水务看点 | 水产养殖废水中的藻类及营养盐如何去除？

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本期导读

利用藻类去除水厂养殖水体的营养盐是一种高效生态的方法，但一直面临藻类最终移除困难的问题。人工湿地作为可去除藻类以及氮磷污染物的有效途径，研究显示缺乏对藻类在湿地基质内部分布规律的探究，也并未考察被截留在湿地内的藻类死亡后对水质的二次污染。如何利用人工湿地对水产养殖废水中的藻类及营养盐去除值得探讨。

近年来,我国水产养殖业发展迅速,养殖规模不断扩大。目前,我国的水产养殖多数采用的是高密度集约化的养殖模式,苗种放养过量,大量施肥投饵,使残留饵料、水生生物排泄物及尸体、养殖水体底部沉积物、各种有机无机肥料等富营养因子共处一个水体,产生有害物质如氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等,引起水产养殖动物发病甚至死亡。据报道,所投饲料有 10% ~ 20%并不被养殖动物所摄食,而是存留于水体环境中;被摄食的饲料中,氮元素 20% ~25%用于生长,75% ~ 80%以粪便和代谢物形式排入水体,磷元素25% ~ 40%用于生长,60% ~ 75%排入水体。

（摄图网ID：501559704）

对于水产养殖废水的处理,最常见和最简单的方法是采用传统的环境修复技术,如曝气、过滤和厌氧-缺氧-好氧( AAO)系统。但是,这些处理方法存在能耗和基建投资较高,营养物质无法得到充分利用等问题。除此之外,一些处理方法还会产生较多的二氧化碳和污泥,易造成环境的二次污染。

本文着重探究菌藻生物体在人工湿地基质内的空间分布规律以及时间变化规律,为提升藻类去除效果、进行人工湿地结构及运行方式的改进提供依据;探究人工湿地对菌藻生物体及营养盐去除的最佳运行参数,为该系统进一步应用提供参考。

01试验装置

本试验装置为模拟的水耕植物型人工湿地系统,装置主体由有机玻璃制成,如图 1 所示。装置由3部分组成,即有机玻璃框架、玻璃轻石基质以及栽种的湿地植物。有机玻璃框架分进水槽、基质槽和出水槽,3个槽的长度分别为0.1、1 m 和0.1 m,框架深为 0.6 m,宽为 0.1 m。基质厚度为 0.5 m,装填于基质槽内,植物为菖蒲(Acorus calamus L. ),单个装置中种植10株。有机玻璃框架两侧分别设置进出水阀门,阀门中心线距底部高度为 0. 45 m,以保证常水位低于基质表面 0.05 m,玻璃轻石基质中沿长度方向每 0. 25 m 布置 1 根取样管,用于取样,取样管为周身打孔设计,方便对不同层水样进行抽取。此外,配水桶用于盛放人工配制的含藻废水,蠕动泵作为进水动力源。配水桶、进水槽、3 个取样管及出水槽分别设为 1 ~ 6 号取样点。

图1 试验装置图

02系统启动与运行

2018 年 2 月—2019年1月,课题组成员对江苏为南京市某污水处理厂二沉池回流污泥。网上购买菖蒲种苗,将根系用自来水洗净后,放入植物营养液中培养,系统接种后,将预先培养的菖蒲栽种至湿地基质内,连续通入模拟水产养殖水体的人工废水,待出水氮磷浓度稳定且植物正常生长后即视为启动成功,系统启动成功后即开始试验。试验期间平均气温为 18 ~ 26 ℃。

03试验设计

启动一个半月后,各组湿地装置出水污染物及藻密度趋于稳定,此时开始正式试验,试验共分为以下 3 个部分。

(1)分别在 0.1、0.3、0.5 m³/( m²·d) 的表面水力负荷(HSL)条件下,使装置稳定运行,期间对人工湿地的进出水以及各取样点每 3 d 取样检测,直到各装置出水污染物浓度稳定为止,试验周期为 28 d。

