国家提倡干法清粪,广东大猪场却尝试水泡粪哪种猪粪处理方式更环保更实用?
《南方农村报》/2010-10-12.
[5] Sakadevan, K., Bavor, H. J., 1998. Phosphate adsorption characteristics of soils, slags
and zeolite to be used as substrates in constructed wetland systems. Water Research, 2, 393-399.
[6] Hylander, L.D., Simán, G., 2001. Plant availability of phosphorus sorbed to potential
wastewater treatment materials. Biology and Fertility of Soils 34, 42–48.
[7] Yildiz, E., 2004. Phosphate removal from water by fly ash using crossflow microfiltration.
Separation and Purification Technology 35, 241–252.。