红树林人工湿地的脱氮除磷效果研究

2022-09-02刘永张诗涵肖雅元吴鹏王腾李纯厚

农业环境科学学报 2022年8期

刘永，张诗涵，肖雅元，吴鹏，王腾，李纯厚*

（1.农业农村部南海渔业资源开发利用重点实验室，广东珠江口生态系统野外科学观测研究站，中国水产科学研究院南海水产研究所，广州 510300；2.上海海洋大学，上海 201306；3.南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），广州 511458）

我国的水产品生产规模位居世界第一，并且是世界上唯一水产养殖规模超捕捞规模的国家。随着海水养殖业的快速发展，如果盲目扩大规模和投入，将会导致海水池塘养殖过程中放养密度不合理，养殖残饵或排泄物超过环境承载力等问题，养殖环境将不断恶化，生态负面效应将日益突出。含有大量N、P等营养元素的养殖尾水如果未经净化任意排放，将导致自身水体及邻近水域的富营养化等污染问题，同时会通过水环境问题的反馈作用极大限制海水养殖业的绿色健康发展。

近年来，我国高度重视产业发展带来的生态环境问题，走渔业生态优先发展道路，推进“绿色、生态”水产养殖迫在眉睫。2019 年，国家十部委联合发布的《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》指出，“养殖尾水生态净化”与“达标排放”等问题日益受重视，是推动水产养殖业绿色发展的重点和关键点。同时指出，应用生物净化、人工湿地等技术，可以有效推动养殖尾水资源化利用或达标排放。

当前，海水养殖尾水的净化处理主要有物理、化学和生物3 种方法。物理方法包括过滤、沉淀、吸附、水体交换、机械增氧等，多应用于小型养殖池塘的污染处理（如高位虾塘的水体净化）；化学处理方法包括氧化、混凝和离子交换等，短期内效果较好，但成本高且容易造成二次污染；生物修复方法是利用生态系统中各种生物间的互利、协作和共生关系，直接或间接地调控和修复环境，具有成本低、效果好等特点，主要包括动物修复、微生物修复、植物修复和生物修复体系技术4 个类型。生物修复体系技术中的人工湿地（Constructed wetland）修复技术因具有低成本、高生态效益的综合优势而被广泛应用。

红树林是热带亚热带海岸带的典型生态系统之一，红树植物具有强大的根系，目前已被广泛应用于生活污水中生源要素（N和P）、重金属、多环芳烃等持久性污染物的生物修复。红树植物具有一定的耐盐性，因此适宜对具有一定盐度的海水池塘养殖尾水进行修复。本研究聚焦红树林人工湿地，以华南地区常见的红树植物——桐花树（）、秋茄（）和红海榄（）为研究对象，设置N 和P 的不同浓度废水开展室内模拟试验，研究红树林人工湿地对养殖尾水中N、P的去除效果，为应用红树林人工湿地开展海水池塘养殖尾水净化提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验植物

在广州市番禺区海鸥岛红树林区苗圃采集6～8月龄的桐花树（）、秋茄（）和红海榄（）幼苗，在实验室人工气候箱中适应性培育3 个月后，选取大小相近、生长状况良好的树苗进行试验。

1.1.2 供试基质

试验采用沙质培养，供试基质采自广州市花都区某河道。基质采集并运送至基地后，用大量清水冲洗5次，再用纯净水浸泡48 h（尽量消除试验沙携带的营养物质对试验产生的干扰），沥水后自然风干，过80目筛，备用。

1.1.3 供试试剂

试验处理、植物浇灌所需试剂均为分析纯及以上等级。试验浇灌用人工海水使用海宝牌生态海水盐配制，盐度为20‰；氨态氮（NH-N）系列溶液成分分析标准物质（GBW08631-GBW08633）、硝态氮（NO-N）系列溶液成分分析标准物质（GBW08634-GBW08637）、亚硝态氮（NO-N）系列溶液成分分析标准物质（GBW08638-GBW08641）和磷酸盐（PO-P）溶液标准物质（GBW08623）采购于自然资源部第二海洋研究所。

1.1.4 试验仪器

试验仪器包括爱拓PAL-06S 海水盐度计、力辰LC-MSH-PRO 磁力搅拌器、良平JA10003 电子天平、禾木5110-500 游标卡尺、东南RDZ-1000D-4 人工气候箱、DGX-9073 电热恒温鼓风干燥箱、密理博WP6122050 真空泵、岛津UV-2550 紫外分光光度计、Lachat QuikChem 8500S2流动注射分析仪。