(2)分别在低、中、高进水藻密度条件下,使装置稳定运行,期间对人工湿地的进出水以及各取样点连续取样检测。其中,高藻密度条件下对 3 ~ 5 号取样点分上(距水面 5 cm)、中(距水面 25 cm)、下(距水面 45 cm)层分别取样,每 3 d 取 1 次样,试验周期为 25 d。

(3)进行静态试验,在上述试验结束后,利用 1个装置,先排出基质中原有的废水,然后一次性通入高浓度的含藻模拟废水,每 3 d 取样检测,至试验结束共取样 8 次。取样器由细乳胶管和针筒制成,于乳胶管上标记刻度,便于对不同深度水样进行采集。

04检测指标及方法

检测指标及检测方法如表 2 所示。

表 2 检测指标及检测方法

05结果与讨论

5.1菌藻生物体的空间分布规律

（1）不同 HSL 下人工湿地系统中藻密度的沿程变化

中高HSL下,藻密度在人工湿地起始段降低明显,随后降低趋势趋于平缓;较低HSL下,藻密度在3号取样口处已从初始的1.62×105 个/mL降低至3.09×104 个/mL,随后降低趋势趋于平缓。人工湿地对菌藻生物体的去除主要发生在湿地前端，其原因主要有两个方面,其一,在从配水桶进入进水槽的过程中,会通过一段较长的乳胶管,菌藻生物体易附着在管壁上,引起藻密度的降低;其二,玻璃轻石基质对菌藻生物体的滤除能力较强,大部分菌藻生物体在湿地基质前端即被截留。

图 2 不同 HSL 下人工湿地系统中藻密度的沿程变化

（2）不同藻密度下人工湿地中菌藻生物体的沿程变化

高藻密度进水条件下,人工湿地对菌藻共生体的去除效果显著,藻密度从15.49×105 个/ mL 降低至最终的 6.58×104 个/ mL,去除率达 95.8%;中低藻浓度下,菌藻生物体的去除率分别为 83.7%和 85.7%。进水藻密度的高低不是影响人工湿地除藻的限制性因素。

图3 不同藻密度下人工湿地中菌藻生物体的沿程变化

（3）人工湿地不同位置上中下层菌藻生物体的分布情况

湿地前中后段不同层间菌藻生物体分布规律不尽相同。在湿地前段,藻密度在上中下层间依次降低;在湿地中段,上层和下层藻密度相近,均略高于中层;在湿地后段,藻密度分布情况与前段截然相反,藻密度在上中下层间依次升高。

图 4 人工湿地不同位置菌藻生物体的分布

5.2菌藻生物体的变化规律

菌藻生物体在被人工湿地基质截留后,发生死亡、裂解等一系列变化,这些变化导致氮磷的释放。

（1）氮的变化规律

本试验为静态试验,试验期间没有外部污染物的进入,因此,总氮自始至终均呈降低趋势,但可以明显看出,试验的前 6d 生物质氮减少,非生物质氮增加,这说明生物质氮正在向非生物质氮转化。同时，本试验的基质为玻璃轻石,为多孔材质,易附着较厚的生物膜,但不易形成均匀的溶解氧浓度梯度,较短的静态试验周期内厌氧氨氧化菌也没有大量繁殖的条件,因此,推测系统内部总氮的去除仅为常规硝化反硝化反应的作用。

图 5 静态试验条件下基质内各形态氮的变化趋势

（2）磷的变化规律

利用人工湿地除磷是一种行之有效的方式,人工湿地主要是通过基质的吸附和湿地植物的吸收来对磷进行去除。本试验中,总磷并未得到很好的去除。原因主要是人工湿地系统并非初次运行,在系统稳定阶段,基质对磷已经有了一定的吸附,因此,静态试验阶段对磷的作用减弱;其次,在试验过程中,随着系统中水分的蒸发以及植物对水分的吸收,磷浓度升高。因此,系统对磷的实际去除效果要好于以浓度表示的去除率。植物通过自身吸收来除磷主要是通过组织的额外生长来实现的,而不是通过增加组织的磷含量来实现的,而植物在吸收磷酸盐的同时也会吸收大量的水,植物对磷浓度的影响从而被弱化。

