池塘循环流水养殖模式集污系统效能分析

周陆 张国奇 孙真 张友良 来琦芳 周凯

(1 上海市松江区水产良种场，上海 201616；2 上海市松江区水产技术推广站，上海 201600；3 中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090)

近年来，水产养殖产业转型升级日益加快，许多高效、绿色的养殖模式开始应用在生产中。池塘循环流水养殖模式自2013年被引进国内以来，发展迅猛[1-2]，截至2020年底，全国共建池塘循环流水养殖模式养殖池6 500余口，养殖面积超4.6 hm2。池塘循环流水养殖模式因具有高产高效、资源节约、环境友好、质量可控等优点，已逐渐成为我国水产养殖业绿色发展的主要推广模式之一[3]。

在水产养殖生态系统中，饲料是养殖水体中氮磷输入的主要来源[4-5]，而未被鱼类吸收的氮磷经分解、溶解等方式，最终会进入养殖水体[6-10]，直接导致水体中不同形态的氮磷物质浓度升高，进而影响鱼类的生长、生活。若将高氮磷的养殖水体排放至周边水域，还易造成环境污染，尤其在养殖高峰期投饲量加大的情况下影响更甚。池塘循环流水养殖模式采用集污收集技术，可将养殖过程中的鱼类排泄物及残饲剩饵从养殖水体中分离吸除，解决了传统池塘养殖模式鱼类排泄物无法收集的难题，并通过池塘净化等水质调控方法，有效改善了养殖水质，进而实现高产条件下养殖全程水体零排放。

鱼类排泄物的有效收集是池塘循环流水养殖模式区别于传统池塘养殖模式的本质特征[11]。目前对池塘循环流水养殖模式的经济效益及工艺优化[2，12-14]的研究较多，对于在高产前提下提高排泄物收集效率进而提高水质调控效率的研究却鲜有报道。为进一步揭示集污系统在水质调控中发挥的作用，本试验以草鱼为养殖对象，分析比较池塘循环流水养殖模式中养殖池上游和沉淀池区域的水质指标，并通过分析外源性氮磷输入情况，探索鱼类排泄物收集系统对水质调控的影响，为该模式水质调控提供理论支持和实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验区域

池塘循环流水养殖系统位于上海市松江区水产良种场五厍基地，共2套。单套由2口净化池塘组成，每口池塘面积为10 000 m2，主要放养鲢、鳙等，以净化养殖水体。每套养殖系统包括集聚式养殖池5口，每口面积110 m2，容积约为200 m3。每口养殖池放养草鱼3 600尾(规格1.5 kg/尾，来自上海市松江区水产良种场)。2套系统共用1个长115 m、宽4 m，以种植水生植物为主的小型湿地。集聚式养殖池两端开口，在池上游设置有曝气推水设备，可推动水体向下游流动。集污设备区域为敞开式，含有鱼类排泄物的养殖水经集污设备收集后，通过暗管进入沉淀池，鱼类排泄物等污物沉淀下来，上清液则流入人工湿地，经水生植物净化后，再由湿地出水口流回池塘，由此完成水体循环。系统通过集污设备和小型湿地等进行养殖水质调控(见图1)。

图1 池塘循环流水养殖系统平面示意图

1.2 水质检测采样点及采样时间

水质采样点分别设在池塘循环流水养殖系统的沉淀池、养殖池上游及水源，依次记为1号、2号和3号采样点。采样时间为2020年，其中4、5、10、11、12月每月各1次，6、7、8、9月每月各2次。

1.3 相关指标及检测方法

相关指标及检测方法如表1所示。

表1 相关指标及检测方法

1.4 氮磷去除率及沉淀池水质变化

根据全年投饲总量(WFeed)和表观消化率(Ad)计算排泄物湿物质理论排放量(WEc-w)。根据饲料总氮质量浓度(PFeed-TN)、总磷质量浓度(PFeed-TP)、排泄物湿物质理论排放量(WEc-w)、干湿比(PD/W)、排泄物总氮质量浓度(PEc-TN)及排泄物总磷质量浓度(PEc-TP)计算总氮去除率(RR-TN)和总磷去除率(RR-TP)。根据沉淀池水质指标(NTS)和养殖池上游水质指标(NCP-up)计算沉淀池较养殖池上游水质增减百分比(Pft)。相关计算公式如下：

RR-TN=WFeed×PFeed-TN/(WEc-w×PD/W×PEc-TN)×100%

(1)

RR-TP=WFeed×PFeed-TP/(WEc-w×PD/W×PEc-TP)×100%

(2)

Pft=(NTS-NCP-up)/NCP-up×100%

(3)

1.5 数据处理

运用EXCEL软件对试验数据进行整理和分析比较。运用SPSS 22.0软件对各采样点的水质指标进行统计学分析，其中SS、pH、CODMn、TN满足正态分布，采用单因素方差one-way ANOVA进行分析[15]，TP和NO3--N指标呈非正态分布，采用非参数检验Kruskal-Wallis进行分析[16]，设P<0.05为差异显著，P<0.01为差异极显著。

2 结果

2.1 悬浮物SS的比较

全年的悬浮物(SS)变化情况见图2。养殖池上游水体的年度SS范围为24～90 mg/L，其中9月初最低，6月初最高。沉淀池水体的年度SS范围为40～123 mg/L，其中11月最低，8月底最高。对比达标值参考标准，全年均达标。水源的年度SS范围为10.0～68.5 mg/L，全年呈波动趋势。全年养殖池上游SS指标除11—12月外均高于沉淀池，且差值较大，表明养殖高峰期时，SS总量较大，集污设备对SS的净化作用较好。

