复合生态沟渠对池塘养殖尾水和稻田退水的净化效果

呙金亮,李 奎,孙静妤,李 敏,石 伟,邱文杰,管卫兵,4,5

(1.上海海洋大学 海洋生态与环境学院,上海201306;2.银川科海生物技术有限公司,宁夏 银川750000;3.银川市贺兰县农业农村局,宁夏 银川750000;4.淮安市苏泽生态农业有限公司,江苏 淮安223218;5.农业农村部稻渔综合种养生态重点实验室,上海201306)

池塘养殖作为中国当前养殖业的一种主要生产方式,随着高密度、高投饵率的精养模式的大规模推广,常引起水质恶化并导致病害、产量下降及影响品质等诸多问题,污水的排出还可能导致周边水体富营养化[1],控制和处理养殖尾水污染是实现渔业健康发展和水资源可持续利用的重要保障。在鱼类养殖过程中,70%～80%投喂的饲料会以溶解或颗粒物的形式排放到水体中,其中最终约有51%的氮和64%的磷会成为废弃物[2]。这不仅会影响鱼类的生长速度,提高鱼病的发生率,降低水产品的产量和质量,影响整个养殖产业的总体经济效益,而且随着养殖尾水的排出,会进一步加剧周围水域的富营养化。如今,面源污染正逐步取代点源污染,成为引发地表水环境问题的主要原因,而农业面源污染又是最主要来源之一。中国作为利用稻田进行农业生产的大国,其产生的稻田退水是引发农业面源污染的一类重要形式。据统计,稻田退水引发自然水体富营养化的贡献率高达27%,大量未被利用的氮、磷随退水流失到周边水体中,继而引发河流和湖泊的富营养化[3-4]。在池塘养殖尾水和稻田退水净化中,已有研究通过对排水沟渠进行改造,进而形成具备排水和湿地净化双重作用的生态沟渠[5-7]。吴湘等[8]通过生态沟渠对中华鳖温室的养殖排放水体进行净化,总氮浓度减少75%,铵态氮浓度减少91%,总磷浓度减少83%,化学需氧量减少62%,溶解氧增加近4倍。刘兴国等[9]对生态工程化循环水池塘养殖系统进行研究,结果表明生态沟渠对养殖水体中TN的去除率达到18.35%,TP的去除率达到17.39%,COD的去除率达到18.18%。陶玲等[10]研究生态沟渠可以增加水中溶解氧,去除N,P等物质,达到对处理养殖废水的目的。吴军等[11]运用排水沟与塘堰湿地结合的系统净化农田排水,一定程度上实现了减少农田面源污染和修复农田水环境的目的。张树楠等[12]将原农业排水沟渠改建成生态沟后,出水氮、磷浓度分别达到地表水环境质量标准Ⅳ类和Ⅱ类,对水体总氮、总磷的平均去除率分别为64.3%,69.7%。生态沟渠可同时通过植物吸收、泥沙截留和微生物分解等理化作用,降低水体中的污染物浓度[13]。生态沟渠中的水生植物除能直接吸收水体中的氮、磷外,还可延长沟渠中的水力停留时间,为微生物提供有利的生长环境等[14]。但已有研究多针对小规模的池塘养殖尾水和稻田退水的净化,对实际大型工程化循环水池塘养殖系统运行中的氮磷污染状况研究仍较缺乏[15]。现有研究在通过生态沟渠实现池塘养殖尾水和稻田退水净化后一般直接排出系统,未实现水资源的循环利用和造成养分流失,不适合中国中西部等干旱缺水地区。本研究通过在稻蟹共生—池塘养殖耦合系统中[16-17],构建一种复合生态沟渠系统,实现对池塘养殖尾水和稻田退水的污水净化和循环资源化利用。通过研究复合生态沟渠系统中的水质沿程变化,探讨其净化效果,以期为稻渔共作循环水养殖模式的合理构建和绿色发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验条件

