程果鋒， 陸詩(shī)敏， 劉興國(guó)， 曾憲磊， 顧兆俊

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092)

人工濕地作為一種生態(tài)工程化廢水處理設(shè)施，在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水凈化過程中逐步得到應(yīng)用。該技術(shù)主要通過基質(zhì)—微生物—植物三重協(xié)調(diào)作用來(lái)去除養(yǎng)殖廢水中總固體懸浮物(TSS)、有機(jī)物、氮(N)、磷(P)、重金屬等，具有水質(zhì)凈化效果好、投資及運(yùn)行費(fèi)用低、管理維護(hù)方便等特點(diǎn)[1-5]。相關(guān)研究表明，人工濕地能有效去除多個(gè)水產(chǎn)品養(yǎng)殖系統(tǒng)中的總固體懸浮物(TSS)、有機(jī)物、氮(N)、磷(P)、重金屬等物質(zhì)，如虹鱒(Oncorhynchusmykiss)[4]、斑點(diǎn)叉尾鮰(Ictaluruspilnctatils)[2]、羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)[6]等。有關(guān)人工濕地的研究主要集中于低密度養(yǎng)殖池塘，養(yǎng)殖密度一般不超過1.5 kg/m2，而對(duì)人工濕地用在養(yǎng)殖密度較高的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的研究甚少，僅在凡納濱對(duì)蝦(Litopenaeusvannamei)[7-8]和羅非魚(Oreochromisniloticus)[9-10]等少數(shù)養(yǎng)殖品種有過報(bào)道，有關(guān)循環(huán)水系統(tǒng)的濕地構(gòu)建技術(shù)的研究尚不多見。本研究基于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的濕地構(gòu)建技術(shù)和水質(zhì)凈化效果，為人工濕地在集約化循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用提供技術(shù)支持，以拓展人工濕地的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 基于復(fù)合人工潛流濕地的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)位于農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室玻璃陽(yáng)光溫室大棚內(nèi)，該系統(tǒng)由8個(gè)并聯(lián)的玻璃鋼材質(zhì)養(yǎng)殖池、兩級(jí)串聯(lián)潛流濕地和1套微孔曝氣增氧系統(tǒng)組成(圖1)，各養(yǎng)殖池與濕地直接相連，相互之間不貫通。8個(gè)養(yǎng)殖池規(guī)格相同，長(zhǎng)120 cm×寬60 cm×深60 cm，池中水深55 cm，槽底中央設(shè)一個(gè)排水口(直徑50 mm)，上面安裝一根直徑50 mm、高55 cm的PVC控水管，控水管外部套一根直徑200 mm、高60 cm的PVC導(dǎo)流管，導(dǎo)流管下部開有多個(gè)直徑5 mm小孔，該裝置可使池內(nèi)含有糞便和殘飼的底層水體通過小孔進(jìn)入導(dǎo)流管底部，然后向上流，最后從控水管上沿溢出，經(jīng)排水總管匯集流入人工濕地，凈化后經(jīng)水泵提升至養(yǎng)殖槽，形成循環(huán)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)布局

兩級(jí)串聯(lián)人工濕地，規(guī)格均為長(zhǎng)120 cm×寬60 cm×深58 cm，濕地床構(gòu)造相同，均由前、中、后3部分組成。前端設(shè)置進(jìn)水渠兼集污區(qū)，寬10 cm，進(jìn)水渠中放置由濾棉做成的方形圍兜，用于過濾濕地進(jìn)水中的糞便和殘飼。濕地中段為凈化區(qū)，以粒徑25 mm的陶粒為填料，填滿整個(gè)濕地床。濕地后端為集水區(qū)，寬10 cm，以粒徑5～8 cm的卵石為填料。兩級(jí)人工潛流濕地凈化區(qū)種植美人蕉，種植密度約12 株/m2。增氧系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、氣管及氣頭組成，每個(gè)養(yǎng)殖池內(nèi)根據(jù)養(yǎng)殖密度放置3～6個(gè)氣頭，保證池內(nèi)溶氧不低于4 mg/L，同時(shí)在濕地末端集水區(qū)放置4個(gè)氣頭，對(duì)濕地出水曝氣充氧，曝氣后出水溶氧不低于3 mg/L，以補(bǔ)償養(yǎng)殖水體通過濕地?fù)p失的氧氣，增加水體的溶氧水平，然后回用到魚池。

系統(tǒng)水處理工藝流程：養(yǎng)殖池底部含有糞便和殘飼的尾水經(jīng)導(dǎo)流管和控水管，在重力作用下自流到排水總管，匯集后進(jìn)入一級(jí)潛流濕地前端的進(jìn)水渠兼集污區(qū)，經(jīng)濾棉過濾后，大顆粒的糞便和殘飼得以去除，過濾后的水進(jìn)入一級(jí)潛流濕地，然后再進(jìn)入二級(jí)潛流濕地，廢水經(jīng)過二級(jí)濕地凈化后，出水匯集到濕地末端的清水池兼回用水池，經(jīng)曝氣充氧后，由微型潛水泵(森森水族泵，250 W)提水回流到各養(yǎng)殖池。濕地日循環(huán)量，前30 d為2次/d，后38 d為4次/d。

