曝氣-水生植物協(xié)同凈化養(yǎng)殖水體應(yīng)用研究

文/包尤思

1 引言

青蛙肉質(zhì)細(xì)嫩，營養(yǎng)豐富，具有較高的食用價值，在日常生活中是一種受歡迎的美味佳品。然而，青蛙是生態(tài)環(huán)境的保護(hù)者、是國家禁捕的保護(hù)動物，人工養(yǎng)殖青蛙是一種能兼顧青蛙的經(jīng)濟(jì)價值和保護(hù)生態(tài)環(huán)境不被破壞的有效方式，近年來發(fā)展迅速。然而，南方地區(qū)水系豐富、河網(wǎng)交錯，青蛙養(yǎng)殖業(yè)對水環(huán)境的污染問題也日益突顯。

水生植物修復(fù)技術(shù)具有前期投資不高、維護(hù)成本低、效果好、操作簡單、美觀等優(yōu)點(diǎn)，已成為污染水體生態(tài)治理與修復(fù)的重點(diǎn)研究方向[1,2]。水生植物不僅能對水中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和有機(jī)物有顯著的去除效果，還能富集水中的重金屬離子，如鉛、鋅、銅等[3,4]，另外還兼具滅藻功能[5]，已被廣泛應(yīng)用于河道、湖泊等方面的水污染治理。但當(dāng)水體中污染物濃度較高時，水體供氧和耗氧將會失衡。水體缺氧乃至厭氧易導(dǎo)致水生植株腐爛，腐殖質(zhì)進(jìn)一步會增加水體的污染負(fù)荷。人工曝氣是改善水體溶解氧含量低的重要手段，目前，人工曝氣技術(shù)在污水處理和河道整治中的應(yīng)用及研究較多[6]。如果在有機(jī)污染嚴(yán)重的青蛙養(yǎng)殖水體中同時采用人工曝氣和種植水生植物的手段[7]，一方面將有利于改良水體微生物群落結(jié)構(gòu)，另一方面也有助于改善水生植物根系的供氧狀態(tài)，從而能有效提高水體生態(tài)的修復(fù)效率。鑒于以上考慮，本文討論了在曝氣條件下水生植株的生長狀況，以及曝氣-水生植物體系對青蛙養(yǎng)只廢水中化學(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)和氨氮的去除效果，以期為青蛙養(yǎng)殖水體凈化技術(shù)提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究材料

漂浮水生植物，來自水生花卉種植基地。

本文研究對象為青蛙養(yǎng)殖水的定期排放水，其CODCr、濃度分別為280～368 mg/L、25.55～32.10 mg/L、2.03～2.83 mg/L。本研究以該青蛙養(yǎng)殖廢水為基礎(chǔ)，用以考察漂浮植物的水體修復(fù)能力，其進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

2.2 研究設(shè)計

本研究體系放置在室外，可以接收充足的光照。此外，該體系也安裝雨水遮擋措施。運(yùn)行期間，體系的水溫度為25～30 ℃。研究在兩個水池中進(jìn)行，分別為曝氣組（好氧組）和不曝氣組（缺氧組）。缺氧組作為對照組，用于探討人工曝氣對漂浮植物生長的影響及其修復(fù)養(yǎng)殖水體的效果。兩反應(yīng)池的尺寸均為1.0 m×0.4 m×0.6 m（長×寬×高），容積為240 L。曝氣管鋪設(shè)在曝氣池底部，反應(yīng)過程的溶解氧（DO）由曝氣鼓風(fēng)機(jī)提供，曝氣的流量設(shè)定為75 L/h。植株漂浮在盛有200 L 青蛙養(yǎng)殖廢水的水池中，水力負(fù)荷設(shè)為1.5 m3/(m2·d)。兩組研究的植株（每植株鮮重及生長狀況基本一致）初始放養(yǎng)量均設(shè)為1.725 kg/m2。在研究過程中，每7 d 采集并分析1 次進(jìn)、出水水樣，測定其CODCr、和TP 濃度，并稱取水生植株的鮮重，計算其生物量的增長速率，整個研究過程分析測量共計5 次，研究周期為35 d。本研究中污染物的去除率(R)按下列公式計算：R=100% ×(Ci-Ce)/Ci；式中Ci、Ce分別為進(jìn)水水樣和出水水樣的化學(xué)需氧量（mg/L）。本研究中植株的平均生物量增長速率(X)按下列公式計算：X=(mi-m0)/(t×A)；式中mi為第i次（i=1～5）稱取時鮮重（kg）；m0為初始鮮重（kg）；t為運(yùn)行時間（d）；A為植株漂浮凈化系統(tǒng)表面積（m2）。

