半咸水人工湿地净化越冬养殖循环水的效果.pdf

第 28 卷第 24 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.24 2012年12月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringDec. 2012179 半咸水人工湿地净化越冬养殖循环水的效果 施永海，张根玉，刘建忠，徐嘉波，谢永德，朱晓东，朱建明 （上海市水产研究所，上海市水产技术推广站，上海 200433） 摘要：为拓展人工湿地在水产养殖上的应用，该文研究了半咸水人工湿地的循环水越冬系统中暗纹东方鲀越冬养 殖效果和净化效能。 结果表明， 经过 166 d 越冬养殖， 暗纹东方鲀越冬成活率 （76.94 13.87） %， 饵料系数 2.75 0.89。 在无任何外源能源加温的情况下，系统水温保持在暗纹东方鲀幼鱼的生存最低温度以上。在半咸水环境下（7.6 9.9 ） ，人工湿地对养殖水有良好的净化效果：总氮去除率为 30.5%、总氨氮为 69.6%、亚硝酸盐为 96.1%、硝酸盐 为 9.7%、总磷为 18.4%、COD 为 38.8%、总悬浮物为 79.7%，循环水经过人工湿地后水质符合国家渔业用水标准； 越冬期间，越冬养殖池水质状况良好；除 TN 和 NO3- N 在越冬期间的去除率比在夏季的明显低外，其他主要污染物 的去除率与夏季比较没有明显变化。在试验负载范围内，系统去除量随进水污染负载量的增加而增加；通过建立预 测模型预测出湿地养殖面积比值 0.360.97，与实际值 1.26 相比，养殖密度尚有提高的空间。因此，人工湿地能持 续有效地去除暗纹东方鲀越冬循环水养殖系统中的主要污染物，说明该系统能在越冬养殖生产实际应用。 关键词：废水，湿地，养殖，循环水越冬系统，暗纹东方鲀，去除率 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.24.025 中图分类号：F316.4文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-24-0179-09 施永海，张根玉，刘建忠，等. 半咸水人工湿地净化越冬养殖循环水的效果J. 农业工程学报，2012，28(24)： 179187. Shi Yonghai, Zhang Genyu, Liu Jianzhong, et al. Effects of purification of recirculating water in over- winter aquaculture in brackish wastewater constructed wetlandJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(24): 179187. (in Chinese with English abstract) 0引言 近年来，人工湿地作为一种生态工程化的废水 处理技术已引起人们广泛关注，其作用机理综合了 物理、化学和生物三重协同作用，表现为过滤、吸 附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物代谢等多 种途径1。 研究表明该技术不仅能有效去除有机物、 氮、磷、重金属和病源微生物等2- 4，而且投资运行 费用低，维护管理方便1,3。目前，国内外学者也已 经将人工湿地应用于处理水产养殖废水1,3- 8， 特别是 循环水养殖系统中。已有研究已经证实人工湿地能 有效地去除多个水产品种循环水养殖系统中的主要 污染物，例如：虹鳟（Oncorhynchus mykiss）8- 9、 凡纳滨对虾 （L. vannamei） 5、 斑点叉尾鮰 （Ictalurus pilnctatils ） 1,3 、 团 头 鲂 （ Megalobrama amblycephala） 、 白鲢（Hypophthalmichthys molitrix） 收稿日期：2011- 11- 19修订日期：2012- 11- 16 基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS- 46- 30） ；上海 市自然科学基金（09ZR142900） ；上海市科委重大科技攻关项目 （10391900700） ；上海市科委重大任务科研专项（12DZ1909302） 。 