基于人工湿地的循环水养殖系统运行效果研究

程果锋， 陆诗敏， 刘兴国， 曾宪磊， 顾兆俊

(农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092)

人工湿地作为一种生态工程化废水处理设施，在水产养殖尾水净化过程中逐步得到应用。该技术主要通过基质—微生物—植物三重协调作用来去除养殖废水中总固体悬浮物(TSS)、有机物、氮(N)、磷(P)、重金属等，具有水质净化效果好、投资及运行费用低、管理维护方便等特点[1-5]。相关研究表明，人工湿地能有效去除多个水产品养殖系统中的总固体悬浮物(TSS)、有机物、氮(N)、磷(P)、重金属等物质，如虹鳟(Oncorhynchusmykiss)[4]、斑点叉尾鮰(Ictaluruspilnctatils)[2]、罗氏沼虾(Macrobrachiumrosenbergii)[6]等。有关人工湿地的研究主要集中于低密度养殖池塘，养殖密度一般不超过1.5 kg/m2，而对人工湿地用在养殖密度较高的循环水养殖系统的研究甚少，仅在凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)[7-8]和罗非鱼(Oreochromisniloticus)[9-10]等少数养殖品种有过报道，有关循环水系统的湿地构建技术的研究尚不多见。本研究基于循环水养殖系统的湿地构建技术和水质净化效果，为人工湿地在集约化循环水系统中的应用提供技术支持，以拓展人工湿地的应用范围。

1 材料与方法

1.1 基于复合人工潜流湿地的循环水养殖系统

循环水养殖系统位于农业部渔业装备与工程技术重点实验室玻璃阳光温室大棚内，该系统由8个并联的玻璃钢材质养殖池、两级串联潜流湿地和1套微孔曝气增氧系统组成(图1)，各养殖池与湿地直接相连，相互之间不贯通。8个养殖池规格相同，长120 cm×宽60 cm×深60 cm，池中水深55 cm，槽底中央设一个排水口(直径50 mm)，上面安装一根直径50 mm、高55 cm的PVC控水管，控水管外部套一根直径200 mm、高60 cm的PVC导流管，导流管下部开有多个直径5 mm小孔，该装置可使池内含有粪便和残饲的底层水体通过小孔进入导流管底部，然后向上流，最后从控水管上沿溢出，经排水总管汇集流入人工湿地，净化后经水泵提升至养殖槽，形成循环。

图1 试验系统布局

两级串联人工湿地，规格均为长120 cm×宽60 cm×深58 cm，湿地床构造相同，均由前、中、后3部分组成。前端设置进水渠兼集污区，宽10 cm，进水渠中放置由滤棉做成的方形围兜，用于过滤湿地进水中的粪便和残饲。湿地中段为净化区，以粒径25 mm的陶粒为填料，填满整个湿地床。湿地后端为集水区，宽10 cm，以粒径5～8 cm的卵石为填料。两级人工潜流湿地净化区种植美人蕉，种植密度约12 株/m2。增氧系统由鼓风机、气管及气头组成，每个养殖池内根据养殖密度放置3～6个气头，保证池内溶氧不低于4 mg/L，同时在湿地末端集水区放置4个气头，对湿地出水曝气充氧，曝气后出水溶氧不低于3 mg/L，以补偿养殖水体通过湿地损失的氧气，增加水体的溶氧水平，然后回用到鱼池。

系统水处理工艺流程：养殖池底部含有粪便和残饲的尾水经导流管和控水管，在重力作用下自流到排水总管，汇集后进入一级潜流湿地前端的进水渠兼集污区，经滤棉过滤后，大颗粒的粪便和残饲得以去除，过滤后的水进入一级潜流湿地，然后再进入二级潜流湿地，废水经过二级湿地净化后，出水汇集到湿地末端的清水池兼回用水池，经曝气充氧后，由微型潜水泵(森森水族泵，250 W)提水回流到各养殖池。湿地日循环量，前30 d为2次/d，后38 d为4次/d。

1.2 养殖管理

选用鲫鱼(Carassiusauratus)作为养殖对象，由中国水产科学研究院池塘生态工程研究中心(上海松江)提供，试验前在暂养池(容积10 m3)内以2 kg/m3的密度暂养2周。量取鲫鱼全长和个体质量，然后分别以2、4、8和16 kg/m3的密度养殖于系统中，记为A组(A1池、A2池)、B组(B1池、B2池)、C组(C1池、C2池)和D组(D1池、D2池)，每个密度组设2个平行(图1)。实验用通威公司鲫鱼配合饲料，饲料组成成分：粗蛋白33%、粗脂肪11%、粗灰分12%、钙2%、磷2%。每天9：00和15：00时各投喂配合饲料一次，日投喂量为鱼总质量的1%。

1.3 水质检测

1.4 数据处理

试验数据用平均值±标准方差表示，采用SPSS 19.0、Excel 2010和Graphpad prism软件进行数据处理和绘制图表。用独立样本T检验来比较湿地的净化效能，以P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 生长性能