2.3 檢測分析方法

本研究水樣質(zhì)量的CODCr、、TP 和DO 的檢測方法如表2 所示[8]。

表2 水質(zhì)指標(biāo)檢測方法

3 結(jié)果與討論

3.1 曝氣對植株生物量變化的影響

不同曝氣條件下植株總生物量的變化見圖1。由圖1可知，兩組反應(yīng)池內(nèi)植株的總生物量相差較大，說明溶解氧的含量對水生植物的生長影響大。植株投入反應(yīng)池后，兩組反應(yīng)池內(nèi)的植株均迅速繁殖，其平均生物量的增長率均呈先增后降的規(guī)律，并且均在第7 d 達(dá)到最大值，曝氣池內(nèi)平均生物增長率為110 g/(m2·d)，缺氧池內(nèi)平均生物增長率為21.4 g/(m2·d)；繼續(xù)運(yùn)行到21 天時，缺氧池的總生物量從1.725 kg/m2增加到2.125 kg/m2，其平均生物量的增長率僅達(dá)19 g/(m2·d)。相比而言，曝氣池中水生植株的總生物量從最初的1.725 kg/m2增加到了3.425 kg/m2，其平均生物量的增長率高達(dá)82 g/(m2·d)，增長率是缺氧池的4.3 倍。生物量增長率的顯著差異歸因于水生植株的生長特性，呼吸作用對植物生長的意義重大，是植物生長活動中所需能量的主要來源，水生植物根系的呼吸作用主要依靠水中的DO。由于缺氧池內(nèi)長期處于缺氧或厭氧狀態(tài)，DO含量很低，氧氣供應(yīng)不足，導(dǎo)致植物根系呼吸缺氧。不僅如此，厭氧微生物活動產(chǎn)生的大量酸類物質(zhì)以及甲烷、硫化氫等有害氣體，易對植物產(chǎn)生毒害作用，從而影響水生植物生長發(fā)育。因此，其他環(huán)境條件相對一致的情況下，曝氣條件直接影響水生植物的生長發(fā)育。運(yùn)行21 天后，兩組反應(yīng)池內(nèi)總生物量幾乎不再增加，選擇在此時對水生植物進(jìn)行收割，可最大限度地發(fā)揮其處理污染物的效能。

圖1 不同曝氣條件下水生植株總生物量變化

氮、磷是影響水生植物生長的主要元素，水生植物吸收的營養(yǎng)元素越多，其生長速度越快，治污的效果越好。據(jù)研究，水生植株生長每增加100 kg (干重6 kg)，可吸收水體中的氮、磷、鉀的量分別為158 g、25.8 g、255 g[9]。按本研究所得曝氣池內(nèi)最大生物量增長率0.11 kg/(m2·d)計算，每1 m2的植株每天可增重0.11 kg，相應(yīng)地可從污染水體中吸收氮、磷、鉀的量分別為0.17 g、0.028 g 和0.28g。該結(jié)果表明曝氣-水生植株體系凈化水體具有可行性，且運(yùn)行成本低、凈化效率高。

