适于稻作的水处理系统构建及运行效果

高毛林2，陶 玲1,3,4，李晓莉1,3，毛梦哲2，陆光全5，李 谷1,3

(1.农业部热带亚热带水产资源利用与养殖重点实验室，中国水产科学研究院珠江水产研究所，广州 510380；2.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；3.中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430223；4.淡水水产健康养殖湖北省协同创新中心，武汉 430223；5.湖北清碧水处理科技有限公司，湖北宜昌 443002)

为了处理和资源化利用池塘养殖废水，结合生物滤池和水上稻作技术，设计并构建了一种适合于水稻种植的水处理系统。系统运行试验结果表明：在水力负荷为0.29～0.58 m/d，气水比为2～4时都可以获得比较好的水处理效果。将池塘养殖有机结合形成的循环水养殖系统中，在水力负荷为0.58 m/d，气水比为2的条件下，系统对养殖废水中TAN、TN、TP和CODMn的去除率分别为33.75%～34.31%、59.21%～64.53%、68.43%～73.75%和71.66%～74.37%。与此同时，水处理系统获得7 127.01 kg/hm2的水稻产量。由此实现养殖废水资源化利用，是一种可持续的水产养殖方式，可为我国渔农混作区池塘养殖废水的处理和循环利用提供一种新方法。

养殖废水；生态滤池；稻作；水力负荷；气水比

传统池塘集约化养殖过程中，为了提高产量，往往采取高密度、高投饵率、高换水率的养殖方式[1]。由于鱼类对氮、磷等营养物质固有的同化率，未被利用的养分在水体中逐渐积累，致使养殖水质恶化[2-4]。同时，养殖废水大量排放，还加剧了江河湖库的污染程度。因此，有效处理养殖废水，并对其中氮、磷等物质循环利用，是实现水产养殖业可持续发展的关键途径之一。

富含氮磷的池塘养殖废水对水稻生长是营养来源。通过生物滤池或水稻浮床处理池塘养殖废水的研究已有报道[5-6]，而将两者结合的研究仍属空缺。本研究以生态工程原理为指导，结合生物滤池和水上稻作技术，设计构建了一种适合于稻作的水处理系统，以期使养殖废水得到净化的同时，通过水稻生长对养殖废水中营养物质进行再利用。通过对该水处理系统进行运行参数优化和研究系统净化效能，以期在兼顾经济效益和生态效益的前提下，获得一种新型水处理工艺。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于中国水产科学研究院长江水产研究所窑湾试验场(30°16′ N，112°18′E)，属于亚热带湿润季风气候，水热资源丰富，适宜进行水产养殖和水稻种植。利用养殖池塘一侧面积约为400 m2的空地，构建了用于试验研究的水处理系统。系统于2014年10月建成，2015年5月正式运行。

1.2 样本采集与分析方法

系统进水水样在设置的进水口处采集，出水水样分3个时间段等量采集后混匀为一个水样。分析指标包括：1)温度(T)、溶解氧(DO)、pH值、电导度(EC)(梅特勒-托利多SG9溶解氧测定仪、哈希HQ30dpH计、电导仪)；2)总氨氮(TAN，纳氏比色法)；3)亚硝氮(NO2--N，N-1-萘基-乙二胺光度法)；4)总氮(TN，过硫酸钾-紫外分光光度法)；5)总磷(TP，过硫酸钾消解法)、高锰酸盐指数(CODMn，高锰酸钾法)，各项指标均按照国家环保部颁发的《水和废水检测分析方法》[7]进行。采样时间为2015年6月至10月。

系统内的水稻于2015年5月20日栽种，并于2015年10月16日收获并进行考种和测产，于2015年9月20日对养殖场内同期种植相同品种的常规稻田产量进行考种和测产。

1.3 系统管理

各养殖池塘日投饵量按草鱼体重3%～5%投喂，试验期间仅通过地下水补充蒸发损失的水分，且不换水，每日8:00 和16:00 巡塘。每晚23:00 至次日05:00 打开微孔增氧机对池塘进行曝气增氧。在整个实验期间，分别于6月5日、6月10日和6月15日叶面喷施3‰磷酸二氢钾和2%尿素混合溶液，于7月5日叶面喷施1% KCl溶液，其余养分由流入水处理系统的养殖废水中获得。

1.4 数据处理与分析

所有数据采用SPSS17.0软件进行统计分析。用One-way ANOVA检验不同运行参数下系统净水效果之间差异性，多重比较选择LSD(方差齐)或Games-Howell(方差不齐)[8]。采用成组t-test用于检验水处理系统进出水间理化特征差异，不同时间系统净化效率差异及水稻产量差异。P<0.05为差异显著，数据均用平均值±标准差(Mean±SD)表示。

