不同填料强化生态浮床对淡水养殖水体的净化效果

(上海市水产研究所 上海市水产技术推广站，上海 200433)

1 研究背景

我国是世界上最大的水产养殖国家，为了提高鱼类产量，水产养殖业朝着集约化和高密度化方向发展。养殖户以人工饲养为主，而投入池塘的人工饲料仅有20%～30%被鱼类利用，其余的大部分都残留在池塘水体和底泥中，导致水体和底泥中氮、磷和有机物等浓度不断升高[1]。目前，养殖户多采用定期换水的方式防止鱼类减产和死亡。而频繁换水不仅消耗了大量清洁水，还向周边环境排放了大量养殖废水，成为养殖区重要的面源污染来源，不利于我国水产养殖业的可持续发展。因此，开发一套适合水产养殖池塘的生态修复技术具有重要应用价值。

生态浮床技术作为一种不占用土地、成本低、操作简便的原位生态修复技术，被广泛应用于湖泊、河道、水产养殖等富营养化水体的治理中[2]。生态浮床技术通过截留沉降、植物吸收及附着微生物的分解转化等作用去除水体中的有机物、氮和磷等营养物质[3]。然而，生态浮床中的微生物主要来源于植物根系，微生物的数量少，对水质的净化效果有待提高[4]。为了强化生态浮床系统中微生物的作用，在传统生态浮床植物下方放置人工填料，使人工填料和水生植物均匀交替分布，除了植物根系，人工填料巨大的比表面积也为微生物提供附着载体，形成生物膜，有利于一些生长缓慢的微生物如硝化细菌等自养菌的不断积累，从而促进水体中有机污染物的分解和氮的转化[5]。另外，人工填料强化生态浮床系统中植物根系与人工填料交错生长，植物根系分泌的小分子有机物和氧气等可以为微生物生长提供养分和适宜的生长环境，增强系统对污染物的去除能力。汪松美等[6]的研究表明，人工填料与水生植物的组合显著提高了生态浮床对水体的净化能力。该技术结合了传统生态浮床和生物接触氧化技术的优势，是近年来发展起来的一种新兴生态工程原位修复技术。

现有研究使用的人工填料主要有立体弹性填料、组合填料、纤维填料、生物绳、陶粒和稻草等。张毅敏等[7]和马强等[8]的研究表明，立体弹性填料强化生态浮床对微污染水体中COD、TN、TP的去除效果明显高于传统生态浮床。徐功娣等[9]发现纤维填料强化生态浮床对水体中COD、NH4+-N、TN、TP及SS(悬浮固体)的去除效果明显优于传统生态浮床。魏瑞霞等[10]用强化生态浮床技术对唐山市南公园富营养化水体进行修复，结果表明，传统生态浮床对水体中COD的最大去除率只有33%左右，而强化生态浮床对COD的去除率最高可达62.7%。人工填料强化生态浮床不仅提高了水体中营养物质的去除率，且具有较稳定的去除效果；在夏秋季节，优势尤其明显[11-12]。

目前，人工填料强化生态浮床系统在淡水养殖池塘修复方面的研究较少，应用参数缺乏。因此，本研究将不同类型人工填料强化生态浮床应用于水产养殖水体的修复中，分析其水质净化效果，筛选出一种适合处理上海市淡水养殖池塘水体的人工填料，并优化其运行条件，为该技术的实际应用提供技术支撑。

2 材料与方法

2.1 试验设计与材料

试验在8个尺寸为40 cm×80 cm×60 cm的PVC水箱中进行，水箱一侧底部进水，另一侧高度30 cm和 50 cm处分别设置取样阀门和出水口。试验共设置3个处理组：组合填料组、生物绳填料组、立体弹性填料组，每个处理组2个平行。每组悬挂9串人工填料(每串长度50 cm)，种植4株挺水植物，植物和人工填料均匀交错分布。

试验选用黄花美人蕉(Cannaindica)和黄菖蒲(Irispseudacorus)为受试植物，选取大小一致的黄花美人蕉幼苗(单株平均质量为(27.3±2.36)g，株高为(39.7±5.49)cm)和黄菖蒲幼苗(单株平均质量为(10.4±1.39)g，株高为(52.8±5.56)cm)，每个水箱随机种植美人蕉和黄菖蒲各2株。浮床载体选用尺寸为60 cm×40 cm×4 cm的聚苯乙烯发泡塑料板。

