紅樹林人工濕地的脫氮除磷效果研究

劉永，張詩涵，肖雅元，吳鵬，王騰，李純厚*

（1.農業(yè)農村部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室，廣東珠江口生態(tài)系統野外科學觀測研究站，中國水產科學研究院南海水產研究所，廣州 510300；2.上海海洋大學，上海 201306；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣州 511458）

我國的水產品生產規(guī)模位居世界第一，并且是世界上唯一水產養(yǎng)殖規(guī)模超捕撈規(guī)模的國家。隨著海水養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，如果盲目擴大規(guī)模和投入，將會導致海水池塘養(yǎng)殖過程中放養(yǎng)密度不合理，養(yǎng)殖殘餌或排泄物超過環(huán)境承載力等問題，養(yǎng)殖環(huán)境將不斷惡化，生態(tài)負面效應將日益突出。含有大量N、P等營養(yǎng)元素的養(yǎng)殖尾水如果未經凈化任意排放，將導致自身水體及鄰近水域的富營養(yǎng)化等污染問題，同時會通過水環(huán)境問題的反饋作用極大限制海水養(yǎng)殖業(yè)的綠色健康發(fā)展。

近年來，我國高度重視產業(yè)發(fā)展帶來的生態(tài)環(huán)境問題，走漁業(yè)生態(tài)優(yōu)先發(fā)展道路，推進“綠色、生態(tài)”水產養(yǎng)殖迫在眉睫。2019 年，國家十部委聯合發(fā)布的《關于加快推進水產養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的若干意見》指出，“養(yǎng)殖尾水生態(tài)凈化”與“達標排放”等問題日益受重視，是推動水產養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的重點和關鍵點。同時指出，應用生物凈化、人工濕地等技術，可以有效推動養(yǎng)殖尾水資源化利用或達標排放。

當前，海水養(yǎng)殖尾水的凈化處理主要有物理、化學和生物3 種方法。物理方法包括過濾、沉淀、吸附、水體交換、機械增氧等，多應用于小型養(yǎng)殖池塘的污染處理（如高位蝦塘的水體凈化）；化學處理方法包括氧化、混凝和離子交換等，短期內效果較好，但成本高且容易造成二次污染；生物修復方法是利用生態(tài)系統中各種生物間的互利、協作和共生關系，直接或間接地調控和修復環(huán)境，具有成本低、效果好等特點，主要包括動物修復、微生物修復、植物修復和生物修復體系技術4 個類型。生物修復體系技術中的人工濕地（Constructed wetland）修復技術因具有低成本、高生態(tài)效益的綜合優(yōu)勢而被廣泛應用。

紅樹林是熱帶亞熱帶海岸帶的典型生態(tài)系統之一，紅樹植物具有強大的根系，目前已被廣泛應用于生活污水中生源要素（N和P）、重金屬、多環(huán)芳烴等持久性污染物的生物修復。紅樹植物具有一定的耐鹽性，因此適宜對具有一定鹽度的海水池塘養(yǎng)殖尾水進行修復。本研究聚焦紅樹林人工濕地，以華南地區(qū)常見的紅樹植物——桐花樹（）、秋茄（）和紅海欖（）為研究對象，設置N 和P 的不同濃度廢水開展室內模擬試驗，研究紅樹林人工濕地對養(yǎng)殖尾水中N、P的去除效果，為應用紅樹林人工濕地開展海水池塘養(yǎng)殖尾水凈化提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗植物

在廣州市番禺區(qū)海鷗島紅樹林區(qū)苗圃采集6～8月齡的桐花樹（）、秋茄（）和紅海欖（）幼苗，在實驗室人工氣候箱中適應性培育3 個月后，選取大小相近、生長狀況良好的樹苗進行試驗。

1.1.2 供試基質

試驗采用沙質培養(yǎng)，供試基質采自廣州市花都區(qū)某河道。基質采集并運送至基地后，用大量清水沖洗5次，再用純凈水浸泡48 h（盡量消除試驗沙攜帶的營養(yǎng)物質對試驗產生的干擾），瀝水后自然風干，過80目篩，備用。