2 结果与分析

2.1 系统的设计与构建

水处理系统是以生态工程原理为指导，结合生物滤池和水上稻作技术设计而成(见图1和图2)。系统主体为长×宽×深=25 m×17 m×1 m的不透水砖砌体，有效容水体积为209 m3。系统由进水端、种植区和收水端等三部分组成，并配备一个修饰塘。

图1 系统组成和工艺流程图

W1为水处理系统；W2为修饰塘；P1、P2、P3和P4为养殖池塘

图2 水处理系统结构示意图

1.滤池进水口；2.楔形配水槽；3、9卵石滤层；4.水稻；5.浮板；6.基质；7.多孔收水管；8.微孔曝气管；10.总收水管；11.溢流管；12.排水沟

进水端：进水端包括布水槽和卵石滤层组成。经集水井初步沉淀过滤的废水，通过1台进水提升泵(功率：3～4 kW，扬程：30 m)泵入系统进水管，进水管前方设置有楔形配水槽，紧贴配水槽铺设有深0.9 m、粒径8～15 cm卵石滤层。废水经布水槽流入系统，卵石层起到再过滤作用。

种植区：种植区底部铺设30 cm厚，粒径1～2 cm，空隙率为0.4的轻质陶粒，基质底部均匀安装有6根PVC多孔收水管(孔径0.6 cm)，管内内置纳米微孔曝气管，长度与多孔PVC管相当，由1台鼓风机(功率：0.75 kW；出气量：110 m3/h)连接进行底部曝气。水面安放尺寸为0.5 m×0.5 m×0.08 m的轻质陶粒浮板，该浮板具有适应微生物生长和强化系统胞外酶双重特性[6]。每块浮板上留有4个孔径为10 cm的栽培孔，通过栽种盘种植水稻，栽种密度为9.24株/m2，浮板覆盖率为57.8%。

收水端：收水端由卵石滤层及铺设在下方的收水管加排水沟组成。收水端铺设有0.9 m厚、粒径8～15 cm卵石滤层，底部安装有总收水管，并与多孔收水管连接，总收水管与溢流管通，溢流管位于池壁外侧排水沟中，经处理后的水经排水沟流入修饰塘。

修饰塘：主体为长×宽×深=17 m×10 m×1 m的砖块混凝土结构，四周斜壁由下到上分别铺设4 mm厚植绒土工膜、200 mm厚砂垫层和60 mm厚植草砼块。

2.2 系统运行条件优化

2.2.1 水力负荷对系统净水效果的影响

进行系统运行参数优化实验期间的系统进水水质见表1。在设置系统气水比为1的条件下[9]，研究了0.29，0.39，0.58和1.16 m/d等四种不同水力负荷下系统净化效果，以探讨水力负荷对系统净化效果的影响。

表1 实验进水水质指标

如图3(a)所示，水力负荷为0.58 m/d时，系统对TAN去除率最高，为27.32%，当水力负荷增加和减小时，去除率均下降。如图3(b)所示，水力负荷为0.29 m/d时，TN去除率最大，为44.21%。随着水力负荷的增加，TN去除率逐渐下降。当水力负荷为1.16 m/d时，系统对TN去除率最低，为34.36%。如图3(c)所示，在水力负荷为0.29～1.16 m/d时，系统对TP的去除率为56.68%～59.43%，当水力负荷为0.39 m/d，系统对TP的去除率最大，达到59.43%。如图3(d)所示，水力负荷在0.29～0.58 m/d，系统对CODMn去除率为72.14%～77.97%，当水力负荷为0.39 m/d时，CODMn去除率最高，达到77.97%，当水力负荷上升至1.16 m/d后，去除率最低，为59.00%(P<0.05)。

以上试验结果表明，当水力负荷为0.29～0.58 m/d时，系统净化效果较好。为了实现系统最大水处理量，建议将水力负荷控制在0.58 m/d左右。在此条件下，系统对养殖废水中TAN、TN、TP和CODMn的去除率分别可达到27.32%、43.38%、58.13%和72.14%。

2.2.2 气水比对系统净水效果的影响

气水比也是影响系统净水效果的重要因素，在设置系统水力负荷为0.58 m/d条件下，分别考察了0.5，1，2，3和4五种气水比条件下系统净化效果。

如图4(a)所示，随着气水比的增加，TAN的去除率呈上升趋势，当气水比为1～2时，去除率显著上升，当气水比为4时，系统对TAN有最高去除率，为42.89%。如图4(b)所示，当气水比在0.5～2时，系统对TN的去除率显著上升，当气水比在2～4时， TN去除效果最好，去除率为61.83%～63.39%。如图4(c)所示，当气水比为2时，系统对TP的去除效果最好，最高去除率为77.36%，当气水比增加和减小时，去除率下降。如图4(d)所示，随着气水比的增加，系统对CODMn的去除效率呈先上升后降低趋势，气水比为2时，CODMn的去除效果最好，最高去除率为81.01%，当气水比增加和减小时，去除率显著下降(P<0.05)。