2018年5—7月，试验进水为高磷浓度养殖水体，取自上海市水产研究所内养鱼池塘，进水中TN、COD、TP的浓度范围分别为1.80～2.81，32.1～58.0，2.36～3.42 mg/L，水力停留时间为3 d。2018年8—10月，进水调整为人工配水，3组水体均使用分析纯葡萄糖、KH2PO4、NH4Cl、KNO3配置，根据上海市淡水养殖池塘水体中平均污染物质水平，设置人工配水中TN、COD、TP浓度分别为2～5，30～50，0.3～0.5 mg/L，水力停留时间调整为7 d。

2.2 分析方法

3 结果与讨论

3.1 强化生态浮床对高磷浓度养殖水体的净化效果

不同填料强化生态浮床对高磷浓度水体中TP、TN、COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N的去除效果如图1所示。

图1 不同填料强化生态浮床对高磷浓度水体中TP、TN、COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N的去除效果Fig.1 Efficiencies of enhanced floating treatment wetlands with different biofilm carriers in removing TP, TN, COD, NH4+-N,NO3--N and NO2--N in water with high phosphorus concentration

试验进水中TP浓度范围为2.36～3.42 mg/L，系统稳定后(30 d后)，3组强化生态浮床处理系统的出水浓度范围为2.08～3.20 mg/L，TP去除率分别为11.1%，11.2%，12.4%(图1(a))。人工填料强化生态浮床系统中，P的去除主要依靠植物的吸收作用和自然沉降，植物的吸收作用能占到90%左右[13]。本研究中TP的去除率较低，分析原因，可能是进水中的TP浓度太高(2.36～3.42 mg/L)，不利于植物的生长。

进水中TN浓度范围为1.80～2.81 mg/L，系统稳定后(30 d后)，3组强化生态浮床系统的出水浓度范围为1.10～1.94 mg/L，TN去除率分别为34.9%，34.0%，35.4%，且3组间差异不显著(图1(b))。人工填料强化生态浮床系统中，N的去除主要依靠微生物转化及植物的吸收作用[13]。Cao等[14]的研究表明，强化生态浮床的净化效果随水力停留时间延长而增强。因此，考虑本系统水力停留时间短，后期将降低进水流速至17 mL/min，以延长水力停留时间至7 d。

进水中COD的浓度范围为32.1～58.0 mg/L，系统稳定后(30 d后)，3组强化生态浮床处理系统的出水浓度范围为24.9～34.0 mg/L，COD去除率分别为27.3%,27.4%，24.5%，且3组之间差异不显著(图1(c))。强化生态浮床系统中，COD的去除主要依靠微生物的转化和有机物的降解作用[15]，延长水力停留时间有可能提高其去除率。

系统稳定后，进水中的NH4+-N浓度为0.23～0.52 mg/L，出水浓度为0.19～0.66 mg/L(图1(d))。

进水中的NO3--N浓度范围为0.08～0.55 mg/L，出水浓度为0.015～0.60 mg/L(图1(e))。有机态氮的降解及硝化作用可能是导致出水中NH4+-N和NO3--N的浓度高于进水中浓度的原因。

进水中的NO2--N浓度范围为0.005～0.15 mg/L，出水浓度为0～0.008 mg/L，去除率达90%以上(图1(f))。

综上所述，人工填料强化生态浮床对高磷浓度养殖水体中的TN、TP、COD、NO2--N均有一定净化效果。但进水中TP浓度太高不利于植物生长，且远高于上海市养殖池塘水体中污染水平(0.3～0.5 mg/L)，因此，后期研究将调整进水中的TP浓度，并延长水力停留时间，以提高系统对TN和COD去除效果。

3.2 强化生态浮床对上海市养殖池塘水体的净化效果

不同填料强化生态浮床对上海市养殖池塘水体中TP、TN、COD、NH4+-N的去除效果如图2所示。

图2 不同填料强化生态浮床对上海市养殖池塘水体 中TP、TN、COD、NH4+-N的去除效果Fig.2 Efficiencies of enhanced floating treatment wetlands with different biofilm carriers in removing TP, TN, COD and NH4+-N in aquaculture pond water in Shanghai

