CN107473386B - 一种水生植物功能群组合处理精养池塘污水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水生植物功能群组合处理精养池塘污水的方法,包括以下步骤:(1)选择精养池塘污水排放区域;(2)选择水生植物;(3)优化组合水生植物功能群;(4)种植水生植物;(5)处理精养池塘污水。本发明方法成本低廉、操作简单、收效显著,安全无二次污染,可在针对精养池塘污水排放区域的水体生态修复中加以使用;适用于养殖污水处理、水生植物群落多样性改善工程,湖泊富营养化治理、水生态修复与治理等。

Description

一种水生植物功能群组合处理精养池塘污水的方法
技术领域
本发明涉及精养池塘污水处理、水生植物群落多样性改善工程,湖泊富营养化治理、水生态修复与治理等,尤其涉及一种水生植物功能群组合处理精养池塘污水的方法。
背景技术
根据联合国粮农组织的统计,2015年我国水产养殖产量为6950万吨,占全球总量的61.7%,是全球最大的水产养殖国。而我国水产品产量的增加量又主要靠水产养殖来实现。目前,我国由于水产养殖高密度、高产量的养殖模式导致人为投放的有机饵料和渔用药物远超过养殖水体的自净能力,使得水体营养盐升高,化学耗氧量剧增、沉积于环境中的有机污染物含量升高,残留药物积累,有害微生物和噬污生物繁衍,最终养殖生态系统失衡。因此,水产养殖业对环境的破环与影响日益成为人们关注的热点。
针对我国水产养殖环境退化的现状及原因,目前已出现了多种修复方法,大致可以分为以下三类:物理修复、化学修复和生物修复。均具有一定的作用,但都有其应用的局限性。物理和化学方法具有简便快捷等特点,是池塘养殖水体处理的常用方法,但成本高,并有一定弊病;而生物净化具有投资少、处理成本低、无二次污染,且有利于建立合理的水生生态循环系统等优点。在日益提倡环保、节能的社会大背景下,生物净化技术有着更为广泛的应用和发展,但生物滤膜须具备一定的操作技能,而有益微生物受环境波动的影响较大,效果不稳定,它只是将水环境中的有害物质转化为无害物质,并不能将过多的营养盐从水体中去除。相比之下,水生植物修复具备的优点有:(1)可以在养殖场所进行,减少了运输费、设施费;(2)对水体的富营养化物质、有机污染物、重金属污染物等有良好的处理效果;(3)能实现水体营养平衡,改善水体的自净能力;(4)造价相对较低,不需耗能或低耗能,能高效、稳定、便宜地解决养殖环境退化的问题。因此,水生植物更适合我国目前养殖业小规模经营、分散化养殖、养殖者理论知识缺乏的现状。
水生植物是淡水生态系统的初级生产者,具有防止底泥悬浮、净化水体,为水生动物提供庇护场所和产卵场所,为草食性水生动物提供食物来源等重要作用,在维持淡水生态系统稳定、提高生态系统自净功能等方面具有重要的生态学意义。通常,水生植物的功能多样性越高,其促进水生态系统自净功能的作用越大,能显著提高处理污水的效果,延长污水处理系统的时间。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术上存在的问题,提供了一种水生植物功能群组合的方法。该方法操作简单,成本低廉,收效显著,安全无二次污染,可在针对精养池塘污水排放区域的水体生态修复中加以使用。
为了实现上述目的,本方法包括下列步骤:
(1)选择精养池塘污水排放区域。
该区域应位于精养池塘污水排放出口附近20米左右范围内,便于将精养池塘污水引至该区域,并且该区域应适合水生植物的生长繁殖。
所述的水生植物种植区域水位和进出水量为可控制的。
(2)选择合适的水生植物。
根据水生植物的功能性状特征(如物候期、花期、株高、茎直径、比叶面积、叶干物质比重、叶厚、茎干物质比重等)以及功能群类型(沉水植物、挺水植物、漂浮植物),
基于功能性状范围的沉水植物选择标准:物候期范围为120至250天;花期范围为60至200天;株高范围为50至200厘米;茎直径范围为0.1至5.5毫米;比叶面积范围为70至150平方米每千克干重;叶干物质比重范围为40至180毫克每克干重;叶厚范围为0.08至1毫米;茎干物质比重范围为25至220毫克每克干重;
基于功能性状范围的挺水植物选择标准:物候期范围为170至300天;花期范围为20至180天;株高范围为15至150厘米;茎直径范围为2至30毫米;比叶面积范围为10至80平方米每千克干重;叶干物质比重范围为100至400毫克每克干重;叶厚范围为0.1至2毫米;茎干物质比重范围为40至320毫克每克干重;基于功能性状范围的漂浮植物选择标准:物候期范围为200至300天;花期范围为40至200天;株高范围为5至150厘米;茎直径范围为1至10毫米;比叶面积范围为10至60平方米每千克干重;叶干物质比重范围为80至200毫克每克干重;叶厚范围为0.15至1毫米;茎干物质比重范围为40至150毫克每克干重。
