池塘养殖废水自由沉降及其三态氮、总氮和总磷含量变化

2019-07-17袁新程施永海刘永士

广东海洋大学学报 2019年4期

关键词：悬浮物水产池塘

袁新程，施永海，刘永士

袁新程，施永海，刘永士

（上海市水产研究所，上海市水产技术推广站，上海 200433）

养殖废水；自由沉降；悬浮物；三态氮；总氮；总磷

目前，池塘养殖是我国最传统和普遍的养殖方式之一，而在养殖过程中，水产动物大量的排泄物和剩余饵料排入水体中，导致养殖水环境富营养化或富集大量颗粒物和营养盐[1]。赵文等[2]研究发现池塘养殖1 kg鲤鱼每天要产生300 mg氨和100 kg含有大量氮肥的养殖废水。Schneider等[3]发现饲料中只有20% ~ 50%的氮和15% ~ 65%的磷被鱼体吸收，其他的均随残饵进入到养殖水体中。冯东岳[4]也发现每生产1 t虾，池塘水体中会增加0.20 t 氮元素和0.05 t 磷元素。当前生产上改善池塘养殖水环境的主要方法是采用周期性换水，但这会产生大量的养殖废水，大部分废水未经处理向周围环境中排放，会导致附近河流、湖泊和水库等水体富营养化程度升高，生态水环境问题突出[5]。

近几年国内外围绕处理养殖废水上的研究报道主要集中在养殖废水的处理技术上[6-10]，而对其自身沉降规律及水质变化情况的研究报道较少，因此研究池塘养殖废水的自由沉降及其水质参数的变化情况显得尤为重要。本研究以上海地区暗纹东方鲀（）养殖池塘的养殖废水为研究对象，通过静置沉降，测定其不同水深、不同时间下的悬浮物含量、总氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、总氮、总磷的变化情况，研究池塘养殖废水自由沉降规律及其三态氮和总氮、总磷变化情况，以期为池塘养殖废水处理系统的设计及构建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

实验用水为上海市水产研究所奉贤科研基地内暗纹东方鲀养殖池塘的养殖废水，取样后随即准备试验。试验容器为高190 cm，直径30 cm，容积130 L的透明PVC白桶3个（图1）。

1.2 仪器

真空泵；自由沉降柱（内径30 cm，高度190 cm，容积130 L）；远红外鼓风干燥箱；722型可见光分光光度计；723型紫外分光光度计；分析天平（精确至0.000 1 g）。

图1 沉降柱规格及取样位置

1.3 方法

本实验在上海市水产研究所奉贤科研基地内进行，池塘面积约为1 200 m2，深度约1.5 m，养殖鱼种为暗纹东方鲀（），初始平均体质量为5.56 g，共4 488尾，养殖周期70 d，养殖结束时暗纹东方鲀的平均体质量为34.84 g。每天投喂一次，所喂饲料为鳗鱼粉状配合饲料，饲料加工成团块状，现喂现做。

=（-0）×1 000/，=/，

式中：为废水中悬浮物含量，mg/L；为悬浮物沉降率，mg•L-1•min-1；0为定量滤纸的质量，g；是悬浮物和定量滤纸的质量，g；为水样体积，L；为沉降时间，min。

1.4 水样测定方法

2 结果与分析

2.1 池塘养殖废水自由沉降悬浮物（TSS）浓度变化及其沉降率变化

实验开始时初始废水的TSS质量浓度为821.33 mg/L，不同深度TSS沉降率随时间的变化情况如图2所示。不同深度的TSS沉降率均随时间延长具有不同的变化趋势，在90 min内，2#、3#、4#、5#取样位置的TSS沉降率均随时间延长而显著降低（< 0.05），并具有趋于稳定的变化趋势；而1#的沉降率随时间延长呈先升高后降低的趋势，并趋于稳定（图2）。150 min内，取样位置越浅，TSS沉降率越大，4#、5#的沉降率均显著大于其他取样位置（< 0.05）；1#在30 min时的TSS沉降率为负值，在90 min时沉降率最大，而其他取样位置的TSS沉降率均在30min时最大，在150 min时各取样位置的TSS浓度沉降均达到59%以上。

2.2 池塘养殖废水自由沉降的铵态氮（TAN）、亚硝酸盐（NO-N）和硝酸盐（NO-N）变化

在养殖废水自由沉淀过程中三态氮均呈现一定规律的变化，在0～30 min，1#、2#取样位置废水的TAN浓度略有升高，其他取样位置的TAN浓度略有降低，30 min后各取样位置TAN浓度均逐渐降低，并在120 min时均显著低于初始水样（< 0.05）（图3a）。在150 min时，各取样位置废水中总铵氮含量大小顺序为1#> 2#> 3#> 4#> 5#，4#和5#均显著低于1#（< 0.05）。表明废水中总铵氮含量随时间自由沉降后有降低趋势，沉降深度越浅其含量越低。

