水产养殖废水生物处理技术研究

於玲蔚

（广东中大新华水环境工程研究院 广东东莞 523000）

引言

根据农业农村部2022 年7 月发布的数据显示，2021 年我国水产养殖产量5394.41 万吨，同比增长3.26%。全国水产养殖面积7009.38 千公顷，同比下降了0.38%。虽然养殖面积有所减少，但由此产生的养殖废水排放量依然居高不下。根据第二次全国污染源普查公报公布的数据显示，2017 年水产养殖污染排放量总量为：化学需氧量66.6 万吨；氨氮排放量2.3 万吨、总氮9.91 万吨，总磷1.61 万吨。数据显示，水产养殖业污染排放总量占农业源水污染排放总量的6.35%左右，占全国水污染排放量的0.03%。随着水产养殖集约化模式的转型，养殖规模虽然有所下降，但产量呈现一定幅度的增长。在“双碳”发展的目标背景下，包括水产养殖业在内的各个行业，均面临着绿色低碳转型发展之路，要积极发展绿色养殖，重视养殖水域生态环境保护，以积极服务国家“双碳”战略目标的实现[1]。

1 水产养殖废水污染物

总体来看，水产养殖废水污染物成分较为复杂，大体可分为有机污染物和无机污染物两大类。与工业废水相比，水产养殖废水具有排放量大、污染物种类少、含量低等特点。

1.1 成分

水产养殖废水污染物种类包括无机污染物和有机污染物。其中，无机污染物主要指养殖废水中的氮、磷元素，包括氨氮、硝态氮、亚硝态氮、无机磷、有机磷等；有机污染物主要指好氧有机物，包括化学需氧量等（见表1）。其中，氮、磷等营养元素分别占总量的75%、98%以上，经水产品新陈代谢消耗掉9%、17%左右，大部分营养元素以硝态氮、亚硝态氮形式沉淀。目前，我国的水产养殖主要有淡水养殖、池塘养殖、前海养殖，以及海洋滩涂养殖等[2～4]。其中，淡水养殖所产生的污染物为磷、氮、鱼药等；前海养殖所产生的污染物主要为活性磷酸盐、无机氮；池塘养殖产生的水产养殖污染物包括氮、磷及有机质；以贝类养殖为主的海洋滩涂养殖，产生的废水主要有有机物、污染物、以及硫化氢等。总体来看，水产养殖废水中的污染物主要为氮、磷及其衍生物、有机污染物。

表1 水产养殖废水污染物组分情况

1.2 特点

与工业废水以及一般生活污水相比，水产养殖废水具有污染物种类少、含量变化小，以及水量大等显著特点（见表2）。水产养殖有机污染物浓度较低，BOD 一般＜80mg/L；TN浓度在15mg/L-1左右；CODMn浓度在130mg/L-1左右。以有机污染物为例，水产养殖业废水主要存在于悬浮固体、沉淀固体，以及细小且溶解的固体。其中，悬浮固体和细小且溶解固体主要指悬浮于水中的有机污染物，沉淀固体主要指堆积于底部的有机污染物。因此，水产养殖废水易生化降解，水质稳定。此外，水产养殖废水处理主要是满足回用要求，因此，应选择更为安全高效处理模式[3～6]。

表2 水产养殖典型种类养殖期间排放废水水质 mg/L

1.3 来源

一方面，为了提高水产养殖产量和养殖效率，在水产养殖过程中，养殖户会投加大量药物，这些药物在水体中长期存在，难以通过其自身消解而去除，会导致周边水体污染。另一方面，养殖户还会投喂各种饲料，过量饲料的投加，在水产养殖过程若未能及时被消化，也会在水体中形成污染物，加剧水体污染，影响水环境透明度，降低水体溶解氧浓度，直接影响pH 值，影响水生物的正常生长，打破水生态环境平衡。可见，水产养殖废水的污染来源主要为药物及饲料的过量使用[7]。

1.4 危害

水产养殖废水的危害是多方面的，归纳起来，主要是危害水产品及破坏水环境。具体来说，一是危害水产品。投加饵料、药物，其中部分毒素在水生生物体内聚集，经食物链传播，最终会危害到人体健康。有研究表明，过量使用药物及饲料，水产品体内的镉、汞、铅等重金属污染物超标，存在重金属污染的风险。二是危害生态环境。随着水产养殖业集约化、规模化发展，为了增加单位产量，不断增加水产品养殖密度，大量水生动物在新陈代谢过程中会排放出粪尿，加剧水体中氨氮、生化需氧量含量。随着水产养殖时间的增加，氮、磷等污染物在水体中的浓度不断增加，若未对其进行适当的处理，这些氮、磷污染物会降低水生态环境溶解氧，导致细菌、微生物滋生，最终致使水体富营养化，污染周边生态环境。

