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1、 第 34 卷 第 3 期 广东海洋大学学报 Vol.34 No.3 2014 年 6 月 Journal of Guangdong Ocean University Jun. 2014 人工湿地净化高盐度养殖废水的效果 刘永士，施永海，张根玉，张海明，邓平平，张宗锋 （上海市水产研究所 /上海市水产技术推广站，上海 200433） 摘 要： 研究了人工湿地循环处理哈氏仿对虾（ Parapenaeopsis hardwickii）高盐度（ 21.1-23.3）养殖废水的净化 效果。人工湿地对高盐度养殖废水中各水质指标去除率为：总氨氮 66.7%，亚硝酸盐 80.0%，化学需氧量 12.5%，
2、浊度 69.1%，硝酸盐 -12.1%，总氮 3.5%，总磷 0.0%。养殖池水质状况良好。在试验负载范围内，湿地对总氨氮、 亚硝酸盐、浊度的去除量随进水污染负载量的增加而增加。研究表明：人工湿地能持续有效降低哈氏仿对虾养殖 废水中的主要水质因子浓度。 关键词： 人工湿地；养殖废水；净化效果；去除率；高盐度 中图分类号： F316.4 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1673-9159（ 2014） 03-0070-06 Purifying Effects of Constructed Wetlands on High-salinity Aquaculture Wastewater LIU
3、Yong-shi, SHI Yong-hai, ZHANG Gen-yu, ZHANG Hai-ming, DENG Ping-ping, ZHANG Zong-feng （ Shanghai Fisheries Research Institute, Shanghai Fisheries Technical Extension Station, Shanghai 200433,China） Abstract： The objective of this study was to investigate the purifying effects of constructed wetlands
4、 on high-salinity wastewater from Parapenaeopsis hardwickii culture system. The results showed that the removal rate of water quality indexes were 66.7%（ total ammonia nitrogen）， 80.0%（ nitrite nitrogen）， 12.5%（ chemical oxygen demand）， 69.1% （ turbidity）， -12.1% （ nitrate nitrogen）， 3.5%（ otal nitr
5、ogen）， and 0.0%（ total phosphorous）， respectively. Various water quality parameters in the culture tanks were deemed suitable for Parapenaeopsis hardwickii culture. The removal rates of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen and turbidity increased as the inlet mass loading in the range of the investiga
6、ted mass loading increased. Constructed wetland would continue to reduce the main factor concentration of wastewater in Parapenaeopsis harbwickii aquaculture effectively， which can be used in high salinity culture. Key words： constructed wetlands； aquaculture wastewater； purifying effect； removal ra