标有不同小写字母者表示同一取样时间不同取样深度之间有显著性差异（＜0. 05），标有不同大写字母者表示同一深度取样位置不同取样时间之间有显著性差异（＜0. 05）

The Signs with different lowercase letters within the same sampling time are significantly different in different sampling depths at the 0.05 probability level, and signs with different uppercase letters within the same depths are significantly different in different sampling time at the 0.05 probability level

图2 不同深度取样位置悬浮物沉降率随时间的变化情况

Fig. 2 Changing pattern of the sedimentation rate of suspended solids at different depths with time

2.3 池塘养殖废水自由沉降的总氮（TN）、总磷（TP）变化

池塘养殖废水自由沉降过程中TN和TP随时间变化情况如图4，不同深度取样位置的TN和TP的变化趋势相似，在150 min内，1#的TN含量随时间延长先升高后迅速降低，于90 min时趋于平衡，并显著低于初始水样（< 0.05）；而其他取样位置的TN含量均在0~30 min内迅速减小，之后随时间延长趋于稳定，均显著低于初始水样（< 0.05）。而在150 min内，1#的TP含量随时间延长先升高后逐渐降低，而其他取样位置的TP含量均随时间延长而逐渐降低，均于120 min时趋于稳定，且均显著低于初始水样（< 0.05）。最终150 min后TN含量大小顺序为1#> 4#> 3#> 2#> 5#，各取样位置TN去除率均达到50%以上（图4a）；最终150 min后TP含量大小顺序为1#> 2#> 4#> 3#> 5#，各取样位置TP去除率均达到28%以上（图4b）。表明养殖废水通过自身自由沉降作用也能去除部分TN和TP含量。

图4 不同深度取样位置TN和TP浓度随时间的变化情况

Fig. 4 Changing pattern of concentration of TN and TP at different height with time

3 讨论

3.1 池塘养殖废水自由沉降的总悬浮物浓度及沉降率变化情况

按照传统的养殖方式，大量的水产动物排泄物和剩余饵料进入养殖水体，导致养殖水环境富含有机物和营养盐，对周围生态环境可能引起严重富营养化威胁，而含有高浓度悬浮物养殖废水的直接排放是养殖废水超标的一个重要原因。并且池塘水体中悬浮颗粒中有机物质的溶解和析出，易导致水质快速恶化，致使病毒细菌大量繁衍，导致养殖环境被破坏[14-15]。因此去除废水中总悬浮物对控制养殖水体水质及保障养殖生态环境至关重要[16]。近几年有关悬浮物去除技术也在不断研究发展中，Barrut等[17]通过改进旧式泡沫分离器获得真空泡沫分离器，可以每小时20%的去除率将水体中悬浮物进行去除；郑瑞东等[18]研究发现，运用泡沫分离法可至少清除废水中60%的悬浮物。本研究通过研究池塘养殖废水的自由沉降规律，发现养殖废水中悬浮物浓度均时间延长有逐渐降低趋势，最终沉降率达到59%，并在不同深度水层中总悬浮物含量的降低速度也不同。本研究中，在30 min时，1#取样位置的悬浮物浓度升高；其他取样位置均降低，但随水体深度的增加沉降率减小，深度越深沉降率越小。这主要是因为较高水层的水样沉降下来的总悬浮物会经过低水层处，所以水层越低水样的悬浮物含量变化越慢，因此，在本研究中会出现1#处的水样悬浮物含量呈先增大后变小的变化趋势，以及取样水层深度越深，其总悬浮物浓度变化越慢的情况。此研究结果与关山月等[19]研究的低浓度生活污水中悬浮物自由沉降的变化情况相似。

3.2 池塘养殖废水自由沉降的水质变化情况

池塘养殖废水含有大量的残饵和粪便等含氮有机物，其中主要的有害物质为氨氮和亚硝酸盐[20]。氨氮是水产动物排泄物及残饵等含氮有机物的终产物，对水产动物有毒害作用，排放到外界环境后极易造成水体污染。亚硝基可氧化水产动物血液中含有的亚铁血红蛋白为高铁血红蛋白，从而降低了血液的载氧含量，导致机体组织缺氧，对水产动物有很强毒害作用[1]。池塘养殖废水中有机物包括水产动物和浮游动物排泄物、剩余饵料等经过分解而产生的有机物，相互聚集或附着于微小的泥沙上形成大颗粒状悬浮物，所以随着悬浮物颗粒的沉降对废水中三态氮含量的变化有一定影响。另外，由于水体中存在的微生物氨化、硝化和反硝化作用[21]，从而导致水体中硝基氮含量也会发生一定的变化。本研究中，各深度的取样位置废水中总氨氮含量随时间延长下降的变化，在30 min内降低较快，之后降低缓慢，于120 min时趋于稳定，并且在稳定之后氨氮含量随取样位置深度增大而降低。主要原因可能是因为随着悬浮物颗粒的沉降，附着于其中还未来得及分解的有机物质也随之沉降到底部，从而导致浓度的降低，另一方面也可能是微生物的氨化作用转化为亚硝基[22]。试验中亚硝基变化情况与氨氮变化很相似，均随时间延长增大和深度减小呈降低的趋势。可能是在本实验条件下，养殖废水中悬浮物的沉降作用和微生物自身的硝化作用大于其反硝化作用而产生的结果[22]。

