鳳眼蓮凈化塘與人工濕地組合工藝對養(yǎng)殖尾水的凈化效能

劉麗珠　張志勇　宋偉　劉海琴　王巖　張君倩　張迎穎

摘要：利用鳳眼蓮凈化塘和人工濕地組合工藝凈化規(guī)?；靥琉B(yǎng)殖尾水，以實現(xiàn)水體循環(huán)再利用和減少入太湖污染負荷。試驗共設置6組“凈化塘+人工濕地”，每組由鳳眼蓮凈化塘與茭草上行流濕地組成，凈化塘內鳳眼蓮的覆蓋度分別是0、45%、65%，初始鳳眼蓮放養(yǎng)量分別為0、40、60 kg，每個處理設2個重復，水力負荷為 800 mm/d。結果證明，65%覆蓋度凈化塘與濕地共同作用下，進水時總氮（TN）、總磷（TP）濃度分別為9.92、006 mg/L，出水時分別降至4.12、0.02 mg/L，分別下降5.80、0.04 mg/L，去除率分別為55.6%、63.1%，與空白對照相比均有顯著性差異（P

關鍵詞：鳳眼蓮；人工濕地；養(yǎng)殖尾水；凈化效能；覆蓋度；放養(yǎng)量；水力負荷；去除率

中圖分類號： X52；S912 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0389-04

大量含氮、磷等營養(yǎng)因子的養(yǎng)殖尾水排入湖泊河流會導致水體中氮、磷含量不斷增加，當其濃度遠遠超過水體的自凈能力時就會導致水體的富營養(yǎng)化，從而促使藻類大量繁殖，水質惡化，大量魚類和其他生物面臨死亡甚至滅絕危機。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的概念，即在水產養(yǎng)殖生產過程中引入尾水凈化工藝，以此來控制水質，達到尾水循環(huán)利用的生態(tài)平衡方式[1-2]。為了達到生態(tài)平衡，越來越多的城市和地區(qū)根據(jù)不同污染物類型，并結合當?shù)刈匀粭l件，構建不同種類的尾水凈化工藝，模擬自然生態(tài)凈化系統(tǒng)的運作機理，更加有效地進行養(yǎng)殖尾水處理。

凈化塘和人工濕地作為凈化污水的常規(guī)方法，凈化水質效果顯著，符合養(yǎng)殖尾水的凈化理念。凈化塘成本低、便于管理，鳳眼蓮具有極強的氮、磷吸收能力[3-4]，采用鳳眼蓮凈化水質，不僅可以省去浮床建設費用，還不需要反復播種或移栽，相對于其他水生植物也更易打撈[5]，是凈化水質的良好水生植物。人工濕地是人為設計建造的由基質、植物、微生物和水體等組成的復合體，通過系統(tǒng)中的基質-水生植物-微生物的相互協(xié)同作用來實現(xiàn)對水體的凈化目的。上行流濕地可以充分利用濕地空間，占地面積相對較小但供氧好，凈化能力高。本研究采用鳳眼蓮凈化塘和人工濕地的組合工藝對養(yǎng)殖尾水的氮磷凈化效能進行研究，以期為規(guī)?；靥琉B(yǎng)殖尾水的循環(huán)再利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 凈化塘與人工濕地的構建

試驗地址設在江蘇省蘇州金庭大成現(xiàn)代農業(yè)園，農業(yè)園位于蘇州市吳中區(qū)金庭鎮(zhèn)（原西山鎮(zhèn)）東部的戰(zhàn)備圩和居山圩，金庭鎮(zhèn)是我國淡水湖泊中最大的島嶼，四面被太湖包圍。大成現(xiàn)代農業(yè)園核心區(qū)占地面積約266.7 hm2，池塘養(yǎng)殖面積約占1/3。設置6組“凈化塘+人工濕地”，每組由鳳眼蓮凈化塘與茭草上行流濕地組成，凈化塘和人工濕地池的規(guī)格均為6 m×3 m×1.5 m。凈化塘內鳳眼蓮的覆蓋度設為3個處理，分別是0、45%、65%，有研究表明大水域種養(yǎng)鳳眼蓮的覆蓋度不超過水面面積的50%對水體復氧沒有不利影響，因此處理考慮設置了45%、65%不同覆蓋度鳳眼蓮[6-7]；初始鳳眼蓮放養(yǎng)量分別為0、40、60 kg，各凈化塘內放置1.6 m×2.4 m的白色圍欄3個（圖1），鳳眼蓮均放入各圍欄內，每個處理設2個重復。凈化塘的出水流入茭草上行流濕地，茭草上行流濕地自下而上鋪設礫石40 cm、黃沙30 cm，漫水30 cm，種植茭草12 kg，水力負荷為800 mm/d。大成農業(yè)園內設有環(huán)形河溝，養(yǎng)殖廢水排入河溝內用水泵打入“凈化塘+人工濕地”內作為試驗用水。試驗從2012年8月30日持續(xù)到10月8日，試驗期間人工濕地采用間歇流，通過自動定時開關控制水泵的開關時間。

