(上海市水產(chǎn)研究所 上海市水產(chǎn)技術(shù)推廣站，上海 200433)

1 研究背景

我國(guó)是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國(guó)家，為了提高魚類產(chǎn)量，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)朝著集約化和高密度化方向發(fā)展。養(yǎng)殖戶以人工飼養(yǎng)為主，而投入池塘的人工飼料僅有20%～30%被魚類利用，其余的大部分都?xì)埩粼诔靥了w和底泥中，導(dǎo)致水體和底泥中氮、磷和有機(jī)物等濃度不斷升高[1]。目前，養(yǎng)殖戶多采用定期換水的方式防止魚類減產(chǎn)和死亡。而頻繁換水不僅消耗了大量清潔水，還向周邊環(huán)境排放了大量養(yǎng)殖廢水，成為養(yǎng)殖區(qū)重要的面源污染來源，不利于我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)一套適合水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘的生態(tài)修復(fù)技術(shù)具有重要應(yīng)用價(jià)值。

生態(tài)浮床技術(shù)作為一種不占用土地、成本低、操作簡(jiǎn)便的原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于湖泊、河道、水產(chǎn)養(yǎng)殖等富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理中[2]。生態(tài)浮床技術(shù)通過截留沉降、植物吸收及附著微生物的分解轉(zhuǎn)化等作用去除水體中的有機(jī)物、氮和磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3]。然而，生態(tài)浮床中的微生物主要來源于植物根系，微生物的數(shù)量少，對(duì)水質(zhì)的凈化效果有待提高[4]。為了強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)中微生物的作用，在傳統(tǒng)生態(tài)浮床植物下方放置人工填料，使人工填料和水生植物均勻交替分布，除了植物根系，人工填料巨大的比表面積也為微生物提供附著載體，形成生物膜，有利于一些生長(zhǎng)緩慢的微生物如硝化細(xì)菌等自養(yǎng)菌的不斷積累，從而促進(jìn)水體中有機(jī)污染物的分解和氮的轉(zhuǎn)化[5]。另外，人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)中植物根系與人工填料交錯(cuò)生長(zhǎng)，植物根系分泌的小分子有機(jī)物和氧氣等可以為微生物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分和適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)污染物的去除能力。汪松美等[6]的研究表明，人工填料與水生植物的組合顯著提高了生態(tài)浮床對(duì)水體的凈化能力。該技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)生態(tài)浮床和生物接觸氧化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是近年來發(fā)展起來的一種新興生態(tài)工程原位修復(fù)技術(shù)。

現(xiàn)有研究使用的人工填料主要有立體彈性填料、組合填料、纖維填料、生物繩、陶粒和稻草等。張毅敏等[7]和馬強(qiáng)等[8]的研究表明，立體彈性填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)微污染水體中COD、TN、TP的去除效果明顯高于傳統(tǒng)生態(tài)浮床。徐功娣等[9]發(fā)現(xiàn)纖維填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)水體中COD、NH4+-N、TN、TP及SS(懸浮固體)的去除效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)生態(tài)浮床。魏瑞霞等[10]用強(qiáng)化生態(tài)浮床技術(shù)對(duì)唐山市南公園富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果表明，傳統(tǒng)生態(tài)浮床對(duì)水體中COD的最大去除率只有33%左右，而強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)COD的去除率最高可達(dá)62.7%。人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床不僅提高了水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除率，且具有較穩(wěn)定的去除效果；在夏秋季節(jié)，優(yōu)勢(shì)尤其明顯[11-12]。

目前，人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)在淡水養(yǎng)殖池塘修復(fù)方面的研究較少，應(yīng)用參數(shù)缺乏。因此，本研究將不同類型人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的修復(fù)中，分析其水質(zhì)凈化效果，篩選出一種適合處理上海市淡水養(yǎng)殖池塘水體的人工填料，并優(yōu)化其運(yùn)行條件，為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料

試驗(yàn)在8個(gè)尺寸為40 cm×80 cm×60 cm的PVC水箱中進(jìn)行，水箱一側(cè)底部進(jìn)水，另一側(cè)高度30 cm和 50 cm處分別設(shè)置取樣閥門和出水口。試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理組：組合填料組、生物繩填料組、立體彈性填料組，每個(gè)處理組2個(gè)平行。每組懸掛9串人工填料(每串長(zhǎng)度50 cm)，種植4株挺水植物，植物和人工填料均勻交錯(cuò)分布。

試驗(yàn)選用黃花美人蕉(Cannaindica)和黃菖蒲(Irispseudacorus)為受試植物，選取大小一致的黃花美人蕉幼苗(單株平均質(zhì)量為(27.3±2.36)g，株高為(39.7±5.49)cm)和黃菖蒲幼苗(單株平均質(zhì)量為(10.4±1.39)g，株高為(52.8±5.56)cm)，每個(gè)水箱隨機(jī)種植美人蕉和黃菖蒲各2株。浮床載體選用尺寸為60 cm×40 cm×4 cm的聚苯乙烯發(fā)泡塑料板。