以上试验结果表明，在水力负荷为0.58 m/d，气水比为2～4时，系统对养殖废水具有较好的处理效果。从节能角度出发，建议将气水比设置为2，此时系统对TP和CODMn有最大去除率，分别为77.36%和81.01%，对TAN和TN的去除率分别为39.60%和62.26%。

图3 水力负荷对系统净化效果的影响

2.3 系统净水效果

通过将该水处理系统与养殖池塘相结合，处理池塘养殖废水并回用到养殖池塘，使养殖废水得到循环利用。将系统水力负荷设置为0.58 m/d，气水比为2的条件下运行，考察该水处理系统对养殖池塘废水的循环利用效果。

由表2可知，系统出水的pH值、DO与进水相比明显降低，出水pH值在7.18～7.42，符合渔业用水标准[10]。但系统出水DO水平较低，为1.09～1.12 mg/L。但经过在修饰塘和水道中跌水增氧和曝气后，DO增加至4.49 mg/L，可满足池塘养殖要求。

由表3可知，在整个运行阶段，系统对TAN和TN的去除率分别为33.75%～34.21%和59.21%～64.53%，随着养殖进行，系统对TAN和TN的面积去除率逐渐上升。另外，本试验对象是一个新建的系统，运行初期系统内部的微生物种群结构功能以及植物生长都处于发展阶段，所以对污染物的转化率不会太高，随着温度升高，湿地植物快速生长，系统内部微生物群落结构逐渐完善，对污染物的去除效率逐渐提高[11]。系统运行初期就对TP有很好去除效果，平均去除率为68.43%，

图4 气水比对系统净化效果的影响

时间DO/(mg/L)pHT/℃TAN/(mg/L)TN/(mg/L)TP/(mg/L)CODMn/(mg/L)7～8月进水3.30±1.13*8.13±0.33*29.90±0.56*0.93±0.08**7.00±2.27*1.09±0.02***21.12±3.37**出水1.12±0.277.42±0.1028.33±0.330.61±0.042.45±0.760.35±0.086.02±1.799～10月进水2.70±0.95*7.54±0.3221.83±3.561.11±0.15**12.52±1.12**1.42±0.84*22.92±4.79**出水1.09±0.227.18±0.1121.15±4.050.73±0.115.08±0.460.33±0.135.85±1.58

注：系统每月进出水间理化参数的显著差异用星号标出；*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。

表3 水处理系统对养殖废水的处理效果

注：各组之间不同字母标注表示存在显著差异。

随着养殖的进行，养殖废水中磷素负荷增加(见表2)，系统对TP的去除率上升，在9～10月平均去除率为73.75%。系统对来自养殖池塘废水中的CODMn去除率为71.66%～74.37%，面积去除率为7.44～12.02 g/(m2·d)，表明系统对养殖废水中CODMn有很强的去除能力。

2.4 水稻生长效果

由表4可知，净化系统中浮板上栽种的水稻单产为7 127.01 kg/hm2，与同时期栽种于稻田中的水稻相比减产23.02%。水稻是需肥较多的作物，一般条件下，每生产100 kg稻谷需吸收氮1.8～2.5 kg，磷0.9～1.2 kg，钾2.1～3.3 kg，氮、磷、钾比例约为2∶1∶2.5[12]。在池塘养殖废水中，氮、磷含量一般为0.85～7.78 mg/L和0.07～1.17 mg/L，而钾离子含量普遍偏低，约为0.001 5～0.001 8 mg/L[13]，难以满足水稻正常生长的营养需求。由表4可知，湿地中水稻有效穗个数与大田相当，但穗长较短，且在生长过程中发现，水稻下部叶片叶边变黄，叶脉出现红褐色斑点，属于典型的缺钾症状[14]，这说明在只喷叶面肥的条件下池塘的养殖水营养不能满足水稻的正常生长。因此，要想提升水稻产量，还需适当增加钾肥喷施频率。在实验过程中还发现，相比于稻田，浮板上种植的水稻生育期延迟约45 d，延时30 d进入黄熟期。这可能与系统用于池塘废水净化长期保持较高水位有关。因此，在本系统运行过程中，在水稻进入灌浆期后，应采用干湿交替的运行方法，适当降低系统水位或排空，满足水稻根系正常生长的要求，促进高产。另外，水稻收获时，首先对水稻茎上部分进行收割，再将其根部连同栽培盘移出系统，并对栽培盘进行回收。收割当日将系统排空闲置，防止水稻根部吸附的颗粒物因水体扰动进入系统。