1.1.3 供試試劑

試驗處理、植物澆灌所需試劑均為分析純及以上等級。試驗澆灌用人工海水使用海寶牌生態(tài)海水鹽配制，鹽度為20‰；氨態(tài)氮（NH-N）系列溶液成分分析標準物質（GBW08631-GBW08633）、硝態(tài)氮（NO-N）系列溶液成分分析標準物質（GBW08634-GBW08637）、亞硝態(tài)氮（NO-N）系列溶液成分分析標準物質（GBW08638-GBW08641）和磷酸鹽（PO-P）溶液標準物質（GBW08623）采購于自然資源部第二海洋研究所。

1.1.4 試驗儀器

試驗儀器包括愛拓PAL-06S 海水鹽度計、力辰LC-MSH-PRO 磁力攪拌器、良平JA10003 電子天平、禾木5110-500 游標卡尺、東南RDZ-1000D-4 人工氣候箱、DGX-9073 電熱恒溫鼓風干燥箱、密理博WP6122050 真空泵、島津UV-2550 紫外分光光度計、Lachat QuikChem 8500S2流動注射分析儀。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置

試驗用濕地系統由底部裝有出水閥、尺寸規(guī)格為30 cm×30 cm×35 cm（長×寬×高）的PE種植箱構成，每個種植箱內種植4 株紅樹植物苗，每棵植物根部用根際袋套住，用過80目網篩的沙作為基質填充20 cm深（圖1）。試驗分為4 組，包括桐花樹組、秋茄組、紅海欖組和空白組（不種植紅樹植物），每組設置4 個平行處理。

圖1 試驗裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the experiment

1.2.2 試驗處理

為研究紅樹林人工濕地系統對養(yǎng)殖尾水中N 和P 營養(yǎng)元素的去除效果，試驗以海水池塘養(yǎng)殖尾水的N 和P 濃度為參考（NH-N、NO-N、NO-N 和PO-P的平均濃度分別為4.53、0.50、0.80 mg·L和0.33 mg·L），平均鹽度為20‰。經預處理試驗后，分別設置5、10、15、25 倍4 個濃度組開展脫氮除磷試驗（表1）。同時設置只澆灌營養(yǎng)液的對照組（CK），以對植物生長指標進行比較。

表1 人工尾水中的N和P濃度設置（mg·L-1）Table 1 Concentration of nitrogen and phosphorus in different treatments by artificial sewage（mg·L-1）

試驗初始，向每個種植箱分別澆灌5 L 不同N 和P 濃度的人工尾水（鹽度設定為20‰），使水位保持略高于基質，并在種植箱外對水位標記刻度，每2 d用營養(yǎng)液對種植箱水位進行補充，使水位保持于刻度線處。室內試驗周期為30 d，試驗溫度和相對濕度范圍分別設置為25～32 ℃和70%～90%。

1.2.3 營養(yǎng)液配制

以稀釋至20‰的人工海水為溶劑，配制10%濃度的植物澆灌用營養(yǎng)液：CaCl4 mmol·L、KCl 6 mmol·L、MgSO10 mmol·L、HBO46 μmol·L、ZnSO1 μmol·L、CuSO0.5 μmol·L、MnSO10 μmol·L、HMoO0.1 μmol·L、Fe（Ⅱ）-EDTA 50 μmol·L。試驗期間，營養(yǎng)液中不再添加N 和P，用HCl或NaOH調整pH在6.5左右。

1.3 指標測定

試驗過程中，分別在第3、6、9、14、19、24、29 天于種植箱的出水口采集150 mL 水樣，用Whatman 玻璃微纖維濾膜（47 mm，GF/B）過濾后，收集濾液，使用流動注射分析儀（Flow-injector analyser，FIA）對濾液中NH-N、NO-N、NO-N、PO-P 等營養(yǎng)鹽濃度進行測定?？偀o機氮（DIN）濃度為NH-N、NO-N和NO-N濃度之和。試驗結束后收獲植物，用大量自來水沖洗根、莖、葉，再用蒸餾水充分淋洗，用濾紙吸干植物表面水分，植物的莖高和直徑分別采用直尺和游標卡尺進行測量。

1.4 數據處理與分析

試驗數據用平均值±標準差（mean±SD）表示。使用SPSS 22.0 軟件分析，在95%的置信區(qū)間下進行One-way ANOVA 分析和LSD 差異顯著檢驗。不同處理組間的差異顯著性采用配對樣本進行評價。采用Excel和Origin 2021進行分析與繪圖。

