紅樹林人工濕地-養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)構(gòu)建與凈化效果

仇建標(biāo)，陳琛，彭欣，方曉琪，鄭春芳，蔡景波

(浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所 浙江省近岸水域生物資源開發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325005)

近年水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，由此引發(fā)的污染問題日趨嚴(yán)重，大量養(yǎng)殖尾水未經(jīng)處理直接排入臨近水域，使水體富營養(yǎng)化，誘發(fā)赤潮爆發(fā)[1]。傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式面臨挑戰(zhàn)，如何降低或減少養(yǎng)殖尾水的排放已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。紅樹林是生長在熱帶和亞熱帶地區(qū)海岸潮間帶灘涂上的木本植物群落[2]，具有獨(dú)特的生態(tài)功能，在維持生物多樣性和海岸帶生態(tài)平衡、凈化水質(zhì)、抑制海洋赤潮的發(fā)生等方面都具有重要作用[3-4]，尤其是凈化水質(zhì)方面，其發(fā)達(dá)的根系能吸收水中的氮、磷及重金屬，過濾陸地徑流和內(nèi)陸帶出的污染物等[5]。

人工濕地作為20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型污水生態(tài)凈化技術(shù)[6]，與傳統(tǒng)的生化二、三級(jí)處理相比，人工濕地具有投資少、凈化效果好、運(yùn)行維護(hù)方便、氮磷去除率高、對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7-9]，近年來在世界各地得到廣泛應(yīng)用[10-12]。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于人工濕地的研究主要集中在處理受污染淡水方面，利用人工濕地處理受污染海水方面研究相對(duì)較少，尤其是利用紅樹林人工濕地凈化海水養(yǎng)殖尾水的研究方面鮮有報(bào)道。Sansanayuth等[10]曾通過建立紅樹-沙粒層模型對(duì)高濃度蝦養(yǎng)殖的懸浮物去除效果進(jìn)行研究，彭友貴等[11-12]在養(yǎng)殖塘中栽種紅樹植物可以改善養(yǎng)殖塘的水質(zhì)，高鋒等[13]在小規(guī)模試驗(yàn)中對(duì)秋茄人工濕地凈化養(yǎng)殖廢水效果進(jìn)行了初步研究。

浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所于2007年開始在緯度較高的浙南進(jìn)行紅樹林的引種試驗(yàn)[14]，先后在品種篩選、低溫馴化、生態(tài)適應(yīng)性等方面的研究取得較大進(jìn)展[15-17]，為在大規(guī)模海水養(yǎng)殖中應(yīng)用紅樹林人工濕地凈化養(yǎng)殖尾水提供了技術(shù)支撐。本研究通過構(gòu)建紅樹林人工濕地，形成紅樹林人工濕地-養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)，利用紅樹林人工濕地具有較強(qiáng)的凈化水質(zhì)作用，來凈化海水養(yǎng)殖尾水，減少養(yǎng)殖尾水的大量排放，在生態(tài)養(yǎng)殖和養(yǎng)殖尾水減排方面具有重要的示范和推廣意義。

1 材料與方法

1.1 紅樹林人工濕地-養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)構(gòu)建

紅樹林人工濕地位于浙江溫州市龍灣區(qū)甌江入?？谀习队琅d海水養(yǎng)殖基地內(nèi)，該基地處27°54′～28 °01′N，120 °42′～120 °51′E，該區(qū)域?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)濕潤氣候，年均氣溫17～18 ℃，極端高溫39.6 ℃，極端最低氣溫-4.5 ℃，年降水量1 191.7～1 526.8 mm，該區(qū)域通過紅樹林引種試驗(yàn)，比較適合紅樹植物秋茄的生長。在紅樹林人工濕地設(shè)計(jì)方面，為了考慮延長養(yǎng)殖尾水在濕地中的停留時(shí)間，設(shè)計(jì)人工濕地為長條形，濕地長度約為350 m，寬約23 m，濕地面積約8 000 m2，該人工濕地類型為地表流人工濕地，選擇的濕地植物以種植秋茄為主，配種少量的桐花樹，種植密度為每株間距30～50 cm，種植初期最好經(jīng)常干露濕地，促進(jìn)其幼苗的生長。

圖1 紅樹林人工濕地-養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)