池塘养殖废水中有机氮和无机氮含量的增加会消耗水体中的氧气，导致水质恶化，而水中磷类物质过量极易造成藻类过度繁衍，降低了水质透明度，导致水质变坏，所以总氮和总磷作为水质检测的重要参数，对养殖废水排放起着重要作用[23]。水体中氮元素的去除，除了氨自身挥发、硝化和反硝化作用等途径外，还主要依靠水体中悬浮颗粒的沉降作用[24-25]。本实验中废水经过自由沉降后，总氮浓度随时间延长增加而逐渐降低。其中1#取样位置的总氮含量在30 min内升高，之后又随时间延长而降低，主要原因是在离沉降柱底部较高位置的含氮有机物质悬浮颗粒随时间延长沉降到较低位置时，悬浮颗粒浓度增加，导致1#取样位置的总氮含量增加，之后较高位置的悬浮颗粒沉降完毕后，低取样位置的悬浮颗粒浓度开始逐渐降低，从而导致1#取样位置总氮含量呈先升高后降低得变化趋势。而其他深度的取样位置具有不同的变化趋势，均随时间延长而降低，在30 min内降低较快，并于90 min时趋于稳定，较高取样水层总氮含量较低，但各取样位置之间无显著差异。本实验养殖废水中TP的去除主要依靠沉降作用等途径去除[26-28]，因此废水中大量的含磷有机物随悬浮物颗粒自由沉降而降低，1#取样位置的总磷变化和总氮变化相似，均先增加后降低，其他深度取样位置均逐渐降低，并于120 min后趋于平衡。本研究表明养殖废水自由沉降后对上层水样中总氮和总磷有一定程度的沉降作用，这与传统处理方式中直接对排出养殖废水进行净化处理相比，增加了自由沉降步骤，提高净化效率的同时降低了劳动成本，为今后池塘养殖废水处理系统的设计及构建提供理论依据，也对中国目前大面积、集约化的池塘养殖的可持续发展与生态水环境的保护具有积极意义。

4 结论

1）池塘养殖废水经自由沉降后，TSS含量明显减少，较深水层TSS浓度会随时间变化先增大后逐渐减小，较浅水层的TSS浓度随时间延长逐渐减小。水层越浅，废水TSS沉降速度越快，水层越深，则沉降越慢，同一深度水层中总悬浮物沉降率会随时间延长而增大，同一时间内随深度增大沉降率减小。沉降150 min后，中上层养殖废水中TSS含量会显著降低，沉降率均在59%以上。

[1] 黄世明, 陈献稿, 石建高, 等. 水产养殖尾水处理技术现状及其开发与应用[J]. 渔业信息与战略, 2016, 31(4): 278-285.

[2] 赵文, 严朝晖, 黄学敏. 养殖水体降氨措施及氨毒性作用[J]. 淡水渔业, 1994, 24(4): 23-24．

[3] SCHNEIDER O, SERET V, EDIN E H, et al. Analysis of nutrient flows in integrated intensive aquaculture systems[J]. Aquacultural Engineering, 2005, 32: 379-401.

[4] 冯东岳. 浅析我国水产养殖废水处理技术的发展现状与趋势[J]. 科学养鱼，2015(9): 1-3.

[5] 谢绍河, 王钦贵, 林伟财, 等．河蚌养殖对水域环境的影响及养殖模式的优化[J]. 广东海洋大学学报，2014, 34(6): 98-102．

[6] MERINO G E, PIEDRAHITA R H, CONKLIN D E. Settling characteristics of solids settled in a recirculating system for California halibut () culture[J]. Aquacultural Engineering, 2007, 37(2): 79-88.

[7] 王栋, 徐佳, 单宝田, 等. 多巴胺复合超滤膜的制备及其在海水养殖废水处理中的应用[J]. 渔业科学进展, 2015, 36(1): 119-123.

