中国淡水池塘养殖减排工程设施分析

陆诗敏，鲍旭腾，田昌凤，黄一心，徐 皓，刘兴国

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 20092)

随着社会发展，传统池塘养殖系统的弊端愈来愈明显。池塘养殖过程中水产动物对饲料蛋白质的利用率平均仅约为30%[1]，大部分有机氮素滞留在了池塘养殖环境中，经过氨化作用变为氨氮，水产养殖过程产生的溶解性氮素量已不容忽视。近年来，池塘养殖水质恶化、养殖对象疾病频发[2-4]。未经处理的池塘养殖尾水会导致周围自然水体富营养化，自然生态环境遭到破坏[5]。对传统池塘养殖模式改造升级、减少池塘养殖排放，实现池塘养殖粪便、残饲、尾水资源化再利用，迫在眉睫。

针对上述问题，目前国内出现了多种新型池塘养殖系统，包括基于人工湿地的池塘循环水养殖系统[6]、“三池两坝”池塘养殖水体净化系统、“集装箱+生态池塘”养殖系统[7]、绿色高效圈养系统[8]、植物浮床-池塘复合养殖系统、流水槽-池塘内循环养殖系统[9]、多营养层次综合养殖系统。相比传统养殖池塘，这些养殖系统在养殖对象管理、水质净化方面取得了一定进步。研究表明，人工湿地对养殖废水中总悬浮物、生化需氧量、氨氮、亚硝酸盐氮净化效率分别为84.0%、70.4%、39.6%和59.1%[10]。“三池两坝”对池塘养殖水体悬浮物、总氮、总磷和氨氮的去除率分别为48.1%～60.7%、52.5%～59.2%、64.2%～71.5%和72.1%～80.5%[11]。“集装箱+生态池塘”较传统池塘养殖可节水95%～98%，连续3年(2018—2020年)入选农业农村部十大引领性技术[7]。植物浮床-池塘复合养殖系统可以显著提高试验池塘养殖鱼类存活率，利润是对照池塘的1.74倍[12]。流水槽-池塘内循环养殖系统养殖宝石鲈，每立方米水体产量超100 kg，是传统池塘养殖量的4～5倍[13]。绿色圈养系统排污效率90%以上，养殖容量达50～100 kg/m3，饲料系数下降约20%[14]。虾蟹贝鱼多营养层次综合养殖系统中沉积(19.6%)和排水(25.0%)的氮支出明显降低，较传统对虾单养模式营养物质利用效率显著提升，经济和生态效益显著[15]。以上新型池塘养殖系统，均不同程度集成了不同的减排技术，对池塘养殖水质进行调控变得更为可行，部分池塘养殖的粪便、残饲和尾水得到资源化再利用。

本文重点分析了上述7种典型淡水池塘养殖系统减排工程设施构建特征，总结了这些系统中工程设施存在的问题，以期为未来中国池塘养殖系统改造、升级提供参考。

1 淡水池塘养殖减排系统

1.1 基于人工湿地的池塘循环水养殖系统

早在几十年前，国外就开始用人工潜流湿地处理陆基鲑鱼养殖废水中的有机小颗粒和溶解性营养盐，取得了较好的水处理效果[16]。近些年，国内开始用人工潜流湿地净化淡水池塘养殖用水[6,17]。净水湿地一般会复合生态沟渠、沉淀塘、过水堰、富氧塘(图1)，称之为“基于人工湿地的池塘循环水养殖系统”，也称为“复合人工湿地-池塘养殖系统”。

图1 基于湿地的池塘循环水净化设施示意图Fig.1 Schematic diagram of wetland-based pond circulating water purification facilities

其中，人工潜流湿地为核心水处理设施。在该系统中，池塘养殖水体经一级水泵动力提升，进入生态沟渠和沉淀塘，利用重力作用，对大型固体悬浮颗粒进行初级沉淀处理。然后，经过水堰进入人工潜流湿地，在湿地微生物分解作用和植物吸收作用下，将养殖水体中大部分营养盐去除。最后，进入富氧塘，水体溶氧得到恢复后，再回到养殖池塘循环利用。水处理设施面积和池塘养殖面积比一般在1∶10左右，潜流湿地由不同大小粒径的石子组成，湿地表面栽种芦苇、美人蕉、再力花等水生植物[18]。该水处理技术在上海等地进行了试验和推广。

