人工湿地+生态沟渠（生物浮床生物膜）循环水养殖系统的水处理及净化效果的研究
2我国水产养殖在如今高生物负载量、高投入量的养殖模式下，水体自净能力下降，水体富营养化显著，养殖过程中废水随意排放，加重了水域污染程度.然而，我国水资源相对匮乏，水产养殖又需要大量的清洁水源，因此，养殖用水和废水的净化与回收已成为维持水产养殖可持续发展和缓解社会矛盾的关键问题，实现水体的良性循环已势在必行。
目录
引言
1 前言
1.1 人工湿地+生态沟渠循环水养殖系统的研究现状
随着中国经济的不断发展、人口的持续增长和城市化的进程加快，工业污水、农业废水和生活污水不断增多，渔业水域已经受到不同程度的污染。同时，水产养殖在如今高生物负载量、高投入量的养殖模式下，使得水体自净能力下降，水体富营养化显著，养殖过程中废水随意排放，加重了水域污染程度，近来爆发的水域污染事件更是引发了养殖业和社会的矛盾。例如，2007年5月，太湖蓝藻爆发，皆是因为水体富营养化以及污染日益严重造成的，太湖污染受到了社会各界以及各大媒体的关注。然而，我国水资源相对匮乏，水产养殖又需要大量的清洁水源，因此，养殖用水和废水的净化与回收已成为维持水产养殖可持续发展和缓解社会矛盾的关键问题，实现水体的良性循环已势在必行。在面临养殖用水的处理问题上，废水净化以及水产养殖行业可持续发展成为我们研究的关键词[1]。现在广泛采用的水质修复技术可以分为三类：物理方法、化学方法以及生物方法，其中，生物方法因其低成本、无次生污染而受到欢迎。生物方法包括人工湿地、生物浮阀、生态沟渠和微生态制剂等。以生态沟渠和人工湿地建设为主的生物修复技术对提高污染物的去除率、降低成本有重要的现实意义，是主要的发展趋势[2]。
自然湿地是既不同于水体，又不同于陆地的特殊过渡类型生态系统，是水生、陆生生态系统界面相互延伸扩展的重叠空间区域[3]。湿地系统与周围相邻外界环境有紧密的关系，会与之交换物质和能量。湿地具有重要的生态服务功能：涵养水源、孕育生境、调节气候、湿润空气、净化环境、维持生物多样性，以及提供教育、科研、旅游及文化服务场所等，被誉为“地球之肾”[4]。人工湿地（constructed wetland）是人们借鉴天然湿地的结构与功能，根据具体地理位置和地形需要，而人为设计、制造的一种可控化和工程化的水生生态系统。水质污染实质上是污水中的各种对 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
环境有害的有机污染物和植物营养元素超过水体生态系统的自净能力，导致生态系统的退化[5]。人工湿地生态工程技术利用自然生态系统中的化学、物理和生物三者的协同作用，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重途径，来实现对污水的净化作用。人工湿地是主要是由水生植物和滤料组成，易操作，易管理，易控制，并且具有结构简单、运行费用低、适用范围广等特点，还有其他的一些生物学功能，在国内外已经广泛应用于污水的净化处理[68]。1953 年，德国Max Planck 研究所Seidel 博士在研究中发现芦苇(Phragmites australis)能去除污水中大量有机物和无机物[9] ，随后开发出Maxplanck Institute Process系统， 这可能是世界上最早的人工湿地处理污水的雏形系统。而后Seidel 与Kickuth 合作并由Kickuth于1972 年提出了“根区理论”[10]，该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的热潮，标志着人工湿地作为独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。目前，美国已建成人工湿地大约600处，用于处理生活污水、农业废水和工业污水。在德国、英国等欧洲各国投入使用的人工湿地工程至少200处，而这些湿地以潜流湿地系统为主。澳洲以及新西兰地区建成人工湿地大约也有80处。我国对于人工湿地的研究自“七五”计划开始，并于1990年7月由国家环保局华南环保所在广东深圳构建了我国历史上首座人工湿地生态处理系统一白泥坑人工湿地污水处理系统。随着近年的研究的深入，我国在人工湿地研究与应用中有了质的飞跃，并取得了一些新的突破和进展。随着改革开放政策进一步深入，我国科研项目在各个领域都取得了显著地突破，这其中包括对于人工湿地技术方面的研究。我国对于人工湿地处理污水的研究工作开始于1987年，是由天津市环保局以及天津市环境保护研究所建成的芦苇湿地工程，占地约为6hm2，处理规模达到1400t/d。
