水产养殖废水生物处理技术研究进展

许育新

(浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

我国是世界第一水产养殖大国，据统计，2016年中国水产养殖总面积为834.63万hm2，养殖总产量为5 142.39万t，占全国渔业总产量的74.5%[1]。水产集约化养殖过程中，由于养殖密度大、饵料投入量大，有70%～80%的饲料进入水体中，残饵和鱼虾类排泄物对水体、底泥等造成严重的污染，使得养殖水体富营养化。我国水产养殖多采用大引大排的方式，不仅极大的消耗了水资源，对周边水体生态环境也造成了严重的危害[2]。据报道，2014年浙江省苕溪流域水产养殖总氮、总磷、氨氮和化学需氧量排放量分别约为1 086、193、304和3 702 t，分别占流域农业面源排放总量的17.8%、25.2%、10.9%和14.1%[3]。

水产养殖废水污染主要有以下几种物质：悬浮颗粒物、有机物、氨氮、亚硝酸盐、磷[1]。水产养殖废水具有污染物含量低、一次排水量大的特点，给处理带来了很大困难[4]。为了降低水产养殖带来的环境污染，确保水产养殖业健康可持续发展，迫切需要寻求一些行之有效的水产养殖废水处理技术[5]。目前养殖废水净化技术主要有物理方法、化学方法和生物方法。

1 物理处理法

物理方法主要包括过滤吸附法、曝气充氧法、泡沫分离法和紫外线照射法等。水产养殖废水中存在大量悬浮颗粒物，过滤吸附法是最经济快捷的方法[6]，机械过滤主要用于直径为60～200 μm的悬浮颗粒物处理。泡沫分离法有独特的优势，能将悬浮颗粒物通过气泡的浮力和表面张力形成泡沫从而达到去除的目的[7]。刘长发等[8]研究发现，泡沫分离技术对悬浮颗粒物和溶解有机物有很好的去除效果，粒径小于30 nm的微小颗粒可聚集形成泡沫。膜过滤技术主要用于处理直径小于20～25 μm的微小颗粒，这些微小颗粒采用常规的固/液分离技术难以去除[9]。Viadero等[10]研究表明，0.05 μm孔径的膜对水中悬浮颗粒物和有机物的去除率分别可达94%和76%。物理处理技术主要用于去除水产养殖废水中的悬浮颗粒物、化学需氧量和生化耗氧量，对可溶性氮、磷等物质的去除效果有限，在实际应用中具有一定的局限性[6]。

2 化学处理法

化学方法主要包括絮凝沉降法、臭氧消毒法、电化学法等。絮凝沉降法常用于去除水体中的悬浮颗粒物。自然水体中胶体粒子大多带负电荷，加入铁盐、铝盐、聚丙烯酰胺、氢氧化钙等带正电荷的絮凝剂可以使胶体粒子聚集形成絮团下沉，从而达到去除悬浮颗粒物的目的。臭氧处理法是水产养殖废水处理的常用方法之一，可去除氨氮、硝酸盐等有害物质，有较强的杀菌作用，还能增加水中的溶解氧[11]。Chen等[12]建立了臭氧催化氧化—陶瓷膜分离的工艺方法，用于处理水产循环养殖废水。电化学技术具有快速、高效、操作简单、设备紧凑、产泥少等特点，近年广泛用于水产养殖废水处理[13]。Mook等[14]对应用电化学技术去除水产养殖废水中的氨氮、亚硝酸盐、有机物的研究进行了综述。郭迪等[15]研究了电化学氧化方法去除水产养殖废水中的氨氮。吴照学等[16]将电解紫外联用处理工厂化水产养殖废水，氨氮、亚硝酸盐和悬浮颗粒物的去除率超过90%，比单独电解效果好。

3 生物处理法

物理、化学处理法虽然效率高，但耗能大，处理成本高，而且易造成二次污染，在实际应用中受到一定的限制。而生物处理方法由于其成本低、适应性广、具有生态性和再生性，不会对环境造成二次污染，目前得到普遍关注和持续研究。生物处理方法包括微生物菌剂原位修复、生态处理技术、生物工程技术和综合处理技术等。

3.1 微生物菌剂技术

微生物菌剂无毒副作用、无污染，可改善水质，减少病害发生，提高水产养殖动物的免疫力和产量，在水产养殖中具有很好的应用前景。目前微生物菌剂主要有光合细菌、芽孢杆菌、乳杆菌、双歧杆菌、硝化细菌等[17]，可以通过加入饵料或直接投加到水体中起到预防和减少病原菌感染的作用[18]。微生物制剂主要包括单一型制剂和复合型制剂[19]。