作者简介：施永海（1975） ，男，浙江余姚人，高级工程师，主要从 事水产养殖、水环境监测及繁殖生物学方面的研究。上海市佳木斯路 265 号，上海市水产研究所，上海市水产技术推广站，200433。 Email：yonghais 和青鱼（Mylopharyngodon piceus）10等养殖系统。 近年来，基于人工湿地的高密度循环水养殖系统已 应用于一些品种的养殖生产， 如： 凡纳滨对虾7,11- 12 和罗非鱼（Oreochromis niloticus）13- 14。有关人工 湿地在水产养殖中应用的研究主要集中于气温较 高的养殖季节（江浙一带主要在 511 月份）；然 而，在秋冬季低温条件下，许多湿地植物出现枯萎 和休眠现象，根系微生物代谢减缓，导致人工湿地 中植物和微生物处理污物的能效下降。 有关人工湿地 在秋冬季处理养殖废水的研究甚少，仅有陶玲等16 研究了人工湿地冬季净化池塘养殖废水的效果，但 研究时间较短，没有在整个秋冬季湿地植物枯萎、 温度较低的时期对人工湿地净化养殖废水效果进 行研究，而人工湿地在实际水产养殖的应用过程中 （特别是在水产养殖越冬季节）是长期和长效的。 因此，在湿地植物休眠和微生物代谢缓慢的时期 下，人工湿地处理养殖废水的能效究竟如何还没有 完全得到揭示，如水产越冬养殖系统。另外，目前 对人工湿地的研究主要是在淡水或趋于淡水的环 境下进行的，有关海水环境下的研究甚少6，有研 究表明，盐度会影响人工湿地对养殖废水的净化能 效6。本文研究半咸水人工湿地的暗纹东方鲀循环 水越冬养殖系统的养殖净化效能和秋冬季人工湿 农业工程学报2012 年 180 地处理效率下降机理，以期为人工湿地在循环水越 冬养殖系统中的应用提供技术支持，拓展人工湿地 在水产养殖中应用的季节区间。 1材料与方法 1.1基于半咸水人工湿地的循环水越冬养殖系统 本循环水越冬养殖系统（图 1）是由夏季循环 水养虾系统12改建而成的，由 4 个室内养殖池 （12.80 m 3.43 m 1.20 m；水深 1.08 m）、1 个复合 垂 直 流人 工 湿 地（IVF ，W1； 19.40 m 1.10 m 1.68 m；21.3 m2）（图 2a）、5 个 复 合 水 平 流 人 工 湿 地 （ IHF ， W2- 6 ； 19.40 m 2.06 m 0.90 m；39.96 m2/池）（图 2b）以 及一套供氧设备组成，湿地和养殖池总面积分别为 221.0 和 175.6 m2，面积比为 1.26：1，湿地空隙率 为 0.55。养殖池和人工湿地的主体为混砖结构，采 用聚氯乙烯（PVC）管连接各组件。湿地末端建造 一个集水池（1.00 m 2.06 m 0.90 m）。供氧系统 是由鼓风机、气管及气头组成，越冬养殖池内放置 密度为 0.5 个/m2的气头，以保证水体内足够的氧 气，同时在湿地末端的集水池也放置 23 个气头， 对湿地净化后的回水在再利用前进行充气，以补偿 养殖废水通过湿地损失的氧气，增加水体的溶解氧 水平。为了冬季保温，湿地上方设置改进的简易大 棚骨架覆盖透明塑料薄膜；在室内，越冬养殖池上 方搭建一个简易封闭塑料大棚。 图 1循环水越冬养殖系统的示意图 Fig.1Schematic diagram of recirculating overwinter aquaculture system a. 复合垂直流（IVF） b. 复合水平流（IHF） 图 2人工湿地结构示意图 Fig.2Schematic diagram of integrated vertical- flow (IVF) constructed wetland and integrated horizontal- flow (IHF) constructed wetland 养殖池水通过重力自流到湿地，从垂直流湿地 （IVF）进水口进入湿地净化系统，途经下行流湿地、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， 然后采用微型 潜水泵（750W）连续和间隙式提水回流到各越冬养殖 池 （湿地水力情况见表1） 。 