碱蓬浮床对海水养殖尾水的修复效果

胡 杰, 王晓俊, 王趁义, 丁 寅, 赵欣园, 蔡静芳, 杨 娜

(浙江万里学院 生物与环境学院, 浙江 宁波 315100)

中国是世界上最大的海水养殖生产国，有文献报道[1]，2016年渔业产值中，海洋养殖产值2 937.66亿元，海水产品产量1.88×107t，养殖面积2.32×106hm2，分别占渔业产值的25.93%、水产品产量的50.89%、养殖总面积的27.38%。在海水养殖中，不规范的人工投喂方式导致排水中污染物严重超标，虾类养殖过程中投放的饲料有90%的氮、磷等营养元素会进入水体，进而导致近海水域环境严重恶化，引发一系列海域生态环境问题[2]。同时由于目前海水养殖废水排放标准尚未颁布，许多养殖户为了减少养殖成本，直接将含有大量残饵、生物残骸、排泄物、渔用肥料、化学药剂(包括杀虫剂、杀菌剂、除藻剂以及消毒水等)的养殖尾水排入附近海域，导致日益严峻的海湾及近岸海域水质恶化，生态系统失衡、赤潮频发、病害滋生，严重制约了海水养殖业的发展。目前对于富营养化水体的修复手段主要分为3类：物理修复、化学复和生物修复。但物理处理技术对可溶性有机物、无机物及总N、总P等的去除效果不佳[3]，化学处理技术易造成二次污染。与物理、化学修复相比，生物修复具有不消耗能源、运行成本低、操作简单、安全性较高等特点，是一项发展潜力较大、环境友好的处理技术，广泛用于富营养化水体的修复。其中，生态浮床作为一种新型的水生态修复技术，在地表水修复和污水净化中得到了越来越多的应用。然而目前国内外应用于海水养殖尾水修复的浮床实例极少。传统的植物生态浮床技术主要是通过植物的根部吸收、吸附作用来实现对污染水体中N，P及有机物的去除，来达到净化水质的效果。但受到植物生物量的限制，其净化效果很难进一步提高[4]。同时因传统浮床处理方式单一、处理范围小，许多水生植物难以满足高盐碱度、污染物种类复杂的海水养殖尾水的处理需求。因此，本文利用盐生植物碱蓬作为浮床植物，设计了一种兼具物理、化学、生物协同作用的组合式浮床，通过对照试验，比较和探究其对海水养殖尾水的修复净化性能。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

本试验所用碱蓬幼苗采集于象山县涂茨镇滩涂湿地，所选植株初始平均株高10.4 cm，根系平均长度5.1 cm，试验前清水洗去泥土并利用浓度为0.5‰的高锰酸钾溶液消毒备用。试验用海水养殖尾水是通过自来水投加养殖用海水晶并投加分析纯的氯化铵、硝酸钾、磷酸二氢钾及葡萄糖自行配制而成，配制之后的海水养殖尾水各成分浓度分别为：总N 35～40 mg/L，总P 5.5～6.2 mg/L，CODMn15～18 mg/L，氨氮1.3～1.7 mg/L，pH值为7.5～8.5，水体盐度为19.5‰～21.8‰。

所设计的组合浮床主体由聚氯乙烯(PVC)管、塑料种植杯(内径为5.5 cm)、PVC浮体等组成，浮床尺寸长45 cm，宽36 cm，覆盖面积1 620 cm2；浮床底部挂有长度可自由调节的生物绳，生物绳上每隔一段距离挂有生物填料球以及无机填料陶粒；盐生植物碱蓬利用土壤以及陶粒种植于种植杯中。传统浮床购自淘宝，由PVC浮体串联构成，浮体为圆盘式，中间嵌有圆形种植篮。浮床基质采用常用的海绵或椰子纤维用于固定碱蓬植株，它们具有弹性足、固定力强、吸附水分、养分能力强，不腐烂，不污染水体等特点，能保证植物的直立与正常生长。试验各组中组合式浮床与传统浮床覆盖面积大致相同。本试验共有3个处理组，分别为组合式浮床组、传统浮床组和空白组。试验采用9个尺寸为67 cm×47 cm×48 cm的塑料水箱，在室外防雨塑料棚中进行，每个水箱分别注入约60 L模拟的海水养殖尾水，将经消毒处理的碱蓬，按照每组生物量一致、平均种植密度500株/m2，种植到组合式浮床和传统浮床中。空白组为模拟的海水养殖尾水，不设置任何浮床，各组平行3样。试验过程中9个水箱都进行曝气，曝气机出气量为3 L/min。