这种复合池塘养殖系统，可以应对池塘大体量养殖水质净化要求，在潜流湿地刚刚建设好的几年，往往可以取得较好的水质净化效果。湿地、养殖池塘、沉淀塘水体几乎处于同一水平面，水循环动力能耗较少。系统缺点是必须拿出部分池塘养殖水面构建人工湿地，前期设施建设投资较大，且运行时间久了，湿地会堵塞，难清理修复。

1.2 “三池两坝”池塘养殖水体净化系统

“三池两坝”池塘养殖水体净化系统，由1个沉淀池、2个过滤坝、1个曝气池和1个生态池组合而成(图2)，简称“三池两坝”[11]。池塘养殖水体经沟渠，首先进入沉淀池，去除大颗粒固体污染物。然后经1级过滤坝，进入曝气池，利用耗氧微生物，将溶解性有机氮磷转化为无机氮磷。再经过滤坝2，进入生态池，利用滤食性动物、水生植物将水体中溶解性营养盐去除。最后，养殖水体达标后，循环再利用或直接排放掉。

图2 “三池两坝”池塘养殖尾水处理示意图Fig.2 Schematic diagram of aquaculture tail-water treatment in "three ponds and two dams" system

“三池两坝”将物理沉淀、填料过滤、曝气氧化、生物同化等技术集成一体。对养殖池塘形状和养殖对象品种没有特殊要求，适用于处理不同养殖品种的内陆池塘养殖尾水，在长江以南，一年四季均可使用，但夏季处理效果最好。该水处理技术，主要在浙江部分区域得到试验和推广。类似上述基于潜流湿地的池塘复合养殖系统，系统缺点是必须拿出部分水面构建“三池两坝”，前期建设过滤坝、安装生物毛刷、曝气装置等所需投资较大。

1.3 “集装箱+生态池塘”养殖系统

“集装箱+生态池塘”养殖系统运行模式：“分区养殖，异位处理”，在岸基上搭建集装箱养鱼，用大面积池塘对集装箱养殖尾水进行净化[19]。用水泵将池塘表层富氧水体不断抽至集装箱内，利用风机辅助增氧。集装箱内设斜面集污槽，收集养殖固体废弃物。养殖尾水排出，经固液分离装置过滤分离后，流入多级生态池塘，实现养殖尾水净化处理(图3)[7,20]。

图3 “集装箱+生态池塘”养殖系统示意图Fig.3 Schematic diagram of "container+ecological pond" aquaculture system

相比上述两种技术，该技术增加了集污和固液分离装置，使养殖对象和固体养殖废弃物分离成为可能。除此之外，该养殖系统还具有以下优点：(1)将鱼类聚集在一起实施高密度养殖，利于实时监测养殖对象摄食和健康状况，方便及时调整投食、增氧和用药。(2)实时固液分离，减少鱼类与养殖固体废弃物直接接触机会，减小病害发生概率。(3)利用大面积池塘进行养殖水质处理，可以充分利用光合作用增氧，节约曝气增氧能耗。缺点是：因为集装箱放在池塘岸边，池塘和集装箱水位存在较大水位落差，并且为了保持清新水质，需要大水量循环，提水动力能耗较高。该系统虽然不需要太大的土建工程，但集装箱价格较高，前期投资大。

该模式在罗非鱼、乌鳢、加州鲈鱼和草鱼等10多个养殖品种试养成功，在广东等多个省份及埃及等“一带一路”国家示范应用。到2020年，该技术模式已在全国24个省(区、市)推广应用，养殖箱体超过3 000个[7]。

1.4 绿色高效圈养系统

绿色高效圈养系统主要包括圈养箱、增氧系统、集排污设施、循环水设施和人工湿地废水处理设施5个部分(图4)。圈养箱为圆柱体，一般情况，内径4.0 m，高3.1 m，平均水深1.8 m，养殖容积约25 m3，每个圈养箱可达到1 t的产量，圈养箱面积不超过池塘总面积的25%[14,21]。

图4 绿色高效圈养系统示意图Fig.4 Schematic diagram of green and efficient captive breeding system

绿色高效圈养系统和“集装箱+生态池塘”理念有相似之处，将养殖对象集中在一起，实现高密度集约化养殖，且配备了集污排污装置。圈养系统不同于“集装箱+生态池塘”养殖系统，是将养殖池(即圈养箱)放在了池塘内部，每个圈养箱的箱壁成孔状，具有透水性，圈养箱内外水体交换时，不需要显著水位落差，在牺牲很少能耗的情况下，就可以让圈养箱内外水质保持一致。圈养系统复合了集污、排污装置，可以将部分养殖污染物排放到养殖系统外，减少养殖水质污染[8,21]。圈养箱外的池塘水质净化区面积较大，净化区水体循环、快速均一化仍是未来需要克服的一个难题。绿色高效圈养系统是一种新颖的养殖系统，构建该系统，需要在传统土塘基础上新建圈养箱、沉淀池、硝化池等设施，前期硬件投资较大。

