环境科学  2014, Vol. 35 Issue (9): 3436-3442   PDF    
引用本文
宋颖, 黄玉婷, 葛川, 张浩, 陈昕, 张志剑, 罗安程. 多介质土壤滤层系统(MSL)与潜流式人工湿地技术处理海水养殖废水的效能比较[J]. 环境科学, 2014, 35(9): 3436-3442.
SONG Ying, HUANG Yu-ting, GE Chuan, ZHANG Hao, CHEN Xin, ZHANG Zhi-jian, LUO An-cheng. Treatment of Marine-Aquaculture Effluent by the Multi-Soil-Layer (MSL) System and Subsurface Flow Constructed Wetland[J]. Environmental Science, 2014, 35(9): 3436-3442.
多介质土壤滤层系统(MSL)与潜流式人工湿地技术处理海水养殖废水的效能比较
宋颖1, 黄玉婷1, 葛川1, 张浩2, 陈昕3, 张志剑2, 罗安程1     
1. 浙江大学环境与资源学院, 污染环境修复与生态健康教育部重点实验室, 杭州 310058;
2. 浙江大学环境与资源学院生物地球化学研究室, 杭州 310058;
3. 环保部南京环境科学研究所, 南京 210042
收稿日期: 2014-1-12; 修订日期: 2014-4-12.
基金项目： 环境保护公益性行业科研专项（2010467014）
作者简介：宋颖（1985~），女，博士，主要研究方向为养殖废水处理，E-mail：songyingNJ@163.com
通讯联系人,罗安程,E-mail: acluo@zju.edu.cn
摘要：为探索经济可行的海水养殖废水处理技术，选取南美白对虾海水养殖废水，对比研究了多介质土壤滤层（multi-soil-layer，MSL）系统和4种不同植物配置潜流式人工湿地（大米草型、芦苇型、香蒲型和无植物型）在400 L ·（m2 ·d）-1水力负荷下的废水处理效果. 结果表明，MSL对化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）的平均去除率分别为80.38%±2.14%、68.14%±3.51%、40.79%±3.10%、42.68%±2.90%和54.19%±5.15%，均高于其他4种不同植物配置的潜流式人工湿地的处理效果. 4种人工湿地系统对各污染物的去除率从高到低依次为：大米草型>芦苇型>香蒲型>无植物型.
关键词： 多介质土壤层系统     潜流式人工湿地     海水养殖废水     废水处理     去除速率    
Treatment of Marine-Aquaculture Effluent by the Multi-Soil-Layer (MSL) System and Subsurface Flow Constructed Wetland
SONG Ying1, HUANG Yu-ting1, GE Chuan1, ZHANG Hao2, CHEN Xin3, ZHANG Zhi-jian2, LUO An-cheng1     
1. Key Laboratory of Environment Remediation and Ecological Health, Ministry of Education, College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
2. Biogeochemistry Laboratory, College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
3. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China
Abstract: To evaluate the feasibility of using multi-soil-layer (MSL) system and subsurface flow constructed wetland to treat the wastewater of marine cultured Penaeus vannamei and to determine the suitable process for the local aquaculture wastewater pollution characteristics. In this study, MSL system and four constructed wetland systems with Spartina anglica, Phragmites australis, Typha latifolia and unplanted system were evaluated for their potentials of pollutants removal capacity. The results showed the average removal rates of chemical oxygen demand (COD), total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), ammonia nitrogen (NH4+-N) and nitrate (NO3--N) by MSL system were 80.38%±2.14%, 68.14%±3.51%, 40.79%±3.10%, 42.68%±2.90% and 54.19%±5.15%, respectively. Additionally, the ability of pollutants removal of other four wetland systems decreased in the order: Spartina anglica, Phragmites australis, Typha latifolia and unplanted system.
Key words: multi-soil-layer (MSL) system     subsurface flow constructed wetland     wastewater of marine aquaculture     wastewater treatment     removal rate    

近年来，随着海水养殖技术的发展和海产品市场需求量的增加，海水养殖业已趋向集约化、 高密度、 高产出的养殖模式. 与此同时，海水养殖生产过程中产生的残饵、 排泄物等污染物造成养殖水体严重污染，破坏近岸海域生态系统稳定性与多样性[1, 2]，反过来也制约了海洋水产业的可持续发展. 为此，研究经济可行的低成本、 低能耗、 高净化效率且操作简便的海水养殖废水处理技术已成为目前亟待解决的问题[2, 3]. 目前国内外学者研发出多种海水养殖废水处理方法，郑瑞东等[4]将泡沫分离法用于集约化水产养殖中闭合循环水处理，可有效去除废水中可溶性有机物和悬浮物，但该方法会把水中有益的痕量元素一并去除； Tango等[5]采用臭氧水处理技术用于多种养殖废水水质的提高，并可起到消毒作用，但臭氧会残留在养殖水体中对养殖对象产生一定的毒性作用； Tal等[6]指出海水养殖废水生化处理中应用较多的是生物接触氧化、 生物转盘、 生物流化床等工艺，但由于海水养殖的盐度效应，这些生化处理工艺的总体代谢选择性和有效微生物比例较低,系统的单位体积处理负荷不高. 且这些方法对于养殖户来说，能耗较高，操作较复杂. 同时海水成分复杂，这些常规单一的物理、 化学、 生物方法不再适合海水养殖废水的处理.