湿地植物为3种经驯化的、 当地的耐盐植物：芦苇（Phragmitesaustralis）、互花米 草（Spartina alterniflora Loisel）和海三菱（Scirpus mariqueter），因为每种湿地植物对吸收某一种污染物 的偏好不尽相同， 为了不使某一种湿地植物在系统运行 期间因生长过分快、 占绝对优势而占领了其他植物的空 间，每个湿地只种1种植物，栽种方式见Shi等12，湿 地植物栽种于2010年34月，经过约6个月的生长， 植物密度超过了100株/m2；大约到12月底，湿地植物 基本上都枯萎，次年3月初开始陆续有新芽长出。 表 1湿地运行的水力情况 Table 1Hydraulic conditions for operating constructed wetland system 运行日期Q/(m3 d- 1)HLR/(m d- 1)R/(d- 1) 10- 2311- 10168.40.7620.888 11- 1111- 22139.90.6330.738 11- 2201- 07168.40.7620.888 01- 0801- 3156.10.2540.296 02- 0104- 06168.40.7620.888 整个越冬养殖周期（165 d）150.00.6790.791 注：Q为人工湿地每天处理废水的总量；HLR为水力负荷，就是湿地每 天处理废水的总量（Q）除以湿地的总面积；R为循环率，就是每天湿 地所处理水的总量与养殖池水体总量的比率。 1.2越冬养殖管理 试验用鱼是来自本中心自行繁育的暗纹东方鲀 （Takifugu obscurus） 7 月龄鱼种， 体长(5.35 0.37) cm， 体质量(5.98 1.20) g，n=40 尾，每池放养 4 500 尾， 共计18 000 尾，放养密度为102 尾/m2，放养日期为 10 月 22 日。试验用水为当地河口水（盐度为 (8.54 0.97） ，n=12，范围为 7.6 9.9 ），使 用前经过进水河、池塘、蓄水池沉淀、消毒、曝气、 第 24 期施永海等：半咸水人工湿地净化越冬养殖循环水的效果 181 筛绢网过滤（60 目）。 试验期间每天定时观察幼鱼的摄食、活动等情 况，按常规投喂人工配合饲料（常兴牌），每个养 殖池内设置 2 个饵料台，投喂量根据水温和摄食情 况而增减，每天投喂 2 次（9:00；14:00），隔天对 越冬养殖池进行吸底 1 次，每次吸出水量以池水位 下降 23 cm 为准，同时对整个系统因吸底和蒸发 而损失的水量及时进行补充，每天补充量一般为整 个系统总水量的 0.6%1.0%，到次年的 4 月 6 日， 越冬养殖试验结束，拉网出池到外塘进行常规养 殖。越冬养殖试验持续 166 d。 因幼鱼在越冬养殖时期生长缓慢，生长检测取 样周期较长，一般一个月左右 1 次，每次每池随机 取样 30 尾。分别用卡尺（0.1 mm）和电子天平 （0.01 g）测量记录鱼体长和体质量。 1.3水质检测 每两周对越冬养殖池、复合垂直流湿地（IVF） 进水口和出水口以及复合水平流湿地（IHF）出水口 进行水质检测，每次取样时间为13：30，即投喂饵料 后 4 h 左右；另外，在整个养殖期间，每天的 8：00 和16：00 测量养殖池内的水温。检测的水质指标有： 总氮（TN，凯氏定氮法）、总氨氮（TAN，纳氏比 色法） 、 亚硝酸氮 （NO2- N， N- 1- 萘基- 乙二胺光度法） 、 硝酸氮（NO3- N，酚二磺酸光度法）、总磷（TP，过 硫酸钾硝解法）、化学需氧量（COD，重铬酸钾法） 和固体总悬浮物 （TSS， 滤纸称恒质量） 1,3。 水温 （T） 、 酸碱度（pH）、溶解氧（DO）和盐度（S）采用美 国产 YSI 仪器12进行即时测量。 1.4数据处理 所有数据用 Mean S.D.表示，采用 Excel 和 SPSS 13.0 处理数据及图表。 用独立样本 t 检验来比 较湿地的净化效能，以 p0.05 为差异显著；以 p 0.01 建立回归曲线。 1.5湿地面积与养殖面积比（Aw/At）计算方法 采用一元推流动力学模型来描述和评估人工 湿地对污染物的去除7，其公式为 K=Q (lnCi- lnCe)/(hwAw )（1） 式中，K 为一元去除率常数，d- 1；Q 人工湿地每天 处理废水的总量，m3/d；Ci进水污染物，mg/L；Ce 出水污染物，mg/L；hw人工湿度平均深度，m；Aw 人工湿地的总面积，m2；整个湿地平均的空隙率 （本试验取值为 0.55）。在循环水养殖系统中，Q 值可用以下公式计算可得 Q=rAt ht（2） 式中，r 为每天的循环率，d- 1，就是每天循环的水 总量和养殖池内水体总量的比率； At为养殖池面积， m2；ht为养殖池的水深，m。