7、te； high-salinity 目前，我国的水产养殖主要采用高密度、高换 水率的养殖方式，养殖废水不作处理排入周围水 域，既浪费水资源，也导致周围水域环境富营养化， 生态遭受破坏 1。人工湿地作为一种新型的水处理 方式，成本与能耗较低，易维护，近年来已将其应 用于凡纳滨对虾（ Litopenaeus vannamei） 1-3、罗非 鱼（ Oreochromis Niloticus） 4、虹鳟（ Oncorhynchus mukiss） 5-6、斑点叉尾鮰（ Ictalurus pilnctatils） 7-8、 收稿日期 ： 2014-04-05 基金项目 ：上海市科技兴农重点攻关项目
8、沪农科攻字（ 2010）第 1-4 号 ；上海高校知识服务平台上海海洋大学 水产动物遗传育种中心 (ZF1206) 第一作者 ：刘永士（ 1985），男，助理工程师，主要从事养殖水环境调控与水产动物繁养， E-mail： 通信作者：施永海（ 1975），男，高级工程师。 E-mail： 第 3 期 刘永士等：人 工湿地净化高盐度养殖废水的效果 71 2 3 暗纹东方鲀（ Takifugu obscurus） 9等养殖废水的循 环处理，均取得良好的净化效果。目前人工湿地的 研究主要是在淡水或在半咸水环境下进行 ，关于人 工湿地处理高盐度养殖废水的报道较少，而高盐度 会抑制高等植物和微生物的正
9、常生长 10，进而影响 人工湿地对养殖废水的净化效果。本试验研究人工 湿地净化哈氏仿对虾高盐度养殖废水的净化效果， 以期为人工湿地在循环处理高盐度养殖废水中的 应用提供技术支持，拓展人工湿地的应用范围。 1 材料方法 1.1 养殖系统条件及日常管理 养殖系统由 4 个室内养殖池（ 12.80 m3.34 1.3 系统运行条件 人工湿地自 2009 年 6 月组建，曾先后应用于 凡纳滨对虾 5、暗纹 东方鲀 6养殖循环水处理。哈 氏仿对虾养殖从 2013 年 8 月 7 日开始，至 11 月 30 日结束。人工湿地从 8 月 15 日始，不间断连续运 转，养殖池水通过重力自流到湿地，从垂直流湿地
10、 （ IVF）进水口进入湿地净化系统，途径下行流湿 地、上行流湿地后由垂直流湿地（ IVF）出水口出 来，然后进入 5 个首尾相连的复合水平流人工湿地 （ IHF），废水经过湿地净化后，到湿地末端的集水 池，再通过水泵（功率）连续提水回流到各养殖池。 循环水流方向 水泵 m1.20 m；水深 1.10 m）、 2 个简易大棚养殖池（ 20 m11 m1.4 m，水深 1.10 m）组成，主体为混砖结 构，养殖池内放置 0.2-0.3 个 /m2 的气头。养殖用水 为本地河口水（盐度（ S） =14.7）与盐卤配置而成， 盐 度 为 21.1-23.3 。 试 验 用 哈 氏 仿 对 虾 （ P
11、arapenaeopsis hardwickii）苗种为上海市水产研 究所苗种技术中心人工繁育的子一代 (F1)，放养密 度为 140 ind/m2（室内养殖池）和 75 ind/m2（简易 大棚养殖池）（初始体长、体质量： 1.80 cm、 0.06 g）。 以冰冻的糠虾与大丰年虫及新鲜的螺丝肉动物性 充气泵 气管 室内养殖池 简易大棚养殖池 养殖池 W1 W2 W3 W4 W5 W6 人工湿地 集水 池 饵料为主，每天投喂 3 次（ 8:30； 14:00； 17:00）， 投喂量与次数根据水质及哈氏仿对虾摄氏情况进 行调整；整个养殖过程不换水，不用药，仅添加因 蒸发和渗漏损失的水量。养殖
12、池与人工湿地水质每 1-2 周测定 1 次。 1.2 人工湿地系统组成及废水处理工艺流程 人工湿地的具体构成参见施永海等 9。人工湿 地系统由 1 个复合垂直流人工湿地（ IVF， W1： 19.40 m1.10 m1.68 m； 21.3 m2）、 5 个复合水平流人工 图 1 循环水养殖系统 Fig. 1 Schematic diagram of recirculating aquaculture system 1.4 采样与分析方法 对复合垂直流人工湿地（ IVF）进、出水口以及 复合水平流湿地（ IHF）出水口水质每 1 2 周检测 1 次，取样时间为当天 8:00，投饵之前进行。人工