多介质土壤滤层系统(MSL)和人工湿地是利用物理、 化学、 生物三重协同作用处理污水，兼具显著的环境效益、 生态效益和经济效益，而且适用性较广 [7, 8]. 目前这两种系统已广泛应用于生活污水、 垃圾渗滤液、 养殖废水等的处理[9, 10, 11, 12, 13]. MSL系统主要通过系统内基质的吸附作用和微生物的降解去除污水中的污染物[7]，人工湿地则主要通过系统内基质和植物根系的拦截、 吸附和系统内微生物代谢等机制[10]达到去除污染物的目的. 目前MSL系统应用在海水养殖废水处理上的研究鲜有报道，人工湿地在海水养殖废水处理研究也仍处于探索阶段[14, 15]. 为此，本研究选取了设计成本低、 能耗低、 净化效率高且操作简便的两种处理技术(MSL系统和不同植物型的潜流式人工湿地)，对比其对南美白对虾海水养殖废水污染物的去除效果并分析其特点，可根据不同需求选择适合海水养殖废水处理的技术，以期为海洋生态健康及海水养殖行业的可持续发展提供技术保障. 1 材料与方法 1.1 实验装置

MSL系统处理装置采用玻璃钢材质，装置大小为1.0 m(长)×1.0 m(宽)×1.0 m(高). 系统由土壤混合层(普通沙土、 秸秆、 膨润土和铁屑，四者质量干重比为7 ∶2 ∶1 ∶1，单体深15 cm)和通水层(天然斜发沸石，单体深10 cm)组成. 土壤混合层与通水层交叠组成3个次生单元，底部铺设10 cm厚的鹅卵石作为衬托，系统顶部不封闭； 在MSL底部安装直径为70 mm的出水管(图 1).

图 1 污水处理装置结构 Fig. 1 Structure of wastewater treatment
单位： mm

潜流式人工湿地处理装置为12个小型实验级模拟装置，由玻璃钢材料制成，每个装置大小同样为 1.0 m(长)×1.0 m(宽)×1.0 m(高)(图 1). 底部填充10 cm 厚的鹅卵石(直径为60~110 mm). 鹅卵石上设有“丰”字型穿孔 PVC管，管子上部再铺设少许大卵石以防 PVC 管孔被堵； 向上依次铺设40 cm厚沸石填料和40 cm 厚的土壤基质层(南美白对虾养殖厂内砂壤土壤)； 装置底部安装直径为70 mm出水管(图 1). 4个人工湿地处理中，1种处理不种植物，其余3种处理分别种植大米草、 芦苇和香蒲，种植密度为17棵 ·m-2.

上述各实验装置在实验进行时均设3组平行. 1.2 进水水质及运行方式

实验用水均采用舟山绿源水产养殖有限公司二分厂南美白对虾养殖塘废水，废水水质见表 1.

表 1 污水水质/mg ·L-1 Table 1 Characteristics of the wastewater/mg ·L-1

MSL系统和人工湿地系统均采用24 h连续进水. 实验用水由蠕动泵控制流量并引入装置，均采用上进下出的进出水方式. MSL系统由位于装置正中多孔丰字型PVC管均匀布水，孔径约1 cm，孔间距5 cm，管直径为10 cm，管长约70 cm，管间距 15 cm； 出水经过PVC管排入沟渠. 4种人工湿地采取装置内部正中的多孔丰字型PVC管均匀布水，该管尺寸同MSL系统内布水管. 1.3 实验步骤

实验过程中采取同一养殖塘的养殖废水，MSL系统处理和4种不同植物型潜流式人工湿地处理的进水水力负荷统一为400 L ·(m2 ·d)-1，水力停留时间为2.5 d. 装置经过两月运行进入稳定状态后，于2012年秋季，每隔3 d检测进出水水质. 1.4 分析测试方法

实验中水质指标测定均按国家标准方法进行[16]，由于盐度的干扰，废水中化学需氧量(COD)的测定采用高锰酸钾法. 经酸性过硫酸钾消煮预处理后，废水总磷(TP)测定采用钼锑抗分光光度法，总氮(TN)测定采用紫外分光光度法，氨氮(NH+4-N) 测定采用纳氏试剂光度法，硝酸盐氮(NO-3-N)的测定采用紫外分光光度法. 1.5 数据处理

采用SPSS 16.0统计软件进行数据统计分析. 2 结果与分析 2.1 MSL系统和潜流式人工湿地对海水养殖废水处理效能比较

MSL系统和4种人工湿地系统对COD、 TP、 TN、 NH+4-N和NO-3-N的净化效果见表 2. MSL系统对各污染物的去除效果均强于其余4种人工湿地系统.

