紅樹林人工濕地-養殖耦合系統構建與凈化效果

仇建標，陳琛，彭欣，方曉琪，鄭春芳，蔡景波

(浙江省海洋水產養殖研究所 浙江省近岸水域生物資源開發與保護重點實驗室，浙江 溫州 325005)

近年水產養殖業迅速發展，由此引發的污染問題日趨嚴重，大量養殖尾水未經處理直接排入臨近水域，使水體富營養化，誘發赤潮爆發[1]。傳統水產養殖模式面臨挑戰，如何降低或減少養殖尾水的排放已成為水產養殖業可持續發展的關鍵問題之一。紅樹林是生長在熱帶和亞熱帶地區海岸潮間帶灘涂上的木本植物群落[2]，具有獨特的生態功能，在維持生物多樣性和海岸帶生態平衡、凈化水質、抑制海洋赤潮的發生等方面都具有重要作用[3-4]，尤其是凈化水質方面，其發達的根系能吸收水中的氮、磷及重金屬，過濾陸地徑流和內陸帶出的污染物等[5]。

人工濕地作為20世紀70年代發展起來的一種新型污水生態凈化技術[6]，與傳統的生化二、三級處理相比，人工濕地具有投資少、凈化效果好、運行維護方便、氮磷去除率高、對負荷變化的適應能力強等優點[7-9]，近年來在世界各地得到廣泛應用[10-12]。目前國內外學者對于人工濕地的研究主要集中在處理受污染淡水方面，利用人工濕地處理受污染海水方面研究相對較少，尤其是利用紅樹林人工濕地凈化海水養殖尾水的研究方面鮮有報道。Sansanayuth等[10]曾通過建立紅樹-沙粒層模型對高濃度蝦養殖的懸浮物去除效果進行研究，彭友貴等[11-12]在養殖塘中栽種紅樹植物可以改善養殖塘的水質，高鋒等[13]在小規模試驗中對秋茄人工濕地凈化養殖廢水效果進行了初步研究。

浙江省海洋水產養殖研究所于2007年開始在緯度較高的浙南進行紅樹林的引種試驗[14]，先后在品種篩選、低溫馴化、生態適應性等方面的研究取得較大進展[15-17]，為在大規模海水養殖中應用紅樹林人工濕地凈化養殖尾水提供了技術支撐。本研究通過構建紅樹林人工濕地，形成紅樹林人工濕地-養殖耦合系統，利用紅樹林人工濕地具有較強的凈化水質作用，來凈化海水養殖尾水，減少養殖尾水的大量排放，在生態養殖和養殖尾水減排方面具有重要的示范和推廣意義。

1 材料與方法

1.1 紅樹林人工濕地-養殖耦合系統構建

紅樹林人工濕地位于浙江溫州市龍灣區甌江入海口南岸永興海水養殖基地內，該基地處27°54′～28 °01′N，120 °42′～120 °51′E，該區域屬亞熱帶海洋性季風濕潤氣候，年均氣溫17～18 ℃，極端高溫39.6 ℃，極端最低氣溫-4.5 ℃，年降水量1 191.7～1 526.8 mm，該區域通過紅樹林引種試驗，比較適合紅樹植物秋茄的生長。在紅樹林人工濕地設計方面，為了考慮延長養殖尾水在濕地中的停留時間，設計人工濕地為長條形，濕地長度約為350 m，寬約23 m，濕地面積約8 000 m2，該人工濕地類型為地表流人工濕地，選擇的濕地植物以種植秋茄為主，配種少量的桐花樹，種植密度為每株間距30～50 cm，種植初期最好經常干露濕地，促進其幼苗的生長。

圖1 紅樹林人工濕地-養殖耦合系統

1.2 方法

2 結果與分析

2.1 紅樹林人工濕地對氮素的去除效果

由圖2可知，可溶性無機氮(DIN)進水口為0.87～2.06 mg·L-1，平均為1.46 mg·L-1；出水口0.47～1.04 mg·L-1，平均為0.69 mg·L-1；水體中DIN平均去除率為52.56%。另外從運行結果來看，進水氮素濃度波動較大，這與海水養殖系統運行過程中不同時間段投餌及排污有關；相應地，出水水質波動較小，這顯示紅樹林濕地具有一定的抗沖擊負荷的作用。

NO2-N也是直接影響水生動物生長的毒害性物質，進水中NO2-N最高時達到0.88 mg·L-1，出現在6月底，若直接進入養殖池，將可能對養殖生物造成影響。試驗期間進水口NO2-N在0.02～0.88 mg·L-1，平均為0.31 mg·L-1；出水口在0.01～0.33 mg·L-1，平均為0.12 mg·L-1，平均去除率為61.23%。從系統運行結果來看，對NO2-N也具有明顯去除作用。

就NO3-N而言，在DIN去除時也同步下降，說明紅樹林濕地可能具有一定的反硝化作用，這與濕地長期淹水、存在厭氧條件有關，植物凋落物較

圖2 紅樹林人工濕地對氮素的去除效果

多時會促進反硝化。試驗期間進水口NO3-N在0.12～0.79 mg·L-1，平均為0.35 mg·L-1；出水口在0.09～0.26 mg·L-1，平均為0.16 mg·L-1，平均去除效率為53.14%。

2.2 紅樹林人工濕地對DIP的去除效果

由圖3可知，系統對活性磷(DIP)具有去除效果，進水口DIP在0.04～0.36 mg·L-1，平均0.14 mg·L-1；出水口在0.02～0.11 mg·L-1，平均0.09 mg·L-1，去除率為36.40%。DIP的去除與植物吸收、水中及底泥中無機顆粒物質吸收作用有關，相對于較長的停留時間，系統對DIP的去除率偏低，這可能與TSS未得到有效截留有關。

圖3 紅樹林人工濕地對DIP的去除效果

2.3 紅樹林人工濕地對懸浮物的去除效果

海水養殖過程中產生大量殘餌、碎屑物等，因此，排水中懸浮物質含量較高。從本系統的運行情況(圖4)來看，紅樹林濕地進水中TSS總體較高，進水口在26.20～94.00 mg·L-1，平均達到54.86 mg·L-1；然而，出水中TSS存在明顯升高現象，在59.14～226.15 g·L-1，平均高達134.80 mg·L-1，為進水的2.5倍，這一反常現象反映了紅樹林濕地尚未處于理想運行狀態，分析認為可能與進水口出現沖刷效應及紅樹林濕地內部存在短流現象造成局部區域過水過高等有關。

圖4 紅樹林人工濕地對TSS的去除效果

3 討論

人工濕地凈化原理主要是利用“土壤-植物-微生物”這個復合生態系統的物理、化學和生物的三重協調作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、微生物同化分解和植物吸收等途徑去除廢水中的懸浮物、有機物、氮、磷和重金屬等來達到凈化效果[19-21]。植物是人工濕地的重要組成部分，有較多的研究表明，有植物人工濕地系統凈化效果明顯好于無植物人工濕地系統[22-24]。由于海水養殖中尾水的鹽度效應，在人工濕地技術中針對海水養殖尾水處理的可選擇植物較少，而紅樹植物是海水人工濕地中重要組成部分。如何更有效地構建紅樹林人工濕地，發揮人工濕地更大的凈化作用，除了對人工濕地中紅樹林的種類、種植密度及濕地的結構和流量等進行設計外，在人工濕地運行期間應盡量適當模擬自然狀態，對紅樹林人工濕地進行適當的干露，有利于紅樹植物的生長和存活，可提高人工濕地的凈化效能。

4 小結