2 水产养殖废水生物处理技术应用

随着水产养殖业的飞速发展，以及由此产生的生态环境污染问题日益受到关注，物理、化学及生物处理技术纷纷应用于水产养殖废水治理，有效缓解了生态环境污染问题。生物法处理水产养殖废水，主要利用微生物及藻类、水生植物等自养性植物改良水质，解决残余饵料及水生动物代谢产物，从而达到去污效果。与物理、化学工艺技术处理水产养殖废水易造成二次污染、能耗大、处理成本高相比，生物处理技术在处理水产养殖废水中，具有成本低、工艺技术适应广、不会产生二次污染、可再生性和生态性强等特点，在实际中得到了广泛应用。

2.1 活性污泥法

（1）原理

活性污泥法处理水产养殖废水，其原理是利用水产养殖废水中悬浮活性污泥，在有利于微生物生长且能大面积接触污水的条件下，通过污泥中的真菌、细菌、原生动物等微生物，以及金属氢氧化物污泥状褐色絮凝物，将污水中的有机物进行吸附、氧化分解，从而实现水质净化达标效果（见图1）。

图1 工厂化高密度养殖废水活性污泥处理工艺技术

（2）类别

在水产养殖废水处理过程中，利用活性污泥法处理养殖废水，将废水中的有机物作为培养基，在充氧条件下，连续培养各种微生物群体。其工艺类别又可分为悬链式活性污泥法、周期循环式活性污泥法、间歇活性污泥法等[8]。

（3）特点

活性污泥法处理水产养殖废水，其工艺原理、方法及技术均非常成熟，对于养殖废水中氮磷的去除效果较好。但该工艺技术处理具有占地大，易产生污泥，造成环境二次污染，运行费用高等缺点，且活性污泥法处理水产养殖废水，主要适用于盐度较低的情况，不适用于海水养殖废水等高盐度情况。

2.2 人工湿地法

（1）原理

人工湿地法处理水产养殖废水，主要通过设计利用植被、土壤以及微生物群落处理水产养殖废水。

（2）类别

人工湿地主要包括水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地、混合（或复合）人工湿地。

（3）特点

处理水产养殖废水，不同类型的人工湿地工艺技术在其处理过程中获得的效果也存在较大差异。例如，水平潜流人工湿地处理水产养殖废水，其反硝化效果较好，但对水产养殖废水中氨的去 除效果有限。垂直流人工湿地处理水产养殖废水，通常与氧结合，尤其在除氨氮及有机物方面效果良好，但垂直流人工湿地反硝效果有限[9]。混合或复合人工湿地，主要通过营造不同氧化还原环境，进一步推动硝化、反硝化作用，提升处理效果。

2.3 生物膜法

（1）原理

生物膜工艺处理水产养殖废水，主要通过富含营养物质并接种微生物菌群的养殖废水在填料表面流动，流动一段时间后，微生物附着于填料表面生长，形成生物膜。利用生物膜净化处理水产养殖废水，即生物膜法（见图2）。

图2 水产养殖废水生物膜处理工艺流程

（2）类别

生物膜法处理水产养殖废水，主要包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化设备，以及生物流化床。其中，生物滤池是将碎石、卵石、煤渣、焦炭以及人工合成填料等，作为生物滤池载体。根据不同运行模式，生物滤池又分为降流式生物滤池、升流式生物滤池、平流式生物滤池。生物转盘是将圆盘固定于轴上，将盘片一半放置于水中，一半露出水面。水产养殖废水与空气中微生物附着于盘片表面，形成生物膜。当生物转盘转动时，原本浸没于水中的盘片露出养殖水面，盘片因自重而沿着表面流下，空气中氧气经混合、渗透、吸收、扩散等作用而被转盘带入水体中，增加治理区域水的溶解氧，从而实现净化效果。生物转筒作为生物膜发展变型的产物，广泛在德国、丹麦等发达国家应用。目前，生物转筒类型主要有：硬聚乙烯塑料制成外壳，聚氯乙烯波纹圆盘片内置；钢制筒体外壳，筒内固定于硬聚乙烯波纹轴，外接3m 直径圆；转筒内置小容器。生物流化床作为一种高负荷生物膜法，生物流化床利用好氧硝化滴滤、缺氧反硝化流化床，将二者结合起来构建反应器，并将硝酸盐、有机物等悬浮于表面物体送到流化床，进行处理[10]。