沟渠，是农业和生活污水进入河流的通道，氮、磷在迁移过程中会被沟渠拦截一部分而减少流入河流的污染负荷[11]。目前，国内外在灌溉区普遍采用的水污染修复技术是较为简单实用的生态沟渠。20世纪70年代，就有研究生态沟渠对氮磷流失的拦截作用。因为传统的土沟渠易引起水土流失且保土能力差，现代型混凝土沟渠虽没有这些缺点，但只能起到排水的作用，同样会造成环境污染。而生态沟渠不仅具备沟渠应有的排灌功能，还能强化拦截氮磷等养分的流失，且可以美化环境，具有较大的推广前景。生态沟渠拦截磷的效应优于原自然沟渠，生态沟渠能消纳水体中磷负荷，水生植物在调节沟渠底泥吸附能力上能发挥重要作用。殷小峰等[12]的研究就表明生态沟渠和传统沟渠对TN，TP，COD的平均浓度削减率风别为48.3%，60.6%，30.1%和23.8%，18.4%，生态沟渠的污水净化效果更为显著。生态沟渠因水生植物的存在，增强了湿地对水污染的净化能力。沿沟渠水流方向种芦苇、香蒲等能截留汇入沟渠的一部分氮磷（Luo,et al.,2009;姜翠玲，2004）[1314]。而设置多花黑麦草（Italianryegrass）的生态沟渠比自然沟渠对氮磷有较强的去除能力(陈海生等[15])。王岩等[16]的研究也发现采用沟底种水生植物构建的生态沟渠，其沟渠植物累积氮磷的量明显高于自然沟渠植物累积量。
1.2 人工湿地+生态沟渠循环水养殖系统净化的基本原理
人工湿地和生态沟渠作为废水处理技术的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，由植物、微生物、基质及动物组成，各组成成分分别起不同的作用，并且相互协同，使得整个系统平衡运转，发挥良好的净化作用。水生植物其发达的根系与基质交织成网为微生物附着提供了巨大的表面积，易于形成生物膜，促进污染物被微生物降解利用；此外，植物在进行光合作用时，将光能这一清洁能源做为推动力，能同化吸收部分可溶性污染物及被微生物分解的污染物。同时，光合作用生成的O2可通过根茎输向水体与基质，使根茎周围依次形成多个好氧、缺氧和厌氧小区，为好氧、兼性厌氧及厌氧微生物的生存提供良好生境，利于硝化和反硝化作用，促进污染物的多渠道降解。微生物是污水处理系统中净化的核心，各种微生物利用不同有机污染物为营养源进行生长繁殖，从而实现对污染物的降解去除。比如假单胞杆菌属（Pseudomonas）、产碱杆菌属(Alcaligens)和黄杆菌属(Flavobacterium)，体内含有降解质粒，是分解有机物的主体微生物种群[17]。基质是一种根据需求，人为设计的由不同规格的砾、沙、土按照一定比例而铺成的供植物生长、微生物附着的床体，该体系具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作用，将水体中的悬浮物有效去除。同时，其为植物生长、微生物附着及O2传输提供了必备条件。而动物是生态系统中必不可少的一部分，在食物链和营养级的生态平衡中起到重要作用，从而有利于污水处理系统的稳定性。
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引言
1 前言
1.1 人工湿地+生态沟渠循环水养殖系统的研究现状
随着中国经济的不断发展、人口的持续增长和城市化的进程加快，工业污水、农业废水和生活污水不断增多，渔业水域已经受到不同程度的污染。同时，水产养殖在如今高生物负载量、高投入量的养殖模式下，使得水体自净能力下降，水体富营养化显著，养殖过程中废水随意排放，加重了水域污染程度，近来爆发的水域污染事件更是引发了养殖业和社会的矛盾。例如，2007年5月，太湖蓝藻爆发，皆是因为水体富营养化以及污染日益严重造成的，太湖污染受到了社会各界以及各大媒体的关注。然而，我国水资源相对匮乏，水产养殖又需要大量的清洁水源，因此，养殖用水和废水的净化与回收已成为维持水产养殖可持续发展和缓解社会矛盾的关键问题，实现水体的良性循环已势在必行。在面临养殖用水的处理问题上，废水净化以及水产养殖行业可持续发展成为我们研究的关键词[1]。现在广泛采用的水质修复技术可以分为三类：物理方法、化学方法以及生物方法，其中，生物方法因其低成本、无次生污染而受到欢迎。生物方法包括人工湿地、生物浮阀、生态沟渠和微生态制剂等。以生态沟渠和人工湿地建设为主的生物修复技术对提高污染物的去除率、降低成本有重要的现实意义，是主要的发展趋势[2]。
自然湿地是既不同于水体，又不同于陆地的特殊过渡类型生态系统，是水生、陆生生态系统界面相互延伸扩展的重叠空间区域[3]。湿地系统与周围相邻外界环境有紧密的关系，会与之交换物质和能量。湿地具有重要的生态服务功能：涵养水源、孕育生境、调节气候、湿润空气、净化环境、维持生物多样性，以及提供教育、科研、旅游及文化服务场所等，被誉为“地球之肾”[4]。人工湿地（constructed wetland）是人们借鉴天然湿地的结构与功能，根据具体地理位置和地形需要，而人为设计、制造的一种可控化和工程化的水生生态系统。水质污染实质上是污水中的各种对 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
