垂直流人工湿地中养猪场废水处理的评估：植物与曝气的作用

《Journal of Water Process Engineering》：Assessment of piggery wastewater treatment in vertical flow constructed wetlands: role of plants and aeration

猪场废水处理中垂直流人工湿地（VFCWs）的优化研究，采用单级和串联式湿地结合被动/主动充氧及植被配置，发现无充氧且植被存在的二级串联系统对总凯氏氮（42.9%）、氨氮（50.3%）和COD（20.5%）去除效果最佳，同时证实硝酸盐和磷酸盐浓度升高与微生物活动相关，为后续集成微生物燃料电池发电及微藻养殖提供基础。

　　在农业和畜牧业领域，污水处理是一个至关重要的议题，尤其是在那些水资源有限、环境压力较大的地区。猪养殖业作为其中的重要组成部分，不仅对当地经济贡献显著，也因其高污染特性而成为环境治理的重点对象。猪场产生的废水含有大量有机物、营养物质（如氮、磷、钾）、重金属（如铜、铁、锌）、病原体以及药物残留（如抗生素和激素），这些成分如果未经妥善处理，将对人类健康和生态环境造成严重威胁。传统的污水处理方法通常成本高昂、能耗大，并且会产生温室气体排放，因此在小规模和经济条件较差的社区中难以广泛应用。因此，寻找更加可持续、经济高效的替代方案显得尤为迫切。

自然处理系统，如人工湿地和微藻培养，为处理这类废水提供了新的思路。人工湿地通过植物、基质和微生物的协同作用，能够有效去除多种污染物，同时具备低能耗和低成本的特点。这种系统特别适用于小型社区和分散式处理模式，不仅能够改善水质，还能在处理过程中实现资源的回收利用。例如，通过合理设计，人工湿地可以同时支持微藻的生长，进而实现生物燃料的生产。这种综合处理方式不仅有助于减少污染，还能提升资源的循环利用率，为农业和环境治理带来新的可能。

本研究的重点在于优化人工湿地的运行条件，以提高猪场废水的处理效率。实验采用室内方式进行，持续时间为8周，以评估不同配置对污染物去除的影响。实验中使用的垂直流人工湿地（VFCWs）分为两个阶段，并通过重力流串联运行。这种设计使得废水能够逐层渗透，促进污染物的降解和去除。在实验过程中，研究人员每天向湿地系统中添加废水，并每周进行监测，以评估其运行效果。实验结果显示，第二阶段的VFCW在不进行曝气的情况下，配合植物种植，能够实现较高的污染物去除率，具体包括总凯氏氮（TKN）去除率达到42.9%，氨氮去除率达到50.3%，化学需氧量（COD）去除率达到20.5%。这些数据表明，合理的系统设计和植物配置在提高处理效率方面起到了关键作用。

此外，实验还发现，在整个处理过程中，硝酸盐和磷酸盐的浓度有所上升，这可能与基质和植物根区的微生物活动有关。微生物在基质和植物根系周围形成复杂的生态系统，能够有效分解有机物并转化氮、磷等营养物质。这种转化过程不仅有助于提高污染物的去除效率，还能为后续的资源回收提供基础。例如，经过人工湿地处理后的废水，可以作为微藻培养的营养来源，从而实现生物燃料的生产。微藻不仅能够吸收废水中的营养物质，还能通过光合作用产生氧气，同时积累生物质。这些生物质可以用于多种用途，如作为生物刺激剂，提升猪饲料中谷物作物的生长性能，或者直接作为猪饲料的营养补充，提高饲料的营养价值。

在研究过程中，研究人员特别关注了植物种类的选择及其对处理效果的影响。理想的植物应具有较强的耐污能力，能够有效吸收氮和磷等营养物质，同时提供稳定的根系环境，促进微生物的生长和活动。例如，Dracaena（龙血树）是一种非常适合用于人工湿地的植物，它不仅能够适应高浓度的废水，还能高效吸收氮和磷，同时提供良好的根系结构，有助于有机物的降解。此外，Dracaena具有较强的适应性，能够在不同的气候条件下稳定生长，不需要过多的维护，且能够提升湿地的美观性。这种植物在葡萄牙的气候条件下表现出色，相较于其他大型水生植物，如Canna（美人蕉），其处理效率和生态效益更为突出。

在实验设计中，研究人员还考察了不同曝气方式对处理效果的影响。曝气方式分为被动曝气和主动曝气两种。被动曝气通常通过自然气流或植物根系的呼吸作用实现，而主动曝气则需要外部设备提供空气。实验结果显示，被动曝气方式在处理猪场废水方面表现更为优越。这可能是因为被动曝气能够保持更自然的环境条件，促进微生物的生长和活动，同时减少能源消耗。此外，被动曝气还能够增强系统的稳定性，避免因过度曝气而导致的水质波动。