选择功能各异的水生植物备选物种,沉水植物如菹草、伊乐藻、金鱼藻、轮叶黑藻、苦草、水车前、狐尾藻、小眼子菜、篦齿眼子菜、微齿眼子菜、马来眼子菜中的3种以上;挺水植物如鸭舌草、香蒲、泽泻、菰、南荻、芦苇中的3种以上;漂浮植物如水蕹菜、水鳖、金银莲花、空心莲子草、水葫芦中的3种以上。
(3)根据水生植物功能群进行优化组合。
选择合适的水生植物物种数量7种以上(含7种),各物种相对生物量范围为0.5%至40%,计算不同组合群落的功能多样性,针对精养池塘污水特征选择具有较高功能多样性(大于3)的群落组合。
所述的不同组合群落的功能多样性计算公式为Pi指群落中第i个物种的相对生物量,Dij指群落中物种i与物种j的功能相异性,S指群落中物种的数量。
(4)种植水生植物。利用移栽法种植挺水植物,通过整株移入漂浮植物,并通过竹制三角形或方形或圆形或不规则形状漂浮围栏将漂浮植物围住,种植沉水植物除苦草为整株移栽外,其他为植株顶端插植法,挺水植物移栽密度为1或5或9或16或22或28或36株/m2,沉水植物种植密度为1或10或20或30或40或50或60或70或80或90或100或110或120或130或140或150株/m2,漂浮植物移入密度为1或10或20或30或40或50株m2
所述的水生植物种植时间为当年4-5月份,此时水生植物一般处于生长萌发阶段,而精养池塘污水排放量小。
所述的水生植物种植期间,种植面积为种植区域的30%左右,水位控制在50cm左右,水体透明度为大于水深的80%。
所述的竹制三角形或方形或圆形或不规则形状漂浮围栏是为了让漂浮植物生长在围栏内的装置,其数量为1或2或3或4或5,其总面积为小于种植区域面积的30%。
(5)处理精养池塘污水。待水生植物种植区域植被盖度达到80%,将精养池塘污水引入该区域
(6)定期监测水生植物种植区域进出口水体水质和水生植物盖度。
(7)收割水生植物,除菹草为5月或6月收割外,其他水生植物于秋末冬初收割,沉水植物和挺水植物只收割地上部分,漂浮植物整株收割,三者收割量均为总生物量的50%-90%。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1.本发明通过优选具有较高功能多样性和功能群的水生植物群落,显著提高污水处理生态系统的自净功能,实现水体系统的健康稳定和自我维系。
2.水生植物群落功能多样性的提高能有效提高其处理精养池塘污水的效率。通过对水生植物的富集和定期收割,将污染物移除出水体,实现原位修复。具有经济、安全、高效、可持续等优点。
附图说明
图1为进行地点的简图。
图2为总氮(TN,mg/L)随时间的变化趋势。
图3为总氮去除率(TN,%)随时间的变化趋势。
图4为总氮(TP,mg/L)随时间的变化趋势。
图5为总氮去除率(TP,%)随时间的变化趋势。
图6为硝态氮(NO3-N,mg/L)随时间的变化趋势。
图7为硝态氮去除率(NO3-N,%)随时间的变化趋势。
图8为铵态氮(NH4-N,mg/L)随时间的变化趋势。
图9为铵态氮去除率(NH4-N,%)随时间的变化趋势。
图10为化学耗氧量指数(CODMn,mg/L)随时间的变化趋势。
图11为化学耗氧量去除率(CODMn,%)随时间的变化趋势。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
(1)选择精养池塘污水排放区域。
该区域应位于精养池塘污水排放出口附近20米左右范围内,便于将精养池塘污水引至该区域,并且该区域应适合水生植物的生长繁殖。
所述的水生植物种植区域水位和进出水量为可控制的。
本实施例的研究区域位于江西省南昌市南昌县向塘镇的南昌市水产科学研究院池塘养殖基地内,水源为赣抚平原灌溉渠。实验区域用围隔将池塘隔离成9个独立单元(如图1),每个0.8亩,设置3个处理组(A,B,C),每个处理组3个重复,目的为评估不同处理组对彭泽鲫鱼精养池塘污水的处理效果。
(2)选择合适的水生植物。
本实施例根据符合功能性状范围标准的备选水生植物物种见表1,选择11种沉水植物(菹草、伊乐藻、金鱼藻、轮叶黑藻、苦草、水车前、狐尾藻、小眼子菜、篦齿眼子菜、马来眼子菜、微齿眼子菜),6种挺水植物(鸭舌草、香蒲、泽泻、菰、荻、芦苇)和5种漂浮植物(水蕹菜、水鳖、金银莲花、空心莲子草水葫芦),其功能性状值见表1.