1.2 養(yǎng)殖管理

選用鯽魚(Carassiusauratus)作為養(yǎng)殖對(duì)象，由中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院池塘生態(tài)工程研究中心(上海松江)提供，試驗(yàn)前在暫養(yǎng)池(容積10 m3)內(nèi)以2 kg/m3的密度暫養(yǎng)2周。量取鯽魚全長(zhǎng)和個(gè)體質(zhì)量，然后分別以2、4、8和16 kg/m3的密度養(yǎng)殖于系統(tǒng)中，記為A組(A1池、A2池)、B組(B1池、B2池)、C組(C1池、C2池)和D組(D1池、D2池)，每個(gè)密度組設(shè)2個(gè)平行(圖1)。實(shí)驗(yàn)用通威公司鯽魚配合飼料，飼料組成成分：粗蛋白33%、粗脂肪11%、粗灰分12%、鈣2%、磷2%。每天9：00和15：00時(shí)各投喂配合飼料一次，日投喂量為魚總質(zhì)量的1%。

1.3 水質(zhì)檢測(cè)

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差表示，采用SPSS 19.0、Excel 2010和Graphpad prism軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪制圖表。用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)來(lái)比較濕地的凈化效能，以P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)性能

每個(gè)試驗(yàn)組養(yǎng)殖密度、初始鯽魚全長(zhǎng)、體質(zhì)量、增長(zhǎng)率等見表1。經(jīng)過68 d的封閉循環(huán)水養(yǎng)殖，鯽魚種初期的體長(zhǎng)(19.50±0.65) cm、個(gè)體質(zhì)量(136.10±7.08) g，結(jié)束時(shí)分別為(21.40±1.47)cm、(177.00±14.47)g。整個(gè)養(yǎng)殖過程中，鯽魚存活率為(95.30±3.28)%。由于養(yǎng)殖池初期各密度組初始重量、全長(zhǎng)均沒有顯著性差異(P>0. 05)。養(yǎng)殖68 d 后，A、B、C、D組鯽魚的平均重量從初期的(137.1±7.9)g、(134.8±6.6)g、(133.1±8.3)g、(137.8±6.5)g，到末期分別增加到(194.1±15.7)g、(172.1±18.7)g、(171.8±14.4)g、(178.7±13.3)g。其中，A組鯽魚的平均體質(zhì)量增長(zhǎng)率為41. 6%，顯著高于其他3個(gè)試驗(yàn)組(P<0.05)，但方差分析顯示，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，4個(gè)試驗(yàn)組，鯽魚的體長(zhǎng)、體質(zhì)量均不存在顯著性差異(P>0.05)[11]。最終，A、B、C、D組的養(yǎng)殖密度，由初期的2、4、8、16 kg/m3，分別增加到試驗(yàn)?zāi)┢诘募s2.8、5.1、10.3、20.2 kg/m3，即系統(tǒng)平均負(fù)荷由初期的7.5 kg/m3增加到試驗(yàn)?zāi)┢诘?.6 kg/m3，實(shí)現(xiàn)了基于濕地的較高密度的循環(huán)水養(yǎng)殖。

表1 鯽魚在不同養(yǎng)殖密度下的生長(zhǎng)性能

2.2 水體理化指標(biāo)和養(yǎng)殖污染物去除效率

2.2.1 水溫

試驗(yàn)期間，水溫變化范圍20.4 ℃～26.3 ℃，循環(huán)水濕地進(jìn)水的平均水溫(25.41±3.42)℃，濕地末端出水均值為(23.63±2.54)℃，潛流濕地出水明顯低于進(jìn)水，表明潛流濕地在夏季對(duì)降低池中水溫具有一定效果。整個(gè)養(yǎng)殖期間，養(yǎng)殖池中水溫保持在26 ℃～19 ℃(圖2)，保證魚類在夏季高溫季節(jié)的正常生長(zhǎng)。

圖2 養(yǎng)殖池內(nèi)部水溫的變化情況

2.2.2 溶氧

養(yǎng)殖期間，池內(nèi)水體中的DO范圍在5.3～8.3 mg/L(圖 3)。養(yǎng)殖尾水經(jīng)過濕地處理后，溶氧有所降低。其中一級(jí)濕地進(jìn)、出水的平均溶氧質(zhì)量濃度分別為(6.63±0.87) mg/L、(4.98±0.91) mg/L，溶氧顯著降低，經(jīng)過二級(jí)濕地后，出水溶氧質(zhì)量濃度又進(jìn)一步降低，平均值僅為(3.71±0.85) mg/L。池中溶氧質(zhì)量濃度隨著養(yǎng)殖時(shí)間推移而逐步走低，可能與池中水體養(yǎng)殖密度增加、導(dǎo)致耗氧量增加有關(guān)。