1.5 植物浮床-池塘复合养殖系统

研究表明，利用水生植物构建生物浮岛[22]、生物浮床[23-28]等净化废水，能够显著降低废水中的总氮、硝酸盐氮、氨氮、总有机碳等。植物浮床在净化养殖池塘水体过程中亦显示出强大的生命力。水生植物不仅能直接从水体中吸收营养物质，去除养殖水体过剩氮、磷，其发达的根系还能为水中微生物的生长提供附着基质，有效分解截留在植物根系上的有机物质。

一般架设在养殖池塘中的浮床整体结构类似于养殖网箱，包括上下两层网片，下层网片较密，以防止鱼进入空心菜区域偷食空心菜茎叶，上层使用稀疏网片，用来支撑和固定空心菜(图5)。为了防止自由移动，整个生物浮床被固定在插入底泥的竹竿上。为了提高经济效益，池塘浮床一般种植具有经济价值的蔬菜，比如空心菜、水芹、生菜等[29-30]。

图5 植物浮床-池塘养殖系统示意图Fig.5 Schematic diagram of plant floating-bed pond aquaculture system

植物浮床会遮蔽阳光，减少养殖水体浮游植物光合作用。其次，浮床发达根系上面会附着生长大量自养型硝化菌和异养菌[31]，这些微生物呼吸作用会消耗掉养殖水体中大量溶氧。研究表明，植物根系本身呼吸作用耗氧仅占13.75%，氨氮硝化耗氧和好氧微生物降解有机污染物耗氧分别占比76.31%和9.94%[32]，过大比例面积的植物浮床会导致池塘水体缺氧[32]。综合考虑养殖对象生长情况、经济效益、水质状况等，养殖池塘中架设5.0%～7.5%面积的浮床，养殖效果较佳[32-33]。

植物浮床原位净化池塘养殖水质，不占用原有池塘养殖面积，不用对原有池塘结构进行改造，并且浮床上的植物具有一定的经济价值，这是植物浮床净水设施的优势。但该复合系统无法实现集污、排污，只能利用植物根系上的微生物分解溶解性有机物物质和固体小颗粒污染物，净水能力有限。仅仅依靠植物浮床净水，无法实现集约化、高密度养殖。

1.6 流水槽-池塘内循环养殖系统

流水槽-池塘内循环养殖系统由流水槽、集污区、增氧设施、导流装置、湿地等组成，又称“跑道式”水产养殖系统，最初由美国奥本大学提出，并于2013年由美国大豆出口协会引进至中国[34]。目前，商业化的流水槽的大小一般为5 m×25 m(包括集污区5 m × 1.7 m)(图6)[9,35]。流水槽位于池塘一侧中间位置，吃食性鱼类饲养在流水槽内，流水槽上游安装有增氧推水设备，由旋涡风机提供动力，通过纳米曝气管释放出的大批量的小气泡经导流板形成定向推力，推动水流前进。增氧推水设备被称为是池塘循环流水养殖系统的“心脏”[9]。流水槽面积占池塘面积2%～5%为宜[35]，淡水池塘总面积不低于1.33 hm2(20亩)，池塘深度1.8～3.0 m。在集污区上游安装不锈钢拦鱼网片，网孔大小根据养殖对象规格确定。

图6 流水槽-池塘内循环养殖系统示意图Fig.6 Schematic diagram of flow tank-pond circulating aquaculture system

在流水槽-池塘内循环养殖系统中还要考虑安装导流设施，引导水流绕着整个池塘做循环流动，促进流水槽养殖区与池塘净化区全部水体交流。导流设施可以用泥土堆成，也可以为砖砌水泥墙，还可以用塑料编织布、高密度聚乙烯塑料膜等材料[36]。池塘净化区饲养鲢、鳙鱼类，同时搭配田螺、河蚌、青虾、河蟹、水草等。

系统优点：(1)流水槽内部养殖鲤鱼、草鱼等，养殖密度可达50 kg/m3以上；(2)流水槽养殖水体和生态净化池塘内水体基本处于同一水平面，用风机曝气推水、增氧，养殖区和净化区水流交换能耗相对较低。系统缺点：因为流水槽呈长条形结构，槽内养殖水体无法有效形成旋涡，不利于有效收集养殖动物粪便、残饲，是该系统未来需要克服的一大缺陷；其次，该系统前期需要进行大量的土建工程，存在建设成本高、与当前国土规划不一致等问题。