數據處理中去除率計算公式為：

去除率=（營養(yǎng)鹽初濃度-營養(yǎng)鹽終濃度）/營養(yǎng)鹽初濃度×100%

2 結果與分析

2.1 紅樹植物的生長狀況

對各組3 種紅樹植物的株高增量進行分析，結果表明（圖2）：不同N 和P濃度的人工尾水處理30 d后，各處理組的桐花樹、秋茄和紅海欖均能正常生長，其中桐花樹的生長狀況最佳；桐花樹和秋茄株高增量在15 倍濃度處理下達到最高值，紅海欖株高增量在25倍濃度處理下達最高值；在各濃度處理下，3 種紅樹植物中，桐花樹的莖高增量最顯著。

圖2 不同濃度尾水處理下紅樹植物株高增量Figure 2 The height increment of mangrove seedlings in different treatments by artificial sewage

2.2 對不同濃度NH+4-N的凈化效果

在試驗開始后的第3、6、9、14、19、24、29 天，分別對濾出液中的NH-N 濃度進行分析測定，結果發(fā)現（表2 和圖3）：在試驗處理期間，3 種紅樹植物處理組和空白組的人工尾水中NH-N 濃度顯著下降，在5倍和10倍濃度處理下，紅樹植物處理組的NH-N去除率顯著高于空白組（＜0.05），但在25 倍濃度處理下，紅樹植物處理組與空白組對NH-N 去除率差異不顯著（＞0.05）；隨著處理濃度的增大，各植物處理組對NH-N的去除率呈現不同程度的下降；種植紅樹植物的處理組NH-N 去除率為62.3%～99.2%；在5 倍濃度處理下，3 種紅樹植物組在第9 天對NH-N 的去除率達到80%，之后NH-N 濃度均維持在較低的水平；15倍濃度處理下，秋茄組的NH-N 濃度最低，凈化效果最顯著。

圖3 紅樹植物對不同濃度NH+4-N的去除效果Figure 3 Removal efficiency of constructed mangrove wetland system on different concentrations of NH+4-N in artificial sewage

2.3 對不同濃度NO-3-N的凈化效果

在試驗開始后的第3、6、9、14、19、24、29 天，分別對濾出液中的NO-N 濃度進行分析，結果發(fā)現（表2和圖4）：試驗前期NO-N 濃度出現上升趨勢，隨著時間推移，在不同濃度處理下3 種紅樹植物組中的NO-N 濃度顯著下降（＜0.05）；整個試驗周期中，空白組中NO-N 濃度呈現不規(guī)則上升趨勢；3 種紅樹植物處理組的NO-N濃度顯著低于空白組（＜0.05），其中10倍濃度組最為顯著（＜0.05）。

圖4 紅樹植物對不同濃度NO-3-N的去除效果Figure 4 Removal efficiency of constructed mangrove wetland system on different concentrations of NO-3-N in artificial sewage

表2 紅樹林人工濕地系統對海水養(yǎng)殖尾水中N和P的去除率（%）Table 2 Removal rate of constructed mangrove wetland system on nitrogen and phosphorus from artificial sewage（%）

2.4 對不同濃度NO-2-N的凈化效果

在試驗開始后的第3、6、9、14、19、24、29 天，對濾出液中的NO-N 濃度進行分析，結果發(fā)現（表2 和圖5）：試驗期間，空白組人工尾水的NO-N 濃度呈現升高趨勢，并且維持在高于初始濃度的水平，而紅樹植物組的NO-N 的濃度顯著下降；在5 倍和10 倍濃度處理下，秋茄和桐花樹對NO-N 的去除效果高于紅海欖；在25 倍組處理下，秋茄、紅海欖對NO-N 的去除效果高于桐花樹（＜0.05），秋茄、紅海欖和桐花樹對NO-N 的去除率分別達到86.0%、73.2%和35.5%。

圖5 紅樹植物對不同濃度NO-2-N的去除效果Figure 5 Removal efficiency of constructed mangrove wetland s ystem on different concentrations of NO-2-N in artificial sewage

