人工濕地在治理養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化水中的應(yīng)用

寇祥明等

摘要：水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展帶來了養(yǎng)殖水體污染、富營養(yǎng)化和水資源浪費等一系列問題。如何將養(yǎng)殖富營養(yǎng)化水通過簡單易行的方式，處理成能夠循環(huán)利用的養(yǎng)殖用水，將是今后一段時間水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)著重解決的難題。提出構(gòu)建人工濕地復(fù)合養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)方案，推廣應(yīng)用高效、安全、優(yōu)質(zhì)、種養(yǎng)結(jié)合的生態(tài)循環(huán)漁業(yè)模式，對推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：人工濕地；養(yǎng)殖池塘；富營養(yǎng)化水；治理；應(yīng)用

中圖分類號：S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-378-03

我國水產(chǎn)養(yǎng)殖歷史悠久，技術(shù)先進(jìn)，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(xiàn)[1]。然而，我國的水產(chǎn)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(diào)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(gòu)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(chǎn)養(yǎng)殖方式，水產(chǎn)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(fù)利用已經(jīng)成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。

處理水質(zhì)的方法主要有物理、化學(xué)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(yán)重；化學(xué)法雖可達(dá)到去除水中氨氮等有害物質(zhì)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(zhì)，但在實際應(yīng)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(shè)計、生態(tài)工程化的廢水處理技術(shù)已經(jīng)越來越受到人們的重視，其作用機理綜合了物理、化學(xué)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(zhì)，是處理富營養(yǎng)化養(yǎng)殖廢水相對簡單的方法[7]，在水產(chǎn)養(yǎng)殖富營養(yǎng)化水處理中具有很好的應(yīng)用前景。

目前，我國養(yǎng)殖池塘結(jié)構(gòu)設(shè)計中只有生產(chǎn)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(dǎo)致池塘養(yǎng)殖水質(zhì)惡化和養(yǎng)殖場廢水向外排放帶來的環(huán)境負(fù)面影響愈加嚴(yán)重。另一方面，養(yǎng)殖場的水質(zhì)惡化也會導(dǎo)致魚類生長速度減緩，魚病發(fā)生率高，養(yǎng)殖產(chǎn)量和品質(zhì)下降，不利于池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展。加強對池塘養(yǎng)殖水質(zhì)的凈化，已成為社會和養(yǎng)殖系統(tǒng)本身關(guān)注的重要問題。

1 人工濕地的設(shè)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(jīng)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(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對污水進(jìn)行處理的一種技術(shù)。人工濕地是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)，它應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，在促進(jìn)廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，濕地床體底部輔設(shè)基質(zhì)層，污水在基質(zhì)層表面流動，并在床體表面種植具有經(jīng)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(gòu)成。挺水植物是構(gòu)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(dāng)?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(guān)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(zhì)；沉水植物是水體生物多樣性賴以維持的基礎(chǔ)，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(fù)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(yīng)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(jīng)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(chǎn)養(yǎng)殖關(guān)鍵的季節(jié)。夏季飼料投喂量大，產(chǎn)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(zhì)上覆土，厚度宜為10～20 cm。人工濕地栽種水生植物后應(yīng)立即充水，保證根部浸泡在水中，以促進(jìn)植物根系和濕地內(nèi)微生物的生長。植物成活后適時增高水面進(jìn)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(dá)，可通過根系向基質(zhì)送氧，使基質(zhì)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(jìn)水中所含的溶解性和顆粒性污染物與系統(tǒng)介質(zhì)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(fù)荷和水力停留時間不同，這主要是由于滲透性底質(zhì)的不同[12]。潛流濕地的滲透性底質(zhì)可提供較多供生物膜生長的面積而產(chǎn)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(shù)易操作，運行成本低[13-16]。Lin等的研究表明，人工濕地可應(yīng)用于去除水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中所含的營養(yǎng)鹽，TN去除達(dá)95%～98%，TP為32%～71%，使水質(zhì)能夠達(dá)到水產(chǎn)養(yǎng)殖的標(biāo)準(zhǔn)[13]。吳振斌等研究結(jié)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(fēng)等研究結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(dá)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(dá)到93.6%、92.4%和91.3%[21]。楊旻等研究結(jié)果表明，菖蒲對TN、TP、葉綠素a和COD的去除率分別達(dá)96.38%、98.32%、98.01%和44.4%[22]。該研究結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致，在岸壁種植荷藕、茭白、菖蒲、蘆葦?shù)韧λ参铮靥林虚g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(xiàn)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(guān)。雖然不同學(xué)者因試驗方法和目標(biāo)濕地植物等因素的原因，對富營養(yǎng)化中的水質(zhì)指標(biāo)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(guān)人工濕地建植經(jīng)濟效益方面相關(guān)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(yīng)用效果進(jìn)行了研究，結(jié)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(jìn)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(jīng)濟效益分別達(dá)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(yīng)用越來越受到人們的重視，人工濕地不僅具有凈化水質(zhì)、平衡藻相、降低養(yǎng)殖風(fēng)險、提高魚類成活率和增長率、提升魚類能量轉(zhuǎn)化效率的作用，更重要的是還能增加水產(chǎn)養(yǎng)殖收益。

4 結(jié)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(gòu)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(jīng)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(zhì)并達(dá)到凈化水體目的，已越來越受到人們的關(guān)注。人工濕地應(yīng)用于富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水體生態(tài)修復(fù)，具有高效、經(jīng)濟、環(huán)保等優(yōu)點，為我國日益惡化的水產(chǎn)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(gòu)建的人工濕地-養(yǎng)殖池復(fù)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(chǎn)品的質(zhì)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(guān)系，集成和組合多種方法技術(shù)，開展水質(zhì)凈化系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用，人為建立多種共棲、多層次配置、多級質(zhì)能種養(yǎng)循環(huán)的一種生態(tài)合理、技術(shù)可行、經(jīng)濟核算、高效、低耗、高產(chǎn)、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(zhì)、安全水產(chǎn)品養(yǎng)殖和消費者的迫切需要。

4.2 人工濕地的構(gòu)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(fù)的應(yīng)用研究雖然取得了一些進(jìn)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(yīng)用中受環(huán)境制約的因素太多；人工濕地中改善水質(zhì)各要素間相互作用機理還有待進(jìn)一步研究；篩選和培育適應(yīng)能力強，凈化高效的水生植物或植物群落結(jié)構(gòu)還需要加強等。

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