本研究试验地点位于宁夏回族自治区银川市贺兰县常信乡四十里店村科海渔业,整个养殖基地占地71.10 hm2,其中水产养殖面积19.34 hm2,稻田种植面积51.76 hm2,基地日常运行是将池塘养殖尾水引入稻田净化后再返回池塘。试验分别在基地内的池塘养殖尾水复合生态沟渠和稻田退水复合生态沟渠中进行,沟渠系统全长约3 050 m,宽6～8 m,深约2 m。池塘养殖尾水复合生态沟渠由5段组成,分别为第一段睡莲沟、二号沟、三号沟、第二段睡莲沟和三池两坝沟组成。第一段睡莲沟长约120 m,沟中均匀栽种睡莲。二号沟为稻田进水沟,长约820 m,沟内养殖有少量草鱼,日常喂养芦苇和浮萍等青饲料以产生生物絮团净化水质。三号沟为稻田排水沟,长约730 m。第二段睡莲沟长约170 m,沟中均匀栽种睡莲。三池两坝沟长约220 m,沟内有沉淀池、曝气池和生态净化池,由两级过滤坝隔开,沟中均匀栽种狐尾藻、薄荷和芦竹等水生植物进一步净化水质。沟渠东侧放置有抽水泵,通过水泵将净化后的水再灌入池塘。稻田退水复合生态沟渠由2段组成,第一段由稻田排水沟改造而成,长约990 m,沟内种植芦苇、菖蒲等水生植物,第二段为三池两坝沟。稻田退水复合生态沟渠和池塘养殖尾水复合生态沟渠的三池两坝沟为同一沟段。复合生态沟渠系统对池塘养殖尾水和稻田退水的净化流程(图1)。沟渠结构形状为倒梯形(图2)。

图1 复合生态沟渠净化流程

图2 生态沟渠横断面示意

1.2 样品采集

宁夏地区稻渔综合种养的主要生产时间为5—9月,而8—9月正是水稻生长的灌溉需肥旺期和池塘养殖需换水周期的重要时期,考察其循环水水质沿程变化情况具有重要意义。2020年8月对池塘养殖尾水复合生态沟渠进行7次水质监测,共选取11个点位进行采样,采集上、中层混合水样,每个点位均采集3个平行样,此期间基地生产状况良好。检测指标为溶解氧(DO)、水温(WT)、磷酸盐(PO3-4-P)、亚硝酸盐氮(NO-2-N)和氨氮(NH3-N)等水质指标,采样时间为上午10:00—11:00。S1位于鱼塘总出水口,S2位于睡莲沟和二号沟的交汇处,S3位于二号沟中间,S4位于二号沟出水口,S5位于三号沟进水口,S6位于三号沟中间,S7位于三号沟和睡莲沟的交汇处,S8位于睡莲沟出水口,S9位于三池两坝沟第一个坝前,S10位于第2个坝前,S11位于鱼塘总进水口。采样点分布如图3所示。精养鱼塘所产生的养殖尾水由鱼塘总出水口进入第一段睡莲沟,然后流入二号沟,由泵站抽水灌入稻田,经稻田净化后由稻田出水口进入三号沟,然后部分直接流入鱼塘,部分流入第二段睡莲沟,最后由睡莲沟出水口进入三池两坝沟,养殖尾水完全处理完毕。经过处理后的养殖尾水再由水泵抽入鱼塘总进水口供给至各鱼塘。

图3 2020年试验采样点分布

2021年对池塘养殖尾水复合生态沟渠进行重复监测,共选取7个点位进行采样,采样点位、方法和检测指标与2020年一致。2021年同时对基地稻田退水复合生态沟渠中的水质情况进行了测试研究,于8—9月共进行7次水质监测,共选取11个点位进行采样检测。

P1位于稻田出水口,P2—P7位于改造后的稻田排水沟,其中P4—P6位于基地周边毗连旱地的排水沟渠,P8位于与睡莲沟的交汇处,P9位于三池两坝沟第一个坝前,P10位于第2个坝前,P11位于沟渠出水处。采样点分布如图4所示。采样方法和检测指标与池塘养殖尾水复合生态沟渠一致。

图4 2021年试验采样点分布

1.3 试验方法

采样容器均为无菌采样瓶,将获得的水样置于便携冰箱进行低温保存,24 h完成样品的水质指标测定。溶解氧和水温使用哈希溶氧仪测定;溶解性磷酸盐采用钼锑抗分光光度法(HJ632-2011)测定;氨氮采用纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009)测定,亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法(GB/T11889-1989)测定。

1.4 数据分析

试验数据通过Excel 2010进行制图,通过SPSS 26统计软件进行方差分析(one-way ANOVA)检验各指标的显著性水平,p＜0.05为显著,p＜0.01为极显著。