2.5 對不同濃度PO34--P的凈化效果

在試驗開始后的第3、6、9、14、19、24、29 天，分別對濾出液中的PO-P 進行分析，結果表明（表2 和圖6）：試驗開始的前3 d 內，各處理組中的PO-P 濃度迅速下降，5倍和10倍濃度處理下，紅樹植物組在第3天后達到動態(tài)平衡，第29 天各系統去除率均達到97%以上；紅樹植物處理組對PO-P的平均去除率高于空白組，各種紅樹植物組間對PO-P的去除率無顯著差異（＞0.05）。

圖6 紅樹植物對不同濃度PO3-4-P的去除效果Figure 6 Removal efficiency of constructed mangrove wetland system on different concentrations of PO3-4-P in artificial sewage

3 討論

3.1 人工濕地對水體N和P的凈化效應

人工濕地由人工模擬自然濕地建造和控制，是由土壤-植物-底棲生物-微生物形成的生態(tài)系統，是通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物降解等途徑實現污水高效凈化處理的一種新型廢水處理技術。在人工濕地處理技術中，污染物的凈化主要通過植物吸收、微生物代謝降解、固體顆粒物沉淀、植物根部過濾和生源要素被土壤和基質吸附等途徑完成。

應用紅樹林構建人工濕地生態(tài)系統凈化人工污水的研究已有較長歷史，且許多模擬試驗取得了較為顯著的研究成果。有研究者利用香港西徑的紅樹林底泥和深圳福田紅樹林底泥與秋茄、白骨壤（）和桐花樹建造了兩條180 m 長的樣帶處理人工污水，結果發(fā)現，隨著處理時間的延長，污水中總磷含量顯著下降，在靠近出水口的位置，總有機碳、總氮、NH-N 和NO-N 也都得到有效去除；應用白骨壤對人工污水處理中也發(fā)現，N和P 的去除效果較好；在對人工污水處理時還發(fā)現，人工污水中的總氮、NH-N 和NO-N 可有效促進秋茄、白骨壤和桐花樹等紅樹植物地上部分的生長，同時也會被紅樹林人工濕地有效去除。以上說明水環(huán)境中的N 和P 元素可以被濕地植物有效吸收和利用，人工濕地對水體N 和P 具有較好的凈化作用。

3.2 人工濕地對養(yǎng)殖尾水的生態(tài)凈化作用

海水池塘養(yǎng)殖尾水中的N 和P 等元素可被濕地植物吸收利用，并且促進濕地植物的生長，一定濃度的N 可有效促進濕地植物的莖、葉生長。在對木欖（）的研究中發(fā)現，N 元素可以顯著提高植物的耐鹽性，且NO-N 和NH-N 可顯著促進其地上部分的生長；在一定濃度范圍內，增加NH-N 可顯著提高白骨壤地上部分的生物量；有研究還發(fā)現，N、P 濃度的升高，可顯著提高海欖雌屬紅樹植物的葉片面積、數量，并有效促進其生長。在本研究中，試驗開始前適應性生長階段的營養(yǎng)液中的N 水平較低，試驗添加N 元素后的前幾天，植物對NH-N 的吸收利用率較高，在處理第9天時NH-N下降到較低水平，而較低的NH-N濃度和濕地的基質缺氧條件相互作用，可能會促進反硝化作用，使得NH-N 濃度在這一拐點后有一定程度上升并維持在一個相對平衡的濃度水平?？梢姡谝欢舛确秶鷥?，通過增加N 和P 濃度，可以有效促進紅樹植物的吸收利用和生長。

有研究者通過設計的人工濕地系統處理海水養(yǎng)殖尾水，發(fā)現系統對N的去除在處理一個月后即有明顯效果，在連續(xù)7 個月的運行過程中，NH-N 去除率達到86%～98%、總無機氮的去除率達到95%～98%，出水口各形態(tài)N 的含量均能滿足養(yǎng)殖用水的要求。本研究也發(fā)現，3 種紅樹植物對人工模擬的各濃度養(yǎng)殖尾水中的NH-N 的去除率為62%～99%，試驗3 d內，人工尾水中的PO-P 去除率在80%以上。然而，在不同濃度的處理下，紅樹林人工濕地對NH-N 和PO-P 的去除具有一定的臨界值。在15 倍濃度處理組中，空白組對NH-N 的去除率高于紅海欖和桐花樹，在25倍濃度處理組中，空白組對NH-N 的去除率與3 種紅樹植物組無顯著差異，這說明紅海欖和桐花樹在15 倍濃度處理下，對NH-N 的吸收去除已達到飽和狀態(tài)，秋茄在25 倍濃度處理下達到飽和；在10、15、25 倍濃度下，空白組對PO-P 的去除率與3 種紅樹植物組雖無顯著差異，但去除率均可達到95%以上。由此可見，構建人工濕地生態(tài)系統時，可通過濕地植物對N、P 等營養(yǎng)元素的需求來達到凈化養(yǎng)殖尾水的效果，但在實際應用過程中，為達到最佳去除效果，應考慮尾水中N、P濃度的臨界值。