进水中的TP浓度范围为0.39～0.54 mg/L，系统稳定后(30 d后)，3种人工填料强化生态浮床系统的出水中TP的平均浓度分别为0.37，0.41，0.14 mg/L，平均去除率分别为22.4%，12.2%，69.3%(图2(a))。可见，3种人工填料强化生态浮床对TP的去除能力差异较大，立体弹性填料强化生态浮床对TP的去除率最高(69.3%)。

试验调整为人工配水后，进水中的TN浓度范围为1.90～4.49 mg/L，系统稳定后(30 d后)，3种人工填料强化生态浮床系统的出水中TN的平均浓度分别为0.78，1.00，0.37 mg/L，平均去除率分别为65.1%，55.7%，83.9%(图2(b))。可见，3种人工填料强化生态浮床对TN的去除效果为：立体弹性填料>组合填料>生物绳填料。3种人工填料强化生态浮床对TP的去除能力与TN一致。

试验调整为人工配水后，进水中的COD浓度范围为30～59 mg/L，系统稳定后(30 d后)，3种人工填料强化生态浮床系统的出水中COD的平均浓度分别为13.0，11.0，10.7 mg/L，平均去除率分别为70.2%，73.9%，76.7%(图2(c))。可见，3种人工填料强化生态浮床对COD的去除能力差别不大。

进水中的NH4+-N浓度范围为0.03～0.21 mg/L，出水浓度范围为0～0.09 mg/L，系统稳定后，3种人工填料强化生态浮床对NH4+-N的平均去除率分别为71.8%，75.6%，73.0%，差异不显著(图2(d))。可能是配水桶较大，进水中的NH4+-N在水桶中已经被微生物利用或转化，导致进水中的NH4+-N浓度低于设计值1.0 mg/L。后续试验将调整配水频率和方式，以提高进水中NH4+-N浓度。

综上所述，系统运行稳定后，3种人工填料强化生态浮床系统对上海市淡水养殖池塘水体中TN和TP的去除能力为：立体弹性填料强化生态浮床>组合填料强化生态浮床>生物绳填料强化生态浮床，且差异较大；3种人工填料强化生态浮床对水体中COD和NH4+-N的去除率均在70%以上，且差异不显著。陈亚男[16]对比了组合填料、立体弹性填料和竹填料的静态挂膜效果，结果表明：系统稳定时，立体弹性填料反应器中细菌总数最多，因此具有较好的水质净化效果。杨凤娟[17]的研究表明，植物+组合填料浮床对N和P的去除效果要优于植物+弹性填料浮床的去除效果，笔者认为可能是由于组合填料生物量大、生物活性高，且容易挂膜导致的。出现这2种不一致的研究结果，可能是使用的植物及受试水体不同。本研究中美人蕉和黄菖蒲2种植物混合种植，不同于该文献中美人蕉和风车草单独种植；另一方面，本研究模拟上海市淡水养殖池塘水体，该文献使用的是学校教职工生活区下水管道排出的生活污水，TN浓度(10.6～21.5 mg/L)、TP浓度(0.86～1.98 mg/L)和COD浓度(56.0～106.7 mg/L)远高于本研究模拟的上海市淡水养殖池塘水体，因此水质净化效果差异较大。本研究使用的立体弹性填料纤维丝较硬，且分布均匀舒展，具有较大的比表面积；组合填料上纤维丝数量较少，且纤维丝柔软，容易粘结在一起；生物绳填料虽然纤维多，但纤维丝分布密集，填料内部多呈厌氧状态，不利于好氧微生物的生长和繁殖。

4 结 论

人工填料强化生态浮床对高磷浓度养殖水体中的TN、TP、COD、NO2--N均有一定净化效果，但进水中TP浓度太高不利于植物生长，导致去除率不高。在上海市淡水养殖池塘水体平均浓度条件下，3种人工填料强化生态浮床对TN和TP的去除能力为：立体弹性填料强化生态浮床>组合填料强化生态浮床>生物绳填料强化生态浮床，立体弹性填料强化生态浮床对TN和TP的去除率分别为83.9%和69.3%；3组系统对COD和NH4+-N的去除率均在70%以上。因此，立体弹性填料强化生态浮床可以考虑应用于上海市淡水养殖池塘水体的生态修复工程中。