圖3 養(yǎng)殖系統(tǒng)各檢測(cè)點(diǎn)溶解氧的變化情況

2.2.3 氮

圖4 養(yǎng)殖系統(tǒng)各檢測(cè)點(diǎn)氨氮、亞硝酸鹽氮、總氮的變化情況

2.2.4 COD

如圖5所示，整個(gè)試驗(yàn)過程，養(yǎng)殖水體經(jīng)潛流濕地后，水體COD顯著降低，兩級(jí)濕地對(duì)COD的總?cè)コ蕿?58.3±7.5)%。其中，一級(jí)濕地去除率為(41.3±9.7)%，二級(jí)潛流濕地去除率為(28.67±8.70)%，顯然，對(duì)COD的去除主要集中在一級(jí)潛流濕地。在整個(gè)養(yǎng)殖期間，COD質(zhì)量濃度一直處于較低水平，均值為(11.17±2.37) mg/L。

圖5 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中各檢測(cè)點(diǎn)COD的變化過程

2.2.5 TSS

在濕地進(jìn)水渠中設(shè)置一個(gè)由濾棉制作成的網(wǎng)兜狀過濾裝置取代傳統(tǒng)的沉淀裝置，使一級(jí)濕地進(jìn)水TSS平均質(zhì)量濃度從(72.33±19.36) mg/L降低到(41.88±8.04 )mg/L，去除率達(dá)41.03%，有效去除了水體中的懸浮物，減輕后續(xù)濕地的處理負(fù)荷。經(jīng)過濾裝置和一級(jí)潛流濕地后，水體TSS平均質(zhì)量濃度降低為(14.56±1.5) mg/L，去除率達(dá)80.45%，再經(jīng)二級(jí)潛流濕地后，TSS平均質(zhì)量濃度進(jìn)一步降低至(7.89±1.27) mg/L，去除率為45.12%。濕地對(duì)水體中TSS的去除主要集中在一級(jí)濕地，系統(tǒng)總體對(duì)TSS的去除率達(dá)到(88.04±3.70)%，有效保證了養(yǎng)殖水體中懸浮物濃度，在整個(gè)養(yǎng)殖期間，養(yǎng)殖池平均TSS質(zhì)量濃度為(64.11±17.89) mg/L，保持在較低水平。

圖6 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中各檢測(cè)點(diǎn)TSS的變化過程

3 討論

3.1 基于人工濕地的循環(huán)水養(yǎng)殖

對(duì)于魚類的集約化養(yǎng)殖，現(xiàn)有的工廠化養(yǎng)殖技術(shù)基本成熟，在鲆鰈類海水魚的商業(yè)化養(yǎng)殖中應(yīng)用也取得初步成功，但存在投資規(guī)模大、運(yùn)行成本高、管理維護(hù)復(fù)雜等問題，制約了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用[12-15]。本研究構(gòu)建的基于人工潛流濕地的循環(huán)水系統(tǒng)，經(jīng)過鯽魚封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)68 d運(yùn)行，平均養(yǎng)殖負(fù)荷由養(yǎng)殖初期的7.5 kg/m3增加到試驗(yàn)?zāi)┢诘?.6 kg/m3，實(shí)現(xiàn)了基于潛流濕地凈化的較高密度的循環(huán)水養(yǎng)殖。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行主要通過1臺(tái)水泵抽水即可運(yùn)行，相比較工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的處理流程，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便。

3.2 人工濕地對(duì)主要污染物的去除

3.3 人工濕地防堵塞措施

濕地進(jìn)水懸浮物太高是導(dǎo)致人工濕地堵塞的一個(gè)重要原因[17-18]，如果對(duì)糞便和殘飼不做處理，直接進(jìn)入濕地，則會(huì)導(dǎo)致濕地過度堵塞，導(dǎo)致濕地水力傳導(dǎo)系數(shù)降低、處理效果下降、運(yùn)行壽命縮短等一系列問題。采用前置沉淀池、生態(tài)凈化塘對(duì)進(jìn)水懸浮物進(jìn)行預(yù)處理，存在占地面積大，效率高等問題，不適用于高密度循環(huán)水養(yǎng)殖[19]。本設(shè)計(jì)在濕地前段設(shè)置一個(gè)由濾棉制作成的網(wǎng)兜，可高效濾除糞便和殘飼，去除率達(dá)41.03%，且占地面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過定期清洗及時(shí)把沉積的污染物從系統(tǒng)中去除，減輕后續(xù)處理負(fù)擔(dān)。二級(jí)人工潛流濕地對(duì)總固體懸浮物的去除始終維持在較高效率，出水TSS低于9 mg/L，總?cè)コ矢哂?0%。而采用傳統(tǒng)的沉淀池和機(jī)械篩濾對(duì)懸浮物的去除率一般僅為50%～74%[1,6 ]。此外，在濕地中被基質(zhì)和根系截留的懸浮物，通過生物膜的吸附，迅速被微生物分解、吸收和轉(zhuǎn)化，最終被徹底去除。

4 結(jié)論

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