凡纳滨对虾集约化养殖尾水处理系统运行效果验证与评价

史会来，张 涛，平洪领，卢 斌，刘 琴，余方平

(浙江海洋大学海洋与渔业研究所，浙江省海洋水产研究所，浙江省海水增养殖重点实验室，浙江舟山 316021)

凡纳滨对虾Litopenaeus vannamei 自然分布于秘鲁至墨西哥的太平洋沿岸，是当今世界养殖产量最高的三大虾类之一[1]。自1988 年中国科学院海洋研究所引种以来，随着苗种繁育、养殖模式、营养饵料、病害防控等技术的成功突破[2-4]，凡纳滨对虾养殖从我国的南方海南、广东、广西和福建等省份迅速向中东部浙江和江苏以及北方地区的山东、河北和辽宁等省份发展，养殖模式也从最初的高位池养殖发展为高密度温室大棚养殖和工厂化循环水养殖等集约化程度高的养殖模式，工厂化循环水最高养殖产量每立方水体5～10 kg，温室大棚养殖单茬亩产可达3 000 kg[5]。凡纳滨对虾已成为我国最主要的养殖虾类品种，年产达150万t～160 万t，产值超300 亿元[6-7]。浙江省位于我国海岸线中部，海淡水资源丰富，也是我国主要的南美白对虾养殖地区。2016 年浙江省南美白对虾养殖面积达8 954 hm2，养殖产量34 139 t，养殖模式主要是高密度集约化温室大棚养殖，每年可养殖2 茬，具有冬季加温条件的单位甚至可养殖3 茬。

目前凡纳滨对虾的养殖主要采取高密度集约化的养殖模式，养殖过程必然产生大量养殖尾水，已有研究表明养殖排放的尾水中主要废物包括：残饵、排泄物、化学物质和残留的治疗性药物，养殖生物的死体及病原体也是废物的一部分，但是潜在污染物的主要来源是与饵料有关的废物[8-10]。饵料废物中既有溶解态的，也有固态的悬浮颗粒物。每生产1 t 虾，水体中增加0.2 t 的N 元素和0.05 t 的P 元素，养殖尾水如未经处理就直接排放，不仅使养殖水环境恶化，而且会导致附近海域富营养化，赤潮频发，造成严重的海洋环境污染问题[12-13]。近年来，国内外学者在水产养殖的尾水处理方面已做了大量相关研究工作[14-16]，但是相关研究主要集中尾水处理系统的部分环节，而对海水凡纳滨对虾集约化养殖尾水处理系统的整体运行效果评价方面的研究较少。2014 年浙江省实施“五水共治”举措以来，渔业主管部门严禁养殖尾水直接排放，2018 年制定了《浙江省水产养殖污染防治管理规范（试行）》。2019 年1 月11 日，经国务院批准，农业农村部等10 部委联合印发的《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》中再次强调“推进出台水产养殖尾水污染物排放标准，依法开展水产养殖项目环境影响评价”。但目前海水凡纳滨对虾高密度养殖模式中，虽然大部分养殖企业和个体户按照规定都建有规模不等、模式不同的养殖尾水处理系统，但“如何处理”和“处理到什么程度”才能排放，到目前为止还没有明确的参照标准。鉴于此，笔者结合浙江省海洋水产研究所试验场科学规划建设的养殖尾水处理系统，主要针对凡纳滨对虾大棚高密度养殖排放的尾水进行科学有效处理，拟对此尾水处理系统运行状况进行效果验证与评价，优化养殖尾水处理系统中的各项水质指标，以期为我省海水养殖企业提供科学参考，对保护我省水产养殖生态环境和促进水产养殖可持续发展具有重要的意义。

1 养殖尾水处理系统建立

在浙江省海洋水产研究所试验场针对南美白对虾大棚集约化养殖设置集水渠、沉淀池、曝气池、微生物吸附池及生物湿地处理池（图1）。

图1 凡纳滨对虾养殖尾水处理流程图Fig.1 Flow chart of aquaculture wastewater of L.vannamei

1.1 集水渠

集水渠长度600 m，宽度5 m 的泥质渠道，坡度5°，水流通畅。

1.2 沉淀池

沉淀池为方形水泥池，面积0.267 hm2，有效水深1.8 m，配有3 kW 提水系统2 套。

1.3 曝气池

曝气池为方形水泥池，面积0.333 hm2，有效水深1.8 m，配有4 kW 鼓气系统1 套，采用纳米管微孔管充气，要求每个曝气位置的外围水花相连。

1.4 微生物吸附池

微生物吸附池为长方形水泥池，面积0.4 hm2，有效水深1.8 m，距离水面30 cm 固定钢索，钢索间距40 cm，钢索上每隔30 cm 挂有80 cm 长的生物弹性填料。为延长水流路线，用20 cm 宽的水泥砖混墙将一半微生物吸附池的水流方向设置成来回路线，另一半设置成蛇形水流路线（图2）。