每个试验组养殖密度、初始鲫鱼全长、体质量、增长率等见表1。经过68 d的封闭循环水养殖，鲫鱼种初期的体长(19.50±0.65) cm、个体质量(136.10±7.08) g，结束时分别为(21.40±1.47)cm、(177.00±14.47)g。整个养殖过程中，鲫鱼存活率为(95.30±3.28)%。由于养殖池初期各密度组初始重量、全长均没有显著性差异(P>0. 05)。养殖68 d 后，A、B、C、D组鲫鱼的平均重量从初期的(137.1±7.9)g、(134.8±6.6)g、(133.1±8.3)g、(137.8±6.5)g，到末期分别增加到(194.1±15.7)g、(172.1±18.7)g、(171.8±14.4)g、(178.7±13.3)g。其中，A组鲫鱼的平均体质量增长率为41. 6%，显著高于其他3个试验组(P<0.05)，但方差分析显示，在试验结束时，4个试验组，鲫鱼的体长、体质量均不存在显著性差异(P>0.05)[11]。最终，A、B、C、D组的养殖密度，由初期的2、4、8、16 kg/m3，分别增加到试验末期的约2.8、5.1、10.3、20.2 kg/m3，即系统平均负荷由初期的7.5 kg/m3增加到试验末期的9.6 kg/m3，实现了基于湿地的较高密度的循环水养殖。

表1 鲫鱼在不同养殖密度下的生长性能

2.2 水体理化指标和养殖污染物去除效率

2.2.1 水温

试验期间，水温变化范围20.4 ℃～26.3 ℃，循环水湿地进水的平均水温(25.41±3.42)℃，湿地末端出水均值为(23.63±2.54)℃，潜流湿地出水明显低于进水，表明潜流湿地在夏季对降低池中水温具有一定效果。整个养殖期间，养殖池中水温保持在26 ℃～19 ℃(图2)，保证鱼类在夏季高温季节的正常生长。

图2 养殖池内部水温的变化情况

2.2.2 溶氧

养殖期间，池内水体中的DO范围在5.3～8.3 mg/L(图 3)。养殖尾水经过湿地处理后，溶氧有所降低。其中一级湿地进、出水的平均溶氧质量浓度分别为(6.63±0.87) mg/L、(4.98±0.91) mg/L，溶氧显著降低，经过二级湿地后，出水溶氧质量浓度又进一步降低，平均值仅为(3.71±0.85) mg/L。池中溶氧质量浓度随着养殖时间推移而逐步走低，可能与池中水体养殖密度增加、导致耗氧量增加有关。

图3 养殖系统各检测点溶解氧的变化情况

2.2.3 氮

图4 养殖系统各检测点氨氮、亚硝酸盐氮、总氮的变化情况

2.2.4 COD

如图5所示，整个试验过程，养殖水体经潜流湿地后，水体COD显著降低，两级湿地对COD的总去除率为(58.3±7.5)%。其中，一级湿地去除率为(41.3±9.7)%，二级潜流湿地去除率为(28.67±8.70)%，显然，对COD的去除主要集中在一级潜流湿地。在整个养殖期间，COD质量浓度一直处于较低水平，均值为(11.17±2.37) mg/L。

图5 循环水养殖系统中各检测点COD的变化过程

2.2.5 TSS

在湿地进水渠中设置一个由滤棉制作成的网兜状过滤装置取代传统的沉淀装置，使一级湿地进水TSS平均质量浓度从(72.33±19.36) mg/L降低到(41.88±8.04 )mg/L，去除率达41.03%，有效去除了水体中的悬浮物，减轻后续湿地的处理负荷。经过滤装置和一级潜流湿地后，水体TSS平均质量浓度降低为(14.56±1.5) mg/L，去除率达80.45%，再经二级潜流湿地后，TSS平均质量浓度进一步降低至(7.89±1.27) mg/L，去除率为45.12%。湿地对水体中TSS的去除主要集中在一级湿地，系统总体对TSS的去除率达到(88.04±3.70)%，有效保证了养殖水体中悬浮物浓度，在整个养殖期间，养殖池平均TSS质量浓度为(64.11±17.89) mg/L，保持在较低水平。

图6 循环水养殖系统中各检测点TSS的变化过程

3 讨论

3.1 基于人工湿地的循环水养殖

对于鱼类的集约化养殖，现有的工厂化养殖技术基本成熟，在鲆鲽类海水鱼的商业化养殖中应用也取得初步成功，但存在投资规模大、运行成本高、管理维护复杂等问题，制约了该技术的推广和应用[12-15]。本研究构建的基于人工潜流湿地的循环水系统，经过鲫鱼封闭循环水养殖系统68 d运行，平均养殖负荷由养殖初期的7.5 kg/m3增加到试验末期的9.6 kg/m3，实现了基于潜流湿地净化的较高密度的循环水养殖。同时，系统运行主要通过1台水泵抽水即可运行，相比较工厂化循环水养殖的处理流程，操作简单，运行管理方便。

3.2 人工湿地对主要污染物的去除

3.3 人工湿地防堵塞措施

湿地进水悬浮物太高是导致人工湿地堵塞的一个重要原因[17-18]，如果对粪便和残饲不做处理，直接进入湿地，则会导致湿地过度堵塞，导致湿地水力传导系数降低、处理效果下降、运行寿命缩短等一系列问题。采用前置沉淀池、生态净化塘对进水悬浮物进行预处理，存在占地面积大，效率高等问题，不适用于高密度循环水养殖[19]。本设计在湿地前段设置一个由滤棉制作成的网兜，可高效滤除粪便和残饲，去除率达41.03%，且占地面积小、结构简单，通过定期清洗及时把沉积的污染物从系统中去除，减轻后续处理负担。二级人工潜流湿地对总固体悬浮物的去除始终维持在较高效率，出水TSS低于9 mg/L，总去除率高于90%。而采用传统的沉淀池和机械筛滤对悬浮物的去除率一般仅为50%～74%[1,6 ]。此外，在湿地中被基质和根系截留的悬浮物，通过生物膜的吸附，迅速被微生物分解、吸收和转化，最终被彻底去除。

4 结论

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