把公式（2）代入公式 （1）可得 Aw/At比率公式 Aw/At=r ht (lnCi- lnCe)/(K hw )（3） 2结果与讨论 2.1暗纹东方鲀幼鱼越冬养殖效能 到越冬养殖结束时，共计获得越冬鱼种 190.0 kg，总投饵量为 420.2 kg，饵料系数（FCR） 为 5.49 1.77。其中单日投饵量最多（6 kg/d）的时期 是 11 月 9 日11 月 15 日（图 3）；另外在水温长 期低于 7的时期（1 月 8 日1 月 31 日），系统循 环水泵每天白天开启 8 h，幼鱼停止投饵。越冬养殖 的饵料系数相对较高，主要原因是越冬期间由于水 温比较低，幼鱼摄食后获得的能量用于维持生命的 能量比率相对于在适宜温度下要高很多，用于生长 的能量比率就相对较低，导致幼鱼体质量增长缓慢。 经过 166d 的越冬养殖，暗纹东方鲀幼鱼体长 (5.35 0.37)cm，体质量(5.98 1.20)g，顺利越冬到春季 大规格鱼种， 体长(6.48 0.65)cm， 体质量(13.61 0.32)g （图3），越冬成活率76.94% 13.87%。放养和收获密 度分别为 102 和(79 14)尾/m2；单位面积和水体产量 分别为(1.08 0.14)和(1.00 0.13)kg/m3。 a. 水温 b. 投饵量 c. 生长情况 图 3循环水越冬养殖系统中温度、投饵量和幼鱼生长情况 Fig.3Temperature, added feed, and young fish growth during culture in recirculating overwinter aquaculture system 农业工程学报2012 年 182 2.2人工湿地的净化效能和养殖池水质 在盐度 7.6 9.9 半咸水环境条件下，人工 湿地（IVF- IHF）能明显减少暗纹东方鲀越冬养殖 废水的主要污染物的浓度，获得良好的净化效果； 各污染物去除率分别为 TN （30.5%） 、 TAN （69.6%） 、 NO2- N（96.1%）、NO3- N（9.7%）、TP（18.4%）、 COD（38.8%）和 TSS（79.7%）（表 2）；整个越 冬期间， 越冬养殖池水质状况良好 （表 2， 图 46） 。 表 2越冬养殖池水质情况及湿地处理废水的效果 Table 2Water quality and removal rate data during monitoring period 越冬养殖池百分去除率均值/% 单位面积去除量均值 /(g m- 2 d- 1) 水质指标 824825826827 IVF 湿地进水 IVF 湿地出水 IHF 湿地出水IVF 湿 地 IHF 湿 地 整个 湿地 IVF 湿 地 IHF 湿 地 整个湿 地 T/11.01 3.26 11.05 3.20 10.71 3.22 10.64 3.22 11.92 3.65 11.87 3.57 12.40 3.53- - - - - - - pH7.68 0.237.73 0.247.76 0.247.78 0.237.71 0.237.72 0.187.78 0.16- - - - - - - DO/(mg L- 1)8.92 1.238.44 1.448.32 1.348.46 1.248.42 1.255.82 1.857.38 1.1930.8- -12.4- - - - TN/(mg L- 1)4.92 1.274.87 1.224.89 1.495.13 1.415.08 1.254.31 1.153.53 0.7415.218.130.50.5190.5431.062 TAN/(mg L- 1)0.63 0.410.62 0.470.84 0.700.79 0.680.92 0.710.45 0.280.28 0.1451.137.869.60.3300.1230.453 NO2- N/(mg L- 1)0.06 0.050.06 0.060.12 0.150.12 0.110.13 0.120.05 0.030.01 0.0062.289.696.10.0540.0310.085 NO3- N/(mg L- 1)9.56 1.339.24 1.0310.25 0.84 10.25 0.799.25 1.958.76 1.958.35 1.925.34.79.70.3180.2810.599 TP/(mg L- 