图2 微生物吸附池示意图Fig.2 Schematic diagram of microbial adsorption tank

1.5 生物湿地处理池

生物湿地处理池为面积0.667 hm2的不规则泥底池塘，三面水泥护坡，一面靠山，池塘中间设有宽4 m深沟，深沟处水深2 m，深沟两侧均为泥质滩涂，在靠山处滩涂上种植海水芦苇等大型挺水生物，另一侧滩涂上放养大小不等的青蛤Cyclina sinensis 400 kg，放养全长5 cm 的杂食性鱼类斑鰶Konosirus punctatus幼鱼2 000 尾，肉食性鱼类黄姑鱼Nibea albiflora 200 尾，在排水端设有溢水口。

2 材料与方法

2.1 实验时间、地点与设计

2018 年5 月至6 月和8 月至9 月，在浙江省海洋水产研究所试验场以凡纳滨对虾高密度集约化大棚养殖中后期的尾水为处理对象。设计研究目标方案：（1）养殖尾水沉淀20 h 后进入处理系统，每天可处理500 t 养殖尾水；（2）养殖尾水沉淀20 h 后进入处理系统，每天可处理1 000 t 养殖尾水。对建立的养殖尾水处理系统处理效果进行验证。

2.2 取样及指标测定

系统试运行7 d 后，在凡纳滨对虾养殖塘排水口（A）、沉淀池入口（B）、曝气池入水口（C）、微生物吸附池入水口（D）、生物湿地处理池入水口（E）及溢水口（F），分别对凡纳滨对虾养殖中期、后期排放的尾水悬浮物质（TSS）、酸碱度（pH）、化学耗氧量（COD）、生物耗氧量（BOD）、无机氮（TN）、活性磷酸盐（PO4-P）、硫化物、总氯水质指标进行测定。水质指标测定委托农业部渔业环境监测站（舟山）检测，测定方法见表1。

表1 水质指标测定方法Tab.1 Methods for the determination of water quality indexes

3 结果

3.1 凡纳滨对虾养殖中、后期尾水水质指标

从表2 可以看出，凡纳滨对虾大棚养殖排水口尾水中期和后期未达到排放标准的指标是pH、悬浮物、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐。pH 分别为6.8 和6.5，悬浮物分别为397 mg·L-1和1 260 mg·L-1，氨氮分别为2.05 mg·L-1和4.05 mg·L-1，亚硝酸盐分别为0.78 mg·L-1和0.34 mg·L-1，硝酸盐分别为1.66 mg·L-1和2.86 mg·L-1，总氮分别为4.49 mg·L-1和7.25 mg·L-1，磷酸盐分别为1.02 mg·L-1和2.18 mg·L-1。通过比较分析中期和后期排放尾水的悬浮物、氨氮、硝酸盐、总氮和磷酸盐数值的增加，说明凡纳滨对虾养殖后期的尾水水质更加恶化。而COD、BOD、锌、铜、硫化物及总余氯的含量符合海水池塘养殖尾水排放标准。

表2 凡纳滨对虾养殖中后期尾水水质情况Tab.2 The quality of aquaculture wastewater in the middle and late stage of L.vannamei

3.2 500 t 沉淀20 h 后进入处理系统处理效果

从表3 可以看出，每日500 t 凡纳滨对虾养殖尾水进入到本实验的尾水处理系统中后，pH、TSS、NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN 及PO4-P 水质指标得到了有效净化和修复，达到了海水养殖尾水排放标准。pH 从6.8 上升到7.7；TSS 从397 mg·L-1下降到41 mg·L-1，净化率89.6%；NH4-N 从为2.05 mg·L-1下降到0.015 mg·L-1，净化率99.2%；NO2-N 从0.78 mg·L-1下降到0.006 mg·L-1，净化率99.2%；NO3-N 从1.66 mg·L-1下降到0.03 mg·L-1，净化率98.1%；TN 从4.49 mg·L-1下降到0.051 mg·L-1，净化率98.8%；PO4-P 从1.02 mg·L-1下降到0.06 mg·L-1，净化率94.1%。