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置

试验用湿地系统由底部装有出水阀、尺寸规格为30 cm×30 cm×35 cm（长×宽×高）的PE种植箱构成，每个种植箱内种植4 株红树植物苗，每棵植物根部用根际袋套住，用过80目网筛的沙作为基质填充20 cm深（图1）。试验分为4 组，包括桐花树组、秋茄组、红海榄组和空白组（不种植红树植物），每组设置4 个平行处理。

图1 试验装置示意图Figure 1 Schematic diagram of the experiment

1.2.2 试验处理

为研究红树林人工湿地系统对养殖尾水中N 和P 营养元素的去除效果，试验以海水池塘养殖尾水的N 和P 浓度为参考（NH-N、NO-N、NO-N 和PO-P的平均浓度分别为4.53、0.50、0.80 mg·L和0.33 mg·L），平均盐度为20‰。经预处理试验后，分别设置5、10、15、25 倍4 个浓度组开展脱氮除磷试验（表1）。同时设置只浇灌营养液的对照组（CK），以对植物生长指标进行比较。

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

试验初始，向每个种植箱分别浇灌5 L 不同N 和P 浓度的人工尾水（盐度设定为20‰），使水位保持略高于基质，并在种植箱外对水位标记刻度，每2 d用营养液对种植箱水位进行补充，使水位保持于刻度线处。室内试验周期为30 d，试验温度和相对湿度范围分别设置为25～32 ℃和70%～90%。

1.2.3 营养液配制

以稀释至20‰的人工海水为溶剂，配制10%浓度的植物浇灌用营养液：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。试验期间，营养液中不再添加N 和P，用HCl或NaOH调整pH在6.5左右。

1.3 指标测定

试验过程中，分别在第3、6、9、14、19、24、29 天于种植箱的出水口采集150 mL 水样，用Whatman 玻璃微纤维滤膜（47 mm，GF/B）过滤后，收集滤液，使用流动注射分析仪（Flow-injector analyser，FIA）对滤液中NH-N、NO-N、NO-N、PO-P 等营养盐浓度进行测定。总无机氮（DIN）浓度为NH-N、NO-N和NO-N浓度之和。试验结束后收获植物，用大量自来水冲洗根、茎、叶，再用蒸馏水充分淋洗，用滤纸吸干植物表面水分，植物的茎高和直径分别采用直尺和游标卡尺进行测量。

1.4 数据处理与分析

试验数据用平均值±标准差（mean±SD）表示。使用SPSS 22.0 软件分析，在95%的置信区间下进行One-way ANOVA 分析和LSD 差异显著检验。不同处理组间的差异显著性采用配对样本进行评价。采用Excel和Origin 2021进行分析与绘图。

数据处理中去除率计算公式为：

去除率=（营养盐初浓度-营养盐终浓度）/营养盐初浓度×100%

2 结果与分析

2.1 红树植物的生长状况

对各组3 种红树植物的株高增量进行分析，结果表明（图2）：不同N 和P浓度的人工尾水处理30 d后，各处理组的桐花树、秋茄和红海榄均能正常生长，其中桐花树的生长状况最佳；桐花树和秋茄株高增量在15 倍浓度处理下达到最高值，红海榄株高增量在25倍浓度处理下达最高值；在各浓度处理下，3 种红树植物中，桐花树的茎高增量最显著。

图2 不同浓度尾水处理下红树植物株高增量Figure 2 The height increment of mangrove seedlings in different treatments by artificial sewage

2.2 对不同浓度NH+4-N的净化效果

在试验开始后的第3、6、9、14、19、24、29 天，分别对滤出液中的NH-N 浓度进行分析测定，结果发现（表2 和图3）：在试验处理期间，3 种红树植物处理组和空白组的人工尾水中NH-N 浓度显著下降，在5倍和10倍浓度处理下，红树植物处理组的NH-N去除率显著高于空白组（＜0.05），但在25 倍浓度处理下，红树植物处理组与空白组对NH-N 去除率差异不显著（＞0.05）；随着处理浓度的增大，各植物处理组对NH-N的去除率呈现不同程度的下降；种植红树植物的处理组NH-N 去除率为62.3%～99.2%；在5 倍浓度处理下，3 种红树植物组在第9 天对NH-N 的去除率达到80%，之后NH-N 浓度均维持在较低的水平；15倍浓度处理下，秋茄组的NH-N 浓度最低，净化效果最显著。