1)0.07 0.010.08 0.010.08 0.010.08 0.010.08 0.010.07 0.010.06 0.0139.210.118.40.0050.0040.009 COD/(mg L- 1)6.97 1.146.84 1.127.16 1.317.13 1.327.40 1.385.41 0.624.53 0.5526.916.338.81.3610.6041.966 TSS/(mg L- 1)43.8 13.042.1 11.846.1 13.145.7 14.647.3 14.229.5 10.79.6 1.537.667.579.712.5513.4025.95 注：IVF 为复合垂直流，IHF 为复合水平流，DO 为溶解氧，TN 为总氮，TAN 为总氨氮，NO2- N 为亚硝酸氮，NO3- N 为硝酸氮，TP 为总磷，COD 为化学耗氧量，TSS 为固体总悬浮物；n=12。 2.2.1水温、pH 值和 DO 1）水温 水温是越冬养殖期间影响湿地净化能效和 养殖能效的主要因子之一15。本研究中，在无任 何外源能源加温的情况， 通过人工湿地上方罩以 塑料简易大棚， 对养殖废水有明显的白天增温和 晚上保温的作用，数据检测结果显示：循环水经 过 IVF 湿地（p0.05）和 IHF 湿地（p0.01） 温度均有明显升高， 经过整个湿地温度明显升高 （p0.01）（表 2），使得整个越冬过程中越冬 养 殖 池 水 温 保 持 在5.4 20.4 ， 均 值 为 (11.33.7)（图 3）；虽然在 1 月份有一段时期 （1 月 8 日1 月 31 日）水温基本在 67（图 3），暗纹东方鲀幼鱼已经基本不摄食，但幼鱼 自由游泳、活力良好，说明通过湿地加简易塑料 大棚可使水温保持在暗纹东方鲀幼鱼的生存低 温以上。 2）pH 值 循环水经过湿地后 pH 值上升或下降主要取决 于硝化作用以及植物腐败产生的酸性物质与光合 作用、反硝化作用以及湿地基质缓慢释放碱性物质 等的强弱对比：硝化作用过程中会产生氢离子7和 植物腐败产生的酸性物质会导致水体的 pH 值下 降；而水体中藻类在光合作用时摄取溶解在水体中 的二氧化碳又可导致水体的 pH 值上升7，反硝化 作用过程中会产生碱性物质以及湿地基质（特别是 新运行的湿地）也会缓慢释放碱性物质都会提高水 体的 pH 值。本研究中，循环水经过 IVF 湿地 pH 值有略微的升高（p0.05），而经过 IHF 湿地 pH 值有明显升高（p0.05），经过整个湿地 pH 值也 明显升高（p0.05）（表 2，图 4a），这与目前大 多数的研究结果（养殖废水经过人工湿地 pH 值均 有不同程度的下降） 不一致1,3,5,7,11,15， 导致水体 pH 值上升的原因：一方面可能是新湿地基质缓慢释放 的碱性物质，本研究中的人工湿地是当年 2- 3 月份 才开始运行，到试验开始时才运行 8 个月，湿地基 质的碱性物质还没有完全释放，在越冬期间基质缓 慢释放的碱性物质中和硝化作用产生的氢离子，导 致水体的 pH 值升高；另一方面，光合作用也是导 致水体的 pH 值升高的另一原因，在本研究中，复 合人工湿地（IVF- IHF）表层留有约 10 cm 的湿地 表面流水，同时在越冬期间割除湿地植物（留约 1520 cm 的植物秸杆），循环水的少量藻类经过 湿地时能获得光合作用需要的太阳光，光合作用对 升高水体 pH 值作了一定贡献。在整个越冬期间， 在没有外界酸碱调节的情况下，养殖池水的 pH 值 一直保持在较理想的范围（7.38.1）。 a. pH 值 第 24 期施永海等：半咸水人工湿地净化越冬养殖循环水的效果 183 b. 溶解氧 图4循环水越冬养殖系统各检测点pH值和溶解氧的变化情况 Fig.4pHand dissolved oxygen at various samplingpositionsin recirculatingoverwinter aquaculturesystem 3）DO 水体的溶解氧是影响湿地对水体净化能效的一 个重要的限制因子5,14，各种污染物在湿地中的许多 转化过程均与溶解氧有关14。在本研究中，循环水经 过 IVF湿地溶解氧明显降低（p0.01），而经过 IHF 湿地后溶解氧又明显升高（p0.01），最后经过整个 湿地后，循环的溶解氧略微升高（p0.05）（表2， 图4b） 。 