Wang等[20]从鱼塘中分离得到光合细菌和芽孢杆菌，然后将2种菌的混合物分别以3个不同浓度投加到虾池中，28 d后发现投加组产量明显增加。黄钧等[21]将5%的光合细菌添加到鳢鱼饲料中，结果使鳢鱼体重平均增加9.3%，饲料成本平均降低8.6%。Wang等[22]通过向虾池中投加益生菌，发现芽孢杆菌、氨化细菌、光合细菌等有益菌数量显著增加，与对照相比致病菌数量减少了80%，水体中氮、磷的浓度下降，溶氧量升高，河虾产量增加。Aly等[23]发现，枯草芽孢杆菌可以抑制荧光假单胞菌，荧光假单胞菌会引起鱼类内脏败血性坏死，最终导致死亡。Obbard等[24]发现，硝化细菌固定化方法可有效去除对虾养殖废水中的氨氮。酵母菌不仅维生素和蛋白质含量较高，是优良水产饲料添加剂，而且还有净化水质的作用[25]。梁前才等[26]研究了单一投放和复合菌剂投放模式下，沼泽红假单胞菌、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌等3种菌剂对水体亚硝酸盐的降解效果，结果表明，复合菌剂的降解能力最强，72 h的降解率可达到99.7%。

3.2 生态工程技术

常用的生态工程技术主要有人工湿地、生态浮岛、生态坡和生态沟渠。人工湿地的研究主要围绕湿地结构功能优化、植物、微生物、基质等方面开展。陈家长等[27]研究了水平流人工湿地对池塘养殖废水的净化作用，结果表明，出水中的氮、高锰酸盐指数可达到地表水I类标准，总磷可达到地表水Ⅱ类标准，水质可从富营养水平调整为中营养水平。况琪军等[28]的研究表明，湿地可以去除养殖废水中80%以上的藻类。此外，水生蔬菜对氮、磷等有较强的吸收能力，在湿地系统中种植水生蔬菜，不仅能够净化水质，还能产生经济效益[29-30]。

顾兆俊等[31]通过在养殖池塘排水渠中构建箱式生物浮床来净化不同水层的养殖废水，总氮、总磷、氨氮和亚硝态氮的平均去除率分别达到21%、8%、17%和11%。高毛林等[32-33]分别探讨了强化曝气对组合湿地和垂直流湿地对水产养殖废水脱氮的影响，发现通过微孔曝气增氧，能显著提高组合湿地的脱氮效果。组合湿地中填埋深度仅为0.3 m的基质，湿地对总氮、总磷和高锰酸盐指数的去除率分别为59.2%～64.5%、68.4%～73.8%和71.7%～74.4%。葛川等[34-35]以温室甲鱼和南美白对虾为例，分别研究了人工湿地和多介质土壤层系统(multi soil layer，MSL)用于海水、淡水水产养殖污水处理，并取得了良好的效果，在工程应用中2套系统表现出运行稳定可靠，投资和运行费用低，管理维护方便等优点。刘佳等[36]研究了2种人工湿地对抗生素的去除作用，结果表明对恩诺沙星的去除率高于磺胺甲唑和氟甲砜霉素，当水力停留时间为3 d时，对磺胺甲唑的去除率达50%以上。黄翔峰等[37]考察了黄菖蒲、芦苇、千屈菜、再力花和香蒲等5种常见湿地植物对水产养殖废水的净化能力，黄菖蒲、芦苇对总氮、总磷、化学需氧量和抗生素均有较好去除效果。马旻等[38]研究了在亚热带气候条件下，凤眼莲、轮叶黑藻、香根草和水蕹菜等4种水生植物净化水产养殖废水的效果，结果表明4种植物均能强化湿地对污染物的去除。马晓娜等[39]构建了复合湿地系统海水养殖废水处理模式，由沉淀池—牡蛎过滤池—毕氏海蓬子人工湿地池串联组成，研究结果表明，复合湿地系统可有效去除杀鲑气单胞菌，其中牡蛎过滤单元去除率达22%～94%，人工湿地单元去除率达17%～99%，总去除率可达64%～99%。

3.3 生物工程技术

生物工程技术主要有生物滤池、生物转盘、生物流化床、生物膜反应器等。高浓度氨氮和硝酸盐氮不仅对水产养殖动物有巨大危害，也是自然环境水体富营养化的重要原因之一，因而去除水产养殖系统中的氨氮和硝酸盐氮是废水处理的主要目标。同步硝化反硝化脱氮和好氧反硝化技术是目前生物工程技术中的主要脱氮技术，在同一反应器内可实现同时硝化和反硝化，降低了动能消耗和处理费用，提高了脱氮效率，已成为水产废水脱氮处理的重要途径之一[40]。影响好氧反硝化反应的因素有碳氮比、溶氧、碳源、温度、pH等，但不同的菌种、好氧反硝化反应器结构及环境调控措施会影响好养反硝化反应的脱氮效果[41]。

