一种模块化潜流湿地的构建及其对水产养殖废水处理效果研究

2019-01-21刘兴国刘云飞曾宪磊

中国资源综合利用 2019年5期

刘雪，刘兴国，曹娟，刘云飞，曾宪磊

（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092）

高密度集约化养殖模式的普遍推广对养殖水环境造成一定的影响。人工湿地已成为目前处理养殖废水污染问题的有效途径。在人工湿地系统中，模块化人工湿地因具备环境友好性高、便于更换模块等优点被广泛关注。本研究采用一种新型生物模块构建潜流湿地系统并研究其对养殖废水的处理效果，为实现模块化人工湿地的推广和应用提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

本研究采用褐煤、粉煤灰、水泥以及发泡剂4 种基质制备新型生物模块，并用该生物模块构建出潜流人工湿地系统。生物模块及其构建的潜流人工湿地系统具体尺寸见参考文献[1]。

本试验的潜流湿地构建于中国水产科学研究院池塘生态工程研究中心，长、宽分别为8.2 m、 3.0 m，约占养殖系统面积的22%。进水流量设为 3 m3/h，水平潜流连续进水。在栽种植物前后试验时长均为90 d，分为6 个阶段。栽种植物为空心菜和梭鱼草，数量比1:4。湿地进水为养殖系统产生的废水，其水质指标如下：COD、TP 和TN 的浓度范围分别为26.21 ～76.00 mg/L、1.55 ～4.10 mg/L、1.36 ～ 5.70 mg/L，pH 范围为8.15 ～8.43。

COD 采用哈希DR3900 便携式分光光度仪测定；TP 采用钼-锑-抗分光光度法测定；TN 采用过硫酸钾-紫外分光光度法测定；NH4+-N 采用纳氏试剂法测定；NO3--N 采用酚外磺酸光度法测定。pH 采用YSI 便捷式测定仪测定。

2 结果

2.1 COD 去除效果

试验表明，潜流湿地系统在栽种植物前后对COD的去除率均随时间的延长而上升，且在相同时间下栽种植物后的去除率较栽种前大。在第6 个阶段，栽种植物前后，该系统对COD 的平均去除率分别为67.90%、88.95%，平均出水浓度分别为15.4 mg/L、8.4 mg/L，均低于淡水池塘养殖水排放二级标准（25 mg/L），且栽种植物后出水浓度低于一级标准（15 mg/L）。

2.2 TP 去除效果

试验表明，潜流湿地系统栽种植物前后对TP的去除率随着时间的延长均处于稳定状态，变化幅度较小。6 个阶段内，栽种植物前对TP 的去除率在81.09%～85.65%，平均去除率为82.51%；栽种植物后对TP 的去除率在80.00%～89.57%，平均去除率为85.41%。栽种植物前后平均出水浓度分别为0.42 mg/L、 0.36 mg/L，均低于淡水养殖废水排放一级标准（0.5 mg/L）。

2.3 TN 去除效果

试验表明，潜流湿地系统在栽种植物前后对TN的去除率均随着时间的延长而上升。在第6 个阶段，栽种植物前后对TN 的平均去除率分别为52.38%、83.25%，平均出水浓度分别为0.69 mg/L、0.52 mg/L，均低于淡水养殖废水排放一级标准（3.0 mg/L）。

3 讨论

本研究采用的新型生态模块中的主要成分褐煤、水泥以及粉煤灰均有可将COD 组分聚集吸附[2-4]。随着时间的推移，养殖废水的连续进水以及褐煤给微生物繁殖提供的大量有机碳源，使得生物模块表面逐渐生成生物膜并对有机物进行降解[5]。栽种植物后植物根区附近介质表面生物膜也可对有机物进行降解，进而提高COD 的去除率[6]。栽种植物后TP 的去除率较栽种植物前增加并不明显，这可能是由于植物对TP 的影响较小。陈丽丽等认为人工湿地对TP 的去除主要依靠湿地基质的物理化学作用[7]。此外，选择富含Ca、Al 或Fe 的介质做湿地基质可提高湿地对TP 的去除率[8]。

本研究制备的生物模块中的基质粉煤灰，具有大量的CaO、Al2O3、FeO 等成分，同时基质中的水泥主要成分为CaCO3，因此该系统可有效地对TP 进行去除。此外，研究表明，人工湿地对氮的去除主要包括基质吸附、过滤以及植物吸收、微生物硝化反硝化作用等[9]。栽种前，该系统可能是依靠生物模块的吸附、过滤以及表面形成的生物膜的硝化反硝化等对TN 去除。栽种后，除上述机理外，植物根系微生物硝化及反硝化作用和植物吸收也起了作用。随着时间的延长，该系统运行更为稳定，其对TN 的去除率也逐渐上升。综上所述，本研究构建出的潜流湿地系统可有效地对养殖废水进行处理，且栽种植物后去除效果更好。