这是由于在本研究中湿地末端的集水池中放 置了2 个气头， 以补偿在湿地中有机物固化作用和硝 化作用损失的氧气5，循环水在回流到养殖池前溶解 氧已经重新暴气复氧到较高水平(7.38 1.19) mg/L。 整 个越冬过程中， 养殖池内水体中的溶解氧一直处于理 想范围内（7.0210.66 mg/L）（图 4b），冬季低温 期间溶解氧浓度相对较高， 这与低温期间水体的溶解 氧饱和度较高有关， 越冬期间养殖水体的溶解氧浓度 已接近饱和值。 2.2.2氮的转化和去除率 水中的氮主要以有机氮和无机氮形式存在。 水中的有机氮在处理过程中首先被微生物分解成 氨氮。氨氮在硝化菌的作用下被转化为无机的亚 硝态氮和硝态氮，硝态氮通过反硝化作用和植物 的吸收而被去除16。本研究中，循环水中的 TN、 TAN、 NO2- N 和 NO3- N 经过 IVF 湿地后浓度均有 明显下降 （p 值分别为 p0.01、 p0.05、 p0.05、 p0.01）（表 2），经过 IHF 湿地后那些含 N 污 染物的浓度均有极明显地下降（p0.01），进而 经过整个 IVF- IHF 湿地后那些污染物也有极明显 地下降（p0.01）（表 2，图 5）。循环水经过 整个湿地，TN 和 NO3- N 在越冬期间的百分去除 率和单位面积去除率(分别为 30.5%、 1.062 g/(m2 d) 和 9.7%、0.599 g/(m2 d)（表 2）较低，比在夏季 的（分别为 66.8%、7.997 g/(m2 d)和 58.7%、 1.586 g/(m2 d)12明显低； 然而， 在越冬期间， TAN 和 NO2- N 仍有较高去除率（分别为 69.6%、 0.453 g/(m2 d)和 96.1%、0.085 g/(m2 d)）（表 2， 图 5） ， 比湿地夏季植物生长旺盛时 TAN 和 NO2- N 的去除率 （分别为 70.8%、 0.812 g/(m2 d)和 85.1%、 0.118 g/(m2 d)）12只是略有下降。用凯氏定氮方 法测得的水体中的总氮（TN）是有机氮和总氨氮 的总和，一般来讲有机氮所占总氮（凯氏氮）比 例相对于氨氮的要高得多，水体中有机氮在人工 湿地去除过程中需要通过微生物的氨化作用转化 成氨氮12，在越冬期间，低温下微生物基质酶的 活性将受到抑制，导致酶促反应速度很慢，进而 影响了含氮有机物的降解17，最后导致了湿地对 有机氮的去除能力下降；本研究中，虽然低温降 低了湿地对有机氮去除的能力，但是，整个越冬 期间，养殖水体中 TN 浓度一直维持在较低的范 围内（3.718.06 mg/L）（图 5），这与系统中 的 TN 负载量较低有关。 TAN 和 NO2- N 去除主要 是通过硝化作用转化为 NO3- N 来完成的18， 虽然 也存在低温导致硝化作用下降的现象17，但硝化 速率要在温度 10以下明显受抑制，在 6以下 急剧下降19。有研究表明18：在温度高于 4情 况下，硝化作用随水温升高迅速提高，在温度 8 10，有些湿地植物对氨氮的去除率能达到 55%。 另外， 人工湿地水体溶解氧水平也是影响硝化作用 的重要因素，高的溶解氧有助于提高硝化速率18。 本研究湿地处于的平均温度在 1112，而且湿 地 进 水 溶 解 氧 水 平 非 常 高 、 接 近 饱 和 水 平 (8.42 1.25) mg/L，湿地出水经过简单的复氧后溶 解氧水平也较高(7.38 1.19) mg/L（表 2），所以 也可以推理在本研究湿地在越冬期间的硝化作用 相对比较完全，因此在整个越冬期间，养殖水体 中的 TAN 和 NO2- N 一直处于较低的平均水平， 分别为(0.71 0.56)和(0.09 0.08) mg/L。然而冬季 的反硝化作用明显下降，反硝化细菌对温度的要 求相对硝化细菌的要求高，温度在 15以下，参 与反硝化作用的反硝化细菌的活力就明显下降， 反硝化速率在 15以下急剧下降20； 同时碳源的 减少也直接抑制了反硝化作用的进行，越冬期间 湿地的碳源主要来自死亡植物的分解，因植物生 长而分泌的碳源消失；另外，越冬期间植物对 NO3- N 的吸收也极少。这些最终导致了人工湿地 在越冬期间对 NO3- N 去除率的下降。本研究中， 极低的 NO3- N 的百分去除率（9.7%）（表 2）导致 了越冬养殖水体中的 NO3- N 不断富集、浓度随越冬 时间而缓慢上升（8.8911.37 mg/L） （图 5d）。Lin 等7和 Sindilariu 等8也都发现：人工湿地能有效去 除循环水中的 TAN 和 NO2- N，而 NO3- N 随养殖时 间的推移会大量富集。