表3 500 t 沉淀20 h 处理效果Tab.3 Treatment effect of 500 t precipitation for 20 h

3.3 500 t 沉淀20 h 水质指标在水处理系统中的变化情况

从图3 中可以看出，凡纳滨对虾养殖尾水排水口的pH 为6.8，进入水处理系统后，逐渐升高，经20 h沉淀处理后已到达7.8，之后维持在稳定的水平；凡纳滨对虾养殖尾水排水口的TSS 为397 mg·L-1，进入水处理系统后逐渐降低，在600 m 河道中已降至111 mg·L-1，沉淀之后降到76 mg·L-1，之后维持在稳定的水平；从图4 可以看出凡纳滨对虾养殖尾水排水口的PO4-P 为1.02 mg·L-1，变化趋势与TSS 的变化趋势相似，在600 m 河道中已降至0.149 2 mg·L-1，之后维持在稳定的水平；从图5 可以看出，凡纳滨对虾养殖尾水排水口的NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN 的含量处于较高的状态，变化趋势一致，在微生物吸附处理池后降至较低的水平；从图6 可以看出，凡纳滨对虾养殖尾水排水口的COD 和BOD 分别为5.41 mg·L-1和4.38 mg·L-1，COD 数值在水处理系统中呈一直降低趋势，BOD 数值呈现降低后升高的趋势，在C 取样点数值最低；铜和总余氯变化较小，一直保持在一个较低的水平。

图3 pH 和悬浮物在水处理系统中变化Fig.3 pH and suspended solids vary in water treatment systems

图4 PO4-P 在水处理系统中变化Fig.4 PO4-P vary in water treatment systems

图5 NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN 在水处理系统中变化Fig.5 NH4-N,NO2-N,NO3-N and TN vary in water treatment systems

图6 COD、BOD、铜及总余氯在水处理系统中的变化Fig.6 COD,BOD,copper and total residual chlorine vary in water treatment systems

3.4 1 000 t 沉淀20 h 后进入处理系统处理效果

从表4 可以看出，每日1 000 t 凡纳滨对虾养殖尾水进入到本实验的尾水处理系统中后，pH、TSS、NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN 及PO4-P 水质指标得到了有效净化和修复，达到了海水养殖尾水排放标准。pH从6.5 上升到8.0；TSS 从1 260 mg·L-1下降到14 mg·L-1，净化率98.9%；NH4-N 从为4.05 mg·L-1下降到0.312 mg·L-1，净化率92.3%；NO2-N 从0.342 mg·L-1下降到0.114 mg·L-1，净化率66.7%；NO3-N 从2.86 mg·L-1下降到0.047 mg·L-1，净化率98.3%；TN 从7.25 mg·L-1下降到0.473 mg·L-1，净化率93.5%；PO4-P 从2.18 mg·L-1下降到0.114 mg·L-1，净化率94.8%。

表4 1 000 t 沉淀20 h 处理效果Tab.4 Treatment effect of 1 000 t precipitation for 20 h

3.5 1 000 t 沉淀20 h 水质指标在水处理系统中的变化情况

从图7 中可以看出，凡纳滨对虾养殖尾水排水口的pH 为6.5，进入水处理系统后，逐渐升高，经20 h沉淀处理后已到达7.5，之后维持在稳定的水平；凡纳滨对虾养殖尾水排水口的TSS 为1 260 mg·L-1，进入水处理系统后，逐渐降低，在600 m 河道中已降至175 mg·L-1，沉淀之后降到40 mg·L-1，之后维持在稳定的水平；从图8 可以看出凡纳滨对虾养殖尾水排水口的PO4-P 为2.18 mg·L-1，变化趋势与TSS 的变化趋势相似，在600 m 河道中已降至0.399 mg·L-1，之后继续降低，在F 取样点降至0.114 mg·L-1；从图9 可以看出，凡纳滨对虾养殖尾水排水口的NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN 的含量处于较高的状态，变化趋势一致，在微生物吸附处理池E 取样点后降至较低的水平；从图10 可以看出，凡纳滨对虾养殖尾水排水口的BOD 和COD 4.20 mg·L-1和2.51 mg·L-1，均未超标，COD 数值在水处理系统中呈一直降低趋势，BOD 数值呈升高的趋势；铜和总余氯变化较小，一直处在一个较低的水平。

图7 pH 和悬浮物在水处理系统中变化Fig.7 pH and suspended solids vary in water treatment systems

图8 磷酸盐在水处理系统中的变化Fig.8 PO4-P vary in water treatment systems

图9 NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN 在水处理系统中变化Fig.9 NH4-N,NO2-N,NO3-N and TN vary in water treatment systems

