循环水处理系统对规模化水产养殖的影响评价

董兴国 景红军 李令国 沈海荣

摘  要：为了验证前期设计的基于池塘异位修复技术的水处理系统的养殖效果，进行了为期3年的规模化多品种饱和养殖试验。试验主要测定了该系统对普通淡水鱼养殖池塘水体中总氮（TN）、总磷（TP）、化学耗氧量（CODMn）和叶绿素（Chla）的控制效果。结果表明：在养殖的中前期，养殖塘循环水总磷水平达到地表水环境质量III类标准（GB 3838—2002），总氮水平达到地表水水环境质量III至V类标准（GB 3838—2002），系统对TP、TN、CODMn和Chla的平均去除率分别为40.13%、45.02%、43.37%和86.6%，去除效果显著;在养殖后期，随着饲料投入的持续增加，试验系统去除效率虽有大幅提高，但是各指标检测数据仍然高于预期。试验为淡水池塘的循环水处理规模化养殖用水提供了一种新的实践思路。

关键词：循环水处理系统;淡水池塘;总氮;总磷;化学需氧量;叶绿素a;评价

中图分类号：S949    文献标志码：A    论文编号：cjas20191200300

Abstract： To verify the practical culturing effect of a previously designed circulating water treatment system based on heterotopic pond restoration technology， a large-scale multi-species saturating culture experiment was carried out for 3 years. The effects of the system on water quality control was evaluated by measuring the total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， chemical oxygen consumption （CODMn） and chlorophyll （Chla） in a common freshwater fish culturing pond. The results showed that in the early stage of the experiment， the total nitrogen level （TP） of the circulating water of the pond reached Class III of the Environmental Quality Standards for Surface Water （GB 3838—2002）， and the total phosphorus level （TN） reached Class III to V. The average removal rate of TP， TN， CODMn and Chla was 40.13%， 45.02%， 43.37% and 86.6%， respectively. The removal efficiency of the system was significant. In the late stage of the experiment， with the continuous increase of the feed input， although the efficiency of the circulating system was greatly improved， the data of each index were still higher than expected. This experiment provides a new idea for the treatment of large-scale aquaculture water by circulating water in freshwater ponds.

Keywords： circulating water treatment system; freshwater pond; total nitrogen; total phosphorus; chemical oxygen demand; chlorophyll a; evaluation

0  引言

循环水养殖是在水产养殖生产过程中采用一定的工程设施和废水处理设备对养殖废水处理之后进行回收利用，对养殖和环境等进行人工调控，为养殖生物提供最适宜的环境，达到高产高效优质和零污染的生产模式，符合低碳农业和可持续发展的规律。

淡水池塘养殖尾水净化修复技术主要分为异位修复与原位修复两种。近年来发展的池塘循环水生态养殖模式就是一种异位修复技术[1]，该模式将养殖尾水引入人工湿地进行异地净化，然后将净化后的水再用于池塘养殖，实现了池塘养殖尾水的“零排放”。现阶段，国内各地试验运行该模式虽效果明显，但运行成本较高，利用循环水设备养殖在附加值较大的海水品种养殖中应用较为广泛[2]，但在普通淡水鱼类池塘养殖中仍不易推广[1]。开展试验的目的就是研究应用性价比高、便于管理和运行高效的循环水处理系统，使之贴近生产，服务生产，并建立一套较为完善的循环水系统控制效果评价体系。

养殖品种选择中华倒刺鲃、锦鲤、大口黑鲈、罗非鱼、金鱼等5种，来自本地或自繁。普通淡水鱼类是全国养殖规模和产量最大的水产品，大口黑鲈作为适于广泛养殖、中华倒刺鲃作为对水质要求较高的淡水鱼类品种，选择这5个品种作为试验对象具有代表性意义。

本试验所研究的循环水处理系统主要包括：沉淀池、毛刷、五種植物带、净水生物（微生物、滤食鱼类、河蚌、青虾等）、紫外线消毒设备、纳米增氧设备和养殖池等构成。它侧重渔业生产，具有性价比高、结构紧凑、管理方便、突出高效、生态和景观效果的特点，以期达到节水节能减排和传统池塘养殖“三化”[3]融合的目的。