表 2 MSL系统和各人工湿地对污染物的净化效果1)Table 2 Treatment performance of tested systems

表 1、 2显示，当COD进水浓度为203.11 mg ·L-1时，MSL系统和4种潜流式人工湿地(大米草型、 芦苇型、 香蒲型和无植物型)的COD出水浓度波动不大，平均值分别为39.89、 72.11、 84.78、 99.28、 111.00 mg ·L-1，说明各装置都具有较稳定的COD去除效果. 统计表明，5个处理中COD的去除率存在显著性差异(P<0.05)，且由高到低依次为MSL (80.38%)、 大米草型湿地 (64.51%)、 芦苇型湿地 (58.32%)、 香蒲型湿地 (51.27%)、 无植物型湿地 (45.33%)(表 2).

5个处理对于氮的去除效果差异明显. 由图 2及表 2可知，MSL系统和4种潜流式人工湿地(大米草型、 芦苇型、 香蒲型和无植物型)的出水NO-3-N平均去除率分别为54.19%、 35.74%、 30.38%、 28.00%、 19.57%； NH+4-N平均去除率分别为42.68%、 30.00%、 21.46%、 18.81%、 15.26%； TN平均去除率分别为40.79%、 30.78%、 25.17%、 20.44%、 18.66%. 统计表明，MSL系统对NO-3-N、 NH+4-N、 TN的去除率均显著高于人工湿地系统，而人工湿地系统去除率由高到低依次为大米草型、 芦苇型、 香蒲型、 无植物型.

图 2 MSL系统与 4种人工湿地系统对各污染物去除率 Fig. 2 Removal of COD，NO-3-N，NH+4-N，TN and TP by MSL system and four constructed wetlands

TP进水平均浓度为0.7 mg ·L-1，表 2显示MSL系统和4种潜流式人工湿地(大米草型、 芦苇型、 香蒲型和无植物型)的TP出水浓度波动不大，平均值分别为0.21、 0.46、 0.53、 0.56、 0.59 mg ·L-1. 5个处理的TP平均去除率存在显著性差异(表 2)，由高到低依次为MSL(68.14%)、 大米草型湿地(30.97%)、 芦苇型湿地(20.91%)、 香蒲型湿地(17.16%)、 无植物型湿地(12.36%). 2.2 MSL系统和4种潜流式人工湿地对污染物去除速率比较

如表 3所示，在相同水力负荷条件下，MSL系统对COD的去除速率为26.11 g ·(m2 ·d)-1，而湿地系统对COD的去除速率在14.74 g ·(m2 ·d)-1(无植物型)~20.96 g ·(m2 ·d)-1(大米草型). MSL对TN的去除速率为0.59 g ·(m2 ·d)-1，而湿地系统对TN的去除速率最高为大米草型的0.45 g ·(m2 ·d)-1，最低的无植物型湿地仅为0.27 g ·(m2 ·d)-1. 其中，MSL系统对NH+4-N的去除速率为0.59 g ·(m2 ·d)-1，而湿地系统对氨氮的去除速率为0.21(无植物型)~0.42 g ·(m2 ·d)-1(大米草型). 各系统对TP的去除速率较低，MSL对TP的去除速率为0.074 g ·(m2 ·d)-1，相应地湿地系统去除速率仅为0.013(无植物型)~0.034 g ·(m2 ·d)-1(大米草型).

表 3 1)/g ·(m2 ·d)-1 Table 3 Removal efficiency of tested systems/g ·(m2 ·d)-1
2.3 进水中不同污染物含量与去除量的关系

图 3和表 4显示，进水中各污染物浓度与MSL系统污染去除量之间存在线形关系，且以COD的相关性最好. 在本实验设定的水力负荷400L ·(m2 ·d)-1下，MSL系统对COD、 NH+4-N、 TN和TP的去除量随进水污染负荷的增加而增加，表明MSL系统对养殖废水尚有更大的负荷潜力. 而各人工湿地系统中，进水COD、 NH+4-N、 TN和TP含量与其去除量之间线性关系较差.