图3 红树植物对不同浓度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 对不同浓度NO-3-N的净化效果

在试验开始后的第3、6、9、14、19、24、29 天，分别对滤出液中的NO-N 浓度进行分析，结果发现（表2和图4）：试验前期NO-N 浓度出现上升趋势，随着时间推移，在不同浓度处理下3 种红树植物组中的NO-N 浓度显著下降（＜0.05）；整个试验周期中，空白组中NO-N 浓度呈现不规则上升趋势；3 种红树植物处理组的NO-N浓度显著低于空白组（＜0.05），其中10倍浓度组最为显著（＜0.05）。

图4 红树植物对不同浓度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 红树林人工湿地系统对海水养殖尾水中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 对不同浓度NO-2-N的净化效果

在试验开始后的第3、6、9、14、19、24、29 天，对滤出液中的NO-N 浓度进行分析，结果发现（表2 和图5）：试验期间，空白组人工尾水的NO-N 浓度呈现升高趋势，并且维持在高于初始浓度的水平，而红树植物组的NO-N 的浓度显著下降；在5 倍和10 倍浓度处理下，秋茄和桐花树对NO-N 的去除效果高于红海榄；在25 倍组处理下，秋茄、红海榄对NO-N 的去除效果高于桐花树（＜0.05），秋茄、红海榄和桐花树对NO-N 的去除率分别达到86.0%、73.2%和35.5%。

图5 红树植物对不同浓度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 对不同浓度PO34--P的净化效果

在试验开始后的第3、6、9、14、19、24、29 天，分别对滤出液中的PO-P 进行分析，结果表明（表2 和图6）：试验开始的前3 d 内，各处理组中的PO-P 浓度迅速下降，5倍和10倍浓度处理下，红树植物组在第3天后达到动态平衡，第29 天各系统去除率均达到97%以上；红树植物处理组对PO-P的平均去除率高于空白组，各种红树植物组间对PO-P的去除率无显著差异（＞0.05）。

图6 红树植物对不同浓度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 讨论

3.1 人工湿地对水体N和P的净化效应

人工湿地由人工模拟自然湿地建造和控制，是由土壤-植物-底栖生物-微生物形成的生态系统，是通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物降解等途径实现污水高效净化处理的一种新型废水处理技术。在人工湿地处理技术中，污染物的净化主要通过植物吸收、微生物代谢降解、固体颗粒物沉淀、植物根部过滤和生源要素被土壤和基质吸附等途径完成。

应用红树林构建人工湿地生态系统净化人工污水的研究已有较长历史，且许多模拟试验取得了较为显著的研究成果。有研究者利用香港西径的红树林底泥和深圳福田红树林底泥与秋茄、白骨壤（）和桐花树建造了两条180 m 长的样带处理人工污水，结果发现，随着处理时间的延长，污水中总磷含量显著下降，在靠近出水口的位置，总有机碳、总氮、NH-N 和NO-N 也都得到有效去除；应用白骨壤对人工污水处理中也发现，N和P 的去除效果较好；在对人工污水处理时还发现，人工污水中的总氮、NH-N 和NO-N 可有效促进秋茄、白骨壤和桐花树等红树植物地上部分的生长，同时也会被红树林人工湿地有效去除。以上说明水环境中的N 和P 元素可以被湿地植物有效吸收和利用，人工湿地对水体N 和P 具有较好的净化作用。

3.2 人工湿地对养殖尾水的生态净化作用

海水池塘养殖尾水中的N 和P 等元素可被湿地植物吸收利用，并且促进湿地植物的生长，一定浓度的N 可有效促进湿地植物的茎、叶生长。在对木榄（）的研究中发现，N 元素可以显著提高植物的耐盐性，且NO-N 和NH-N 可显著促进其地上部分的生长；在一定浓度范围内，增加NH-N 可显著提高白骨壤地上部分的生物量；有研究还发现，N、P 浓度的升高，可显著提高海榄雌属红树植物的叶片面积、数量，并有效促进其生长。在本研究中，试验开始前适应性生长阶段的营养液中的N 水平较低，试验添加N 元素后的前几天，植物对NH-N 的吸收利用率较高，在处理第9天时NH-N下降到较低水平，而较低的NH-N浓度和湿地的基质缺氧条件相互作用，可能会促进反硝化作用，使得NH-N 浓度在这一拐点后有一定程度上升并维持在一个相对平衡的浓度水平。可见，在一定浓度范围内，通过增加N 和P 浓度，可以有效促进红树植物的吸收利用和生长。