1.7 多营养层次综合养殖系统

多营养层次综合养殖(Integrated multi-tropic aquaculture，IMTA)，可以有效促进水产养殖系统内部物质转化和循环利用，是一种高效、健康、可持续发展的养殖模式，一直以来都是国内外大力倡导并积极推行的健康水产养殖理念[15]，在国内又被称为“多营养级水产养殖”。多营养层次综合养殖系统主要是依据不同养殖生物间共生互补原理，将虾(蟹)、贝、鱼、藻等不同营养层级、养殖生态位互补的生物进行整合，充分利用池塘物质循环系统，有效维持生态平衡，从而实现持续、健康、高效养殖。如现在发展起来的河蟹综合养殖池塘(图7)，通常包含鲢、鳙、蟹、螺、水草等，蟹和螺虽然都生长在池塘底部，二者在空间上存在竞争关系，但二者处于不同营养层级，螺会利用蟹残留的食物碎屑和藻类，而蟹会将螺作为食物，二者生态位互补[37]。多营养层次综合养殖不同于传统多品种池塘混养技术，后者更倾向于综合利用池塘空间，按照养殖动物不同生活习性，在同一池塘内搭配不同空间生活鱼类，如传统青草鲢鳙混养池塘养殖，鲢鳙为上层鱼类，草鱼为中层鱼类，青鱼为底层鱼类，通过不同空间品种搭配达到充分利用养殖水体空间提高养殖产量的目的[15]。

图7 多营养层级淡水池塘养殖系统示意图Fig.7 Schematic diagram of multi-trophic-level freshwater pond aquaculture system

多营养层次综合养殖系统可认为是一种原位的水质修复技术，其通过提高饲料利用率，来达到减少养殖废弃物的目的。该系统工程建设要求较少，通常需要采取的工程措施主要包括栽种水草和悬挂养殖河蚌。多营养层次综合养殖技术最大优势在于将部分养殖废弃物变为经济产出，近年来，备受推崇。在该系统中，不同营养层次物种始终处于动态平衡过程中，对养殖系统采取的任何调控措施，需要考虑到每种营养层次，一旦有其中一个营养层次出现问题，整个系统将面临崩溃。该技术在水面较小、养殖周期短的池塘养殖系统中实现困难。其次，该系统不具有排污集污设施，不适合集约化、高密度水产养殖。

2 池塘养殖减排工程存在问题

2.1 池塘养殖减排工程集污、排污技术需进一步完善

近些年来，中国在淡水池塘养殖污染物减排工程设施研究方面取得一定进展。“集装箱+生态池塘”养殖系统、绿色高效圈养系统、流水槽-池塘内循环养殖系统安装了集污、排污装置(表1)，将部分粪便和残饲移出养殖池成为可能，但在规模化养殖过程中，仍存在这些养殖废弃物收集、排出率不高的问题。影响集污、排污的重要因素：池型构造、水流动力、不同养殖阶段粪便特征等，目前尚未见报道对其进行系统描述，已有研究不能为这些系统集污、排污功能有效实现提供必要理论支撑。基于人工湿地的池塘循环水养殖系统、“三池两坝”池塘尾水处理系统，利用沉淀池、湿地等可对养殖水体中的固体有机颗粒进行去除，在一定程度上对养殖池塘排出的水进行了净化(表1)，但养殖对象产生的代谢废物大多沉淀到池塘底部，其不断向养殖水体中释放污染物，极大限制了池塘养殖容量。对于植物浮床-池塘复合养殖系统和多营养层次综合养殖系统，同样缺乏集污、排污装置。虽然，这3种系统能够将部分溶解性营养盐和有机颗粒资源化再利用，但对固体粪便及残饲的利用非常有限。

表1 淡水池塘养殖废弃物减排工程特征Tab.1 Characteristics of freshwater pond aquaculture waste emission reduction projects

2.2 粪便、残饲和养殖尾水资源化再利用率不高

“集装箱+生态池塘”养殖系统、绿色高效圈养系统、流水槽-池塘内循环养殖系统具有了集污、排污装置(表1)，能够收集出部分动物粪便和残饲，但这些养殖废弃物含水量非常高，不适合远距离运输，只能就近消化。其次，水产养殖动物粪便和残饲元素不平衡，其富含氮、磷元素，但钾、铁、钙等植物所需元素相对匮乏，不适合直接用作水稻、玉米等农作物肥料。目前还缺乏对这些废弃物资源化再利用加工工艺，更不具备水产养殖废弃物加工、运输和利用产业链。水产养殖粪便、残饲不具备经济价值，养殖者缺乏经济动力去处理这些池塘养殖废弃物。

