1．目的及意义

1.1 项目背景

近几十年来，人工湿地（CWs）已被证实是一种低成本，节能的各种废水生态处理技术(Knight et al.，2000;Vymazal, 2011;吴等，2015)。然而，如何保持CWs的长期有效处理性能和可持续运行仍然是一个挑战(Wu et al.，2015)。据报道，这取决于不同类型和入流负荷率，不同类型CW的脱氮效率和脱氮速率分别为40-55%和250-630 g Nm-2yr-1 (Vymazal, 2007)。另一方面，集中饲养动物的废水，如猪的废水，具有高浓度的可降解有机物和营养物质，可以回收再利用(Cai et al.，2013)。尝试了利用水生植物为基础的系统从泻湖预处理的猪废水中回收养分的潜力(Roy, 2017;希尔顿等人，2012)。然而，提高CWs除氮性能和开发经济有效的养猪废水营养物质回收方法仍然是必要的。

1.2 项目意义和目的

常规厌氧消化技术在畜禽养殖废水有机物去除及生物质能源利用方面得到了广泛认可，但对氮磷去除作用不大。人工湿地在有效截污和削减排入湖泊的氮磷元素，改善地表水体水质环境,恢复水体植物类型和生态功能，具有重要的作用。已有研究报道人工湿地可有效处理养殖废水。本论文以目前正运行的绿狐尾藻人工湿地系统为研究对象，定期监测养猪废水人工湿地处理系统中水质参数、水和土壤中不同形态氮浓度的动态变化；再通过植物吸收、土壤吸附累积和氨挥发等途径计算氮质量平衡，明确人工湿地硝化、反硝化作用对养猪废水氮去除贡献。

1.3 国内外的研究现状分析

采用人工曝气、微生物添加等技术提高了CWs对污染物的去除效率(Liuet al.，2016b;吴等，2015;吴等，2014)。在某种程度上，这些技术进步需要额外的设备(例如曝气器和微生物制剂加药设备)和额外的成本，这可能使CWs的有效运行不可持续，特别是在农村地区。湿地植物是CWs的重要组成部分，在提高废水的去除效率和利用废水中的营养物质方面发挥着重要的战略作用(Vymazal, 2013a;吴等，2015)。以往的研究发现，从长远来看，多次采收和去除植物可以降低CWs的负担，延长CWs的使用寿命(Luo et al.， 2017;Quilliam等，2015)。此外，多次采收可能会增加总蓄积量，这一做法被认为是增加CWs污染物去除量的重要途径(Luo et al.，2017;田中等，2017)。一名研究人员总结说，只有在废水的低负荷率(例如，#8764;100-200 g Nm-2 yr-1和#8764;10-20 g Pm-2 yr-1)时，采收植物才能有效去除CWs中的营养物质(Vymazal, 2007)。然而，之前有研究发现，通过多次收割绿狐尾藻去除磷(P)量为15.1-40.9 g Pm-2 yr-1，这在高负荷率(168-364 g Pm-2 yr#8722;1)的CWs中占总磷去除量的22.5-59.6% (Luo et al.，2017)。因此，利用CWs对高负荷率废水(如经泻湖预处理的猪粪废水)进行多采脱氮研究是十分必要和重要的。

通过从生态废水处理系统中收获大型植物的生物量，可以回收营养物质(Roy, 2017;Shilton等人，2012)。例如，浮萍和水葫芦因其较高的生物量产量和营养价值，在废水资源回收方面得到了广泛的研究(Sooknah和Wilkie, 2004;徐和沈，2011;赵等，2014)。然而，许多大型植物不能耐受和生长在猪的废水中。例如，已经发现，石莲花和水生菜不能生长在未经稀释的厌氧消化冲洗的奶牛粪便废水中(Sooknah和Wilkie, 2004)。在1:1稀释的乳湖废水中，生长的浮萍的干重为2.1 g m-2d-1 (DeBusket al.，1995)。在此，我们假设，如果所选择的湿地植物能够耐受高浓度的养猪废水，它们可能具有更大的养分回收潜力。我们之前已经证明绿狐尾藻能够耐受高浓度的猪废水(gt; 200mgNL#8722;1)，并且在实验室和田间条件下对猪废水具有较高的养分吸收能力(Liu et al.，2016a;罗等，2017;张等，2017b)。因此，在可持续的植物收获管理下，研究绿狐尾藻作为湿地植物在CWs系统中对养猪废水氮的回收是适宜的。

为了解决上述知识缺口，我们构建了一系列以绿狐尾藻种植的试验性三阶段表面流CWs (SFCWs)处理泻湖预处理的猪废水，并对SFCWs中绿狐尾藻的出笋进行了多次采收。本研究的目的是:(1)研究SFCWs对不同强度的猪废水中N的去除效果，(2)通过多次收获绿狐尾藻来评估N的回收潜力。(3)分析了植物可持续采收管理下SFCWs的主要N去除途径。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1 人工湿地概述

2014年，在湖南省长沙市农业环境监测研究站建立了11个三期SFCWs试点。之前的研究已经提供了SFCWs的详细信息(Chen et al.，2017;罗等，2017)，因此这里只做一个简要的描述。食物安全中心由三个单位(即、CW1、CW2和CW3)沿着废水流的方向从进口到出口（图1）。将三种不同强度的猪废水分别饲喂SFCWs:未经稀释的生猪废水(强度高;)，以2:1比例(中等强度;，并以1:2的比例稀释(低强度;LS)。从邻近的一个大型养猪场获得的生猪废水被运往蓄水池。另外两个SFCWs以淡水作为对照处理。SFCWs是操作使用一个间歇流态总量为0.18立方米d#8722;1,和每个单元的水力停留时间是11 d。每个连续波单元同样分为九个部分,三个部分是定期收割。植物收获战略的细节提供在图1。在SFCWs中，每隔约2 - 4周收集绿狐尾藻的出露芽。