表1实施例中的备选水生植物及其功能性状值,其中生长型(1-沉水植物;2-挺水植物;3-漂浮植物),生活史(1-一年生;2-多年生),块茎(1-无;2-有)
(3)根据水生植物功能群进行优化组合。
本实施例根据功能群组合的功能多样性大于3的原则,设计3种水生植物群落结构(表2),选择的水生植物物种数量为7或10或13种、功能群数量为1或2或3个、各物种相对生物量范围为0.5%至40%。
所述的不同组合群落的功能多样性计算公式为Pi指群落中第i个物种的相对生物量,Dij指群落中物种i与物种j的功能相异性,S指群落中物种的数量。
本实施例中的3种水生植物群落结构为:处理A.7种沉水植物(伊乐藻+金鱼藻+黑藻+苦草+狐尾藻+马来眼子菜+微齿眼子菜);处理B.7种沉水植物(伊乐藻+金鱼藻+黑藻+苦草+狐尾藻+马来眼子菜+微齿眼子菜)+处理3种漂浮植物(水蕹菜+水葫芦+水花生);C.7种沉水植物(伊乐藻+金鱼藻+黑藻+苦草+狐尾藻+马来眼子菜+微齿眼子菜)+3种漂浮植物(水蕹菜+水葫芦+水花生)+3种挺水植物(香蒲+茭草+芦苇)。
表2各处理组的群落组成及物种相对生物量(百分比,%)
这三种水生植物群落结构的功能多样性(处理A<处理B<处理C)及功能群数量(处理A<处理B<处理C)见表3。
表3各处理组的功能多样性及功能群数量
功能多样性 功能群数量
处理A1 3.91 1
处理A2 3.91 1
处理A3 3.91 1
处理B1 6.87 2
处理B2 6.86 2
处理B3 6.86 2
处理C1 10.55 3
处理C2 10.55 3
处理C3 10.55 3
(4)种植水生植物。
利用移栽法种植挺水植物,通过整株移入漂浮植物,并通过竹制三角形漂浮围栏将漂浮植物围住,种植沉水植物除苦草为整株移栽外,其他为植株顶端插植法,挺水植物移栽密度为1株/m2,沉水植物种植密度为10或20或30株/m2,漂浮植物移入密度为10或20株m2。竹制三角形围栏大小为2.25m2/个,数量为2个/单元。
实施例中各处理单元的水生植物种植的初始总盖度为30%,种植时间为2013年4-5月,水深为50cm,透明度大于40cm。
(5)处理精养池塘污水。
2013年7月初,各处理单元水生植物盖度达到80%左右,将彭泽鲫鱼精养池塘污水引入该区域,污水滞留时间为1个月。该污水初始水质参数:TN含量为5.834mg/L,TP含量为0.396mg/L,NO3-N含量为0.494mg/L,NH4-N含量为2.391mg/L,CODMn含量为7.498mg/L。
(6)定期监测水生植物种植区域进出口水体水质和水生植物生物量。
监测时间及方法:实验时间为2013年6.27至7.17,水位在1.0m左右,并监测鲫鱼塘的水质作为原水水质参数,每隔七天取一次样品监测,分别监测9个单元的水质参数(TN、TP、NH4-N、NO3-N、CODMn),直至水质参数趋于稳定。
数据表明,经过21天的时间处理,3种水生植物功能群组合均能对彭泽鲫鱼精养池塘污水产生较好的处理效果,对TN、TP、NO3-N、NH4-N和CODMn的21天的最终去除率最高分别为97.16%(图2和图3)、62.13%(图4和图5)、97.85%(图6和图7)、97.86%(图8和图9)和58.52%(图10和图11),由此可发现,水生植物的脱氮效果较显著,除磷和降解有机物作用相对较弱;
对比3种水生植物功能群组合对彭泽鲫鱼精养池塘污水的处理效果发现,C处理(功能多样性为10.55,功能群数量为3)的水质净化作用最显著且更为稳定,水生植物功能多样性越高,功能群结构越复杂,对富营养化水体的净化作用越显著,水生植物功能多样性的增加可以提高生态系统的自净功能。
(7)收割水生植物。
将各处理单元水生植物于秋末冬初收割,沉水植物和挺水植物只收割地上部分,漂浮植物整株收割,三者收割量均为总生物量的50%-90%。收割时盖度均达到80%以上,沉水植物总生物量比初始值增加了15.25倍,漂浮植物总生物量比初始值增加了4.5倍,挺水植物总生物量比初始值增加了35.5倍。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种水生植物功能群组合处理精养池塘污水的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)选择精养池塘污水排放区域,所述的区域位于精养池塘污水排放出口20米内,水位和进出水量为可控制;
