我国池塘养殖尾水处理技术研究进展

陈丽婷 檀午芳 肖俊 郭忠宝 罗永巨

（广西壮族自治区水产科学研究院，广西南宁530021）

池塘养殖作为我国传统的水产养殖方式，在我国淡水养殖中具有举足轻重的地位。联合国粮食农业组织认为，养殖是唯一能满足世界人民对鱼类日益增长需求的途径[1,2]，中国农业部原部长韩长赋曾说过“世界上每三条鱼就有两条是中国养的”，中国水产养殖产量占世界养殖产量的60%以上[3]，据统计，2019年我国水产养殖产量为5079.07万吨，其中淡水养殖产量为3013.74万吨，而淡水池塘养殖产量为2230.05万吨，分别占水产养殖产量的44%，占淡水养殖产量的74%。我国2019年淡水养殖面积为511.632万hm2，其中51.69%为淡水池塘养殖[4]。但与日俱增的池塘养殖产量和面积势必给水环境造成巨大的压力，传统的池塘养殖通常没有考虑养殖尾水的问题，新的统一的国家行业标准一直也未制定颁布实施，随意排放养殖尾水现象普遍存在。随着我国生态文明建设的不断发展，养殖尾水的处理再排放问题越来越受到广泛关注，党的十八大报告明确指出了保护环境和建设生态文明的重要性，原农业部提出“五大行动”，自2020年起实施，其中包括养殖尾水治理模式推广行动[5]，在满足养鱼需求的基础上，聚焦科学治理养殖尾水，推动了我国生态可持续发展和生态建设的进程。本文梳理了池塘养殖尾水污染物的来源、处理的技术和方法的研究成果，探讨现有技术和方法对环境友好和生态可持续发展的重要意义。

1 淡水池塘养殖尾水污染物来源及对环境的影响

1.1 淡水池塘养殖尾水污染物来源

淡水池塘养殖尾水中污染物有固体污染物和可溶性污染物。固体污染物主要有鱼类粪便、残饵和鱼、虾等水生生物的死体，可溶性污染物主要包括含量较高的氮（N）、磷（P）及硫化物、重金属等。污染物的来源主要有两个方面：一是由于水产养殖的特性在水中吃食，必然会造成部分饲料直接溶解在水中，加上全国各地养殖水平的参差不齐，部分养殖户对饲料质量的筛选不严格及投喂方式不科学等造成残饵在养殖水体中的残余，以及养殖生物的排泄物及尸体残骸，这些物质在水体中分解后也会产生氮、磷等可溶性污染物，有研究指出，现有的投喂方式使投喂饲料的5%～10%因没有被养殖鱼类食用而直接溶解在水中，而鱼类摄入饲料后仍有25%～30%未被消化吸收而以粪便的形式排出[6-8]；二是来自于养殖过程中使用的化学药剂（如抗生素、杀藻剂、消毒剂等）的累积及其二次污染。

1.2 淡水池塘养殖尾水对环境的影响

在集约化养殖的推动下，伴随着饵料高投入，造成残饵、粪便的数量直接增加以及养殖化学用药的大量使用，使得池塘养殖水体的营养盐和有机碎屑等超过了池塘自身的净化能力，导致养殖水域生态失衡[8]，残饵、粪便等大颗粒物质阻碍了池塘养殖生物的有效呼吸；水环境中的磷、氮等化合物的含量超出限额[8]，水体富营养化，使得水体中的浮游生物及藻类加速繁殖，消耗大量氧气，直接造成养殖鱼类缺氧死亡。[8,9]养殖水体中死亡的生物、养殖体排泄物和含氮有机物的被异养细菌分解产生氨氮、亚硝酸盐和硫化物。氨氮分为离子氨和非离子氨两种，而分子态氨会对水生动物的鳃丝黏膜造成损伤，进而影响鳃对氧气的运送功能，降低甚至阻断了血液中氧气的输送[10,11]；氨氮在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下可转化为无毒的硝酸盐，但在缺氧的情况下，硝化过程受阻，导致水体中积累大量的亚硝酸盐[12]，使养殖体血液中的亚铁血红蛋白被氧化成高铁血红蛋白，导致养殖体无法获取氧气，最终会导致养殖动物的死亡。[13,14]

另外，在养殖过程中投放有机肥料、化学药剂等会使养殖水体水质发生改变，如鱼病防治时使用的含氯化合物会影响水体pH值、DO等的变化，过高或过低的pH值，都不利于养殖生物呼吸；抗生素等杀虫药剂在杀灭有害病菌的同时也杀死了大量有益微生物，进一步造成水域生态失衡，甚至可能带来药物残留的问题，通过食物链危害人类健康。[15]然而在池塘养殖过程中，改善养殖水质最常用的方法就是换水，大量的养殖尾水排放到自然环境中，加大了临近水域的富营养化程度，造成水质污染。