1  材料与方法

1.1  试验区位

本试验基地位于陕西省西安市未央区渔业科技创新园，水产养殖容积480 m3，共20口，池深1.2 m，结构为钢筋混凝土，水源为地下水。

1.2  试验设计

循环水处理系统由西安市水产工作站与陕西省西安植物园按照异位生态修复模式共同设计，生态塘为环形设计，水流方向为逆时针循环，环形生态塘中间为养殖塘。生态塘面积约735 m2，平均塘深1.2 m。

1.3  消毒区域

安装紫外线消毒设备一套，设计处理能力：每小时处理50 m?水体。

1.4  试验材料

沉水植物主要为苦草（Vallisneria natans）、轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）、伊乐藻（Elodea nuttallii）、金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）、聚草（Myriophyllum spicatum）、粉绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum （Vell.） Verdc.）。浮叶植物主要为荇菜（Nymphoides peltata （Gmel.） Kuntze）、睡莲（Nymphaea L.）。挺水植物主要为香蒲（Typha orientalis Presl.）、芦苇（Phragmites australis （Cav.） Trin. ex Steud）、茭白（Zizania latifolia）、黑三棱（Sparganium stoloniferum）、再力花（Thalia dealbata Fraser）、水葱（Scirpus validus Vahl）、黄菖蒲（Iris pseudacorus L.）、荷花（Nelumbo nucifera Gaertn）、梭鱼草（Pontederia cordata L.）。所有水生植物来自本地。

花白鲢、青虾为本场培育。净水微生物、河蚌为外购。

1.5  试验方法

试验于2017年6月中旬投入生产，至2019年11月底，试验历经3个养殖季节。捕捞采取轮捕轮放模式。每日定时循环，养殖尾水通过排水渠道经II级沉淀后排入生态塘进行异位修复，经系统净化处理、消毒、检测达标后回到养殖池进行再利用。定期补充地下水。

1.6  检测指标和方法

4个水样采样点分别为：①出水口（尾水）;②拱桥下;③进水口（净化水）;④2#池塘。

水质测定指标和测定方法如下：（1）溶解氧（DO），碘量法测定;（2）总氮（TN），碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;（3）总磷（TP），钼酸铵分光光度法测定;（4）化学需氧量（COD），重铬酸盐法测定;（5）叶绿素a，分光光度法测定;（6）pH，水质快速测试盒测定;（7）透明度（SD），透明度盘测定。

2  结果与分析

2.1  养殖效果

试验3年，共收获罗非鱼600 kg、鲈鱼商品鱼325 kg、中华倒刺鲃商品鱼180 kg、锦鲤（规格>250 g 750 kg，规格>1.5 kg 240 kg）1190 kg、金鱼（珍珠、鎏金、龙睛）商品鱼15000尾，收获茭白72 kg。收割水生植物干重3000 kg。

2.2  循环水处理系统水化指标的变动规律

试验期间，pH 8.0～8.4之间，随着养殖时间的变化，循环水处理系统水体SD没有明显变化，在38～    55 cm之间波动。

试验期间，出水口（养殖尾水）DO指标在2～3 mg/L之间波动，进水口（净化水）DO指标在4～6 mg/L之间波动，可以满足试验规模化多品种饱和养殖对于溶解氧的需求。

2.2.1  循环水处理系统对总磷的影响  如图2所示，由于投饵量的增加，出水口（养殖尾水）总磷在养殖中期一直呈上升趋势，其他3个采样点总磷随时间变化趋势基本一致，检测鱼池的总磷在0.148～1.61 mg/L之间波动，稳定在最低水平，且变化幅度最小，进水口（净化水）水质总磷也处于较低水平，在0.425～2.27之间波动，保障了循环水处理系统末端养殖用水水质的相对稳定，平均去除率为40.13%。系统运行初期，总磷的去除率为0，随着系统的连续运行，去除率逐步升高。Tanner等[4]研究表明，潜流湿地运行初期对总磷的去除率不高，有时甚至出现负值，可能与湿地填料初期的磷的释放有关。吴振斌等[5]也有相似报道。王丽卿等[6]研究发现，沉水植物系统对总磷和活性磷的去除效果十分明显，去除率分别在80%和96%以上，对总磷的去除率，枯草和马来眼子菜最高（均为91.05%）。对活性磷的去除率，金鱼藻几乎达100%。试验表明：循环水处理系统对总磷的去除效果明显，除首次检测外，各测定时间的净化水总磷均低于养殖尾水，在养殖后期，去除后的指标数据仍高于预期，还不能全时段满足地表水环境质量标准III类水标准，净化效率需要进一步提升。

