海水饲养废水净化成果探究范文

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作者：高锋杨朝晖李晨金卫红张力单位：浙江海洋学院海洋科学学院湖南大学环境科学与工程学院

材料和方法

1试验装置

试验所用人工湿地装置由PVC材料制成，构造如图1所示。每个人工湿地试验装置的大小均为0.84m（长）×0.65m（宽）×0.32m（高），并分割成3部分，进水区（0.15m×0.65m×0.32m），处理区（0.59m×0.65m×0.32m），出水区（0.10m×0.65m×0.32m）。进水区和出水区填充直径为1.2～2.8cm的砾石，处理区填充参入少量细砂和粉煤灰的土壤作为植物生长的基质。试验中设置3个相同的人工湿地试验装置，种植采自于浙江乐清市西门岛红树林保护区的红树植物秋茄（Kandeliacandel），种植密度为每个试验装置6株。另设3个无植物人工湿地试验装置作为对照。

2废水水样

取海水养虾池污水作为待处理废水由高位水箱投配入人工湿地进行处理，试验所用废水水质见表1，盐度为28.5‰。

3试验方法

试验开始阶段为适应性培养阶段，将秋茄种植于人工湿地装置后，每天用盐度为30‰的人工海水对其进行浇灌。持续1个月时间，观察到秋茄长势良好后进入废水处理研究阶段。在此阶段，人工湿地采用间歇进水方式运行，每天连续进水10h，其余时间闲置，定期对进出水水质进行分析测定。

4分析测试方法

4.1水质指标测定方法

试验中水质指标的测定均按国家标准方法进行。由于盐度的干扰，污水中COD的测定采用高锰酸钾法。

4.2基质脲酶与磷酸酶活性测定

基质酶活性可反映人工湿地中植物根系与微生物的互作强度，是基质微生物、基质动物和植物根系生命活动的结果。试验过程中比较了秋茄人工湿地和无植物人工湿地基质层脲酶与磷酸酶的活性，选择人工湿地试验装置对角线上的5个代表性位点分3层采集基质样品（图2），深度分别为距表面0～5、10～15和20～25cm，其中秋茄人工湿地基质取自植物根区，测定方法参见文献。基质脲酶活性（以每克土样24h产生的NH4+-N量计）用μg/(g•24h)表示，磷酸酶活性（以每克土样1h产生的对硝基苯酚量计）用μg/(g•h)表示1.5数据分析处理数据分析采用SPSS16.0软件，采用配对样本t检验分析试验数据的显著性差异。

试验结果与讨论

1人工湿地的处理效果

废水处理阶段，秋茄人工湿地与无植物的对照人工湿地的运行效果如图3所示。

1.1有机物去除率

人工湿地在运行过程中，基质及植物根系表面通过吸附生长微生物，形成一定厚度的生物膜，污水流经时，有机物被生物膜吸附、吸收，并经同化、异化作用得到去除。图3a中的试验数据表明，在试验装置的启动阶段，秋茄人工湿地和无植物人工湿地对COD的去除率都较低，原因可能在于此时发挥生物代谢活性的微生物膜还处于形成过程中。运行一段时间以后，由图3a可见秋茄人工湿地和无植物人工湿地的COD去除率均明显上升，17d后试验装置对COD的去除率达到较高水平，此后进入稳定运行阶段，标志着人工湿地试验装置启动的完成。在稳定运行阶段，秋茄人工湿地对COD的去除效在66.4%～73.8%，无植物人工湿地对COD的去除率在56.7%～62.4%。秋茄人工湿地对有机物去除效率显著高于无植物人工湿地（P<0.05），这和许多其他学者的研究结果一致。虽然，在人工湿地系统中有机物等污染物主要是通过微生物而不是植物的作用去除的。但是，植物通过根部供氧、为微生物的吸附生长提供媒介等过程可明显增强人工湿地的去污能力。人工湿地植物的根区也被认为是系统中反应活性最高的区域。