另外，越冬中期，NO3- N 浓 度出现一次下降的过程（图 5d），这主要是因为越 农业工程学报2012 年 184 冬中期水温处于 7以下， 暗纹东方鲀停止投饵， 整 个越冬养殖系统没有外源 N 的补充造成的。 a. 总氮 TN b. 总氨氮 TAN c. NO2- N d. NO3- N 图 5循环水越冬养殖系统中各检测点 TN、TAN、NO2- N 和 NO3- N 的变化过程 Fig.5Time courses of total nitrogen (TN), total ammonia nitrogen (TAN), nitrite nitrogen (NO2- N), and nitrate nitrogen (NO3- N) at various sampling positions in recirculating overwinter aquaculture system 2.2.3TP、COD 和 TSS 的去除率 一般认为，TP、COD 和 TSS 主要是通过填料、 植物根系和生物膜的拦截、过滤、沉淀和吸附及微 生物的降解等机制而得到去除6,21- 22，这些物质的 去除可能与季节变换、植物生长旺盛与否不甚密 切，虽然植物的吸收对无机磷的去除也是有效的途 径17，但相对前面的去除机制，植物的吸收对总磷 去除比率很低。本研究中，循环水经过 IVF 或 IHF 湿地，总磷 TP、COD 和 TSS 浓度都均有明显地下 降（p0.01）（表 2，图 6）。循环水经过整个人工 湿地（IVF- IHF），TP 在越冬期间的百分去除率和 单位面积去除率 （分别为 18.4%、 0.009 g/(m2 d)） （表 2） 均比在夏季的 （分别为 23.8%、 0.016 g/(m2 d)） 12 略低；COD 和 TSS 在越冬期间的百分去除率（分别 为 38.8%和 79.7%）（表 2）均比在夏季的（分别为 26.7%和 65.9%）12明显高，但 COD 和 TSS 在越冬 期 间 的 单 位 面 积 去 除 率 （ 分 别 为 1.966 和 25.95 g/(m2 d)） （表 2）均比在夏季的（分别为 2.430 和 114.7 g/(m2 d)）12明显低。这些结果与湿地对这 些物质去除的机制以及湿地的负载量有关。整个越 冬期间，虽然 TP 和 COD 的去除率还较低，但养殖 池水体内的 TP、 COD 浓度均仍处于较理想范围， 分 别为 0.0700.087 和 6.00410.044 mg/L （图 6a， b） ， 这与本研究系统的 TP 和 COD 负载量较低有关；另 外，TSS 百分去除率较高、单位面积去除率较低也 与系统的负载量较低有关。整个越冬期间，养殖池 水体内的 TSS 浓度处于较理想范围（30.061 74.792 mg/L）（图 6c）。 a. 总磷 TP b. 化学需氧量 COD c. 固体总悬浮物 TSS 图 6循环水越冬养殖系统中各检测点 TP、COD 和 TSS 的 变化过程 Fig.6Time courses of TP, COD, and TSS at various sampling positions in recirculating overwinter aquaculture system 第 24 期施永海等：半咸水人工湿地净化越冬养殖循环水的效果 185 2.2.4污染物单位面积负载量与去除量的关系 在越冬期间，循环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， TN、 TAN、NO2- N、COD 和 TSS 的去除率随着单位面 积负载量的增加均呈现直线增加，除 COD 外，其 余指标均能用直线模型拟合（r20.90；p0.01） （表 3）。这表明系统去除量随进水污染负荷的增加 而增加，基本没出现下降的拐点（系统负荷承载阈 值），这结果与刘佳等23研究结果相一致，同时与 本湿地在夏季时期的研究结果也相似12；本研究 中，在试验负载范围内，系统去除污染物质的量随 进水污染负载量的增加而增加，基本没出现下降的 拐点，本试验的进水负载低对湿地系统不存在负荷 超载的威胁，也说明基于半咸水人工湿地的循环水 越冬系统仍有承载更大负载的潜力。 