13、湿 地的运行情况见表 1。检测的水质指标有：总氮（ TN， 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法）、总氨氮（ TAN， 苯酚 -次氯酸盐法） 、亚硝酸盐（ NO -N， N-1-萘基 - 湿地（ IHF， W2-6： 19.40 m2.06 m0.90 m； 39.96 m2）组成，人工湿地总面积为 221.0 m2（图 1）。整 个湿地上方覆盖透光塑料薄膜； IVF 湿地布置双层 遮荫膜，用于过滤大颗粒杂质，并为微生物提供附 着基； IHF 湿地用 55 cm 砾石作为基底，砾石上方 保持 10 15 cm 水位，为避免植物生长产生绝对优 势， W2 和 W4 种植芦苇（ Phragmites a
14、ustralis）， W3 和 W5 种植互花米草（ Spartina alterniflora Loisel ）， W6 种 植 莞 草 （ Cyperus malaccensis Lam.var.brevifolius Bocklr）。湿地末端建造一个集水 池（ 1.00 m 2.06 m 0.90 m），放置两个气头。 乙二胺光度法）、硝酸盐（ NO -N，锌镉还原 -重氮 偶氮法）、总磷（ TP，钼酸铵分光光度法）、化学需 氧量（ COD，碱性高锰酸钾法）、浊度（哈希 2100 型浊 度仪）。水温（ T）、酸碱度（ pH）、溶解氧（ DO） 和盐度（ S）采用美国产 YSI 仪器 5即
15、时测定。 1.5 数据处理 所 有数据 用 MeanS.D.表 示，采 用 Excel 和 SPSS 13.0 处理数 据 及 图 表。 利 用 单 因素 方 差 分析 （ one-way ANOVA）和 Duncan 氏检验法对人工湿 地进出水质进行显著性差异分析和多重比较， p 7-20 258.24 1.168 0.424 0.05），而经过 IHF 湿地时 pH 显著降低（ P 77-84 87.60 0.396 0.144 0.05），再经过 IHF 湿地， DO 显著降低（ P 0.05）， 在养殖的第 20、 97 天， TAN 分别上升了 8.6%与 7.6%，在第 69 天，
16、 NO -N 上升了 6.7%。经过 IHF pH值总氨氮TAN / (mg/ L) / (mg/ L) 总磷TP/ ( mg/L)浊度/ NTU总氮TN/ ( mg/ L)溶解氧/ (mg/ L) / (mg/ L) 化学需氧量COD / (mg/ L) 74 第 34 卷 广 东 海 洋 大 学 学 报 2 3 3 3 2 2 2 2 2 3 3 湿地， TAN、 NO -N 分别降低 55.6%与 66.7% 导致 pH 上升 2 ，反硝化作用会产生碱性物质以及 （ P 0.05）， IVF 湿地对 NO -N、 TN、 TP 的 平 均去 除率 呈负增 长（ -38.6%、 -6.3%
17、、 -3.2%）， IHF 湿地对 NO 3 -N、 TN、 TP 平均去除率 湿地基质（尤其是新运行湿地）会缓慢释放碱性物 质提高水体 pH9，因此， pH 升降主要取决于以上 各作用的强弱对比。本试验养殖废水的 pH 经过湿 地处理显著降低，这与目前大部分研究结果一致 2,7-8,11。湿地中腐殖质较少，说明本试验湿地具有 较强的硝化作用。养殖池水在没有添加外源碱性物 质的情况下， pH 均值（ 8.03 0.10）依然保持较 高水平，这可能是养殖池水中藻类丰富，光合作用 旺盛的结果。 虽达到 19.1%、 9.2%、 3.1%，然其对 NO -N 去除 效果并不稳定，常出现负去除情况（表
18、 2、 3，图 吴振斌等 7 和于涛等 8 的研究表明，人工湿地 2e、 2f、 2g）。 IVF 与 IHF 湿地对化学需氧量（ COD）均未 处 理 的 养 殖 废 水 DO 降 低 幅 度 高 达 65.1% 与 73.8%；许多研究亦表明，养殖废水经过人工湿地， 2,11-12 达到显著去除（ P 0.05），两者联合对 COD 可达 DO 会有不同程度降低 。 DO 是决定养殖生态 到显著去除（ P 0.05），而 IVF 湿地与两者联合 系统环境优劣的关键因子，溶解氧含量的高低直接 13 对养殖废水中浊度分别达到显著（ P 0.05）与极 或间接影响虾的生长和环境质量 。因此，在构