发展绿色养殖是我国由渔业大国向渔业强国转变的根本途径，推进水产养殖业绿色发展是推动全国养殖业高质量发展的必经之路，因此应该加强对水产养殖尾水处理的研究，寻求一种高效养殖尾水净化系统，确保水产养殖业向着可持续、绿色环保方向发展。

2 养殖尾水处理技术

基于水产养殖尾水水体中污染物质的组成与其他污水不同且排放量较大这一特点，目前对池塘养殖尾水处理技术主要有物理处理技术、化学处理技术、生物处理技术和生物膜处理技术等。

2.1 物理处理技术

物理处理技术是通过过滤、吸附、紫外照射、泡沫分离、膜分离、曝气等方式去除养殖尾水中的悬浮物从而降低化学需氧量，此技术简单易行，但其对于可溶性污染物的去除效果不明显。

泡沫分离法（Foam fractionation）即气除法（Air stripping），是通过养殖尾水中的污染物被吸附汇聚在气—液界面，形成泡沫层，将泡沫和水体分离，从而达到净化养殖尾水的目的。浓缩分离的物质可以是表面活性物质，也可以是能与表面活性物质相结合的任何溶质，如金属阳离子、蛋白质等。[17]泡沫分离法具有可以增加水体溶氧量、工艺简单、操作简便等优点，但是也有其不足之处，该方法更适用于半咸水和海水，在淡水池塘养殖尾水处理中效果不佳，因为产生泡沫的关键在于养殖水体中体表黏性物质等蛋白质与电解质浓度[18]，而淡水中缺乏电解质，致使气泡形成的概率及质量均比较差，应用效果很难保证；另外由于表面活性物质绝大多数是高分子化合物，消化量较大，难以回收等都是制约该方法广泛使用的因素。[19]

膜分离法是通过天然或人工合成的半透膜，以外界能量或化学位差为推动力在分子水平上将不同粒径分子的混合物进行选择性分离的技术。[20]根据环境选择合适的滤膜，膜分离技术有微滤、超滤等。Sareh[21]等针对炼油厂废水运用氧化铝陶瓷微滤膜对其进行处理，处理后的废水渗透液中总悬浮固体、浊度分别降低了100%、98%。膜分离技术具有高效、节能、环保、避免化学反应杜绝新的污染、简单易控制等优点[18]，但是此方法中滤膜使用时间短、成本略高。

物理处理技术可以去除掉养殖尾水中的悬浮物，降低尾水的COD、BOD。这种处理方法简单易行，效果明显，但其对尾水中的可溶性污染物去除效果有限，并且成本略高。

2.2 化学处理技术

化学处理技术是通过向养殖水体中加入化学物质，发生絮凝、氧化还原、络合作用等化学反应，从而去除养殖尾水中的一些污染物质。长期使用化学药剂会增加病原微生物的耐药性，同时化学药剂本身也是一种“污染”，用量不当会造成二次污染，所以要谨慎使用化学药剂。

凝絮技术是通过向养殖水体加入絮凝剂，絮凝剂中的铝盐、铁盐等物质可以减少胶状粒子间的排斥作用，促进离子间相互吸引，使离子发生凝聚沉降，从而达到去除杂质净化养殖水体的目的。常用的凝絮剂有以下几种：明矾、石膏、铝盐、铁盐、有机高分子凝絮剂，这类凝絮剂国外使用得较多。[22]絮凝剂要适量使用，过量絮凝剂的使用致使其残留，会对水生物有腐蚀危害。

氧化还原技术是通过向养殖水体中加入某些物质，经过一系列氧化还原反应，从而降低去除养殖水体中的污染物。臭氧是常用的氧化剂，可将养殖水体中的有机物、氨氮、亚硝酸盐等有效地去除，并且氧化产物有无毒无害的氧气，所以可以增加养殖水体溶氧量，降低生化需氧量和化学需氧量[23]，同时臭氧可将细菌的细胞壁（膜）分解破坏，随后进入其细胞内部，进而影响细菌内酶的活性，最终导致病原菌死亡。但是，水生生物对臭氧极为敏感，容易产生毒性反应，主要原理是由臭氧所产生的新生态氧会使水生生物中的酶系统失活。[24]残留的臭氧即使浓度很低，仍然对于许多淡水生物和海洋生物有杀伤力。因为该方法稳定性差、成本较高、管理操作复杂，所以在尾水处理中受到一定限制。