表4 水稻考种指标

注：各组之间不同字母标注表示存在显著差异。

3 讨论

水处理系统净化效果受水力负荷影响较大，有研究表明，系统对氮和有机物的去除效果随水力负荷的增加而减小[15-16]。本研究中，随着水力负荷增加，系统对废水中总氮和有机物的去除率总体呈下降趋势。这是因为水力负荷增加，水力停留时间较短，微生物对氮和有机物的接触反应不充分，降低了系统的净水效果。有研究指出，养殖废水中30%～84%的磷素与悬浮固体物质结合[17]，多孔的陶粒基质能有效地对颗粒状态磷进行截留，且吸附作用相对较快[18]。本研究中，水力负荷增加后，系统对磷素去除效果影响很小，在试验所采用的水力负荷范围内，由于进水磷负荷较低，在基质吸附的范围内，适当提高水力负荷能够提高系统对磷素的去除效果。

在传统的生物脱氮工艺中，好氧区和缺氧区相对独立，硝化反应和反硝化反应往往会在不同的反应器中进行[19]。有研究表明，生物滤池对污染物去除能力与曝气强度有直接相关关系[20-22]，通过控制气水比，在滤池内部同时形成好氧、厌氧和缺氧区域，即可实现同步完成硝化和反硝化脱氮[23]。本研究中，当气水比由0.5～1上升至2～3，系统对氮素的去除率显著上升，当气水比继续上升时，去除率没有显著提升。这是因为硝化反应强度是氮素去除的主要限制因素[24]，气水比偏低会限制系统内部DO水平，抑制硝化细菌的生长和活性，不利于氮素的去除；而受碳源的限制，气水比过高时，系统对氮素的去除效果没有显著上升。许多研究揭示出生物滤池主要通过基质吸附和微生物摄取转化以达到除磷的目的[25]。本研究中，较低的气水比造成净化系统的局部缺氧，限制了聚磷菌对磷的过量摄取作用，此时对磷素的去除主要通过基质的吸附作用，去除率不高；当气水比逐渐上升时，湿地中DO升高，促进了聚磷菌对磷的过量摄取作用[26]，去除率上升；当继续提高气水比时，气流会对基质产生一定的冲刷，导致其表面磷酸根沉淀物的脱离，降低对磷的去除效果，并造成电能的浪费。马剑敏等[27]在对人工湿地处理混合污水的研究中发现，曝气强度与有机物的去除效果显著相关。曝气生物滤池处理城市生活污水的研究结果表明，气水比较小时，滤池中DO较低，污水中一部分还原性物质未能被降解；而当气水比过高，较大的气流会破坏基质中的生物膜结构，甚至引起脱落，使其对有机物的去除率下降[28]，这可能也是本研究中气水比为2时达到最高去除效率的原因。

Boyd[29]最早证明了水生维管束植物对污水中矿物质营养物的净化能力。目前人工湿地选用的植物通常为鸢尾、菖蒲、再力花等，这些植物一般为生物量大、根系发达的常绿植物，但经济价值不高，一定程度上影响人工湿地推广应用。本试验构建的净化系统中种植的植物改为水稻，使净化系统在满足水质净化要求的同时，收获水稻并创造一定的经济效益，不存在修复植物收获后难以二次利用的问题，适宜在渔农混作区推广应用。有研究表明，水芹菜、多花黑麦草以及大蒜植物滤床在冬季低温条件下对水体氮磷的去除率均达到30%以上[30]，水雍菜具有较强的氮磷吸收能力且可进行多次收割。因此，在水稻收割后，可以继续栽种水芹菜等耐低温作物，还可根据南北气候差异、季节变化以及销售前景栽种适宜的植物，充分利用该系统的特性，带来更大的经济效益。

近6个月的系统运行结果表明，本系统对池塘养殖废水的净化效果明显，系统出水中TAN、TN、TP和CODMn浓度显著降低。同时，本系统除需要水泵和鼓风机外，不再需要其它机械设备，系统运行能耗较低，维护管理方便。在实际推广应用中，可以利用池塘边空地构建水处理系统，节约土地资源，还可以通过竹筏、泡沫板等浮水材料代替陶粒浮板的使用，降低建设成本。因此，在我国加快渔业转方式的背景下，这种适合稻作的水处理系统兼具经济效益和生态效益，具有较好的推广应用前景。

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