基于人工湿地的池塘循环水养殖系统、“三池两坝”养殖系统等，在池塘养殖过程中，虽然能将养殖用水处理循环再利用。但秋、冬季节拉网捕获养殖对象时，需要集中排水。此时，也是大部分农作物的收获时间，基本不再需要用水。并且，由于气温较低，人工湿地与“三池两坝”尾水处理系统对溶解性的氮、磷去除效果较差，富含氮、磷的养殖尾水只能外排到周围水域环境，不能被资源化再利用。

3 展望与建议

3.1 加强池塘养殖减排工程基础性研究

水产养殖水体污染本质是碳、氮、磷等元素过剩。中国池塘养殖产业虽然拥有2 000多年的悠久历史，但目前，针对池塘氮、磷循环，及相关微生物方面的基础研究，缺乏系统性，现在还没形成一套相比较成熟的理论，可为池塘养殖减排工程精准设计提供依据。比如，在一定具体条件下，池塘养殖水体硝化速率、有机物质的降解速率、沉积物反硝化速率等，目前这些具体参数尚不能确定。在未来，池塘养殖减排工程应当遵守物质循环规律，考虑气候变化、养殖对象生活习性、地域条件差异等，针对养殖过程主要问题，进行工程设计。其次，池塘养殖产业应尽可能借用时代发展带来的尖端科技，改变靠天吃饭、看水养鱼的传统养殖模式，对池塘投饵进行精细化、智能化管理[38]，利用先进的检测仪器设备替代依靠人工主观判断进行养殖生产活动的局面。尽可能提高饲料利用率，降低饲料系数，从源头上减少养殖污染物的生成。

3.2 强化池塘养殖减排工程技术研究

“集装箱+生态池塘”养殖系统、绿色高效圈养系统、流水槽-池塘养殖内循环养殖系统，一改传统的池塘养殖习惯，将养殖对象集中管理，养殖对象摄食、生长、健康状况在一定程度上变得可见，这是池塘养殖产业上的一大进步，在某种程度上，意味着传统池塘养殖正在向工业化池塘养殖模式迈进。在养殖水质良好条件下，“集装箱+生态池塘”养殖系统、绿色高效圈养系统等单位水体养殖密度由传统池塘1 kg/m3上升到50～100 kg/m3[13,21]，甚至更高。可想而知，养殖过程产生的代谢废物也会升高上百倍。已有资料表明，去除部分粪便和残饲后，用传统“滤食性动物+水生植物净水”模式净化这些高密度养殖池的养殖尾水，仍会占用10倍以上的净水面积(表1)。现在，上述3种养殖池面积减小了，但池塘养殖设施总面积和传统池塘面积相比，并未减少很多。在未来，应积极探索开发处理池塘养殖尾水的高效生物反应器，借鉴工厂化循环水养殖模式，利用高效微生物反应器取代现有普遍用水生植物净化养殖水体的现状，减少净水池塘面积，尽可能做到节地、节水。其次，应积极探索新的养殖尾水处理技术，比如改变传统异养反硝化模式，创建适合处理池塘养殖水体的厌氧氨氧化生物反应器，在无额外有机碳源的条件下，实现反硝化，将溶解性氮素变为氮气[39-40]，尽可能降低养殖尾水处理成本。

3.3 建立池塘养殖减排工程产业链

对于池塘养殖业，安装集污、排污设施，及时收集、去除养殖环境中的粪便、残饲，提高单位养殖水体产出，是池塘养殖产业未来发展趋势。所以，对于池塘养殖固体废弃物的资源化再利用是未来重点要考虑的问题。建议池塘养殖研究者积极向畜牧业学习，研发养殖固体废弃物脱水、发酵、平衡矿物质元素等加工工艺，以这些养殖固体废弃物为原料，生产农用有机肥料，使这些池塘养殖固体废弃物具有市场价值，让养殖从业人员具有安装池塘集污排污设施的动力。其次，池塘养殖业应密切结合种植业，对池塘养殖区域进行合理布局，方便水产养殖固体废弃物在本地进行资源化再利用，降低养殖废弃物加工运输成本。努力做到收集、排放和资源化再利用池塘养殖废弃物在经济上可行。再次，国家应进一步推动池塘养殖设施标准化、规模化，降低收集、排放、水处理设施生产、安装成本，提升池塘养殖设施配件通用性。

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