2.2.2  循环水处理系统对总氮的影响  如图3所示，试验系统对出水口（养殖尾水）总氮的去除效果由首次检测负值逐步升高，最高为81.64%，平均去除率为45.02%。试验表明：系统对于氮的去除效果显著，处理后的总氮指标可达到地表水环境质量II类-IV类水标准、但尚不稳定，氨氮控制在0.4 mg/L以下，达到地表水环境质量II类水標准。

人工湿地去除氮的主要方式包括物理、化学和生物3个方面，物理方式为挥发、吸附，化学方式为氨化、硝化、反硝化和植物摄取[7]，一般认为，表面流湿地通过湿地植物吸收、根系微生物降解的方式实现，潜流湿地以硝化、反硝化作用作为氮的主要去除机理。

有研究表明，低污染负荷的人工湿地对氮磷营养物质的去除率要低于高污染负荷[8]。

试验前期，本系统对总氮的去除率不高，主要是因为湿地系统的进水浓度较低，污染负荷较低;另外，试验前期，气温偏低，硝化和反硝化能力较弱，积累在生态塘的N主要以氨的形式存在，有残饵、排泄物、浮游生物的尸体随着气温升高逐渐分解，系统循环去除的效率低于有机物质分解的速度，导致首次检测总氮去除率为负值，之后随着气温的升高和循环次数的增加，生态塘氨化、硝化、反硝化和植物摄取能力增强，对于总氮的去除率明显提高。在童昌华等[9]的冬季实验中，氨氮的去除率只有14%～70%，这表明，尽管氨氮可以通过直接挥发、吸附到底泥等途径从水体中去除，但硝化和反硝化作用才是去除的主要途径[10]。

2.2.3  循环水处理系统对水体有机物（以CODMn表示）的影响  如图4所示，试验系统各采样点CODMn 随时间变化趋势基本一致，首次检测CODMn去除率为负数，这可能与表面流湿地的沉水植物对水体中CODMn的去除效果不明显[11]和生态塘冬季积累的有机质有很大关系，之后去除率提高，平均去除率为43.37%，去除效果明显，但是变化规律不明显。这与童昌华[9]的研究结果一致。

试验表明：系统对于CODMn的去除效果显著，处理后的CODMn指标在地表水环境质量II类-V类水标准之间波动。在养殖后期，系统对CODMn去除率最高，达到74.34%。

2.2.4  试验期间系统各采样点叶绿素a（Chla）的影响  如图5所示，循环水处理系统能够明显降低Chla含量，平均去除率为86.6 %，试验系统对Chla去除率从7月初开始逐渐升高，8月份有所下降而后又逐步升高，养殖中后期平均去除率89.65%，这说明，系统对浮游藻类具有很强且稳定的抑制作用，去除效果与滤食性生物数量和紫外线开启时间长短呈正相關，由于养殖中期水温的升高和投饵量的增加，水中营养物质增多，浮游藻类繁殖速率加快，滤食性生物数量和紫外线开启时长未变，造成了试验中期去除率阶段性下降。这与赵峰等[12]利用环形螺去除Chla的结果一致。陈家长等[13]研究发现：蚌、鱼混养对Chla的去除效果明显，平均去除率达83.49%，各测定时间的出水水质综合营养状态指数均明显低于进水，认为蚌、鱼混养对主养区养殖废水具有很好的净化效能。