2018年5—7月，試驗(yàn)進(jìn)水為高磷濃度養(yǎng)殖水體，取自上海市水產(chǎn)研究所內(nèi)養(yǎng)魚池塘，進(jìn)水中TN、COD、TP的濃度范圍分別為1.80～2.81，32.1～58.0，2.36～3.42 mg/L，水力停留時(shí)間為3 d。2018年8—10月，進(jìn)水調(diào)整為人工配水，3組水體均使用分析純葡萄糖、KH2PO4、NH4Cl、KNO3配置，根據(jù)上海市淡水養(yǎng)殖池塘水體中平均污染物質(zhì)水平，設(shè)置人工配水中TN、COD、TP濃度分別為2～5，30～50，0.3～0.5 mg/L，水力停留時(shí)間調(diào)整為7 d。

2.2 分析方法

3 結(jié)果與討論

3.1 強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)高磷濃度養(yǎng)殖水體的凈化效果

不同填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)高磷濃度水體中TP、TN、COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N的去除效果如圖1所示。

圖1 不同填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)高磷濃度水體中TP、TN、COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N的去除效果Fig.1 Efficiencies of enhanced floating treatment wetlands with different biofilm carriers in removing TP, TN, COD, NH4+-N,NO3--N and NO2--N in water with high phosphorus concentration

試驗(yàn)進(jìn)水中TP濃度范圍為2.36～3.42 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后(30 d后)，3組強(qiáng)化生態(tài)浮床處理系統(tǒng)的出水濃度范圍為2.08～3.20 mg/L，TP去除率分別為11.1%，11.2%，12.4%(圖1(a))。人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)中，P的去除主要依靠植物的吸收作用和自然沉降，植物的吸收作用能占到90%左右[13]。本研究中TP的去除率較低，分析原因，可能是進(jìn)水中的TP濃度太高(2.36～3.42 mg/L)，不利于植物的生長(zhǎng)。

進(jìn)水中TN濃度范圍為1.80～2.81 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后(30 d后)，3組強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)的出水濃度范圍為1.10～1.94 mg/L，TN去除率分別為34.9%，34.0%，35.4%，且3組間差異不顯著(圖1(b))。人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)中，N的去除主要依靠微生物轉(zhuǎn)化及植物的吸收作用[13]。Cao等[14]的研究表明，強(qiáng)化生態(tài)浮床的凈化效果隨水力停留時(shí)間延長(zhǎng)而增強(qiáng)。因此，考慮本系統(tǒng)水力停留時(shí)間短，后期將降低進(jìn)水流速至17 mL/min，以延長(zhǎng)水力停留時(shí)間至7 d。

進(jìn)水中COD的濃度范圍為32.1～58.0 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后(30 d后)，3組強(qiáng)化生態(tài)浮床處理系統(tǒng)的出水濃度范圍為24.9～34.0 mg/L，COD去除率分別為27.3%,27.4%，24.5%，且3組之間差異不顯著(圖1(c))。強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)中，COD的去除主要依靠微生物的轉(zhuǎn)化和有機(jī)物的降解作用[15]，延長(zhǎng)水力停留時(shí)間有可能提高其去除率。

系統(tǒng)穩(wěn)定后，進(jìn)水中的NH4+-N濃度為0.23～0.52 mg/L，出水濃度為0.19～0.66 mg/L(圖1(d))。

進(jìn)水中的NO3--N濃度范圍為0.08～0.55 mg/L，出水濃度為0.015～0.60 mg/L(圖1(e))。有機(jī)態(tài)氮的降解及硝化作用可能是導(dǎo)致出水中NH4+-N和NO3--N的濃度高于進(jìn)水中濃度的原因。

進(jìn)水中的NO2--N濃度范圍為0.005～0.15 mg/L，出水濃度為0～0.008 mg/L，去除率達(dá)90%以上(圖1(f))。

綜上所述，人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)高磷濃度養(yǎng)殖水體中的TN、TP、COD、NO2--N均有一定凈化效果。但進(jìn)水中TP濃度太高不利于植物生長(zhǎng)，且遠(yuǎn)高于上海市養(yǎng)殖池塘水體中污染水平(0.3～0.5 mg/L)，因此，后期研究將調(diào)整進(jìn)水中的TP濃度，并延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，以提高系統(tǒng)對(duì)TN和COD去除效果。

3.2 強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)上海市養(yǎng)殖池塘水體的凈化效果

不同填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)上海市養(yǎng)殖池塘水體中TP、TN、COD、NH4+-N的去除效果如圖2所示。

圖2 不同填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)上海市養(yǎng)殖池塘水體 中TP、TN、COD、NH4+-N的去除效果Fig.2 Efficiencies of enhanced floating treatment wetlands with different biofilm carriers in removing TP, TN, COD and NH4+-N in aquaculture pond water in Shanghai