19、 显著去除（ P 0.01）（表 3，图 2h、 2i）， COD 并 未因浊度的急剧降低而大幅度降低，说明哈氏仿对 虾养殖废水可溶性有机物对 COD 变化贡献较大， 建人工湿地时，如何增加循环水中 DO 含量也是重 要考虑因素。有些学者通过在湿地中种植沉水植物 14-15或具有较强输氧能力的水生植物 16来提高循 3,7-9 而随着人工湿地的连续运行，浊度保持较低水平。 环水中 DO 含量，其他则通过曝气等 方法提高 2.2 污染物单位面积负载量与去除量的关系 养殖废水经过整个人工湿地（ IVF-IHF），在 试验的单位面积负载量范围内， TAN、 NO -N、 浊度的单位面积去除率均随单位
20、面积负载量的 增 加呈线性增加（表 4），未出现下降的拐点（系统 负荷承载阈值），表明本试验的上述污染物的进水 负载低对湿地系统不存在负荷超载威胁。 DO 浓度。本试验湿地主要通过种植的挺水植物和 在湿地末端集水池中放置的 2 个气头来提高循环 水中 DO，使其降低幅度控制在 -7.8% 57.9%，浓 度平均值为 4.96 mg/L。 人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生 物 3 种作用，对氮的去除主要是通过挥发、氨化、 硝化、反硝化、植物摄取和基质吸附等作用完成 17 表 4 污染物（ TAN、 NO -N、浊度）单位面积负载量（ x） 与单位面积去除量（ y）的关系 Table 4
21、Relationships between mass removal rate and mass loadings of total ammonia nitrogen(TAN), nitrite ，其中，微生物氨化、硝化、反硝化作用是去 氮的主要途径 18， TP、 COD、浊度主要是通过填 料、植物根系和生物膜 的拦截、过滤、沉淀、吸附 及微生物降解等机制去除 19-21。试验湿地曾用于 nitrogen(NO -N), and turbidity in overall IVF-IHF wetland 处理暗纹东方鲀 9 与凡纳滨对虾 3 养殖废水，对各 污染物 方程式 R2 P TAN y
22、 = 0.593 8 x + 0.000 5 0.875 1 0.01 NO -N y = 1.045 7 x - 0.002 2 0.911 8 0.01 浊度 y = 0.818 4 x - 0.166 9 0.987 7 0.01 3 讨 论 项水质指标均有较好的净化效果。而在本试验中， 主要表现为对 TAN、 NO -N 与浊度的去除率随单 位面积负载量的增加而直线上升，这与之前的研究 结果 3,9,21相似，说明人工湿地具有较强的硝化作 用和悬浮物吸附、过滤能力。由于试验湿地的频繁 运行，且并未对 IHF 湿地中基质进行有效的清理， 导致湿地对 NO -N、 TN、 TP 的去除效果
23、不稳定； 养殖废水经人工湿地处理后，导致 pH 变化的 另外， IVF 湿地中用遮荫膜替代之前的珊瑚石 3， 原因主要为：人工湿地中硝化作用产生的氢离子 2 与植物腐败产生的酸性物质会导致水体 pH 降低 9，同时，水体中植物在光合作用时消耗水中 CO2， 而遮荫膜作为微生物附着基质，可能不利于反硝化 细菌的附着，造成废水经过 IVF 湿地后 NO -N 浓 度经常升高，而其对水质的过滤能力较强，对浊度 第 3 期 刘永士等：人 工湿地净化高盐度养殖废水的效果 75 的降低贡献巨大。建议试验人工湿地在经过两个长 周期的连续循环利用后，需对其基质以及植物进行 维护， IVF 湿地中可添加珊瑚石、
24、煤灰渣、石英砂 等替代遮荫膜。 盐度升高也是本试验人工湿地水质净化效果 下降的主要原因。过量的 Na、 Cl 离子会干扰植物 对 K、 Ca、 N 等的正常吸收，高盐度也会降低植 物光合作用速率 22-23；不同微生物对盐度的耐受 能力存在差异， Panswad 等 24发现，聚磷菌比硝化 菌、反硝化菌和异氧碳细菌对盐度变化更敏感；在 自然条件下，部分植物和微生物能进化出许多生物 化学和分子机制以适应外界盐胁迫。因此，人工湿 地在处理高盐度养殖废水时，可选择种植耐盐水生 植物并接种耐盐嗜盐菌。 参 考 文 献 1 臧维玲，张煜，戴习林，等 . 人工湿地联合塘内设施 调控生产性虾塘水环境的效果与
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