1.2 试验方法与数据处理

(1)

式中：c0——污染物初始浓度(mg/L)；c1——取样测定的污染物浓度(mg/L)。

试验数据和图表利用Excel软件绘制和分析。

2 结果与分析

2.1 植物生长情况

植物的生长状态是反映水质改善的一个关键因素，试验过程中碱蓬总死亡株数为5株，死亡率2%，其余植物均生长良好。试验初期，组合式浮床中的碱蓬根部长出新根，植株顶部有新芽长出，植株高度明显增加，试验进行14 d左右时，组合浮床中植物的根部有微生物黏膜形成；而传统浮床组的上述现象明显滞后于组合式浮床组。试验进行60 d后，组合式浮床组平均株高58.8 cm，平均根系长度35.3 cm。传统浮床组平均株高36.6 cm，平均根系长度17.5 cm，组合浮床组株高及根系长度显著高于传统浮床组。说明组合式浮床碱蓬半土培半水培的种植方式更利于前期碱蓬的固定以及对环境的适应，使得碱蓬根系发达且生长迅速。

2.2 各处理组对氨氮的净化效果

图1 不同处理组浓度及其去除率的动态变化

2.3 各处理组对总氮(TN)的去除效果

由图2可知，各处理组TN浓度均下降，试验进行60 d时，各组TN去除率由大到小顺序为：组合式浮床组(62.14%)>传统浮床组(34.78%)>空白组(11.83%)。

硝化和反硝化作用、植物吸收和挥发是生态浮床系统中氮从水中去除的主要途径[8]。试验阶段，各处理组均进行曝气处理，因此水层中厌氧反硝化作用较小，系统中氮的去除主要依靠植物的吸收同化作用及部分好氧反硝化作用。组合式浮床碱蓬的种植方式更利于前期碱蓬的固定以及对环境的适应，使得碱蓬根系发达且生长迅速。同时植物发达的根系和介质中生物膜的共同作用强化了对TN的去除[9]，组合式浮床中的生物绳以及陶粒填料，有利于根际及水体微生物的富集。因此，组合式生态浮床对水体TN的去除效果明显优于传统浮床。

图2 不同处理组TN浓度和TN去除率的动态变化

2.4 各处理组对总磷(TP)的处理效果

从图3可以看出，各处理组水体中总磷浓度都呈下降趋势，去除率都不断提高，试验进行60 d时，总磷去除率由大到小为：组合浮床组(73.05%)>传统浮床组(53.54%)>空白组(34.60%)。TP的去除途径主要包括：植物的吸收和同化作用、填料的吸附以及沉降作用。在传统浮床组中，磷的去除主要与碱蓬的同化有关。空白组中，由于缺少植物以及吸收介质，因此该组TP下降的原因主要是沉降的作用[10]。组合式浮床组除了植物的吸收和同化作用，浮床下面生物球中陶粒对水体中磷有一定的吸附作用[11-12]，且两者相互促进对水体中磷的去除：生物陶粒可以通过离子交换的方式与接触的可溶性磷发生吸附反应，生成微溶的Ca2-P，Ca2-P是一种最易被水生植物吸收的磷酸盐种类，因此组合浮床组去除率显著高于其他两个处理组。

