人工濕地在治理養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水中的應用

寇祥明，張家宏，李榮福，金銀根，楊顯祥，王守紅，韓光明，畢建花，朱凌宇，徐 榮

(1．江蘇里下河地區(qū)農業(yè)科學研究所，江蘇揚州225007;

2．揚州市農業(yè)委員會，江蘇揚州225000;3．揚州大學生物科學與技術學院，江蘇揚州225009;4．揚州龍興生態(tài)農業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇揚州225007)

我國水產養(yǎng)殖歷史悠久，技術先進，對世界漁業(yè)發(fā)展和人民生活水平提高作出了重要貢獻［1］。然而，我國的水產養(yǎng)殖業(yè)大都還是粗放、半精養(yǎng)的養(yǎng)殖模式，通常采用無節(jié)制的大排大換的方式，極少采用人工調控的方式，造成養(yǎng)殖水體日益富營養(yǎng)化，對周邊水域環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)也構成了越來越大的危害［2－3］。我國淡水資源匱乏，池塘養(yǎng)殖又是我國最重要的水產養(yǎng)殖方式，水產養(yǎng)殖需要消耗大量的清潔水源，因此，對養(yǎng)殖用水的凈化、避免污染環(huán)境和重復利用已經成為水產養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。

處理水質的方法主要有物理、化學和生物處理3種。物理法中常用的就是直接換水，這種方法容易操作、見效快，但對水資源浪費嚴重;化學法雖可達到去除水中氨氮等有害物質的目的，但處理及操作費用高，還會造成二次污染［4］;生物處理就是人為的在水體中培育出有益生物來凈化水質，但在實際應用中存在運行成本高、管理不便等一系列問題［5］。人工濕地作為一種人為設計、生態(tài)工程化的廢水處理技術已經越來越受到人們的重視，其作用機理綜合了物理、化學和生物三重協(xié)同作用，表現(xiàn)為過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物代謝等多種途徑［6］。人工濕地具有成本低、維護少、用途廣等優(yōu)點，不僅能去除水中BOD、COD、SS，而且可去除一定的N和P等營養(yǎng)物質，是處理富營養(yǎng)化養(yǎng)殖廢水相對簡單的方法［7］，在水產養(yǎng)殖富營養(yǎng)化水處理中具有很好的應用前景。

目前，我國養(yǎng)殖池塘結構設計中只有生產功能而缺乏有效的水體自凈功能，隨著池塘精養(yǎng)程度的提高，養(yǎng)殖投入品和魚類排泄物不斷增加，導致池塘養(yǎng)殖水質惡化和養(yǎng)殖場廢水向外排放帶來的環(huán)境負面影響愈加嚴重。另一方面，養(yǎng)殖場的水質惡化也會導致魚類生長速度減緩，魚病發(fā)生率高，養(yǎng)殖產量和品質下降，不利于池塘水產養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展。加強對池塘養(yǎng)殖水質的凈化，已成為社會和養(yǎng)殖系統(tǒng)本身關注的重要問題。

1 人工濕地的設計

1．1 人工濕地的概念 人工濕地是模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng)，由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，將污水有控制地投配到經人工建造的濕地上，污水在沿一定方向流動的過程中，主要利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用，對污水進行處理的一種技術。人工濕地是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)，它應用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質循環(huán)再生原理，結構與功能協(xié)調原則，在促進廢水中污染物質良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水凈化處理與資源化再利用的最佳效果。

1．2 人工濕地的結構設計 養(yǎng)殖池塘與凈化濕地的面積比為15～30∶1，采用串聯(lián)自由表面流人工濕地結構，濕地床體底部輔設基質層，污水在基質層表面流動，并在床體表面種植具有經濟價值高、成活率高、抗水性強、生長周期長、具有觀賞價值的水生植物，如茭白、荷藕等。濕地單池長度為5～20 m，單池長寬比為 3∶1 ～5∶1，水深 30 ～60 cm，水力坡為0．1% ～0．5%。

1．3 人工濕地植物的選配

1．3．1 濕地植物種類的配置。人工濕地通常由挺水植物、浮水植物和沉水植物3種構成。挺水植物是構建人工濕地植被系統(tǒng)的主要類型植物，具有同化吸收污染物和攔截、過濾的作用［8］。選擇當?shù)貎?yōu)勢挺水植物，突出生物多樣性特色是提高人工濕地凈化能力的關鍵措施［9］;浮水植物對有機污染物的吸收具有很好的效果，浮水植物浮生水面，在光照競爭中占有絕對優(yōu)勢，能夠高效吸收水體中的營養(yǎng)物質;沉水植物是水體生物多樣性賴以維持的基礎，沉水植物通過有效增加生態(tài)位，抑制生物性和非生物性懸浮物［10］，通過水下光合作用增加水體溶解氧，為復雜食物鏈的形成提供了食物和場所［11］。人工濕地植物選配的原則:成活率高，適應水濕生環(huán)境，生長周期長或多年生，生物量大，具備較強的富營養(yǎng)化水處理能力，具有一定的美觀價值、經濟(飼用、食用等)價值等。