有研究者通过设计的人工湿地系统处理海水养殖尾水，发现系统对N的去除在处理一个月后即有明显效果，在连续7 个月的运行过程中，NH-N 去除率达到86%～98%、总无机氮的去除率达到95%～98%，出水口各形态N 的含量均能满足养殖用水的要求。本研究也发现，3 种红树植物对人工模拟的各浓度养殖尾水中的NH-N 的去除率为62%～99%，试验3 d内，人工尾水中的PO-P 去除率在80%以上。然而，在不同浓度的处理下，红树林人工湿地对NH-N 和PO-P 的去除具有一定的临界值。在15 倍浓度处理组中，空白组对NH-N 的去除率高于红海榄和桐花树，在25倍浓度处理组中，空白组对NH-N 的去除率与3 种红树植物组无显著差异，这说明红海榄和桐花树在15 倍浓度处理下，对NH-N 的吸收去除已达到饱和状态，秋茄在25 倍浓度处理下达到饱和；在10、15、25 倍浓度下，空白组对PO-P 的去除率与3 种红树植物组虽无显著差异，但去除率均可达到95%以上。由此可见，构建人工湿地生态系统时，可通过湿地植物对N、P 等营养元素的需求来达到净化养殖尾水的效果，但在实际应用过程中，为达到最佳去除效果，应考虑尾水中N、P浓度的临界值。

3.3 不同类型人工湿地对海水养殖尾水的生态净化比较

人工湿地技术具有较低的构建成本和较高的生态效益，因此被越来越广泛地应用于海水池塘养殖尾水的生态净化。应用不同种类湿地植物构建人工湿地对海水养殖尾水的处理效果已有广泛的研究工作基础（表3）。在低盐（盐度0～5‰）环境下，芦苇（）、美人蕉（）、香蒲（）等构建的人工湿地对N和P的净化效果良好，当盐度超过10‰时，其对N 和P 的吸收利用受到高盐度的限制，N 和P 的去除效果随盐度增加显著下降。然而，碱蓬（）与红树植物秋茄、白骨壤、桐花树和红海榄在10‰～20‰盐度的海水中表现出良好的净化效果，但当盐度高于30‰时，也会出现较明显的盐胁迫生理响应。本研究选取的3 种红树植物均为多年生木本植物，应用其构建人工湿地处理尾水过程中，凋落物相对比盐生草本植物少，N 和P 的重新释放率相对较低。在相同的红树植物处理下，不同生长阶段的植物，对N 和P 的净化效能具有一定的差异（表3），这可能与植物生长过程中对N和P的吸收利用效率直接相关。

表3 不同人工湿地植物对海水废水的处理效果Table 3 Purification efficiency of constructed wetland with different plants on marine sewege

本研究也发现，红树植物对水体中N 和P 的去除率随着处理浓度的上升而显著下降，处理效率会出现一定程度的饱和。N 素特别是NH-N 和NO-N是海水养殖过程中最容易产生的有毒害作用的物质，必须重点控制。在适宜的盐度条件下，大多数湿地植物系统对养殖尾水中NH-N 的去除率在90%以上，具有较好的净化效果。结合本研究的试验结果，3 种红树植物处理N 和P 的临界值为10 倍浓度，其对NH-N、NO-N 和PO-P 的平均去除率分别为95.5%～99.2%、94.2%～99.7%和98%以上，其中秋茄的效果最佳，其对NH-N、NO-N 和PO-P 的平均去除率分别为99.2%、99.7%和98.2%，即使处理10倍浓度的养殖尾水，净化后仍可达标排放。本研究构建的红树林人工湿地处理了5 L 盐度为20‰的10 倍养殖尾水，采用44 棵·m（在30 cm×30 cm 面积中种植4棵）密度种植一年苗龄的秋茄，若构建100 m的表面流人工湿地，1 个月左右可使55.56 t 海水池塘养殖尾水实现达标排放，具有一定的示范价值。然而，若要进一步提高净化效率，还应在红树植物种类搭配、苗龄选择、基质类型选择等方面深入研究。由此可见，开展红树植物人工湿地对海水池塘养殖尾水脱氮除磷具有一定的应用前景。