基于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化的生態(tài)濕地修復(fù)工程：以江蘇東臺市沿海淡水養(yǎng)殖區(qū)為例

陳 浩 朱敦學(xué) 蔡翰林 安樹青 史新星 朱正杰*

(1 南京大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京，210024；2 南京大學(xué)常熟生態(tài)研究院，南京大學(xué)(常熟)研究院有限公司，江蘇 蘇州，215500；3 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046)

我國是世界上唯一養(yǎng)殖水產(chǎn)品總量超過捕撈總量的漁業(yè)國家。2018年，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖總量超過5 000萬t，占水產(chǎn)品總量的78%以上(汪鵬合, 2021)。水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的主要來源有肥料、飼料、藥物等使用所產(chǎn)出的固液態(tài)廢棄物,如殘餌、殘藥、排泄物、固態(tài)物質(zhì)的溶出成分以及藥物反應(yīng)剩余物質(zhì)(吳偉, 2014)，主要污染成分為懸浮顆粒物(SS)、氨氮(NH4+-N)、有機(jī)氮和磷酸鹽等。據(jù)2017年國家生態(tài)環(huán)境部、國家統(tǒng)計(jì)局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合發(fā)布的《第二次全國污染源普查公報(bào)》顯示，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)所排放的化學(xué)需氧量(COD) 66.60萬t、NH4+-N 2.23萬t、總氮(TN)9.91萬t以及總磷(TP)1.61萬t(生態(tài)環(huán)境部, 2017)。水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水排放量如此之高，若不經(jīng)妥善處理直接排放，不僅危害水環(huán)境質(zhì)量，甚至危害人體健康安全，水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的治理迫在眉睫。

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的處理方式主要有物理法包括機(jī)械過濾、泡沫分離、膜分離等，化學(xué)法包括臭氧氧化法、絮凝技術(shù)、電化學(xué)處理法等，生物法有生物膜法、微生物制劑法、人工濕地技術(shù)等(楊明舉等, 2020; Chávez-Crooker, 2010; Mook et al, 2012)。其中，物理法對N、P去除效率較低，化學(xué)法處理費(fèi)用高且易造成二次污染，而生物法因其具有去除廢水中污染物效率高、成本低，無二次污染等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的治理(吳衛(wèi)飛等, 2019)。

本文以江蘇東臺市沿海淡水養(yǎng)殖區(qū)為例，針對研究區(qū)存在的養(yǎng)殖尾水水質(zhì)超標(biāo)、濕地生境破壞嚴(yán)重以及植被多樣性喪失等問題，分別采取水質(zhì)凈化工程、生境修復(fù)工程以及植被修復(fù)工程，以滿足研究區(qū)生態(tài)需求，恢復(fù)研究區(qū)原始生境，從而為水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的尾水濕地生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)的研發(fā)提供理論價(jià)值與實(shí)踐參考。

1 研究區(qū)概況與問題分析

研究區(qū)位于江蘇省鹽城市東臺市沿海淡水養(yǎng)殖區(qū)，位于東經(jīng)120°54′～120°57′，北 緯32°43′～32°46′之間。研究區(qū)北側(cè)臨近江蘇鹽城濕地珍禽國家級保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)和中國黃(渤)海候鳥棲息地(第一期)世界自然遺產(chǎn)地及緩沖區(qū)，屬于生態(tài)敏感區(qū)域。

研究區(qū)總面積為1 870 hm2，其中包括淡水養(yǎng)殖區(qū)1 420 hm2和生態(tài)濕地區(qū)444 hm2(圖1)。淡水來源為三倉河引水，通過三倉河引水渠引入各養(yǎng)殖塘，魚類養(yǎng)殖包含青魚(Mylopharyngodon piceus)、草魚(Ctenopharyngodon idella)、鰱(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙(Aristichthys nobilis)等。養(yǎng)殖區(qū)每年清塘一次，清塘養(yǎng)殖廢水通過排水渠排入生態(tài)濕地區(qū)，經(jīng)排海閘排入黃海海域，排水量約37.7×104m3/d。通過現(xiàn)場調(diào)查與查閱資料可知，目前江蘇省東臺市主要存在以下生態(tài)問題。

圖1 研究區(qū)域現(xiàn)狀圖Fig.1 Current status of the research area

1.1 尾水水質(zhì)超標(biāo)