3.3 不同類型人工濕地對海水養(yǎng)殖尾水的生態(tài)凈化比較

人工濕地技術具有較低的構建成本和較高的生態(tài)效益，因此被越來越廣泛地應用于海水池塘養(yǎng)殖尾水的生態(tài)凈化。應用不同種類濕地植物構建人工濕地對海水養(yǎng)殖尾水的處理效果已有廣泛的研究工作基礎（表3）。在低鹽（鹽度0～5‰）環(huán)境下，蘆葦（）、美人蕉（）、香蒲（）等構建的人工濕地對N和P的凈化效果良好，當鹽度超過10‰時，其對N 和P 的吸收利用受到高鹽度的限制，N 和P 的去除效果隨鹽度增加顯著下降。然而，堿蓬（）與紅樹植物秋茄、白骨壤、桐花樹和紅海欖在10‰～20‰鹽度的海水中表現出良好的凈化效果，但當鹽度高于30‰時，也會出現較明顯的鹽脅迫生理響應。本研究選取的3 種紅樹植物均為多年生木本植物，應用其構建人工濕地處理尾水過程中，凋落物相對比鹽生草本植物少，N 和P 的重新釋放率相對較低。在相同的紅樹植物處理下，不同生長階段的植物，對N 和P 的凈化效能具有一定的差異（表3），這可能與植物生長過程中對N和P的吸收利用效率直接相關。

表3 不同人工濕地植物對海水廢水的處理效果Table 3 Purification efficiency of constructed wetland with different plants on marine sewege

本研究也發(fā)現，紅樹植物對水體中N 和P 的去除率隨著處理濃度的上升而顯著下降，處理效率會出現一定程度的飽和。N 素特別是NH-N 和NO-N是海水養(yǎng)殖過程中最容易產生的有毒害作用的物質，必須重點控制。在適宜的鹽度條件下，大多數濕地植物系統對養(yǎng)殖尾水中NH-N 的去除率在90%以上，具有較好的凈化效果。結合本研究的試驗結果，3 種紅樹植物處理N 和P 的臨界值為10 倍濃度，其對NH-N、NO-N 和PO-P 的平均去除率分別為95.5%～99.2%、94.2%～99.7%和98%以上，其中秋茄的效果最佳，其對NH-N、NO-N 和PO-P 的平均去除率分別為99.2%、99.7%和98.2%，即使處理10倍濃度的養(yǎng)殖尾水，凈化后仍可達標排放。本研究構建的紅樹林人工濕地處理了5 L 鹽度為20‰的10 倍養(yǎng)殖尾水，采用44 棵·m（在30 cm×30 cm 面積中種植4棵）密度種植一年苗齡的秋茄，若構建100 m的表面流人工濕地，1 個月左右可使55.56 t 海水池塘養(yǎng)殖尾水實現達標排放，具有一定的示范價值。然而，若要進一步提高凈化效率，還應在紅樹植物種類搭配、苗齡選擇、基質類型選擇等方面深入研究。由此可見，開展紅樹植物人工濕地對海水池塘養(yǎng)殖尾水脫氮除磷具有一定的應用前景。

4 結論

（1）不同N 和P 濃度的人工尾水處理30 d，桐花樹、秋茄、紅海欖3 種紅樹植物生長良好，其中桐花樹的生長狀況顯著優(yōu)于秋茄和紅海欖。

（2）在一定濃度范圍內，紅樹林人工濕地對養(yǎng)殖尾水中N 和P 具有較好的修復效果。3 種紅樹植物中，秋茄的脫氮除磷效果最好。

（3）結合紅樹林植物對N、P的去除率和對鹽度的適應能力，紅樹林人工濕地可作為海水池塘養(yǎng)殖尾水達標排放的應用技術推廣至實際生產中。