图 3 污染物进水浓度与其去除量关系 Fig. 3 Relationship between the pollutants in influents and the pollutant removal amount

表 4 污染物进水浓度与其去除量关系 Table 4 Relationship between the pollutants in influents and the pollutant removal amount
3 讨论

MSL处理与4种不同植物型潜流式人工湿地对南美白对虾海水养殖废水都有一定的处理效果. 而MSL系统处理效果和单位面积污水处理负荷优于潜流式人工湿地. MSL系统对COD，氮和磷去除主要依靠土壤和沸石的吸附、 以及系统中的微生物分解[17]. 曝气可以提高MSL系统内的好氧微生物对有机物和NH+4-N的降解活性，从而提高系统对其的去除效率[18, 19]. 本实验中MSL装置设计有通气管，可增加系统的有氧环境，有利于系统对COD的降解，从而获得本系统COD去除率稳定达到75.10%以上(表 2). 这种有利的通气条件同时也促进MSL系统对NH+4-N的平均去除率至少高出其 他人工湿地处理组12.68个百分点(表 2). 南美白对虾海水养殖污水中氮素污染物主要为NH+4-N，同时含有部分NO-3-N等. MSL系统通水层和混合层内交替布局，内置通气管，可使系统内具有良好的有氧硝化环境，有机物被微生物分解和添加的铁屑被氧化时需消耗氧气，为反硝化菌创造了厌氧环境[20]，系统内硝化和反硝化这两大作用协同发生，使氮得到有力去除. MSL系统对磷的去除其中物化作用占主导，包括混合填料对磷的吸附及与铁等形成沉淀[21]. MSL系统土壤混合层中添加的膨润土和铁屑，都有利于MSL系统对磷的吸附固定.

相对而言，潜流式人工湿地对污染物的去除效果弱于MSL系统. 潜流式人工湿地对COD和磷的去除主要依靠基质和植物根系对有机物的拦截和吸附，进一步被微生物分解[22]. 而潜流式人工湿地脱氮的主要机理是通过微生物的有氧硝化与厌氧反硝化作用，以及植物的吸收和挥发作用[23]. 在本实验中4种湿地处理系统中都装有与MSL 处理系统相同的通气管，但COD、 氮素去除率显著低于MSL系统处理组. 这说明，MSL系统独特结构和介质较潜流式人工湿地系统而言更有利于系统对有机物和氮的去除. 相对于MSL系统，人工湿地除了沸石对磷酸的去除作用，其砂土基质对磷的净化能力不强[24]. 然而4种不同植物型的潜流式人工湿地对COD、 氮和磷的去除效率也具有显著性差异，由高到低依次为大米草型湿地、 芦苇型湿地、 香蒲型湿地、 无植物型湿地. 植物可以为湿地系统提供氧来源和生物的附着点，从而增强湿地对有机物去除的能力，且不同物种的植物在湿地环境中的净化效率都会有较大差异[25]. 靖元孝等[26]研究结果显示，植物型人工湿地与无植物型人工湿地相比，总氮的去除率可以提高17%. 由于实验的海水养殖废水盐分浓度较高，湿地植物的长势与植物的耐盐性有关，即植物耐盐性越强，其长势就越好. 大米草叶片具有发达的盐腺，是一种强耐盐植物[27]，而芦苇的耐盐性强于香蒲[28]. 实验中植物长势大米草最好，芦苇次之，香蒲最差. 图 3和表 4显示人工湿地单位面积的污水处理负荷比MSL系统低，因此处理等量污染物时，人工湿地往往占地面积较大，且湿地植物长势受季节影响. 虽然,4种人工湿地处理海水养殖废水的效果和单位面积的污水处理负荷不如MSL，但人工湿地与养殖塘结合可以构建养殖-湿地生态系统，可增加养殖场绿化面积. 通过科学合理地规划，养殖-湿地生态系统可以成为集养殖生产、 销售、 休闲、 环保于一体的综合性场所，从而提高海水养殖业的附加值. 4 结论

(1)在进水水力负荷400 L ·(m2 ·d)-1下，MSL系统与潜流式人工湿地都对海水养殖废水有一定的处理效果. MSL系统对海水养殖废水的处理效果优于人工湿地系统，对COD、 NH+4-N、 TN、 NO-3-N、 TP的平均去除率分别为80.38%、 42.68%、 40.79%、 54.19%、 68.14%.

(2)4种潜流式人工湿地(大米草型、 芦苇型、 香蒲型和无植物型)对海水养殖废水的处理效果的大小主要受湿地植物种类与长势的影响，由高到底依次为大米草型、 芦苇型、 香蒲型、 无植物型.

(3)MSL系统对海水养殖废水中污染物COD、 NH+4-N、 TN、 NO-3-N、 TP的平均去除速率分别为26.11、 0.074、 0.59及0.59 g ·(m2 ·d)-1，均高于4种潜流式人工湿地.

(4)在本实验条件下，MSL系统对海水养殖废水污染物的去除效果和对污染物承载负荷都优于其他4种潜流式人工湿地(大米草型、 芦苇型、 香蒲型和无植物型)，但湿地系统可以增加养殖场绿化面积，增加养殖业附加值.

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