2 结果与分析

2.1 池塘养殖尾水复合生态沟渠

2020和2021年池塘养殖尾水复合生态沟渠溶解氧、磷酸盐、亚硝酸盐氮和氨氮含量沿程变化分别如图5—6所示。

由图5—6可知池塘养殖尾水在进入复合生态沟渠后,水体中的污染物浓度均有所下降。2020年磷酸盐由0.43±0.36 mg/L下降至0.02±0.01 mg/L,平均去除率为96.21%,亚硝酸盐氮由0.13±0.08 mg/L下降至0.01±0.01 mg/L,平均去除率为91.27%,氨氮由2.64±1.00 mg/L下降至0.14±0.10 mg/L,平均去除率为94.75%;2021年磷酸盐由0.08±0.08 mg/L下降至0.03±0.03 mg/L,平均去除率为68.96%,亚硝酸盐氮由0.08±0.03 mg/L下降至0.03±0.01 mg/L,平均去除率为61.36%,氨氮由0.69±0.29 mg/L下降至0.33±0.07 mg/L,平均去除率为51.92%,说明复合生态沟渠系统对池塘养殖尾水起到了很好的净化效果,各采样点水质状况详见表1—2。

图5 池塘养殖尾水复合生态沟渠2020年水质沿程变化

表1 不同采样点2020年水质的比较

图6 池塘养殖尾水复合生态沟渠2021年水质沿程变化

池塘养殖尾水在经过复合生态沟渠后,溶解氧含量有所上升。尾水在进入生态沟渠后,其流速缓慢,而且与空气的接触面积增大,溶解氧增加。另外,沟渠内水生植物的光合作用也是溶解氧增加的原因之一。睡莲沟出水口溶解氧浓度极显著低于鱼塘总出水口、二号沟和三号沟溶解氧浓度(p＜0.01)。睡莲沟中睡莲生长茂密,遮蔽阳光,影响水体中藻类光合作用,从而使溶解氧较低。此外,睡莲生长速度快,茎叶脱落分解过程中也会消耗氧,因此要合理控制睡莲的种植密度。鱼塘总出水口排出的富营养化尾水和沟渠排出的稻田水,经过睡莲沟中睡莲和浮游生物消耗,溶解氧在S1—S2间和S7—S8间迅速下降。尾水进入沟渠后经过四号沟泵站进入稻田,在稻田净化作用下,水中溶解氧迅速增高,净化后由稻田总出水口流入三号沟。但由于经过第二段睡莲沟的耗氧作用,所以最终进入三池两坝的尾水溶解氧含量并不高,仅0.56±0.53 mg/L。在经过三池两坝沟中曝气池作用后,溶解氧含量上升至1.11±1.11 mg/L。由于池塘养殖尾水在流入稻田后,磷酸盐被稻田被吸收,因此三号沟磷酸盐浓度显著低于鱼塘总出水口(p＜0.05)。睡莲沟中沉积了较多的磷酸盐,在厌氧环境下,会分解释放出大量可溶性磷酸盐,因此尾水在经三号沟出水口流入睡莲沟后,磷酸盐浓度极显著上升(p＜0.01)。经过三池两坝沟中水生植物吸收后,磷酸盐浓度又有所下降。鱼塘尾水经过复合生态沟渠后亚硝酸盐氮浓度呈极显著性下降(p＜0.01)。精养鱼塘在鱼类和其他动物作用下产生大量亚硝酸盐氮,尾水进入睡莲沟后,被微生物还原,亚硝酸盐氮含量迅速下降,但经过稻田在有氧条件下会转化为亚硝酸盐氮,故三号沟亚硝酸盐氮浓度有所上升。鱼塘养殖尾水在进入复合生态沟渠后氨氮呈下降趋势,经过稻田净化后三号沟中氨氮浓度和其他沟相比呈极显著降低(p＜0.01)。而在进入第二段睡莲沟后氨氮浓度呈极显著上升(p＜0.01),主要是由于睡莲沟内厌氧藻类较少,因而浓度上升。经过三池两坝沟中水生植物吸收后,鱼塘总进水口氨氮浓度有所下降。随着系统运行时间的推移,鱼塘内磷酸盐、亚硝酸盐氮和氨氮的浓度总体呈下降趋势,为鱼类生长提高了良好的养殖生态环境。

表2 不同采样点2021年水质的比较

生态沟渠中种植有各种水生植物,水生植物的根(茎)网络为微生物的附着、栖生、繁殖提供了条件,沟渠底部沉积物表面也附着大量微生物,这些微生物可对N进行硝化、反硝化等作用。沟渠底部有土壤和植物死亡后的腐殖质组成的沉积物,这些沉积物有较大的表面积,将吸附的N,P进行沉积、转化[18]。同时,沉积物表面的N,P会随着间隙水的迁移转移到沉积物内部,然后通过矿化等方式将部分N,P去除[19]。另外,沟渠中的水生植物所形成的过滤带能降低水流速度,进而减缓污染物的输移,促使其在沟渠中沉淀下来[20]。