1.2 方法

2 結(jié)果與分析

2.1 紅樹林人工濕地對(duì)氮素的去除效果

由圖2可知，可溶性無機(jī)氮(DIN)進(jìn)水口為0.87～2.06 mg·L-1，平均為1.46 mg·L-1；出水口0.47～1.04 mg·L-1，平均為0.69 mg·L-1；水體中DIN平均去除率為52.56%。另外從運(yùn)行結(jié)果來看，進(jìn)水氮素濃度波動(dòng)較大，這與海水養(yǎng)殖系統(tǒng)運(yùn)行過程中不同時(shí)間段投餌及排污有關(guān)；相應(yīng)地，出水水質(zhì)波動(dòng)較小，這顯示紅樹林濕地具有一定的抗沖擊負(fù)荷的作用。

NO2-N也是直接影響水生動(dòng)物生長的毒害性物質(zhì)，進(jìn)水中NO2-N最高時(shí)達(dá)到0.88 mg·L-1，出現(xiàn)在6月底，若直接進(jìn)入養(yǎng)殖池，將可能對(duì)養(yǎng)殖生物造成影響。試驗(yàn)期間進(jìn)水口NO2-N在0.02～0.88 mg·L-1，平均為0.31 mg·L-1；出水口在0.01～0.33 mg·L-1，平均為0.12 mg·L-1，平均去除率為61.23%。從系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果來看，對(duì)NO2-N也具有明顯去除作用。

就NO3-N而言，在DIN去除時(shí)也同步下降，說明紅樹林濕地可能具有一定的反硝化作用，這與濕地長期淹水、存在厭氧條件有關(guān)，植物凋落物較

圖2 紅樹林人工濕地對(duì)氮素的去除效果

多時(shí)會(huì)促進(jìn)反硝化。試驗(yàn)期間進(jìn)水口NO3-N在0.12～0.79 mg·L-1，平均為0.35 mg·L-1；出水口在0.09～0.26 mg·L-1，平均為0.16 mg·L-1，平均去除效率為53.14%。

2.2 紅樹林人工濕地對(duì)DIP的去除效果

由圖3可知，系統(tǒng)對(duì)活性磷(DIP)具有去除效果，進(jìn)水口DIP在0.04～0.36 mg·L-1，平均0.14 mg·L-1；出水口在0.02～0.11 mg·L-1，平均0.09 mg·L-1，去除率為36.40%。DIP的去除與植物吸收、水中及底泥中無機(jī)顆粒物質(zhì)吸收作用有關(guān)，相對(duì)于較長的停留時(shí)間，系統(tǒng)對(duì)DIP的去除率偏低，這可能與TSS未得到有效截留有關(guān)。

圖3 紅樹林人工濕地對(duì)DIP的去除效果

2.3 紅樹林人工濕地對(duì)懸浮物的去除效果

海水養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生大量殘餌、碎屑物等，因此，排水中懸浮物質(zhì)含量較高。從本系統(tǒng)的運(yùn)行情況(圖4)來看，紅樹林濕地進(jìn)水中TSS總體較高，進(jìn)水口在26.20～94.00 mg·L-1，平均達(dá)到54.86 mg·L-1；然而，出水中TSS存在明顯升高現(xiàn)象，在59.14～226.15 g·L-1，平均高達(dá)134.80 mg·L-1，為進(jìn)水的2.5倍，這一反?，F(xiàn)象反映了紅樹林濕地尚未處于理想運(yùn)行狀態(tài)，分析認(rèn)為可能與進(jìn)水口出現(xiàn)沖刷效應(yīng)及紅樹林濕地內(nèi)部存在短流現(xiàn)象造成局部區(qū)域過水過高等有關(guān)。

圖4 紅樹林人工濕地對(duì)TSS的去除效果

3 討論

人工濕地凈化原理主要是利用“土壤-植物-微生物”這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、微生物同化分解和植物吸收等途徑去除廢水中的懸浮物、有機(jī)物、氮、磷和重金屬等來達(dá)到凈化效果[19-21]。植物是人工濕地的重要組成部分，有較多的研究表明，有植物人工濕地系統(tǒng)凈化效果明顯好于無植物人工濕地系統(tǒng)[22-24]。由于海水養(yǎng)殖中尾水的鹽度效應(yīng)，在人工濕地技術(shù)中針對(duì)海水養(yǎng)殖尾水處理的可選擇植物較少，而紅樹植物是海水人工濕地中重要組成部分。如何更有效地構(gòu)建紅樹林人工濕地，發(fā)揮人工濕地更大的凈化作用，除了對(duì)人工濕地中紅樹林的種類、種植密度及濕地的結(jié)構(gòu)和流量等進(jìn)行設(shè)計(jì)外，在人工濕地運(yùn)行期間應(yīng)盡量適當(dāng)模擬自然狀態(tài)，對(duì)紅樹林人工濕地進(jìn)行適當(dāng)?shù)母陕叮欣诩t樹植物的生長和存活，可提高人工濕地的凈化效能。

4 小結(jié)