化学处理技术虽然具有见效快、效果明显等优点，但是其同样有成本高的缺点，同时化学药剂的使用容易产生二次污染。

2.3 生物处理技术

生物技术是借助微生物、水生动物和水生植物的吸收、转化、代谢、生物降解等生物特性[25]，达到去除养殖水体中有机污染物和无机营养盐的目的，主要去除的是养殖水体中的溶解态污染物。此技术具有处理效果好、生态环保、经济适用，不用担心会对环境产生二次污染等优点，因此生物处理技术具有广泛的应用前景。

为了适应市场的需要，应跟踪国内外先进标准，积极采用国际标准和国外先进标准，加快我国国家标准、行业标准、地方标准向国际标准转化的步伐，鼓励企业制订高于国家标准、行业标准的企业标准。同时，瞄准国际先进水平，大力开展高新钻井液技术标准化工作，努力改变我国在钻井液技术领域受制于人的被动局面。加强与国外标准化组织机构的联系与合作，组织人员研究参与国际标准化组织的方式，积极寻找参加国际标准化活动，加入国际标准化组织的时机和形式，尽快建立可靠、有影响力的交流渠道，加快钻井液标准化工作走向国际化进程。

微生物不仅可降解吸收养殖水体中的有机物、氨氮、亚硝态氮等，同时还可以抑制致病菌生长，从而达到净化养殖水体的目的。常用的微生物制剂有光合细菌、枯草芽孢杆菌及复合微生物制剂EM菌。其中光合细菌是一种只要有水和光不论有无氧气均可生存的自养型细菌。在养殖水体中投入光合细菌之后，会大量增加有益菌，最终形成优势种群，这样就可以有效抑制病原菌的繁殖。[26]光合细菌能除去水体中的小分子有机物，降低水中氨氮、硫化氢等的含量，降低COD，稳定及增加水中溶氧量，促进水体的物质循环利用。

水生植物主要是通过其根、茎、叶的吸附等作用来去除养殖水体中的污染物，以减少或消除水产养殖对环境的污染，达到净化水体的目的。吴振斌等[27]为了修复富营养化水体种植了苦草等沉水植物，结果表明沉水植物对亚硝态氮、磷等有明显的去除作用。Damon E[28]研究发现在罗非鱼-莴苣复合养殖生态系统运行28d后，养殖水体中的硝态氮和磷的含量都有明显的下降。彭剑峰等[29]研究发现稳定塘-湿地组合生态处理系统中浮萍塘对氨态氮去除速率为0.28～2.17 mg·L-1·d-1。目前，借助水生植物的吸附作用，将水生植物种植在载体上的生物浮床被广泛应用，其可以达到改善水质的效果。

水生动物主要是借助以颗粒悬浮物和浮游生物为营养来源的甲壳类和滤食性鱼类来达到净化养殖水体水质的目的，因其滤食活动可有效减少养殖尾水中的悬浮颗粒物和藻类的数量。常见的滤食性动物有牡蛎、扇贝、鲢鱼、鳙鱼等。Aldridge等[30]研究显示在对虾养殖水体中的悬浮颗粒物的去除效果中，低浓度贻贝好于高浓度贻贝，并且高浓度贻贝会影响对虾的存活率。田相利等[31]研究结果显示在对虾、罗非鱼和缢蛏封闭式综合养殖中，混养组的养殖水体COD、细菌数量、有机质含量等均优于单养组，并且底泥中氮、磷含量也有所降低。因此，应该合理地配养滤食性水生动物，以避免影响到水体溶氧功能的恢复。

生物技术利用水生植物、滤食性鱼类处理养殖水体，不仅净化了水质，而且经济类水生作物和滤食性鱼类也可产生一定的经济效应，具有双赢的效果。但是该技术对养殖管理要求较高，而且需要根据不同的养殖对象，能够恰当地选择搭配不同的水生生物和滤食性鱼类才能起到促进的效果，不能满足集约化养殖的需求。

2.4 生物膜处理技术

生物膜技术（Biofilm method）主要是利用微生物易附着于滤料表面进行繁殖，借助其生命活动及各种代谢作用来消耗、去除养殖尾水中的有机物质、氨态氮、亚硝态氮、COD等来达到净化水体的目的。

英国是最早应用生物膜技术的国家，1893年，污水通过粗滤料时发现滤料对污水具有较好的净化效果，但是由于微生物附着的基质（滤料）发展缓慢，最开始的生物滤池也存在较多问题，限制了生物滤池的应用和推广。1960年，随着有机材料合成技术的发展，相应的生物膜介质材料也有了很大进展，因此生物膜技术得到了极大的提高，发展集成了生物滤池、结构的生物膜反应器等，[32]并且在水产养殖尾水处理中得到了广泛应用。