進(jìn)水中的TP濃度范圍為0.39～0.54 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后(30 d后)，3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)的出水中TP的平均濃度分別為0.37，0.41，0.14 mg/L，平均去除率分別為22.4%，12.2%，69.3%(圖2(a))?？梢姡?種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)TP的去除能力差異較大，立體彈性填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)TP的去除率最高(69.3%)。

試驗(yàn)調(diào)整為人工配水后，進(jìn)水中的TN濃度范圍為1.90～4.49 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后(30 d后)，3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)的出水中TN的平均濃度分別為0.78，1.00，0.37 mg/L，平均去除率分別為65.1%，55.7%，83.9%(圖2(b))?？梢?，3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)TN的去除效果為：立體彈性填料>組合填料>生物繩填料。3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)TP的去除能力與TN一致。

試驗(yàn)調(diào)整為人工配水后，進(jìn)水中的COD濃度范圍為30～59 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后(30 d后)，3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)的出水中COD的平均濃度分別為13.0，11.0，10.7 mg/L，平均去除率分別為70.2%，73.9%，76.7%(圖2(c))。可見，3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)COD的去除能力差別不大。

進(jìn)水中的NH4+-N濃度范圍為0.03～0.21 mg/L，出水濃度范圍為0～0.09 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后，3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)NH4+-N的平均去除率分別為71.8%，75.6%，73.0%，差異不顯著(圖2(d))?？赡苁桥渌拜^大，進(jìn)水中的NH4+-N在水桶中已經(jīng)被微生物利用或轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致進(jìn)水中的NH4+-N濃度低于設(shè)計(jì)值1.0 mg/L。后續(xù)試驗(yàn)將調(diào)整配水頻率和方式，以提高進(jìn)水中NH4+-N濃度。

綜上所述，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)對(duì)上海市淡水養(yǎng)殖池塘水體中TN和TP的去除能力為：立體彈性填料強(qiáng)化生態(tài)浮床>組合填料強(qiáng)化生態(tài)浮床>生物繩填料強(qiáng)化生態(tài)浮床，且差異較大；3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)水體中COD和NH4+-N的去除率均在70%以上，且差異不顯著。陳亞男[16]對(duì)比了組合填料、立體彈性填料和竹填料的靜態(tài)掛膜效果，結(jié)果表明：系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，立體彈性填料反應(yīng)器中細(xì)菌總數(shù)最多，因此具有較好的水質(zhì)凈化效果。楊鳳娟[17]的研究表明，植物+組合填料浮床對(duì)N和P的去除效果要優(yōu)于植物+彈性填料浮床的去除效果，筆者認(rèn)為可能是由于組合填料生物量大、生物活性高，且容易掛膜導(dǎo)致的。出現(xiàn)這2種不一致的研究結(jié)果，可能是使用的植物及受試水體不同。本研究中美人蕉和黃菖蒲2種植物混合種植，不同于該文獻(xiàn)中美人蕉和風(fēng)車草單獨(dú)種植；另一方面，本研究模擬上海市淡水養(yǎng)殖池塘水體，該文獻(xiàn)使用的是學(xué)校教職工生活區(qū)下水管道排出的生活污水，TN濃度(10.6～21.5 mg/L)、TP濃度(0.86～1.98 mg/L)和COD濃度(56.0～106.7 mg/L)遠(yuǎn)高于本研究模擬的上海市淡水養(yǎng)殖池塘水體，因此水質(zhì)凈化效果差異較大。本研究使用的立體彈性填料纖維絲較硬，且分布均勻舒展，具有較大的比表面積；組合填料上纖維絲數(shù)量較少，且纖維絲柔軟，容易粘結(jié)在一起；生物繩填料雖然纖維多，但纖維絲分布密集，填料內(nèi)部多呈厭氧狀態(tài)，不利于好氧微生物的生長(zhǎng)和繁殖。

4 結(jié) 論

人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)高磷濃度養(yǎng)殖水體中的TN、TP、COD、NO2--N均有一定凈化效果，但進(jìn)水中TP濃度太高不利于植物生長(zhǎng)，導(dǎo)致去除率不高。在上海市淡水養(yǎng)殖池塘水體平均濃度條件下，3種人工填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)TN和TP的去除能力為：立體彈性填料強(qiáng)化生態(tài)浮床>組合填料強(qiáng)化生態(tài)浮床>生物繩填料強(qiáng)化生態(tài)浮床，立體彈性填料強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)TN和TP的去除率分別為83.9%和69.3%；3組系統(tǒng)對(duì)COD和NH4+-N的去除率均在70%以上。因此，立體彈性填料強(qiáng)化生態(tài)浮床可以考慮應(yīng)用于上海市淡水養(yǎng)殖池塘水體的生態(tài)修復(fù)工程中。