1.2 采樣與監(jiān)測

如圖1所示，凈化塘采用沿程采樣，從進水（采樣點1）、2 m 處（采樣點2）、4 m處（采樣點3）、出水口（采樣點4）共設置4個采樣點，上行流人工濕地池在出水面設置2個采樣點（采樣點5、采樣點6）。水樣每4 d采集1次，測定水質指標，水樣中的總氮（TN）、總磷（TP）濃度利用Skalar公司的SAN+ +流動分析儀測定?，F(xiàn)場測定水溫、氣溫、pH值和溶氧量（DO），測定時間為每天06：00—08：00，水溫、氣溫利用溫度計測定；pH值采用PHB-5筆式pH計測定；溶氧量（DO）采用JPB2607型便攜式溶氧儀測定。鳳眼蓮植物樣試驗初始和結束各采集1次，植株采用硫酸和過氧化氫消煮，植株全氮含量采用凱氏定氮儀測定；植株全磷含量采用鉬銻抗比色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)[除pH值、總氮（TN）濃度、總磷（TP）濃度和浮氧量數(shù)據(jù)外]經(jīng)Excel處理后應用SPSS 13.0進行統(tǒng)計分析，差異顯著性用SPSS軟件中的One-Way ANOVA進行單因素方差分析，選用Duncans法進行多重比較。

污染物的去除率R按下列公式計算：

R=（Ci-Ce）/Ci×100%。

式中：Ci、Ce分別為進水、出水的質量濃度，mg/L。

按下式計算單位面積植物吸收的氮或者磷總量m：

m=（m2× L2×N2-m1×L1×N1）/S。

式中：m2為植物的收獲期的鮮質量；L2為收獲期植物的干物質含量；N2為收獲期植株干物質中氮或者磷的含量；m1植物初始鮮質量；L1為植物初始干物質含量；N1為初始植物干物質氮或磷的含量；S為凈化塘水面面積。

2 結果與分析

2.1 不同鳳眼蓮覆蓋度對水體pH值與溶氧量的影響

圖2為不同覆蓋度鳳眼蓮凈化塘每次采樣所測得根際溶氧的平均值（凈化塘水體）。從整個試驗周期來看，相同周期內不同覆蓋度凈化塘溶氧量變化趨勢類似，不同處理的溶氧量均出現(xiàn)先下降后緩慢上升的趨勢。與空白對照相比，種養(yǎng)鳳眼蓮的凈化塘溶氧量差異較大，65%覆蓋度凈化塘呈現(xiàn)明顯差異，種養(yǎng)鳳眼蓮的處理之間不存在顯著性差異，說明鳳眼蓮的生長明顯降低了水體中的溶氧量，這主要是由于鳳眼蓮漂浮在水面上，一定程度上阻礙了水體中的溶解氧與大氣的交換[8-9]，另外鳳眼蓮根系的呼吸作用也會消耗水體中的溶氧量。endprint

由圖3可知，鳳眼蓮覆蓋度為0的凈化塘水體pH值相對較高，為7.4～8.8；覆蓋度為45%的凈化塘pH值居中，為7.4～8.9；覆蓋度為65%的凈化塘pH值相對較低，為7.5～8.7，平均值較空白對照下降0.15。種養(yǎng)鳳眼蓮可使養(yǎng)殖尾水的pH值略有下降，維持在中性水平。

2.2 不同鳳眼蓮覆蓋度對水體氮磷的影響

由于養(yǎng)殖廢水來自園內各大小魚塘，所以各凈化塘每天初始進水中的TN、TP濃度不盡相同。由圖4、圖5可見，同一天同一處理出水中TN、TP濃度與進水相比大幅下降。鳳眼蓮存在的水體中，從采樣點1至采樣點4，同一天同一處理的TN、TP濃度逐漸降低，這說明鳳眼蓮對水體具有良好的凈化過濾效果，而空白對照無規(guī)律。采樣點4與采樣點5之間的差值較大，說明上行流人工濕地具有良好的凈化能力，采樣點5和采樣點6位于上行流濕地的水面，為最終凈化的出水，其氮磷含量基本一致。65%覆蓋度鳳眼蓮平均進水的TN、TP含量分別為9.92、0.06 mg/L，出水時分別降至4.12、0.02 mg/L，TN、TP含量分別下降5.8、0.04 mg/L。45%覆蓋度鳳眼蓮有相似的作用，凈化能力略差于65%覆蓋度，二者不存在顯著性差異（P

由圖6可知，在不同鳳眼蓮覆蓋度下，凈化塘系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水中TN、TP均有較好的去除效果，TN、TP的去除率分別為24.5%～31.0%、40.1%～41.4%；在凈化塘與人工濕地系統(tǒng)共同作用下，對應TN、TP的去除率提高，分別為48.8%～55.6%、60.8%～63.1%，65%覆蓋度的去除率與空白對照相比均有顯著性差異（P<0.05）。45%覆蓋度的氮去除率與空白比雖然差異不顯著，但是也有所增加，磷去除率與對照比差異顯著。