3.2 曝氣對水生植株凈化污水效果的影響

圖2-4 為曝氣-水生植株體系對主要水質(zhì)指標(biāo)CODCr、和TP 的影響結(jié)果。

3.2.1 曝氣對水生植株治理污水CODCr 的影響

在曝氣-水生植株體系處理青蛙養(yǎng)殖水體期間，進(jìn)水CODCr濃度為280～368 mg/L，平均為307 mg/L。曝氣池和缺氧池出水CODCr濃度分別為32～80 mg/L和200～260 mg/L，平均質(zhì)量濃度分別為53 mg/L 和234mg/L，其中，曝氣池的出水CODCr達(dá)到GB 18918-2002的一級B排放標(biāo)準(zhǔn)，接近一級A排放標(biāo)準(zhǔn)[10]。由圖2 (b)可見，投入水生植物運(yùn)行14 天內(nèi)，CODCr去除率逐漸增加，曝氣池CODCr去除率明顯高于缺氧池。但在14～21天，去除率增加幅度趨于平緩。這可能是由于，一方面水生植物部分枯葉脫落進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體內(nèi)有機(jī)物含量升高；另一方面，水生植物根部吸附了有機(jī)物，且已經(jīng)達(dá)到飽和，因此CODCr的去除速率減緩。此外，水生植物總生物量變化趨勢與所在水體中的CODCr去除率的趨勢相同，說明水生植物的生物量對CODCr的去除具有重要作用。當(dāng)該體系運(yùn)行至21 天時，兩組的CODCr去除率均達(dá)到最高值，分別為89.7%和32.4%。當(dāng)運(yùn)行結(jié)束時，曝氣池的CODCr去除率遠(yuǎn)高于缺氧池，這說明在水生植物處理青蛙養(yǎng)殖廢水的過程中，曝氣對CODCr的去除效果發(fā)揮了很大作用。

3.2.2 曝氣對水生植株去除水體效果的影響

圖2 不同曝氣條件下水生植株對出水COD 的影響

圖3 不同曝氣條件下植株對出水NH4+-N 的影響

圖4 不同曝氣條件下植株對出水TP 的影響

3.2.3 曝氣對植株去除水體TP 能力的影響

在曝氣-水生植株體系處理廢水期間，進(jìn)水的TP 濃度為2.04～2.53 mg/L，平均2.18 mg/L。曝氣池和缺氧池出水TP 濃度分別為0.96～1.32 mg/L 和1.49～2.43 mg/L，平均質(zhì)量濃度分別為0.98 mg/L 和1.84 mg/L，曝氣池出水TP 達(dá)到GB 18918-2002 一級B 排放標(biāo)準(zhǔn)[10]。由圖2 (b)可見，兩組反應(yīng)池內(nèi)TP 去除率均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，運(yùn)行到21 天 時，去除率均達(dá)到最高值，曝氣池的去除率為53.62%，厭氧池為28.3%。隨著運(yùn)行時間的增加，植株對磷元素的吸收趨于飽和，該系統(tǒng)對TP的去除率逐漸降低。

由圖2—4 可見，植株總生物量與所在水體中的有機(jī)物及N、P 去除率的變化趨勢相同，且對N 的去除率明顯高于P 的去除率，說明植株對N 的吸收量遠(yuǎn)高于P。當(dāng)曝氣-水生植株體系運(yùn)行到第21 天時，曝氣池內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)COD、和TP 的去除率高達(dá)89.7%、81.1%及53.62%，去除效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于缺氧池，是缺氧池對應(yīng)指標(biāo)的2.8、4.0 和1.9 倍。

4 結(jié)論

（1）利用曝氣-水生植株體系處理青蛙養(yǎng)殖廢水，當(dāng)運(yùn)行溫度在25～30℃，體系連續(xù)運(yùn)行到第21 天時，曝氣池中的水生植物總生物量增加了1.7 kg/m2，其平均生物量的增長率為82 g/(m2·d)，較缺氧對照池生物量的增長率更高，是缺氧池的4.3 倍。該結(jié)果說明曝氣有利于水生植物的生長。繼續(xù)運(yùn)行時，植株生物量幾乎不變。因此，21 天為該體系收割水生植物的最佳周期。

（2）不論在曝氣-水生植株體系，還是缺氧-水生植株體系，植株總生物量增加趨勢與所在水體中的有機(jī)物及N、P 去除的趨勢相同。當(dāng)兩個體系運(yùn)行到運(yùn)行21 d 時，曝氣池內(nèi)的水質(zhì)指標(biāo)CODCr、的去除率分別達(dá)到了89.7%、81.1%及53.62%，是缺氧-水生植株體系對應(yīng)指標(biāo)的2.8、4.0 和1.9 倍。曝氣-水生植株處理體系的出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918-2002 一級B 排放要求。

（3）水生植物法凈化青蛙養(yǎng)殖廢水運(yùn)行成本低、操作可行性高，增加曝氣設(shè)備，對污水治理具有協(xié)同效果，能夠大幅度地提高凈化效率。

（4）青蛙是冬眠動物。利用冬眠季節(jié)，及時收割清理凈化養(yǎng)殖排放廢水的水生植株，既不影響?zhàn)B殖作業(yè)，又能保持水生植物較好的凈化效果。