養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化主要集中在夏季高溫季節(jié)，同時也是水產養(yǎng)殖關鍵的季節(jié)。夏季飼料投喂量大，產生的有機污染物多，藻類容易繁殖，這些都是造成水體富營養(yǎng)化的因素。因此，人工濕地植物主要選擇春夏季快速生長的植物。一般配置方案:挺水植物選擇黃菖蒲、茭白、再力花、鳶尾等;浮水植物選擇鳳眼蓮、莼菜、荷藕、芡實等;沉水植物選擇伊樂藻、輪葉黑藻、苦草、馬來眼子菜、金魚藻等;種植面積分別占水面的30%、20%、20%。

1．3．2 水生植物的培育與馴化。為提高種植水生植物的成活率，可在床體介質上覆土，厚度宜為10～20 cm。人工濕地栽種水生植物后應立即充水，保證根部浸泡在水中，以促進植物根系和濕地內微生物的生長。植物成活后適時增高水面進行馴化培養(yǎng)。

1．3．3 水生植物種植密度。水生植物種植密度根據(jù)養(yǎng)殖種類、養(yǎng)殖密度及養(yǎng)殖池塘的位置不同有所差異。一般挺水植物的種植密度為9～25株/m2，浮水植物和沉水植物為3～9株/m2。

2 人工濕地的分類

人工濕地主要有兩大分類方式:植物的存在形式和水流狀態(tài)。

2．1 植物的存在形式

2．1．1 挺水植物系統(tǒng)。以挺水植物為主，植物根系發(fā)達，可通過根系向基質送氧，使基質中形成多個好氧、兼性厭氧、厭氧小區(qū)，利于多種微生物繁殖，便于污染物的同化吸收;同時起到攔截和過濾的作用，目前人工濕地主要指挺水植物系統(tǒng)。

2．1．2 浮水植物系統(tǒng)。水生植物漂浮于水面，根系呈淹沒狀態(tài)，主要用于氮、磷的去除和提高穩(wěn)定塘的效率。

2．1．3 沉水植物系統(tǒng)。水生植物完全淹沒于水中，系統(tǒng)中水的濁度不能太高，否則會影響植物的光合作用，主要用于氮、磷、重金屬及有機污染物的去除。

2．2 水流狀態(tài)

2．2．1 表面流濕地。富營養(yǎng)化水在填料表面漫流，形式接近于天然濕地，水深較淺(一般在0．1～0．6 m)，氧通過自由擴散補給，進水中所含的溶解性和顆粒性污染物與系統(tǒng)介質和植物根系接觸，該系統(tǒng)不能充分利用填料及植物根系。

2．2．2 潛流式濕地。富營養(yǎng)化水在填料表面以下滲流，可充分利用填料表面生長的生物膜及豐富的植物根系，增加富營養(yǎng)化水與填料和植物根系的接觸面積，提高處理效率。兩者均包含水生植物，區(qū)別在于它們的有機負荷和水力停留時間不同，這主要是由于滲透性底質的不同［12］。潛流濕地的滲透性底質可提供較多供生物膜生長的面積而產生較多營養(yǎng)吸收路徑［13］。