1.2氮、磷去除率

人工湿地对污水中氮的去除途径主要是通过基质层微生物的硝化、反硝化作用。这与其对有机物去除的途径相似，同为微生物过程。因此，试验过程中NH4+-N的去除规律与COD的也较为相似（图3b）。经过前面17d的启动阶段后，装置进入稳定运行阶段，在此阶段秋茄人工湿地和无植物人工湿地对NH4+-N的去除率分别在64.3%～72.4%和51.2%～57.5%。秋茄人工湿地的脱氮效率显著高于无植物人工湿地（P<0.05）。在磷的去除方面，秋茄人工湿地和无植物人工湿地的处理效果接近，稳定运行阶段对TP的去除率分别在55.7%～61.7%和54.3%～60.4%（图3c）。

两者无显著差异（P>0.05）。原因在于，污水中的磷主要是通过与人工湿地基质中的铁、铝、钙等金属离子形成磷酸盐的沉淀而去除，人工湿地除磷的关键在于基质层的组成，而与植物和微生物作用的关系较小。

2人工湿地基质酶活性分析

稳定运行阶段，在监测进出水水质的同时，对秋茄人工湿地和无植物人工湿地基质床距表面0～5、10～15和20～25cm处的基质脲酶和磷酸酶活性进行测试分析，结果见图4。脲酶和磷酸酶活性随着基质层深度的增加而递减（图4），基质床中秋茄根系的分布也存在类似的情况，在0～5cm的表层根系较为丰富，在距表层10～15cm的区域根系已较为稀少，距表层20～25cm的区域则只有部分采样点存在少量的根系。已有研究表明，人工湿地中植物根系能形成特殊的根际区，具有独特的根际效应，表现出不同于非根际区的物理、化学和微生物学特性，植物根系能通过泌氧、分泌营养成分、脱落腐烂等过程能促进根系微生物的生长及活性[25-29]。这说明了，本研究中秋茄根系的垂直分布特征是导致基质酶活性随基质层深度递减的重要原因。同时，从图4可见，秋茄人工湿地的基质脲酶活性和磷酸酶活性均高于无植物人工湿地，该现象与有机物等污染物的去除规律（图3）相一致。表明秋茄植物的根部对于改善人工湿地的运行效果发挥了重要的作用。

另外，从图4中还可以看出，秋茄人工湿地和无植物人工湿地基质酶活性的差异与基质层深度密切相关。对于表面0～5cm基质，秋茄人工湿地基质磷酸酶活性和脲酶活性均显著高于无植物人工湿地（P<0.05）；距表面10～15cm的基质，秋茄人工湿地与无植物人工湿地的磷酸酶活性差异达到显著性水平（P<0.05），而脲酶活性未达到显著性水平（P>0.05）。对于距表面20～25cm的基质，秋茄人工湿地与无植物人工湿地的磷酸酶活性和脲酶活性差异均未达到显著性水平（P>0.05）。分析其原因，在秋茄人工湿地中，距表层较远的地方植物根系逐渐减少，植物根系分泌的氧气、营养成分等能促进根系微生物生长的物质也相应减少，从而导致在这些区域秋茄人工湿地与无植物人工湿地基质酶活性的差异明显减小。

3表面水力负荷对秋茄人工湿地运行效果的影响

表面水力负荷（HLR）是水平潜流人工湿地设计的重要参数，试验中通过改变每日进水水量的方法研究了秋茄人工湿地在0.05、0.1、0.2m3/(m2•d)水力负荷条件下的处理效果，试验处于稳定运行阶段的平均数据见表2。由表2中数据可知，秋茄人工湿地对悬浮物质（suspendedsolid,SS）有很好的去除效果，并且去除率受系统表面水力负荷的影响很小，当表面水力负荷增加至0.2m3/(m2•d)时，系统仍然取得了82.8%的SS去除率。表明系统中植物的根区及基质填料能有效吸附拦截去除养殖废水中的悬浮杂质。

对于有机物及氮的去除，表面水力负荷对有机物和氮的去除效果有较大的影响，总体上秋茄人工湿地对污染物的去除率均随着表面水力负荷的增大而逐渐下降。尤其当人工湿地的表面水力负荷增大到0.2m3/(m2•d)时，其对COD、BOD5、NH4+-N、TN等指标的去除率均出现显著下降（P<0.05）。究其原因，当表面水力负荷增大时，污水在人工湿地基质床中的停留时间相应缩短，此时基质床中的微生物降解、基质过滤、植物吸收等过程均因接触时间过短而无法完全发挥其功效，从而导致了系统处理能力的下降。另外，从表2中数据可以看出，相对于COD和BOD5，NH4+-N和TN的去除率受表面水力负荷增大的影响更大。推测其原因可能在于，硝化细菌为自养菌，其生长速率及代谢活性均显著低于异养型细菌，在较短的与污水接触时间下，其反应活性更容易受到抑制。