环境有害的有机污染物和植物营养元素超过水体生态系统的自净能力，导致生态系统的退化[5]。人工湿地生态工程技术利用自然生态系统中的化学、物理和生物三者的协同作用，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重途径，来实现对污水的净化作用。人工湿地是主要是由水生植物和滤料组成，易操作，易管理，易控制，并且具有结构简单、运行费用低、适用范围广等特点，还有其他的一些生物学功能，在国内外已经广泛应用于污水的净化处理[68]。1953 年，德国Max Planck 研究所Seidel 博士在研究中发现芦苇(Phragmites australis)能去除污水中大量有机物和无机物[9] ，随后开发出Maxplanck Institute Process系统， 这可能是世界上最早的人工湿地处理污水的雏形系统。而后Seidel 与Kickuth 合作并由Kickuth于1972 年提出了“根区理论”[10]，该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的热潮，标志着人工湿地作为独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。目前，美国已建成人工湿地大约600处，用于处理生活污水、农业废水和工业污水。在德国、英国等欧洲各国投入使用的人工湿地工程至少200处，而这些湿地以潜流湿地系统为主。澳洲以及新西兰地区建成人工湿地大约也有80处。我国对于人工湿地的研究自“七五”计划开始，并于1990年7月由国家环保局华南环保所在广东深圳构建了我国历史上首座人工湿地生态处理系统一白泥坑人工湿地污水处理系统。随着近年的研究的深入，我国在人工湿地研究与应用中有了质的飞跃，并取得了一些新的突破和进展。随着改革开放政策进一步深入，我国科研项目在各个领域都取得了显著地突破，这其中包括对于人工湿地技术方面的研究。我国对于人工湿地处理污水的研究工作开始于1987年，是由天津市环保局以及天津市环境保护研究所建成的芦苇湿地工程，占地约为6hm2，处理规模达到1400t/d。
沟渠，是农业和生活污水进入河流的通道，氮、磷在迁移过程中会被沟渠拦截一部分而减少流入河流的污染负荷[11]。目前，国内外在灌溉区普遍采用的水污染修复技术是较为简单实用的生态沟渠。20世纪70年代，就有研究生态沟渠对氮磷流失的拦截作用。因为传统的土沟渠易引起水土流失且保土能力差，现代型混凝土沟渠虽没有这些缺点，但只能起到排水的作用，同样会造成环境污染。而生态沟渠不仅具备沟渠应有的排灌功能，还能强化拦截氮磷等养分的流失，且可以美化环境，具有较大的推广前景。生态沟渠拦截磷的效应优于原自然沟渠，生态沟渠能消纳水体中磷负荷，水生植物在调节沟渠底泥吸附能力上能发挥重要作用。殷小峰等[12]的研究就表明生态沟渠和传统沟渠对TN，TP，COD的平均浓度削减率风别为48.3%，60.6%，30.1%和23.8%，18.4%，生态沟渠的污水净化效果更为显著。生态沟渠因水生植物的存在，增强了湿地对水污染的净化能力。沿沟渠水流方向种芦苇、香蒲等能截留汇入沟渠的一部分氮磷（Luo,et al.,2009;姜翠玲，2004）[1314]。而设置多花黑麦草（Italianryegrass）的生态沟渠比自然沟渠对氮磷有较强的去除能力(陈海生等[15])。王岩等[16]的研究也发现采用沟底种水生植物构建的生态沟渠，其沟渠植物累积氮磷的量明显高于自然沟渠植物累积量。
1.2 人工湿地+生态沟渠循环水养殖系统净化的基本原理
人工湿地和生态沟渠作为废水处理技术的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，由植物、微生物、基质及动物组成，各组成成分分别起不同的作用，并且相互协同，使得整个系统平衡运转，发挥良好的净化作用。水生植物其发达的根系与基质交织成网为微生物附着提供了巨大的表面积，易于形成生物膜，促进污染物被微生物降解利用；此外，植物在进行光合作用时，将光能这一清洁能源做为推动力，能同化吸收部分可溶性污染物及被微生物分解的污染物。同时，光合作用生成的O2可通过根茎输向水体与基质，使根茎周围依次形成多个好氧、缺氧和厌氧小区，为好氧、兼性厌氧及厌氧微生物的生存提供良好生境，利于硝化和反硝化作用，促进污染物的多渠道降解。微生物是污水处理系统中净化的核心，各种微生物利用不同有机污染物为营养源进行生长繁殖，从而实现对污染物的降解去除。比如假单胞杆菌属（Pseudomonas）、产碱杆菌属(Alcaligens)和黄杆菌属(Flavobacterium)，体内含有降解质粒，是分解有机物的主体微生物种群[17]。基质是一种根据需求，人为设计的由不同规格的砾、沙、土按照一定比例而铺成的供植物生长、微生物附着的床体，该体系具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作用，将水体中的悬浮物有效去除。同时，其为植物生长、微生物附着及O2传输提供了必备条件。而动物是生态系统中必不可少的一部分，在食物链和营养级的生态平衡中起到重要作用，从而有利于污水处理系统的稳定性。
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