凤眼莲净化塘与人工湿地组合工艺对养殖尾水的净化效能

刘丽珠　张志勇　宋伟　刘海琴　王岩　张君倩　张迎颖

摘要：利用凤眼莲净化塘和人工湿地组合工艺净化规模化池塘养殖尾水，以实现水体循环再利用和减少入太湖污染负荷。试验共设置6组“净化塘+人工湿地”，每组由凤眼莲净化塘与茭草上行流湿地组成，净化塘内凤眼莲的覆盖度分别是0、45%、65%，初始凤眼莲放养量分别为0、40、60 kg，每个处理设2个重复，水力负荷为 800 mm/d。结果证明，65%覆盖度净化塘与湿地共同作用下，进水时总氮（TN）、总磷（TP）浓度分别为9.92、006 mg/L，出水时分别降至4.12、0.02 mg/L，分别下降5.80、0.04 mg/L，去除率分别为55.6%、63.1%，与空白对照相比均有显著性差异（P

关键词：凤眼莲；人工湿地；养殖尾水；净化效能；覆盖度；放养量；水力负荷；去除率

中图分类号： X52；S912 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0389-04

大量含氮、磷等营养因子的养殖尾水排入湖泊河流会导致水体中氮、磷含量不断增加，当其浓度远远超过水体的自净能力时就会导致水体的富营养化，从而促使藻类大量繁殖，水质恶化，大量鱼类和其他生物面临死亡甚至灭绝危机。循环水养殖系统的概念，即在水产养殖生产过程中引入尾水净化工艺，以此来控制水质，达到尾水循环利用的生态平衡方式[1-2]。为了达到生态平衡，越来越多的城市和地区根据不同污染物类型，并结合当地自然条件，构建不同种类的尾水净化工艺，模拟自然生态净化系统的运作机理，更加有效地进行养殖尾水处理。

净化塘和人工湿地作为净化污水的常规方法，净化水质效果显著，符合养殖尾水的净化理念。净化塘成本低、便于管理，凤眼莲具有极强的氮、磷吸收能力[3-4]，采用凤眼莲净化水质，不仅可以省去浮床建设费用，还不需要反复播种或移栽，相对于其他水生植物也更易打捞[5]，是净化水质的良好水生植物。人工湿地是人为设计建造的由基质、植物、微生物和水体等组成的复合体，通过系统中的基质-水生植物-微生物的相互协同作用来实现对水体的净化目的。上行流湿地可以充分利用湿地空间，占地面积相对较小但供氧好，净化能力高。本研究采用凤眼莲净化塘和人工湿地的组合工艺对养殖尾水的氮磷净化效能进行研究，以期为规模化池塘养殖尾水的循环再利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 净化塘与人工湿地的构建

试验地址设在江苏省苏州金庭大成现代农业园，农业园位于苏州市吴中区金庭镇（原西山镇）东部的战备圩和居山圩，金庭镇是我国淡水湖泊中最大的岛屿，四面被太湖包围。大成现代农业园核心区占地面积约266.7 hm2，池塘养殖面积约占1/3。设置6组“净化塘+人工湿地”，每组由凤眼莲净化塘与茭草上行流湿地组成，净化塘和人工湿地池的规格均为6 m×3 m×1.5 m。净化塘内凤眼莲的覆盖度设为3个处理，分别是0、45%、65%，有研究表明大水域种养凤眼莲的覆盖度不超过水面面积的50%对水体复氧没有不利影响，因此处理考虑设置了45%、65%不同覆盖度凤眼莲[6-7]；初始凤眼莲放养量分别为0、40、60 kg，各净化塘内放置1.6 m×2.4 m的白色围栏3个（图1），凤眼莲均放入各围栏内，每个处理设2个重复。净化塘的出水流入茭草上行流湿地，茭草上行流湿地自下而上铺设砾石40 cm、黄沙30 cm，漫水30 cm，种植茭草12 kg，水力负荷为800 mm/d。大成农业园内设有环形河沟，养殖废水排入河沟内用水泵打入“净化塘+人工湿地”内作为试验用水。试验从2012年8月30日持续到10月8日，试验期间人工湿地采用间歇流，通过自动定时开关控制水泵的开关时间。