2.3湿地配比预测和系统优化 用公式（1）可以确定 TAN、NO2- N 和 TSS 的 一元去除率常数（K）（表 4），然后再把这些 K 值代入公式（3），如果保证主要污染物 60%的去 除率， 在给定IVF- IHF人工湿地的其他参数条件下， 通过计算可得各种湿地和养殖面积比值（Aw/At）范 围为 0.360.97（表 4）。比较各湿地和养殖面积 比的评估值（0.360.97）和实际值（1.26），说明 本系统不但在净化效果上还有很大的潜力，湿地面 积也有进一步减少的空间，或者暗纹东方鲀的越冬 养殖密度进一步提高可能性，这些使得基于半咸水 人工湿地的循环水越冬养殖系统具有了用于生产 越冬养殖的可能性。 表 3主要污染物（TN、TAN、NO2- N、COD 和 TSS）单位面积负载量（x）与单位面积去除量（y）的关系 Table 3Relationships between mass removal rate and mass loadings of total nitrogen (TN), total ammonia nitrogen (TAN), nitrite nitrogen (NO2- N), chemical oxygen demand (COD), and total suspended solids (TSS) in overall IVF- IHF wetland 水质指标方程式单位面积负载量范围/(g m- 2 d- 1)单位面积去除量范围/(g m- 2 d- 1)r2p TNy=0.3523x- 0.17141.0726.1870.3662.3040.90970.01 TANy=0.8345x- 0.08640.0851.6150.0341.2590.96340.01 NO2- Ny=0.9864x- 0.00190.0110.2520.0090.2510.99850.01 CODy=0.5250x- 0.68471.7297.7020.5703.8270.74770.01 TSSy=0.8888x- 2.91639.37254.5226.72446.1400.98130.01 注：n=12。 3结论与讨论 1） 经过 166 d 的越冬养殖， 暗纹东方鲀幼鱼 （体 长(5.35 0.37) cm，体质量(5.98 1.20) g）顺利越冬 到春季大规格鱼种（体长(6.48 0.65) cm，体质量 (13.61 0.32) g），越冬成活率(76.94 13.87)%，饵 料系数为 5.49 1.77。 2）人工湿地上方罩以简易塑料大棚，对养殖 废水有明显的白天增温和晚上保温的作用，整个越 冬期间养殖池水温保持在暗纹东方鲀幼鱼的生存 低温以上，水温范围为 5.420.4，均值为 (11.3 3.7)。 3）在盐度 7.6 9.9 半咸水环境条件下，人 工湿地（IVF- IHF）能明显减少暗纹东方鲀越冬养 殖废水的主要污染物的浓度，获得良好的净化效 果：各污染物质的去除率分别为总磷氮 TN （30.5%） 、 总氨氮 TAN （69.6%） 、 NO2- N （96.1%） 、 NO3- N（9.7%）、总磷 TP（18.4%）、化学需氧量 COD（38.8%）和固体总悬浮物 TSS（79.7%）；循 环水经过人工湿地后水质符合国家渔业用水标准； 除TN和NO3- N在越冬期间的去除率均比在夏季明 显低以外，其他主要污染物的去除率没有明显变 化；越冬期间，养殖池水质状况良好。 4）在试验负载范围内，系统去除污染物质的 量随进水污染负载量的增加而增加，基本没出现下 降的拐点，本试验的进水负载低对湿地系统不存在 负荷超载的威胁，也说明系统仍有承载更大负载的 潜力，今后的研究可以适当提高负载，充分利用系 统的净化能力。 5）通过模型预测得各种湿地和养殖面积比值 （Aw/At） 范围为 0.360.97， 说明本系统不但在净化 效果上还有很大的潜力，湿地面积也有进一步减少 的空间，或者暗纹东方鲀的越冬养殖密度进一步提 高可能性，这些使得基于半咸水人工湿地的循环水 越冬养殖系统具有了用于越冬养殖生产的可能性。 致谢：试验过程中得到张海明和朱雅珠老师的 帮助，同时鱼苗饲养得到顾瑞平同志的大力协助， 在此一并致谢！ 参考文献 1吴振斌，李谷，付贵萍，等. 基于人工湿地的循环水 产养殖系统工艺设计及净化效能J. 农业工程学报， 2006，22(1)：129133. 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