東臺市沿海淡水養(yǎng)殖區(qū)大多為開放型養(yǎng)殖模式，養(yǎng)殖廢水中通常含有大量的殘餌、養(yǎng)殖產(chǎn)物排泄物、漁藥等，而這些物質(zhì)中富含的高濃度N、P等營養(yǎng)物質(zhì)和其他有機(jī)物是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因。據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：研究區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖尾水水質(zhì)超出海水受納水域養(yǎng)殖尾水排放限值Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)要求：其中SS濃度超標(biāo)2.45倍，COD濃度超標(biāo)1.09倍，TN濃度超標(biāo)0.2倍，TP濃度超標(biāo)0.768倍。

1.2 尾水濕地生境破壞嚴(yán)重

東臺市沿海養(yǎng)殖區(qū)部分水產(chǎn)養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖專業(yè)知識匱乏，環(huán)保意識薄弱，一味地追求水產(chǎn)產(chǎn)量，而忽略了其帶來的巨大環(huán)境壓力。久而久之，養(yǎng)殖尾水污染物排放量遠(yuǎn)超環(huán)境容量，環(huán)境承載力不足，尾水濕地生境遭到嚴(yán)重破壞，生態(tài)功能逐漸喪失。

1.3 植被多樣性喪失

隨著養(yǎng)殖廢水中高濃度N、P的排放導(dǎo)致植被群落組成與結(jié)構(gòu)改變，甚至抑制了植被非優(yōu)勢種的生長，導(dǎo)致優(yōu)勢種植被逐漸喪失。此外，濕地生境的嚴(yán)重破壞，也導(dǎo)致養(yǎng)殖區(qū)尾水濕地的植物愈發(fā)稀少，植被多樣性逐漸喪失。

2 濕地修復(fù)目標(biāo)與策略

2.1 濕地修復(fù)目標(biāo)

養(yǎng)殖尾水水質(zhì)滿足《池塘養(yǎng)殖尾水排放標(biāo)準(zhǔn)DB32/4043-2021》中海水受納水域養(yǎng)殖尾水排放限值Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，恢復(fù)區(qū)域多樣生境，豐富區(qū)域生物多樣性，構(gòu)建區(qū)域鳥類棲息地，提升區(qū)域總體生態(tài)景觀。

2.2 濕地修復(fù)策略

應(yīng)用濕地生態(tài)凈化技術(shù)，構(gòu)建濾食性魚類區(qū)、底棲和浮游動(dòng)物區(qū)、水生植物區(qū)，分別對養(yǎng)殖廢水中大中小型餌料、水產(chǎn)生物排泄物及其他有機(jī)物進(jìn)行降解，凈化魚塘尾水水質(zhì)。通過地形改造與植被恢復(fù)等措施，恢復(fù)湖泊濕地、灌叢沼澤、蘆葦沼澤、淺灘濕地等不同生境，為雁鴨類、鷺類、鶴類、鸻鷸類等鳥類提供棲息環(huán)境。根據(jù)濱海濕地鹽堿化的特征及水質(zhì)凈化需求，綜合考慮濕地植物耐鹽性與凈化效果，開展植被修復(fù)工程。

3 濕地生態(tài)修復(fù)主要措施

3.1 水質(zhì)凈化工程

水質(zhì)凈化工程設(shè)計(jì)處理養(yǎng)殖廢水量37.7×104m3/d，經(jīng)3個(gè)排水渠分別導(dǎo)流至生態(tài)濕地區(qū)，再依次經(jīng)過濾食性魚類區(qū)、底棲和浮游動(dòng)物區(qū)、水生植物區(qū)凈化，SS、COD、TN、TP排放滿足《池塘養(yǎng)殖尾水排放標(biāo)準(zhǔn)DB32/4043-2021》中海水受納水域養(yǎng)殖尾水排放限值Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)要求，尾水通過排海閘排入黃海海域(圖2)。

圖2 濕地凈化工程平面布置圖Fig.2 Floor plan of wetland purification project

3.1.1 濾食性魚類區(qū)濾食性魚類是一類用鰓耙過濾水中微小的浮游生物、細(xì)菌、有機(jī)碎屑等的魚類。該區(qū)域主要針對尾水中剩余大中型餌料進(jìn)行定向去除，通過魚類的濾食作用，捕食尾水中剩余的大中型餌料，能夠顯著降解有機(jī)氮、有機(jī)磷。陳家長等(2007)利用蚌、魚混養(yǎng)處理池塘養(yǎng)殖尾水，COD、TN、TP的 平 均 去 除 率 分 別 為32.49%、34.75%、26.93%。參照設(shè)計(jì)濾食性魚類區(qū)有效面積65.3 hm2，水力停留時(shí)間2.6 d，水深1.5～2.0 m，主要放殖鯽(Carassius auratus)、鯰(Silurus asotus)、黃顙(Pelteobagrus fulvidraco)等濾食性魚類。