1.2 采样与监测

如图1所示，净化塘采用沿程采样，从进水（采样点1）、2 m 处（采样点2）、4 m处（采样点3）、出水口（采样点4）共设置4个采样点，上行流人工湿地池在出水面设置2个采样点（采样点5、采样点6）。水样每4 d采集1次，测定水质指标，水样中的总氮（TN）、总磷（TP）浓度利用Skalar公司的SAN+ +流动分析仪测定。现场测定水温、气温、pH值和溶氧量（DO），测定时间为每天06：00—08：00，水温、气温利用温度计测定；pH值采用PHB-5笔式pH计测定；溶氧量（DO）采用JPB2607型便携式溶氧仪测定。凤眼莲植物样试验初始和结束各采集1次，植株采用硫酸和过氧化氢消煮，植株全氮含量采用凯氏定氮仪测定；植株全磷含量采用钼锑抗比色法测定。

1.3 数据处理与统计分析

试验数据[除pH值、总氮（TN）浓度、总磷（TP）浓度和浮氧量数据外]经Excel处理后应用SPSS 13.0进行统计分析，差异显著性用SPSS软件中的One-Way ANOVA进行单因素方差分析，选用Duncans法进行多重比较。

污染物的去除率R按下列公式计算：

R=（Ci-Ce）/Ci×100%。

式中：Ci、Ce分别为进水、出水的质量浓度，mg/L。

按下式计算单位面积植物吸收的氮或者磷总量m：

m=（m2× L2×N2-m1×L1×N1）/S。

式中：m2为植物的收获期的鲜质量；L2为收获期植物的干物质含量；N2为收获期植株干物质中氮或者磷的含量；m1植物初始鲜质量；L1为植物初始干物质含量；N1为初始植物干物质氮或磷的含量；S为净化塘水面面积。

2 结果与分析

2.1 不同凤眼莲覆盖度对水体pH值与溶氧量的影响

图2为不同覆盖度凤眼莲净化塘每次采样所测得根际溶氧的平均值（净化塘水体）。从整个试验周期来看，相同周期内不同覆盖度净化塘溶氧量变化趋势类似，不同处理的溶氧量均出现先下降后缓慢上升的趋势。与空白对照相比，种养凤眼莲的净化塘溶氧量差异较大，65%覆盖度净化塘呈现明显差异，种养凤眼莲的处理之间不存在显著性差异，说明凤眼莲的生长明显降低了水体中的溶氧量，这主要是由于凤眼莲漂浮在水面上，一定程度上阻碍了水体中的溶解氧与大气的交换[8-9]，另外凤眼莲根系的呼吸作用也会消耗水体中的溶氧量。endprint

由图3可知，凤眼莲覆盖度为0的净化塘水体pH值相对较高，为7.4～8.8；覆盖度为45%的净化塘pH值居中，为7.4～8.9；覆盖度为65%的净化塘pH值相对较低，为7.5～8.7，平均值较空白对照下降0.15。种养凤眼莲可使养殖尾水的pH值略有下降，维持在中性水平。

2.2 不同凤眼莲覆盖度对水体氮磷的影响

由于养殖废水来自园内各大小鱼塘，所以各净化塘每天初始进水中的TN、TP浓度不尽相同。由图4、图5可见，同一天同一处理出水中TN、TP浓度与进水相比大幅下降。凤眼莲存在的水体中，从采样点1至采样点4，同一天同一处理的TN、TP浓度逐渐降低，这说明凤眼莲对水体具有良好的净化过滤效果，而空白对照无规律。采样点4与采样点5之间的差值较大，说明上行流人工湿地具有良好的净化能力，采样点5和采样点6位于上行流湿地的水面，为最终净化的出水，其氮磷含量基本一致。65%覆盖度凤眼莲平均进水的TN、TP含量分别为9.92、0.06 mg/L，出水时分别降至4.12、0.02 mg/L，TN、TP含量分别下降5.8、0.04 mg/L。45%覆盖度凤眼莲有相似的作用，净化能力略差于65%覆盖度，二者不存在显著性差异（P

由图6可知，在不同凤眼莲覆盖度下，净化塘系统对养殖尾水中TN、TP均有较好的去除效果，TN、TP的去除率分别为24.5%～31.0%、40.1%～41.4%；在净化塘与人工湿地系统共同作用下，对应TN、TP的去除率提高，分别为48.8%～55.6%、60.8%～63.1%，65%覆盖度的去除率与空白对照相比均有显著性差异（P<0.05）。45%覆盖度的氮去除率与空白比虽然差异不显著，但是也有所增加，磷去除率与对照比差异显著。