图3 不同处理组TP浓度和TP去除率的动态变化

2.5 尾水中高锰酸钾指数(CODMn)的变化状况

从图4可以看出，各处理组中的CODMn均下降，试验进行60 d时，各处理组CODMn去除率由小到大为：组合浮床组(60.91%)>传统浮床组(48.48%)>空白组(28.13%)。

总体上看，各组CODMn含量呈波动变化，这可能与系统中植物根系生长及介质中微生物膜的生长情况有关，微生物的生长繁殖会利用水体中有机物提供的碳源，前期微生物的生长不稳定导致水体中有机物含量波动较大。各处理组前两周CODMn浓度均先下降后上升，而在第2～4周，CODMn维持在一定浓度。李亚峰等[13]研究了以陶粒作为填料的生物滤池，采用自然挂膜法发现挂膜成熟约需20 d，因此3～4周时生物绳以及生物球中陶粒填料上附着的微生物较少，挂膜不稳定，水体中的CODMn浓度维持在一定水平。第4周后，组合式浮床组水体中CODMn浓度开始明显下降，说明组合浮床系统生物膜趋于成熟稳定，在有氧条件下，水中的有机物被膜微生物生物分解利用。同时人工介质也会提高微生物富集，形成微生物强化净化区，高密度的微生物富集是组合式生态浮床中有机物的净化主体，这也是组合式浮床组CODMn去除率高于其他组的原因。

图4 不同处理组CODMn浓度及其去除率的动态变化

3 结 论

(1) 组合式碱蓬浮床中的碱蓬株高和根系长度均远超过传统浮床组，其植物栽培基质以及填料会促进碱蓬的生长。

[参考文献]

[1] 袁晓初,赵文武.中国渔业统计年鉴[M].北京:中国农业出版社,2016:1-91.

[2] 张树,李由明,王平,等.对虾养殖水体的研究现状分析[J].畜牧与饲料科学,2017(3):55-58.

[3] 陈进斌,苗英霞,邱金泉,等.海水养殖废水处理技术研究进展[J].盐业与化工,2016,45(5):1-5.

[4] 杨凤娟.不同工艺生态浮床技术对污染水体的净化效果、机制及示范研究[D].广东 广州：暨南大学,2011.

[5] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. (第四版). 北京: 中国环境科学出版社, 2002: 12-13.

[6] 汤茵琪,李阳,常素云,等.好氧反硝化菌强化生态浮床对水体氮与有机物净化机理[J].生态学杂志,2017,36(2):569-576.

[7] Wu Hailu, Xu Kaiqin, He Xiaojuan, et al. Removal of nitrogen by three plant species in hydroponic culture:plant uptake and microbial degradation[J]. Water Air & Soil Pollution, 2016,227(9):324-336.

[8] Zhao Fengliang, Yang Weidong, Zeng Zheng, et al. Nutrient removal efficiency and biomass production of different bioenergy plants in hypereutrophic water[J]. Biomass & Bioenergy, 2012,42(7):212-218.

[9] 王国芳,汪祥静,吴磊,等.组合型生态浮床中各生物单元对污染物去除的贡献及净化机理[J].土木建筑与环境工程,2012,34(4):136-141.

[10] Zhang Rongshe, Zhou Qi, Shi Yunpeng, et al. Phosphorus Removal of agriculture wastewater through subsurface constructed wetland[J]. Environmental Science, 2003,24(4):105-108.

[11] Huang Jianhong, Mo Wenrui, Tian Senlin, et al. Ammonium nitrogen and phosphorus adsorption characteristics of three substrates in constructed wetland[J]. Applied Chemical Industry, 2012,41(5):774-770.

[12] Yu Yang, Chen Nan, Wang Di, et al. Adsorption of phosphorus based on Hangjin clay granular ceramic from aqueous solution And sewage: Fixed-bed column study[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2017,36(1):1-10.

[13] 李亚峰,张娟,张佩泽,等.曝气生物滤池的自然挂膜启动分析[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2008,24(6):1035-1038.