3.1.2 底棲和浮游動(dòng)物區(qū)底棲動(dòng)物是指生活史的全部或大部分時(shí)間生活于水體底部的水生動(dòng)物群。浮游動(dòng)物是一類經(jīng)常在水中浮游，本身不能制造有機(jī)物的異養(yǎng)型無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物幼體的總稱，在水中營浮游性生活的動(dòng)物類群。該區(qū)域主要針對尾水中剩余小型餌料及大分子有機(jī)物進(jìn)行定向去除，底棲動(dòng)物和浮游動(dòng)物可以通過濾食作用，捕食尾水中剩余的小型、中型餌料，進(jìn)一步降解有機(jī)氮、有機(jī)磷。參照陳家長等(2007)的研究數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)底棲和浮游動(dòng)物區(qū)有效面積76 hm2，水力停留時(shí)間2.0 d，平均水深1.0 m。主要放殖貝類、螺螄等底棲動(dòng)物，水蚤蟲、食藻蟲等浮游動(dòng)物。

預(yù)計(jì)濾食性魚類區(qū)、底棲和浮游動(dòng)物區(qū)能夠削減SS、COD、TN、TP至少分別為50%、30%、30%和20%。

3.1.3 水生植物區(qū)水生植物區(qū)主要針對尾水中可溶性污染物進(jìn)行定向去除，通過水生植物的吸收和微生物的降解作用，凈化尾水中的SS、COD、無機(jī)氮和無機(jī)磷。李懷正等(2011)針對上海松江五庫農(nóng)業(yè)園區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖污染問題，利用水生植物塘集成技術(shù)進(jìn)行處理，獲得了較好的TN、TP處理效果。參照《污水自然處理工程技術(shù)規(guī)程》(國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2017)，設(shè)計(jì)水生植物區(qū)有效面積98.8 hm2，水力停留時(shí)間2.1 d，分為挺水植物區(qū)、沉水植物區(qū)和灘地植物區(qū)。挺水植物區(qū)設(shè)計(jì)水深0.3～0.5 m，主要種植蘆葦(Phragmites australis)、千屈菜(Lythrum salicaria)、香 蒲(Typha orientalis)等耐鹽挺水植物；沉水植物區(qū)設(shè)計(jì)水深1.0～1.5 m，主要種植篦齒眼子菜(Stuckenia pectinata)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)、穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum)等耐鹽沉水植物；灘地植物區(qū)主要設(shè)計(jì)在灘地，主要種植檉柳（Tamarix chinensis）和堿蓬(Suaeda glauca)。

3.2 生境修復(fù)工程

在地形改造的同時(shí)，考慮區(qū)域?yàn)I海鳥類的棲息地需求，對區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，恢復(fù)湖泊濕地、蘆葦沼澤、淺灘濕地、灌叢沼澤等不同生境，增加區(qū)域生境的多樣性，豐富區(qū)域動(dòng)植物種類和數(shù)量，恢復(fù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能，增強(qiáng)區(qū)域抗污染沖擊能力(圖3)。

圖3 生態(tài)修復(fù)平面布置圖Fig.3 Layout of ecological restoration

3.2.1 湖泊濕地區(qū)雁鴨類偏向選擇具有開闊水域、充足食物供給和相對較低植被覆蓋的生境(潘家琳等, 2019)。依托現(xiàn)有濾食性魚類塘、底棲和水生動(dòng)物塘、沉水植物塘構(gòu)建湖泊濕地區(qū)，營造雁鴨類棲息地，建設(shè)總面積為144 hm2。通過設(shè)置大面積深水區(qū)寬敞水面，投放魚類和底棲動(dòng)物，種植沉水植物，為雁鴨類提供覓食環(huán)境；設(shè)置生態(tài)島，種植挺水植物和草本植物，為雁鴨類提供避險(xiǎn)區(qū)；設(shè)置泥灘地為雁鴨類提供休憩區(qū)。

3.2.2 蘆葦沼澤區(qū)鶴類的主要棲息地類型為蘆葦沼澤(王成等, 2018)。在湖泊濕地邊緣設(shè)計(jì)淺水區(qū)，水深0.3～0.5 m，通過種植蘆葦，形成蘆葦沼澤區(qū)，總面積為112 hm2。重點(diǎn)營造鶴類棲息地，為鶴類提供筑巢與覓食環(huán)境，同時(shí)也為雁鴨類提供避險(xiǎn)環(huán)境。