2.3 不同凤眼莲覆盖度下凤眼莲吸收N、P的变化

植物生长状况间接反映了它的耐污力和对环境的适应力，这也是植物用于净化水质的备选标准之一。由表1可见，凤眼莲的株高与初始相比略有降低，根系长度也有所降低，可能是由植物生长环境的改变导致的，也可能是因为植株新陈代谢老叶枯死，嫩叶长出，生物量不断增加而单株的生物量减小。随着净化流程的进行，水体中氮、磷浓度降低，使得植株

新长出的叶片颜色较浅，叶绿素含量较低。凤眼莲净化富营养化水体的效果首先取决于生物量，通过计算地上部生物干质量可以发现，65%覆盖度地上部单位面积生物干质量与初始相比差异显著，增加104%；45%覆盖度与初始相比增加35%，而地上部是凤眼莲植株体内积累氮磷的主要部位。试验期间单位面积地下部生物干质量也明显增加，通过计算可知65%、45%覆盖度地下部生物干质量在收获时分别是初始的126%、135%。

由表2可知，不同覆盖度凤眼莲N平均浓度和初始相比无太大差异；而整株的P平均浓度均比初始放养略低。不同覆盖度凤眼莲整株的N、P平均浓度分别在19.90～20.24、147～1.68 mg/g之间，其N浓度远高于P含量。依据凤眼莲不同覆盖度地上部、地下部生物量干质量及其组织内的N、P养分浓度，可以计算地上、地下部的N、P吸收总量，并相加求得凤眼莲植株的N、P吸收总量。在整个试验期间，45%、65%覆盖度凤眼莲对N的吸收总量平均分别为26.13、72.93 g/m2，对P的吸收总量分别为3.22、4.89 g/m2，随覆盖度的增加而升高。

3 结论与讨论

pH值、溶氧量是表征水体化学环境的重要指标，也是地表水环境质量标准的基本项目。在本试验过程中，有凤眼莲覆盖的净化塘pH值比较稳定且低于对照，有助于浮游动物和底栖动物的繁殖与生长[10-11]。由于pH值偏低，水体中H+浓度升高，会促使水体中溶氧量下降。有文献显示，水生植物对水体中的pH值有一定的调节作用，当水体中pH值较大时会促使水生植物根系分泌有机酸来调节水体中酸碱平衡[12]。此外，凤眼莲的夜间呼吸作用和微生物代谢作用也是使处理水体中pH值下降的主要原因[13]。

在空白对照处理中，藻类有一定的繁殖，这会导致水体中光合作用增强，大量消耗溶解于水体中的CO2，打破水体中原有的碳酸盐的平衡，使水体中H+ 浓度降低、pH值升高；另外，空白对照处理中溶氧量相对较高，这就促进O2与H+结合生成水的过程，从而降低了水体中H+浓度，导致pH值升高。

人工湿地和净化塘具有特别的优势，不仅可以处理低浓度污水，同时还可以隐藏在生态园的绿地、花园中，提高生态园景观环境的协调性和美观性。本试验着重利用凤眼莲净化塘和人工湿地组合工艺对养殖尾水中N、P等营养因子的去除，以达到改善水质的目的。本试验结果证明，65%覆盖度净化塘与湿地共同作用下TN、TP的去除率分别为55.6%、63.1%，与空白对照相比均有显著性差异（P

湿地系统中TN的去除机制是多样的，主要包括挥发硝化与反硝化植物摄取和基质吸附[4]，许多研究表明微生物的硝化与反硝化是脱氮的主要途径。人工湿地系统中磷的去除由基质填料的物理化学作用、植物的摄取和微生物的同化作用共同完成[3]，而其中广泛认同的主要去除机制是填料对磷的物化吸附和化学沉降作用。净化塘的净化机理主要是水生植物的作用起主导。凤眼莲净化塘对水体氮磷的净化效果较好，其原因包括2个方面：一是凤眼莲生物量增加较多，吸收了水体中的氮素合成自身的营养物质；二是凤眼莲根系发达，有利于微生物附着，发生硝化反硝化反应，有助于水体脱氮[6]。另外，凤眼莲在腐烂前打捞上岸可以避免其吸收的氮磷重新释放回水体中。

目前，净化塘和人工湿地处理机理虽然已部分得到认可，但仍有许多问题须解决，如凤眼莲的资源化利用以及人工湿地的植物选取和填料更替等。因此，不断优化养殖尾水处理方法，才能使该循环模式在池塘养殖尾水净化中发挥更佳的效果。

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