2.2 稻田退水复合生态沟渠

2021年稻田退水复合生态沟渠溶解氧、磷酸盐、亚硝酸盐氮和氨氮含量沿程变化如图7所示。由图7可知,稻田退水在经过复合生态沟渠后溶解氧浓度呈极显著下降(p＜0.01),生态沟渠中水生植物茂密,遮蔽了光照,影响水体中藻类的光合作用,从而使得稻田退水在进入沟渠后溶解氧下降。稻田退水在进入复合生态沟渠后,水体中的磷酸盐、亚硝酸盐氮、氨氮浓度均有所下降,说明复合生态沟渠系统对稻田退水起到了很好的净化作用。经过连续监测,发现随着系统运行时间的持续,出水磷酸盐、亚硝酸盐氮和氨氮的浓度总体呈下降趋势,净化效果更加稳定。在稻田退水流经至P8时,因为有睡莲沟出水,导致磷酸盐、亚硝酸盐氮、氨氮浓度有所波动上升。9月中旬水稻开始进入收割前的干田期,稻田退水量增大,水力停留时间变短,因此对复合生态沟渠的净化效果产生影响。另外,由于降雨等引起地表径流输入变化,也会对沟渠沿程及个别点位的水质产生影响。监测总体结果表明复合生态沟渠对稻田退水起到了很好的净化作用,经过净化后的稻田退水达到《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》的Ⅳ类标准,减少了农业面源污染。

图7 稻田退水复合生态沟渠水质沿程变化

3 讨论与结论

水环境污染不仅制约中国池塘养殖的健康发展,而且对养殖区及其周边水域的生态环境也产生负面影响[21]。虽然中国在2007年就颁布了《淡水池塘养殖水排放要求(SC/T9101-2007)》,但由于水产养殖区域分布较广且分散,难以对养殖用水集中组织排放,因此管控效果一直不佳。人工湿地作为一种新兴的水污染处理技术,目前已被广泛地应用处理各种类型废水。中国稻田面积广阔,水稻生长的需肥旺期与养殖需换水周期较一致,因此稻田湿地在池塘养殖尾水净化中可发挥独特的作用[22-23]。稻田退水是农业面源污染的主要来源之一,如果不经过处理直接排放也会污染周边水体。稻田退水沟渠是重要的农田水利设施,不仅承担着汇水、排水的作用,还具备一定程度的湿地净化水质功能[24-25]。目前,稻田沟渠系统在污染物的截留与净化方面日益受到重视[26]。杨林章等[27]研究表明,生态沟渠对农业非点源氮污染的去除率达到48%～64%,磷污染的去除率达到41%～70%。生态拦截型沟渠系统对农田径流中的氮、磷都有较好地去除效率,但易受其他因素影响,如进水氮磷浓度、水力停留时间和季节温度等[28]。另外,一些水生植物在吸收营养物质后,会迅速生长从而减小沟渠的实际过水断面,再加上一些悬浮物的沉淀积累,因而在比较长的时间里会影响复合生态沟渠的处理效果,甚至导致系统不能正常运行。因此,选取合适的水生植物,及时对水生植物进行刈割和定期清理沟渠是很重要的。余红兵等[29]发现定期刈割沟渠植物,不仅能转移植物吸收的氮、磷,还能提高底泥的氮、磷去除率。

复合生态沟渠中水质的沿程变化表明,池塘养殖尾水和稻田退水在经过净化后,总体水质状况得到明显改善。当水体流经复合生态沟渠时,水生植物的吸收、分解和稻田等基质的吸附作用降低了水体中的污染物浓度。池塘养殖尾水和稻田退水在经过复合生态沟渠系统净化后既可循环利用,减少养分流失,也可达标排出,在中国中西部等干旱缺水地区,具有较强的适应性。在稻渔共作模式下构建的复合生态沟渠系统,相较于直接利用改建后的排水沟渠净化池塘养殖尾水和稻田退水,对氮、磷具有更高的去除效率。利用复合生态沟渠系统可实现池塘养殖用水和稻田灌溉用水的循环利用,在保证充分利用养分的同时,又产生了节水效益。但复合生态沟渠在运行过程中,也需要定期维护和管理,从而保障系统正常运行。