蒋轶锋等[42]采用上流式沸石滤料曝气生物滤池处理水产养殖废水。沸石的高效吸附作用可使系统快速启动，在水力负荷0.25 m·h-1及气水比20∶1工艺条件下，系统运行性能最佳，化学需要量和游离态氨去除率分别稳定达到85%和70%。邹俊良等[43]采用移动床生物膜反应器净化模拟水产养殖废水，在停留时间为8 h，溶氧为2.0～3.0 mg·L-1的条件下，反应器快速启动、稳定运行，化学需要量去除率达到80%以上，总磷去除率达到50%，总氮及氨氮去除率分别达到71.7%和98.4%。谌莉莎等[44]以生态碳纤维材料作为接触氧化池内填料处理集约化水产养殖废水，生态碳纤维填料具有生物相容性好、易挂膜的优点，在溶氧为3 mg·L-1，pH在7.0～8.5，停留时间为10 h 时，化学需氧量、游离态氨、总磷、浊度去除率分别为80%、60%、30%和80%，亚硝态氮、硝态氮浓度分别低于0.1、0.5 mg·L-1。李伟博等[45]研究了动态膜生物反应器(dynamic membrane bioreactor，DMBR)和膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)2种处理工艺对水产养殖废水的处理效果和运行条件，不同溶氧条件下，DMBR和MBR对高锰酸盐指数的去除率可达95%以上，DMBR和MBR的总氮平均去除率分别达到71.4%和75.8%，2种工艺均能达到较好的污染物去除效果。

4 循环水养殖技术

随着养殖规模的不断扩大、水资源的日益短缺，传统水产养殖方式带来的水资源衰竭、环境污染、水产品质量下降等问题，已成为今后长期制约我国水产业可持续发展的主要因素。工厂化循环水养殖系统与传统养殖模式相比，可实现高密度养殖，节水90%以上，节地99%，节能70%以上。通过生物净化水处理可实现水循环利用，是资源节约型和环境友好型生产方式，是未来水产养殖的发展趋势[46]。

在工厂化循环水水产养殖中，需要集成各种处理技术的优点，形成高效的综合处理工艺。例如可以应用臭氧进行消毒、去除有机质、沉淀悬浮颗粒物；气泡浮选的技术可用于增氧、加快悬浮颗粒物的分离，加强有机质、氮、磷的去除；生物滤池和高效硝化反硝化细菌的组合可以在过滤悬浮颗粒物的同时更高效的去除氨氮和硝酸盐氮。集成技术研究的宗旨是提高处理效率、降低成本、扩大使用范围，为工厂化水产养殖提供高效、便捷、自动化程度高的工艺、设施和设备[47]。

5 展望

到2030年，我国水产品总产量将增加近2 000万t。如果不考虑科技进步因素，为实现此目标，水产养殖面积需要比2010年增加至少约133万hm2[48]。面对水产养殖产业快速增长的趋势和环境压力，应以水环境保护和水资源利用为出发点，从源头开展水产养殖水质净化和绿色养殖技术研究，综合各种处理技术的优点，取长补短，重点开展生物处理技术为主的水产养殖尾水净化方法研究[4]。

将环境容量理念引入水产养殖，根据养殖水域的最大环境容纳量确定养殖规模[49]。综合利用藻类、微生物、不同水产种类、水生植物等互补互利特点，构建水产养殖生态系统。通过多营养层次养殖系统中能量和物质的循环利用，降低规模化养殖对水域环境所产生的负面影响，优化水产养殖废水排放方式，改变传统水产养殖业的大引大排水量大、污染大的模式，采用小引小排、常引常排，促进养殖水体的合理循环，努力实现零排放。

筛选高效优势菌种，研究固定化技术，通过新材料和新工艺研究，集成物理、化学和生物技术的优势，利用数字化和智能化技术，开发新型生物反应器，提升水产养殖尾水净化效率，降低处理成本，减少排污量，实现循环利用。

应加强沉积物处理利用研究，实现底泥的资源化利用。同时，加强营养与饲料学研究，优化饲料结构及投喂方式，减小饵料系数，增大饲料利用率，改变单一的精养模式，采用有效的混养模式等，减少沉积物污染。

优化抗生素的品种和投放方式，开发微生态抗菌剂等替代产品，完善抗生素残留的检测方法，深入研究抗生素在水产养殖生态系统中的迁移转化规律，以及消除抗生素残留的技术，减少其在生态系统中的累积[4]。

建立健全水产养殖标准体系和法律体系，如渔业水质标准的修订、重要养殖品种行业标准的完善，各种鱼药及环境改良剂生产的市场准入制度、《淡水池塘养殖水排放要求》和《海水养殖水排放要求》等制度的完善和实施，建立水产养殖清洁生产技术操作规程和监测体系[50]。

工业化养殖方式要求对养殖全过程进行控制，统一监管标准，保证产品质量。在生产过程中，应引入HACCP质量控制体系，充分利用数字化和智能化技术，进行水产养殖的全标准化流程和全程可监控，全面提升水产品竞争力[51]。今后的水产养殖净化技术研究应开展信息化技术集成研究，构建养殖全程物联网技术体系，研发精准控制系统，主要开展精准投喂技术、生态因子数字化监控系统、池塘循环养殖技术集成、循环水净化等技术研究[52]。

养殖水体净化技术的特点是既有水体净化的普遍性又有水产养殖的特殊性，养殖水体净化技术将逐渐成为水产行业的研究热点领域，需要依靠现代科技，通过关键技术攻关和集成创新，促进中国水产养殖业的健康可持续发展[53]。