生物膜构建过程分成六个阶段，分别是适应期、对数增长期、线型增长期、减速增长期、稳定期和脱落期。[33]流动的水及曝气冲力会促使老化的生物膜被冲刷掉，促进新的生物膜的生长，及时更新换代。[34]生物膜由好氧层和厌氧层构成，好氧层近水体，厌氧层近滤料，分工合作共同完成水体净化的目的。[35]其工作原理为首先由生物膜吸附养殖水体中的有机物及溶解态无机物，由好氧层的好氧菌将其分解，接着进入厌氧层进行厌氧分解。生物膜法对水体净化效果的好坏取决于载体（滤料）上生物膜的附着情况及微生物的生物群落活动，所以载体的选择是生物膜处理效果好坏的关键所在。选择表面积大、孔隙率高、表面粗糙、密度适中的滤料有助于微生物附着及使用率。

大量研究证明生物膜技术在水处理中对常见水质指标如COD、氨态氮、亚硝态氮等具有显著改善效果。张寒冰等[36]应用生物膜技术模拟处理养殖废水，结果显示，在曝气条件下，对COD、氨态氮、亚硝态氮的去除效率可分别达到79%、99%、99%，而在不曝气条件下相应去除率分别为78%、35%、76%。李亚峰等[37]通过对生物滤池自然挂膜过程研究发现生物膜在第20d即可成熟，此时对氨氮和COD去除率可分别达到90%和80%。

生物膜处理技术具有环保、生态、可持续的优点，但其处理效果受温度、pH、水体流速等的影响较大，且处理效率不高，很难满足集约化及连片池塘的养殖尾水处理需求。

3 多级组合处理系统

多级处理系统即将整个系统划分为不同处理单元，有针对性的对不同的污染物进行逐级去除以达到良好的整体净化效果。

随着环保压力的增加和环保意识的加强，推动了全国范围内水产养殖尾水多级组合处理系统的发展与应用。其中“三池两坝”多级组合处理系统得到了广泛推广应用，所谓“三池两坝”即沉淀池、过滤坝一、曝气池、过滤坝二和生物净化池。沉淀池可将养殖尾水中的大颗粒悬浮物沉淀；过滤坝中放置粒径不同的滤料可将养殖尾水中的污染物过滤吸附；曝气池中安装曝气装置可增加养殖尾水的溶解氧含量；生物净化池中通过种植各种水生植物以吸收养殖尾水中的氮磷等营养盐，此外还可投放滤食性鱼类及贝类等滤食性水产品种摄食养殖尾水中的浮游生物。通过各个处理单元协同净化完成对养殖尾水的有效处理。张旭彬[38]针对黑龙江地区的连片池塘尾水处理总结了“四池两坝”型处理系统（沉淀池—过滤坝—曝气池—过滤坝—生物处理池—生态净化池）。张维清等[39]针对太湖地区小流域提出了“三级净化系统处理系统”（沉淀池—过滤坝—曝气池—水生蔬菜种植基地）。上述水产养殖尾水多级组合处理系统均获得了不同程度的效果。

广西壮族自治区水产科学研究院特色淡水鱼综合试验基地通过优化构建淡水池塘养殖尾水处理系统，以构建的“五池两坝”（沉淀池一+过滤坝一+沉淀池二+曝气池+过滤坝二+微生物处理池+水生植物净化池）多级组合处理系统对淡水池塘养殖尾水进行净化处理，该系统为国内首创，目前已进入示范推广阶段，连片池塘与尾水处理池的比例为200∶1，处理效果良好，为国内处理淡水池塘养殖尾水技术提供了一条新途径。

4 结束语

池塘养殖尾水技术不断创新，其关键的变化在于朝生态化和有机化的方向发展，党的十八大以来，国务院提出了“全面加强生态环境保护，坚决打好污染防治攻坚战的意见”，明确了生态文明建设的重要举措，在世界水产养殖业蓬勃发展的今天，养殖尾水治理模式推广行动势在必行，发展连片池塘养殖尾水处理多级组合系统，结合池塘养殖尾水的特点，应用了物理、生物净化的技术和方法，具有高效节能的特点，达标排放，可作为新型生态农业推广新模式。在生态文明建设驱动下，养殖尾水的科学治理，将会为中国水产养殖业，乃至世界水产养殖走向可持续增长的道路做出重大贡献。