3  讨论与结论

氮、磷、化学耗氧量、叶绿素和溶解氧是水产养殖重要的理化和生物因子，其指标的高低直接影响水质的稳定和养殖生物的安全。3年试验期间，循环水处理系统能有效地去除养殖尾水中的N、P等营养物质，对总磷（TP）、总氮（TN）、CODMn和叶绿素a（Chla）的去除率分别为：40.13%、45.02%、43.37%和86.6 %，去除率随系统运行时间呈上升趋势，去除效果显著。钱鸣飞等[14]研究认为香蒲和芦苇适合用于人工湿地污水处理系统，特别是香蒲处理低浓度废水，去除CODMn、总磷、总氮去除效果分别为37.97%、73.46%、58.53%。山东大学孙瑞莲等[15]研究茭白和宽叶香蒲对TP去除效果分别为10.8%、11.2%，宽叶香蒲、水葱去除CODMn效果较好。王妹等[16]研究认为组合湿地系统能有效净化养殖尾水。程国锋等[17]研究认为基于人工湿地的循环水养殖系统具有养殖存活率高、生长良好以及节水减排效果显著优点。Chen等[18]采用水生植物、沸石、陶粒和卵石等组成的生物滤床，当水力负荷为1.2 mg/d时，TN，TP的去除率均保持在50%以上，COD主要由生物陶瓷去除，砾石床对总氮的去除率为60%。张成林等[19]研究发现：循环水养殖系统应用在罗非鱼养殖中，是一种可行且高效的方法。李安峰等[20]研究认为，IBCW在布水比为1：1时对COD的平均去除率为73.9%，当布水比为1：2时的TN去除效果明显优于布水比1：1时。

从全年运行来看，循环水处理系统在冬季不投饵阶段各指标去除率降低，但由于外源性饵料投入减少，适度开启纳米增氧，循环水整体保持相对稳定，各检测指标处于全年最低水平。陶玲等[21]研究发现，通过对人工湿地进行强化曝氧能够显著提高冬季人工湿地对TN和CODMn的去除率，同时发现低温下人工湿地对TP和TSS保持较高的去除率。丛海兵等[22]对2种耐寒植物的水质改善性能进行了研究：黄菖蒲和西伯利亚鸢尾耐寒能越冬，生长期长，管理工作量小，且对TP、TN去除率高。

潜流人工湿地、5种植物带梯次配置、滤水生物选择和消毒设备的高效集成为试验系统的技术核心，针对影响池塘养殖的关键水质影响因子，配置不同种类、生活型的功能性水生植物带，搭配净水生物，细化管理和配合使用各环节可控资源，使得池塘养殖的尾水得到了良好的净化，通过循环重新为养殖所用，年综合补充地下水总量低于10%，水资源重复利用率高。人工湿地对水质变化范围适应强，处理效果好，基本建设费用较低，操作简单易懂等优点，人工湿地成为众多学者研究的对象，也被认为是一种最有发展前途的污水净化的途径[23]。同时，有研究[24]认为再力花对砷和铅的富集效果最好，梭鱼草对铜、镉、铬的富集效果最好，伊乐藻、枯草、狐尾藻、金鱼藻、黑叶轮藻对无机N、P的去除能力较强。湿地植物对金属镉汞[25]具有较好的去除能力，湿地植物对重金属吸收富集以后，通过收割进行转移，从而达到异位生态修复的目的。

从系统去除各污染物的情况看，紫外线设备运行时间与叶绿素a的去除效果呈现正相关关系，随着运行时间、频率的持续增加，循环水中的N、P呈现某种增加趋势，同时引起溶解氧下降，对净化水质并不是一直都有利。

试验利用异位修复技术构建的循环水处理系统研究了对普通淡水养殖池塘水体中的N、P、CODMn、Chla等水产养殖关键理化和生物因子的控制效果。研究发现，在试验中前期，养殖塘循环用水水质中总氮水平达到地表水环境质量III类标准，总磷水平达到地表水环境质量III至IV类标准，氨氮和亚硝酸盐分别控制在0.4 mg/L和0.1 mg/L以下，达到地表水环境质量II类标准。结果表明，循环水处理系统对规模化水产养殖中能够对N、P、CODMn、Chla实现有效的控制，并且可以达到较高等级的地表水环境质量标准。试验为淡水池塘的循环水处理规模化养殖用水提供了一种新的实践思路。

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