3 人工濕地對富營養(yǎng)化水的凈化效果

3．1 不同人工濕地植物配置對污染物的去除效果 人工濕地不僅對養(yǎng)殖水體中的有機物、氮、磷、重金屬、葉綠素a和微生物等有很好的去除效果，而且該技術易操作，運行成本低［13－16］。Lin等的研究表明，人工濕地可應用于去除水產養(yǎng)殖廢水中所含的營養(yǎng)鹽，TN去除達95% ～98%，TP為32%～71%，使水質能夠達到水產養(yǎng)殖的標準［13］。吳振斌等研究結果表明，人工濕地對TSS、COD、BOD、TN和TP去除率的變動范圍分別為 80．5% ～82．9%、45．2% ～64．2%、61．0% ～77．0%、29．1% ～68．6%和 72．7% ～89．1%［17］。林春風等研究結果表明，金魚藻、伊樂藻、苦草和狐尾藻對TN和 TP去除率分別為 69．38%、66．19%、66．13%、57．93% 和 77．95%、76．74%、76．07%、70．96%［18］。王煥等研究結果表明，美人蕉、鳶尾、再力花對 TN和 TP去除率分別為69．96%、69．19%、64．20% 和 75．59%、66．57%、58．06%［19］。吳湘等研究結果表明，黃花水龍、鳳眼蓮、水鱉、四角菱和空心蓮子草對TN和TP去除率分別為63%、57%、46%、42%、34%和50%、52%、45%、31%、22%［20］。孫瑞蓮等研究結果表明，寬葉香蒲、茭白、黃花鳶尾、三棱草、菖蒲、水蔥、水芹菜和千屈菜在水力停留時間為5 d時，菖蒲、水蔥、黃花鳶尾和寬葉香蒲對COD的去除率都在90%左右;在水力停留7 d時，茭白和寬葉香蒲對TP具有較高的去除率，分別達到84．8%和84．4%;在水力停留7 d時，寬葉香蒲、黃花鳶尾和茭白對TN具有較好的去除效果，分別達到93．6%、92．4%和91．3%［21］。楊旻等研究結果表明，菖蒲對TN、TP、葉綠素a和COD的去除率分別達 96．38% 、98．32%、98．01% 和44．4%［22］。該研究結果與前人研究結果基本一致，在岸壁種植荷藕、茭白、菖蒲、蘆葦?shù)韧λ参?，池塘中間種植水花生、水芹菜、伊樂藻、輪葉黑藻、苦草等浮水和沉水植物，水草面積占塘口的1/4，在處理富營養(yǎng)化水的人工濕地中，植物吸收對氮磷的去除起著重要作用，平均貢獻率分別為42．9%和50．3%。植物的氮磷積累量與濃度及生物量之間均存在顯著相關。雖然不同學者因試驗方法和目標濕地植物等因素的原因，對富營養(yǎng)化中的水質指標的去除效果有所差異，但基本都表現(xiàn)出人工濕地系統(tǒng)對養(yǎng)殖水體中的TSS、COD、BOD、TN、TP、有機物等有很好的去除效果。

3．2 人工濕地建植的效益分析 目前有關人工濕地建植經濟效益方面相關研究很少，大部分研究圍繞人工濕地對富營養(yǎng)化水體的凈化效果及生態(tài)效益方面。黃海平對精養(yǎng)魚池中建植水蕹菜浮床應用效果進行了研究，結果表明建植水蕹菜浮床池塘利潤為5．63元/m2，是對照池的1．74倍。建植水蕹菜浮床魚類對氮磷的利用率分別為39．07%和34．75%，顯著高于對照池的31．64%和29．27%［23］。筆者研究了養(yǎng)殖池塘中通過模擬濕地環(huán)境，比較選擇能夠促進魚類生長、高效減磷去氮又可做餌料的水生動植物群落組合3個:“水花生+克氏原螯蝦(魚)”、“水花生+水芹菜+克氏原螯蝦(魚)”、“水芹菜+伊樂藻+克氏原螯蝦(魚)”，其平均畝經濟效益分別達到3 108、3 427和3 686元。人工濕地在治理養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水中的應用越來越受到人們的重視，人工濕地不僅具有凈化水質、平衡藻相、降低養(yǎng)殖風險、提高魚類成活率和增長率、提升魚類能量轉化效率的作用，更重要的是還能增加水產養(yǎng)殖收益。

4 結論與討論

4．1 人工濕地是治理養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水的重要途徑 通過構建人工濕地生物群落，使得養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化程度明顯降低，大大提高了養(yǎng)殖水體的經濟效益。利用生物，尤其是利用植物的生長吸收養(yǎng)殖水體中的營養(yǎng)物質并達到凈化水體目的，已越來越受到人們的關注。人工濕地應用于富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水體生態(tài)修復，具有高效、經濟、環(huán)保等優(yōu)點，為我國日益惡化的水產養(yǎng)殖環(huán)境提供了良好的解決途徑。近年來，人工濕地在池塘養(yǎng)殖富營養(yǎng)化水的凈化治理方面取得了令人滿意的效果。通過構建的人工濕地－養(yǎng)殖池復合生態(tài)系統(tǒng)，不僅成功實現(xiàn)了水的回用，而且提高了養(yǎng)殖產品的質量。

利用水體生態(tài)系統(tǒng)原理和系統(tǒng)工程方法，根據(jù)生物的食物鏈關系，集成和組合多種方法技術，開展水質凈化系統(tǒng)和相關技術的研究和應用，人為建立多種共棲、多層次配置、多級質能種養(yǎng)循環(huán)的一種生態(tài)合理、技術可行、經濟核算、高效、低耗、高產、無污染的生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)，是今后池塘養(yǎng)殖的方向，也是優(yōu)質、安全水產品養(yǎng)殖和消費者的迫切需要。

4．2 人工濕地的構建機理和功能尚需深入研究 人工濕地在富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復的應用研究雖然取得了一些進展，但還存在一些問題，主要有:人工濕地中水生植物在生態(tài)工程應用中受環(huán)境制約的因素太多;人工濕地中改善水質各要素間相互作用機理還有待進一步研究;篩選和培育適應能力強，凈化高效的水生植物或植物群落結構還需要加強等。

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