在实际应用中，研究人员的目标是为印度的农村猪场建立一个集成的污水处理系统。该系统不仅能够有效处理猪场废水，还能实现生物燃料的生产，为后续的微藻培养提供动力。通过微生物燃料电池（MFC）技术，研究人员能够将废水中的有机物转化为电能，从而减少对传统能源的依赖。这种系统的设计不仅能够提高能源的利用效率，还能减少废水处理过程中的碳排放，实现环境与能源的双重效益。此外，微藻培养系统能够利用处理后的废水作为营养源，进一步提升资源的循环利用率。

该研究还涉及多个合作伙伴，包括来自葡萄牙和印度的科研机构。这种跨国合作不仅有助于分享技术和经验，还能促进不同地区之间的知识交流和创新。通过这种合作，研究人员能够更好地适应不同地区的环境条件和资源特点，为建立更加高效的污水处理系统提供支持。此外，研究还得到了多个资助项目的支持，包括葡萄牙-印度双边项目DRI/India/0609/2020，以及Red CYTED P320RT0025和Horizon Europe等国际科研基金。这些资金的投入为研究提供了必要的资源和保障，有助于推动污水处理技术的创新和发展。

在实验过程中，研究人员还关注了pH值的变化及其对处理效果的影响。pH值是影响人工湿地性能的重要参数之一，它不仅影响微生物的活性，还会影响污染物的迁移和转化。实验结果显示，在整个8周的实验过程中，pH值始终保持在8.06到9.12之间，表明系统具有良好的缓冲能力，能够维持稳定的处理环境。这种缓冲能力可能来自于基质和植物根系中的化学成分，它们能够中和废水中的酸碱性，从而维持系统的稳定性。此外，pH值的稳定也表明，人工湿地能够有效适应不同类型的废水，无论其初始pH值如何，都能够通过内部调节机制保持适宜的处理条件。

实验还发现，不同植物配置对处理效果的影响显著。例如，当系统中存在植物时，污染物的去除率普遍高于无植物的系统。这可能是因为植物不仅能够吸收营养物质，还能通过根系提供更多的表面积，促进微生物的附着和生长。此外，植物的生长还能够改善湿地的微环境，如增加氧气供应、调节温度和湿度，从而提升系统的整体性能。因此，在人工湿地的设计中，合理选择植物种类和配置是提高处理效率的关键因素之一。

在研究过程中，研究人员还对不同运行条件进行了系统分析。例如，不同的水深、基质类型、流速和停留时间都会影响人工湿地的处理效果。水深的优化不仅能够提高系统的缓冲能力，还能影响污染物的迁移和转化。基质类型的选择同样重要，不同的基质能够提供不同的吸附能力和微生物栖息环境。因此，在人工湿地的设计中，需要综合考虑这些因素，以实现最佳的处理效果。

此外，研究人员还关注了人工湿地在不同气候条件下的适应性。葡萄牙和印度的气候条件存在显著差异，这使得人工湿地的设计需要根据具体环境进行调整。例如，在葡萄牙的气候条件下，Dracaena表现出较强的适应性和处理效率，而在印度的气候条件下，可能需要选择其他更适合的植物种类。这种适应性使得人工湿地能够广泛应用于不同地区，为全球范围内的污水处理提供支持。

在实际应用中，研究人员还考虑了系统的可扩展性和可持续性。由于人工湿地的运行成本较低，且能够利用自然元素进行处理，因此在小规模猪场中具有较高的可行性。这种系统不仅能够减少对传统污水处理设施的依赖，还能为农村地区提供更加环保和经济的解决方案。此外，人工湿地的运行过程中不需要复杂的设备和技术，因此在操作和维护方面也更加简便，适合资源有限的地区。

综上所述，本研究通过实验验证了人工湿地在处理猪场废水方面的有效性，并探讨了不同运行条件对处理效果的影响。实验结果显示，植物的存在和被动曝气方式能够显著提高污染物的去除率，同时提升系统的稳定性。此外，人工湿地的运行还能够实现资源的回收利用，如通过微生物燃料电池产生电能，为微藻培养提供动力。这种集成系统不仅能够提高污水处理的效率，还能为农业和环境治理提供新的思路和方法。通过跨国合作和国际资助，研究人员能够进一步推动污水处理技术的发展，为全球范围内的环境治理和资源回收提供支持。