[8] HENDE S V D, BEELEN V, BORE G, et al. Up-scaling aquaculture wastewater treatment by microalgal bacterial flocs: from lab reactors to an outdoor raceway pond[J]. Bioresource Technology, 2014, 159: 342-354．

[9] 邱军强, 乐韵, 郑文炳, 等. 微生物絮凝剂在养殖废水处理中的应用[J]. 生物学杂志, 2011, 28(6): 98-101．

[10] 宋迪, 徐佳, 单宝田, 等. 膜技术在水产养殖废水处理中的应用进展[J]. 海洋科学, 2014, 38(2): 102-106．

[11] 国家环境保护总局. 水和废水检测分析方法（第4版）[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002: 200-284．

[12] 刘永士, 施永海, 张根玉, 等. 人工湿地净化高盐度养殖废水的效果[J]. 广东海洋大学学报, 2014, 34(3): 70-75．

[13] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.海洋监测规范第4部分: 海水分析非书资料GB17378.4-2007[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007.

[14] 王彦波, 许梓荣, 郭笔龙. 池塘底质恶化的危害与修复[J]. 饲料工业, 2005(4): 47-49.

[15] 林文辉, 王亚军, 陈总会, 等. 池塘底质及其修复与管理（下）[J]. 科学养鱼, 2015(7): 23-24.

[16] 严峻, 章霞, 李伟业, 等. 对虾大棚养殖废水悬浮物静沉降效果初步研究[J]. 浙江海洋学院学报(自然科学版), 2017, 36(2): 186-189.

[17] BARRUT B, BLANCHETON J P, CALLIER M, et al. Foam fractionation efficiency of a vacuum airlift: application to particulate matter removal in recirculating systems[J]. Aquacultural Engineering, 2012, 54: 16-21.

[18] 郑瑞东, 李田, 刘鹰. 泡沫分离法在工厂化养殖废水处理中的应用研究[J]. 渔业现代化, 2005(2): 33-35.

[19] 关山月, 朱建光, 贺超, 等. 低浓度生活污水自由沉降规律及其对厌氧发酵的影响[J]. 中国沼气, 2017, 35(1): 9-12.

[20] 徐升. 水产养殖废水生物处理技术介绍[J]. 中国环保产业, 2011(10): 56-58.

[21] TANNER C C. Plants as ecosystem engineers in subsurface flow treatment wetlands[J]. Water Science and Technology, 2001, 4(11): 9-17.

[22] 雒维国, 王世和, 黄娟, 等. 潜流型人工湿地低温域脱氮效果研究[J]. 中国给水排水, 2005, 21(8): 37-40.

[23] 常雅军, 陈婷, 周庆, 等. 多功能生态塘对高密度水产养殖尾水的净化效果[J]. 江苏农业学报, 2018, 34(2): 340-346.

[24] SACHSE R, PETZOLDT T, BLUMSTOCK M, ET AL. Extending one-dimensional models for deep lakes to simulate the impact of submerged macrophytes on water quality[J]. Environmental Modelling ＆ Software, 2014, 61: 410-423.

[25] 金树权, 周金波, 包薇红, 等. 5 种沉水植物的氮、磷吸收和水质净化能力比较[J]. 环境科学: 2017, 38(1): 156-161.

[26] 杜刚, 黄磊, 鲁言言, 等. 处理微污染河水的人工湿地中磷的去除特征及吸附形态分布[J]. 环境科学学报, 2013, 33(2): 511-517.

[27] 葛绪广, 王国祥, 陈成忠, 等. 苦草生长对沉积物中磷迁移转化的影响[J]. 生态学报, 2014, 34(20): 5802-5811．

[28] CHRISTIANSE N H, ANDERSEN F, JENSEN H S. Phosphate uptake kinetics for four species of submerged freshwater macrophytes measured by a33P phosphate radioisotope technique[J]. Aquatic Botany, 2016, 128: 58-67.

Study on the Pattern of Free Sedimentation of Pond Wastewater and the Change of Three-State Nitrogen, Total Nitrogen and Total Phosphorus

YUAN Xin-cheng, SHI Yong-hai, LIU Yong-shi

（，，200433,）

wastewater from aquaculture; free sedimentation; suspended solids; three-state nitrogen; total nitrogen；total phosphorus

S967.4；X503.225

1673-9159（2019）04-0056-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.04.009

2019-04-21

2018年度上海市市级农口系统青年人才成长计划项目[沪农青字(2018)第3-1号]；上海市科技兴农项目(2019-02-08-00-07-F01130)

袁新程（1989－），硕士，助理工程师，研究方向为水环境检测与调控、水产动物遗传育种及繁殖生物学。E-mail：xcyuan2016@163.com

施永海，教授级高级工程师，研究方向为水产繁育、水环境监测及养殖技术研究。E-mail: yonghais@163.com

袁新程，施永海，刘永士. 池塘养殖废水自由沉降及其三态氮、总氮和总磷含量变化[J]. 广东海洋大学学报，2019，39（4）：56-62.