图 6 静态试验条件下基质内各形态磷的变化趋势

5.3营养盐的最终去除效果

（1）水力负荷的影响

在研究人工湿地系统脱氮除磷的过程中,HSL一直是一个重要参数。一方面会影响湿地系统对水体中固体悬浮物的滤除效果;另一方面也影响着基质中微生物的生存状态。因此,其对人工湿地系统的处理效果有着重要影响。当人工湿地的HSL 较小时,湿地基质内水流速度较小,水中的菌藻生物体等固体悬浮物易被截留在基质内,且较小的流速对应着较小的剪切力,使附着在基质表面的生物膜不易脱落,从而有效维持人工湿地系统的脱氮效率。

本试验过程中,小球藻的存在使进水中溶解氧的浓度增高,且菌藻生物体可以为反硝化提供较为充足的碳源。因此,与传统的人工湿地相比,其处理效果总体较好,最高的总氮去除率可以达到79. 3%。

（2）藻密度的影响

总氮、氨氮以及总磷的去除率变化趋势均为随着进水藻密度的增大而减小,这是因为高进水藻密度条件下,大量的菌藻生物体截留在湿地基质内部,在经过逐步的累积、死亡、分解等一系列变化过程后,氮磷元素大量溶出,污染负荷增加,从而影响人工湿地的处理效率。

06结论与展望

6.1结论

(1)水耕植物型人工湿地对菌藻生物体的去除主要发生在湿地前端,低水力负荷及高进水藻密度条件下,人工湿地系统对藻类有着更好的去除效果,藻密度的高低不是影响人工湿地除藻的限制性因素。

(2)菌藻生物体在基质内各个位置的分布不尽相同,湿地前段不同层藻密度分布的规律为上层>中层>下层,而湿地后段则刚好相反,上层藻密度最低,下层最高。

(3)在静态试验中,菌藻生物体在基质内部逐渐死亡并溶出氮磷等污染物,试验进行至 15 d 时,已完成 96. 5% 生物质氮以及 92. 7% 总氮的去除。试验结束时,生物质氮磷的去除率分别为 97. 8%和98%,总氮的去除比较明显,达 96. 4%,而总磷的去除效果较差,仅为 16. 3%。

(4)水耕植物型人工湿地在中等水平进水藻密度条件下对氮磷等污染物的最佳去除条件为 HSL在 0.1 m³/(m²·d)时,其总氮、氨氮、总磷、COD 的去除率分别为 79.2%、78.9%、 21.7%、 85.2%; 在HSL 为 0.3 m³ /(m²·d)时,对氮磷等污染物的最佳去除条件为低进水藻密度,其总氮、氨氮、总磷、COD的去除率分别为 85.8%、72.1%、40.2%、70.8%。

6.2展望

根据菌藻生物体在人工湿地基质内的空间分布规律及时间变化规律,可以进一步探究人工湿地除藻更适宜的基质类型及颗粒级配方式,探究更优的人工湿地运行方式,以期更大程度地发挥人工湿地系统的除藻效能,为此技术在实际工程中的应用提供更大的可能。

拓展阅读

张毅,张皓驰,李先宁. 水栽植物型人工湿地对水产养殖废水中藻类及营养盐的去除[J]. 净水技术,2020,39(9):67-75.

ZHANG Y, ZHANG H C, LI X N. Hydroponic plant-type constructed wetland on algae and nutrients removal for aquaculture wastewater treatment[J]. Water Purification Technology, 2020, 39(9):67-75.

排版：西贝

校对：黎翔

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