（3）特点

生物膜法处理水产养殖废水，具有易管理、处理高效等特点，尤其是去除养殖废水中的氨氮、有机物，也是水产养殖废水中氨氮、COD 处理效果最经济、成本低的工艺技术。

2.4 生态浮床

生态浮床工艺处理水产养殖废水，其原理是利用水生生物处理水产养殖废水。其中，水生植物主要是利用其根、茎、叶等吸收、吸附微生物，分解去除水产养殖废水种的氮、有机物，以及通过吸收、吸附、沉淀，以及微生物固定等，直接或间接地去除污水中的污染物磷。生态浮床工艺技术处理水产养殖废水的重点是植物选型，选择亲水植物，如菖蒲、常绿鸢尾具有良好脱氮除磷效果。构筑生态浮床系统时，应选择废水净化能力强的水生植物，了解不同水生植物的功能特性，并与微曝气技术、不同基质搭配，以及其他污水净化技术结合，提升生态浮床的净化处理功能。

此外，生物技术处理水产养殖废水还包括生物修复技术、微生物制剂技术、微生物菌剂技术等[11]。

3 水产养殖废水生物处理技术优化

生物技术处理水产养殖废水，在选择适宜的工艺技术基础上，还需要进一步优化预处理技术、自动化控制技术，以及生物强化技术，从而进一步提升水产养殖废水生物处理的效率和效果。

3.1 预处理

（1）沉淀、泡沫分离

水产养殖过程中需要投加饵料，会产生部分尚未食用的饵料，同时随着水产养殖密度的增加，也会产生大量水产动物排泄物。为了提升生物工艺处理效果，需要对尚未食用的饵料以及水产动物排泄物进行预处理。通常，选用沉降法处理，可有效去除全部可沉淀固体物，大部分的悬浮物和挥发性物质等等。

（2）选择适宜的温度和溶解氧浓度

生物处理工艺技术处理水产养殖废水，硝化细菌硝化作用的效果受到温度、溶解氧等因素影响。为此，应根据当地实际气象条件，在选择相应的生物工艺技术后，还需要进一步优化温度以及水体含氧量。为此，需配备高效增氧装备，并进行合理布局，选择适宜增氧方式，提高处理效率。

（3）利用水生维管束植物

选择适宜的水生维管束植物，可以有效提升水质净化效果。如凤眼莲处理养螺废水、茄子处理养鳖废水、番茄处理养甲鱼废水等等。通过利用水生微管束植物，发挥植物滤器效果，且植物滤器成本低，可有效降低养殖废水中的营养物[12]。

3.2 水质自动化控制

为了获得更大经济效益，高密度养殖成为水产养殖业发展的方向。为了进一步做好高密度养殖废水处理工作，可考虑引进自动化控制，以及污水处理、监测技术，将其应用于废水处理，发挥其辅助功能，可提升废水的处理质量和效率。

3.3 生物强化

水产养殖废水处理中也可考虑应用固定化微生物技术，目前该技术主要应用于污水处理以及工厂化养殖循环废水处理室内模拟中。将聚乙烯醇作为包埋载体，将粉末活性炭作为无机载体，并加入相应的驯化污泥，用以处理水产养殖废水，氨氮以及生化需氧量去除率可达到75%以上。此外，以聚乙烯醇作为包埋骨架，并添加二氧化硅、碳酸钙等载体，用于固定菌藻系统，从而达到去除养殖废水中的氨氮的效果，去除率可达95%以上。

3.4 高效菌

无论是生物强化技术、预处理技术，还是水质自动化控制系统，都存在一些缺陷和不足。因此，在水产养殖场地投加有益微生物，让这些有益微生物参与到养殖场地的生态循环体系中，可有效改善养殖场水质，去除水产养殖场中的有机污染物。此外，投加高效菌还可以有效抑制水体中的病原微生物的繁殖生长，防止病原微生物过度生长，也可以有效实现防治病害的效果。在水产养殖场投加微生态制剂或高效菌，能够有效净化水产养殖废水，是一项十分成熟的工艺，在实际应用中得到了广泛推广。目前，在水产养殖领域应用较为广泛的微生态制剂包括枯草芽孢杆菌、硝化细菌、肠道菌群、假单胞菌等。这些微生态制剂在水产养殖中可有效发挥其硝化、反硝化、氧化、硫化、固氮作用等功能，并且将水产养殖场地内的残存饲料、饵料，以及动物排泄物、浮游生物残体、化学药物等分解成二氧化碳、硫酸盐、硝酸盐等，从而实现去除养殖废水中的污染物效果。

结语

传统养殖模式下，集约化、规模化养殖模式，加剧了养殖场水质污染，威胁水产品安全，以及市民的身体健康。重视水产品养殖产业生态环境污染防治，选择合适的工艺技术，其中，生物技术处理水产品养殖具有效率高、投入少、易管理等特点和优势，将生物处理技术应用于水产养殖废水治理，进一步推动养殖方式由粗放向节能环保转变，实现经济效益与环保效益双赢。