对于TP的去除，类似于系统对SS的去除，在较高的表面水力负荷下仍然取得了较好的去除效果，表明在试验所采用的3种表面水力负荷下，污水在人工湿地基质床中有足够的停留时间与基质中的铁、铝、钙等金属离子形成磷酸盐的沉淀而达到较好的除磷效果。

讨论

1人工湿地中的植物功能

植物是人工湿地污水处理系统中的重要组成部分，有较多的研究表明，有植物人工湿地系统净化污水的效果明显好于无植物人工湿地系统。一方面植物对水中营养物质的吸收可帮助系统提高对氮、磷等物质的去除效果；另一方面，更为重要的是，植物的根部通过分泌大量氧气、氨基酸、糖类、脂多糖、化感物质、酶类等成分增强了根区生物净化的活力；另外，植物根系在防止人工湿地基质层堵塞，改善系统水力条件方面也有明显的作用。本试验研究的结果也证明了这一点，秋茄人工湿地系统的污染物去除率、基质酶活性等均明显高于无植物人工湿地系统。

由此可见，植物的生长状况对于人工湿地净化污水的效果有着重要的影响，而海水养殖废水较高的盐度是妨碍人工湿地植物生长的不利条件，在一定进水盐度条件下，常规人工湿地植物的生长会受到明显的抑制，系统净化效率随之下降。如王静等采用芦苇、香蒲、水葱、三棱草等植物构建人工湿地处理含海水污水的研究表明，当进水含海水比例上升至40%时，系统对有机物的去除效果明显下降。

郭焕晓等采用水培方法研究了香蒲、睡莲、水葱、美人蕉、千屈菜、黄花鸢尾等传统人工湿地植物的耐盐性能，结果表明，黄花鸢尾的耐盐性能较好，但在盐度超过10‰时，逐渐枯萎死亡[31]。本研究采用盐生红树植物秋茄构建人工湿地系统处理海水养殖废水，在进水盐度为30‰左右的高盐度环境下，植物长势良好，并取得了相对于无植物人工湿地系统更好的处理效果，表明秋茄等秋茄植物是构建海水养殖废水人工湿地处理系统的理想选择。

2人工湿地的净化效果

海水养殖废水中的污染物主要来源于投喂饲料的残渣以及养殖生物的排泄物，主要污染物种类包括悬浮物质、有机物及氮磷营养盐等成分。按照国家渔业水质标准（GB11607-89）的要求，渔业养殖水体的主要水质指标包括：悬浮物质（SS）人为增加的量不得超过10mg/L；生化需氧量（BOD5）不超过5mg/L；非离子氨≤0.02mg/L；溶解氧（DO）连续24h中，16h以上必须大于5，其余任何时候不得低于3。本试验采用秋茄人工湿地处理海水养殖废水，当系统在0.1m3/(m2•d)的表面水力负荷下运行时，出水SS、BOD5等指标均达到了渔业水质标准（GB11607-89）的要求，可实现养殖废水的循环利用。

结论

秋茄人工湿地应用于循环海水养殖废水的处理能取得较好的处理效果，其对COD及NH4+-N的去除率分别在66.4%～73.8%和64.3%～72.4%，去除效果明显好于无植物人工湿地。对于根系分布最多的表层0～5cm区域，秋茄人工湿地基质磷酸酶活性和脲酶活性均显著高于无植物人工湿地（P<0.05），对于其他区域，秋茄人工湿地的基质酶活性也高于无植物人工湿地。同时在秋茄人工湿地基质床中，表层0～5cm区域基质酶活显著高于其他区域（P<0.05），表明秋茄的根部对于提高人工湿地基质床的生物活性及其去污能力发挥了显著的作用。

采用秋茄人工湿地处理循环海水养殖废水时，表面水力负荷应控制在0.1m3/(m2•d)及以下时，出水悬浮物质（SS）低于10mg/L，生化需氧量（BOD5）低于5mg/L，达到国家渔业水质标准（GB11607-89）的要求，实现循环利用。