3.2.3 淺灘濕地區(qū)大中型鸻鷸類適宜棲息、覓食于10 cm以下的淺水生境，小型鸻鷸類更適合棲息在濕潤的泥灘生境中(李艷英等, 2020)。在蘆葦濕地和湖泊濕地岸邊，通過自然放坡，坡度1:5～1:10，可自然形成淺灘濕地區(qū)，總面積為85 hm2。淺灘濕地以大面積光灘為主，重點(diǎn)營造鸻鷸類棲息地，為鸻鷸類提供休憩環(huán)境，同時(shí)為雁鴨類提供覓食環(huán)境。

3.2.4 灌叢沼澤區(qū)白鷺適宜棲息在海島低灌草叢中(朱曦等, 2001)。依托生態(tài)島和灘地植被恢復(fù)設(shè)計(jì)灌叢沼澤區(qū)，總面積為103 hm2，恢復(fù)檉柳(Tamarix chinensis)等灌木。通過恢復(fù)生態(tài)島和灌叢沼澤，重點(diǎn)營造鷺類棲息地，為鷺類提供筑巢環(huán)境。

3.3 植被修復(fù)工程

由于鹽堿化的影響，研究區(qū)氯化物濃度約為3 000～4 000 mg/L，植被修復(fù)選擇應(yīng)考慮植物的耐鹽性要求。

3.3.1 挺水植物劉小川等(2013)研究表明，在10‰的鹽度下，千屈菜(Lythrum salicaria)、蘆葦(Phragmites australis)和香蒲(Typha orientalis)可作為挺水植物中的先鋒植物，在其他研究中也有相似結(jié)論(趙卉琳等, 2014)。馬牧源等(2006)研究微咸水條件下植物的修復(fù)效果，在鹽度為6‰時(shí)，黃花鳶尾(Iris wilsonii)和美人蕉(Canna indica)都能夠正常生長。結(jié)合研究分析，挺水植物選擇以蘆葦、千屈菜和香蒲等最為適宜。

3.3.2 沉水植物劉文竹等(2019)發(fā)現(xiàn)，小茨藻(Najas minor)和篦齒眼子菜(Stuckenia pectinata)能在15‰和8‰的鹽度條件下存活，金魚藻(Ceratophyllum demersum)最高耐受6‰的鹽度。唐運(yùn)平等(2008)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，川蔓藻(Ruppia maritima)和篦齒眼子菜(Potamogeton pectinatus)具有較強(qiáng)的耐鹽能力，當(dāng)水體含鹽量為7 000 mg/L時(shí)，依然能夠生長良好。王衛(wèi)紅等(2007)通過耐鹽實(shí)驗(yàn)得到類似結(jié)論，沉水植物耐鹽性表現(xiàn)為：川蔓藻＞篦齒眼子菜＞狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)＞金魚藻。結(jié)合研究分析，沉水植物選擇以蓖齒眼子菜、狐尾藻、金魚藻等最佳。

3.3.3 灘地植物堿蓬(Suaeda glauca)及其與土著微生物協(xié)同修復(fù)海水養(yǎng)殖廢水的比較研究結(jié)果表明，堿蓬對養(yǎng)殖廢水中N、P具有較好的去除能力，同時(shí)可以滿足耐鹽性的要求(蔡魯祥, 2020)。結(jié)合研究分析，灘地植物選擇以檉柳和堿蓬最為適宜。

4 預(yù)期成效

(1)經(jīng)過濕地生態(tài)處理，養(yǎng)殖尾水中SS能夠削減70%以上，COD能夠削減50%以上，TN能夠削減30%以上，TP能夠削減40%以上；

(2)排海口水質(zhì)達(dá)到海水受納水域養(yǎng)殖尾水排放限值Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)要求；

(3)構(gòu)建豐富的生境，提高生物多樣性，恢復(fù)健康水生態(tài)系統(tǒng)，為濱海鳥類提供棲息環(huán)境。

5 結(jié)論

針對淡水養(yǎng)殖廢水中有機(jī)氮磷超標(biāo)問題，通過生態(tài)濕地修復(fù)工程設(shè)計(jì)，構(gòu)建濾食性魚類區(qū)、底棲和浮游動(dòng)物區(qū)、水生植物區(qū)分別對養(yǎng)殖廢水進(jìn)行降解，凈化魚塘尾水水質(zhì)。同時(shí)通過地形改造與植被恢復(fù)等措施實(shí)施濕地生態(tài)修復(fù)，恢復(fù)不同生境，為濱海鳥類提供棲息環(huán)境。預(yù)期通過生態(tài)濕地修復(fù)，養(yǎng)殖廢水凈化效果顯著，SS、COD、TN、TP分別削減70%、50%、30%、40%以上，排放水質(zhì)達(dá)到海水受納水域養(yǎng)殖尾水排放限值Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)要求，并恢復(fù)健康的水生態(tài)系統(tǒng)，為不同鳥類提供棲息環(huán)境。