图10 COD、BOD、铜及总余氯在水处理系统中的变化Fig.10 COD,BOD,copper and total residual chlorine vary in water treatment systems

4 讨论

4.1 关于养殖尾水处理系统的设计

我国学者从本世纪初开始开展水产养殖尾水处理系统的相关研究[8]，建立了适合我国国情的海水养殖废水处理技术体系，制定了相应的排放标准[17]。与工业废水和生活污水相比，海水养殖生产的废水具有污染物含量低和水体量大的特点[18-19]。从理论上讲，许多常规的物理、化学、生物废水处理方法是可以应用于养殖尾水处理体系中[20]。但在实际的操作过程中，单一的方法不能有效对养殖尾水进行处理，需要建立一套综合的处理方法。从本实验的结果可以看出，凡纳滨对虾养殖尾水中的主要污染物为悬浮物、无机氮及磷酸盐，其它水质指标均未超标。考虑到处理技术简便易行和资金投入少的因素，利用浙江省海洋水产研究所试验场的600 m 排水渠道，设计了集水渠、沉淀、曝气、微生物吸附、生物湿地5 级处理系统，有针对性的对悬浮物、无机氮及磷酸盐进行处理，分别评价了日处理500 t 尾水和1 000 t 尾水沉淀20 h 的处理效果，体现了实验的科学性。

4.2 关于凡纳滨对虾大棚养殖尾水污染物的分析

田景波等[10]研究表明，海水池塘养殖过程所产生的污染物主要由水生浮游性动植物、残饵、水生物的尸体粪便等固体有机颗粒和溶解有机物、养殖排泄物、无机氮磷化合物等2 大类组成。FUNGE,et al[21]对精养虾池中的物质平衡研究发现，养殖过程中只有10%的氮和7% 的磷被利用，其他部分都以各种形式进入养殖环境，并随养殖尾水排出,成为邻近海域的主要污染源。从本实验的结果可以看出，凡纳滨对虾养殖尾水后期污染指数高于中期，后期的悬浮物达到1 260 mg·L-1，总氮7.25 mg·L-1，磷酸盐2.18 mg·L-1。这与田景波等[10]和FUNGE,et al[21]的研究结果一致。凡纳滨对虾大棚养殖中期和后期所排放尾水的pH 分别为6.8和6.5，为弱酸性水环境，与自然海水弱碱性存在较大差异。笔者认为本实验养殖尾水中pH 较低的原因是由于养殖池塘中的藻类大批死亡、残饵、生物排泄物大量积累，使底质中的有机物含量增加，这些有机物又被异养细菌分解转化，产生CO2、H2S 等酸性物质引起的，这与葛成军等[20]研究结果相似。

4.3 凡纳滨对虾养殖尾水处理系统效果评价

养殖废水处理系统中常用的固体废物处理法有重力分离和机械过滤法，依固体颗粒的密度特性和粒径大小选择，沉淀法是最简单的固体颗粒去除法[22-23]。从本实验结果可以看出，凡纳滨对虾大棚养殖尾水排放口A 取样点的水样超标污染物除pH 外均明显高于其它取样点，从A 取样点到B 取样点出现快速降低的现象。笔者认为首先本实验A 取样点所取水样为前5 min 所排的尾水，在凡纳滨对虾养殖中后期每天约排水10 cm 深的尾水，前5 min 时间所排放的污水颜色较深，包含主要的粪便、残饵及代谢物，随后排放的尾水水色逐渐变清，污染指数降低。另外，B 取样点的水样为每日所排的尾水经600 m 集水渠的之后进入到沉淀处理之前的水样，与A 取样点相比较，B 取样点的水样经过了所排尾水的稀释，同时大颗粒的悬浮物质在河道中沉淀，导致从A 取样点到B 取样点出现快速降低的现象。在集水渠中的滩面及河道中，分布大量的滩涂生物如：芦苇、弹涂鱼、招潮蟹、双齿围沙蚕、青蛤及牡蛎等，大颗粒悬浮物沉积可以为滩涂生物提供饵料，不会形成悬浮物质沉积的二次污染[24]。自然生物法的处理是在有微生物存在的条件下，废水实现自我净化的过程[25-26]。本研究中尾水中污染物除悬浮物外，主要是无机氮（NH4-N、NO2-N、NO3-N）和磷酸盐，其含量在经过微生物吸附处理后的E 取样点已降到了较低的水平。对照海水池塘养殖尾水排放标准，凡纳滨对虾大棚养殖中、后期尾水经过本实验的处理系统后可以达到排放标准。