2.3 不同鳳眼蓮覆蓋度下鳳眼蓮吸收N、P的變化

植物生長狀況間接反映了它的耐污力和對環(huán)境的適應力，這也是植物用于凈化水質的備選標準之一。由表1可見，鳳眼蓮的株高與初始相比略有降低，根系長度也有所降低，可能是由植物生長環(huán)境的改變導致的，也可能是因為植株新陳代謝老葉枯死，嫩葉長出，生物量不斷增加而單株的生物量減小。隨著凈化流程的進行，水體中氮、磷濃度降低，使得植株

新長出的葉片顏色較淺，葉綠素含量較低。鳳眼蓮凈化富營養(yǎng)化水體的效果首先取決于生物量，通過計算地上部生物干質量可以發(fā)現(xiàn)，65%覆蓋度地上部單位面積生物干質量與初始相比差異顯著，增加104%；45%覆蓋度與初始相比增加35%，而地上部是鳳眼蓮植株體內積累氮磷的主要部位。試驗期間單位面積地下部生物干質量也明顯增加，通過計算可知65%、45%覆蓋度地下部生物干質量在收獲時分別是初始的126%、135%。

由表2可知，不同覆蓋度鳳眼蓮N平均濃度和初始相比無太大差異；而整株的P平均濃度均比初始放養(yǎng)略低。不同覆蓋度鳳眼蓮整株的N、P平均濃度分別在19.90～20.24、147～1.68 mg/g之間，其N濃度遠高于P含量。依據(jù)鳳眼蓮不同覆蓋度地上部、地下部生物量干質量及其組織內的N、P養(yǎng)分濃度，可以計算地上、地下部的N、P吸收總量，并相加求得鳳眼蓮植株的N、P吸收總量。在整個試驗期間，45%、65%覆蓋度鳳眼蓮對N的吸收總量平均分別為26.13、72.93 g/m2，對P的吸收總量分別為3.22、4.89 g/m2，隨覆蓋度的增加而升高。

3 結論與討論

pH值、溶氧量是表征水體化學環(huán)境的重要指標，也是地表水環(huán)境質量標準的基本項目。在本試驗過程中，有鳳眼蓮覆蓋的凈化塘pH值比較穩(wěn)定且低于對照，有助于浮游動物和底棲動物的繁殖與生長[10-11]。由于pH值偏低，水體中H+濃度升高，會促使水體中溶氧量下降。有文獻顯示，水生植物對水體中的pH值有一定的調節(jié)作用，當水體中pH值較大時會促使水生植物根系分泌有機酸來調節(jié)水體中酸堿平衡[12]。此外，鳳眼蓮的夜間呼吸作用和微生物代謝作用也是使處理水體中pH值下降的主要原因[13]。

在空白對照處理中，藻類有一定的繁殖，這會導致水體中光合作用增強，大量消耗溶解于水體中的CO2，打破水體中原有的碳酸鹽的平衡，使水體中H+ 濃度降低、pH值升高；另外，空白對照處理中溶氧量相對較高，這就促進O2與H+結合生成水的過程，從而降低了水體中H+濃度，導致pH值升高。

人工濕地和凈化塘具有特別的優(yōu)勢，不僅可以處理低濃度污水，同時還可以隱藏在生態(tài)園的綠地、花園中，提高生態(tài)園景觀環(huán)境的協(xié)調性和美觀性。本試驗著重利用鳳眼蓮凈化塘和人工濕地組合工藝對養(yǎng)殖尾水中N、P等營養(yǎng)因子的去除，以達到改善水質的目的。本試驗結果證明，65%覆蓋度凈化塘與濕地共同作用下TN、TP的去除率分別為55.6%、63.1%，與空白對照相比均有顯著性差異（P

濕地系統(tǒng)中TN的去除機制是多樣的，主要包括揮發(fā)硝化與反硝化植物攝取和基質吸附[4]，許多研究表明微生物的硝化與反硝化是脫氮的主要途徑。人工濕地系統(tǒng)中磷的去除由基質填料的物理化學作用、植物的攝取和微生物的同化作用共同完成[3]，而其中廣泛認同的主要去除機制是填料對磷的物化吸附和化學沉降作用。凈化塘的凈化機理主要是水生植物的作用起主導。鳳眼蓮凈化塘對水體氮磷的凈化效果較好，其原因包括2個方面：一是鳳眼蓮生物量增加較多，吸收了水體中的氮素合成自身的營養(yǎng)物質；二是鳳眼蓮根系發(fā)達，有利于微生物附著，發(fā)生硝化反硝化反應，有助于水體脫氮[6]。另外，鳳眼蓮在腐爛前打撈上岸可以避免其吸收的氮磷重新釋放回水體中。

目前，凈化塘和人工濕地處理機理雖然已部分得到認可，但仍有許多問題須解決，如鳳眼蓮的資源化利用以及人工濕地的植物選取和填料更替等。因此，不斷優(yōu)化養(yǎng)殖尾水處理方法，才能使該循環(huán)模式在池塘養(yǎng)殖尾水凈化中發(fā)揮更佳的效果。

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