(2)选择水生植物,包括选择沉水植物3种以上、挺水植物3种以上、漂浮植物3种以上;
(3)优化组合水生植物功能群,包括计算不同组合群落的功能多样性、选择功能多样性大于3的群落组合;
(4)种植水生植物;包括移栽法种植挺水植物、整株移入漂浮植物、种植沉水植物;
(5)处理精养池塘污水,包括水生植物种植区域植被盖度达到80%,将精养池塘污水引入该区域;
所述的选择水生植物,根据水生植物的功能性状和功能群类型进行选择;
所述的功能性状包括:沉水植物的功能性状、挺水植物的功能性状、漂浮植物的功能性状;
所述的沉水植物的功能性状,包括:物候期范围为120至250天、花期范围为60至200天、株高范围为50至200厘米、茎直径范围为0.1至5.5毫米、比叶面积范围为70至150平方米每千克干重、叶干物质比重范围为40至180毫克每克干重、叶厚范围为0.08至1毫米、茎干物质比重范围为25至220毫克每克干重;
所述的挺水植物的功能性状,包括:物候期范围为170至300天、花期范围为20至180天、株高范围为15至150厘米、茎直径范围为2至30毫米、比叶面积范围为10至80平方米每千克干重、叶干物质比重范围为100至400毫克每克干重、叶厚范围为0.1至2毫米、茎干物质比重范围为40至320毫克每克干重;
所述的漂浮植物的功能性状,包括:物候期范围为200至300天、花期范围为40至200天、株高范围为5至150厘米、茎直径范围为1至10毫米、比叶面积范围为10至60平方米每千克干重、叶干物质比重范围为80至200毫克每克干重、叶厚范围为0.15至1毫米、茎干物质比重范围为40至150毫克每克干重。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的不同组合群落的功能多样性,其计算公式为Pi指群落中第i个物种的相对生物量,Dij指群落中物种i与物种j的功能相异性,S指群落中物种的数量。
3.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的种植水生植物,其时间为当年4-5月份。
4.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的种植水生植物,其面积为种植区域的30%,水位控制在50cm,水体透明度为大于水深的80%。
5.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的
沉水植物包括菹草、伊乐藻、金鱼藻、轮叶黑藻、苦草、水车前、狐尾藻、小眼子菜、篦齿眼子菜、微齿眼子菜、马来眼子菜;
挺水植物包括鸭舌草、香蒲、泽泻、菰、南荻、芦苇;
漂浮植物包括水蕹菜、水鳖、金银莲花、空心莲子草、水葫芦。
6.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的种植沉水植物包括:整株移栽苦草和顶端插植法移栽其他沉水植物,
所述的沉水植物种植的密度为1或10或20或30或40或50或60或70或80或90或100或110或120或130或140或150株/m2
所述的挺水植物移栽密度为1或5或9或16或22或28或36株/m2
所述的漂浮植物移栽密度为1或10或20或30或40或50株/m2
7.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括:
定期监测水生植物种植区域进出口水体水质和水生植物生物量;
收割水生植物,除菹草为5月或6月收割外,其他水生植物于秋末冬初收割,沉水植物和挺水植物只收割地上部分,漂浮植物整株收割,三者收割量均为总生物量的50%-90%。
8.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的整株移入漂浮植物还包括竹制三角形或方形或圆形或不规则形状漂浮围栏的数量为1或2或3或4或5,其总面积为小于种植区域面积的30%。
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