图2 全年悬浮物(SS)的变化情况

2.2 pH的比较

全年pH的变化情况见图3。养殖池上游年度pH变化范围为7.35～8.58，沉淀池年度pH在6.64～7.73，水源的年度pH在7.24～8.52。对比达标值参考标准，3组样本全年的pH指标均符合水质标准，且差值较小，表明系统对pH影响较小。

图3 全年pH的变化情况

2.3 CODMn的比较

全年CODMn的变化情况见图4。养殖池上游年度CODMn范围为4.21～21.59 mg/L，其中12月最低，8月底达到最高值。沉淀池年度CODMn范围为4.46～33.35 mg/L，其中12月最低，8月底达到最高值，对比达标值参考标准，8月底CODMn超标33.80%。水源的年度CODMn范围为2.07～18.19 mg/L。全年养殖池上游的CODMn指标除4月底稍高于沉淀池外，其他时期均低于沉淀池，二者全年变化趋势相似。

图4 全年CODMn的变化情况

2.4 DO的比较

全年DO的变化情况见图5。养殖池上游的年度DO变化范围为4.27～13.69 mg/L，其中8月初最低，4月底最高。沉淀池的年度DO变化范围为0.26～11.48 mg/L，其中8月初最低，12月最高。水源的年度DO变化范围为3.20～12.01 mg/L。养殖池上游除5月份低于沉淀池外，其余时期均高于沉淀池。养殖池和沉淀池DO的全年变化趋势相似，均在5—8月养殖高峰期较低。

图5 全年DO的变化情况

2.5 总磷(TP)的比较

全年总磷(TP)的变化情况见图6。养殖池上游年度TP范围为0.23～2.64 mg/L，其中12月为最低值，8月底达到最高值，超过达标值参考标准，是标准的1.64倍。沉淀池年度TP变化范围为0.34～7.25 mg/L，其中12月底最低，8月底达到最高值。水源的年度TP变化范围为0.20～1.12 mg/L。由结果可见，养殖池上游的TP指标始终低于沉淀池的，沉淀池的TP最高时为养殖池上游TP的242.86%。养殖池上游全年除11月和12月，沉淀池除12月以外，TP指标均超过达标值参考标准。

图6 全年TP的变化情况

2.6 总氮(TN)的比较

全年TN的变化情况见图7。养殖池上游年度TN范围为2.52～5.41 mg/L，其中4月为最低值，8月底和11月为最高值，并超过达标值参考标准。沉淀池年度TN范围为2.66～7.02 mg/L，其中12月为最低值，10月底达最高值，并超过达标值参考标准。水源的年度TN在0.13～4.72 mg/L。养殖池上游的TN指标在7月、8月底、11月和12月高于沉淀池，其余时期均低于沉淀池，但二者全年差值均较小。

图7 全年TN的变化情况

2.7 NH4+-N的比较

全年NH4+-N的变化情况见图8。养殖池上游的年度NH4+-N变化在0.06～3.07 mg/L，其中6月底为最低，9月底达到最高值。沉淀池的年度NH4+-N在0～2.00 mg/L，其中6月底最低，9月底最高。水源的年度NH4+-N在0.20～1.82 mg/L。养殖池上游的NH4+-N指标除4月、7月底、10月和11月低于沉淀池外，其余时期均高于沉淀池。二者全年变化趋势相似，且差值较小。

图8 全年NH4+-N的变化情况

2.8 NO2--N的比较

全年NO2--N的变化情况见图9。养殖池上游年度NO2--N变化范围为0～0.67 mg/L，其中4月份最低，6月底最高。沉淀池年度NO2--N变化范围在0～0.34 mg/L，全年中有多次未检出或趋于0 mg/L，7月底时NO2--N达到最高值。水源的年度NO2--N变化范围为0.03～0.90 mg/L。养殖池上游NO2--N指标全年几乎均高于沉淀池，但差值较小，二者全年变化趋势相似。

图9 全年NO2--N的变化情况

2.9 NO3--N的比较

全年NO3--N的变化情况见图10。养殖池上游年度NO3--N变化范围为0.10～0.92 mg/L，其中4月份最低，10月底最高。沉淀池年度NO3--N的变化范围为0～0.99 mg/L，12月达到最高值。水源的年度NO3--N变化范围为0.38～1.57 mg/L。养殖池上游NO3--N指标在全年中除6月初、8月底至10月外，其余时期均低于沉淀池，二者全年变化趋势相似。

图10 全年NO3--N的变化情况

2.10 沉淀池和养殖池上游水质指标比较

沉淀池与养殖池上游的各项水质指标增减情况详见表2。沉淀池全年pH指标均低于养殖池上游；溶解氧、NO2--N仅有1次高于养殖上游，其他时间均低于养殖池上游；SS、CODMn仅有1次低于养殖池上游，其他时间均高于养殖池上游，且最高分别高出241.67%和102.18%；TN、NH4+-N、NO3--N均呈波动趋势，沉淀池和养殖池上游时高时低；沉淀池的TP则全年高于养殖池上游，且最高达221.85%。

表2 2020年度沉淀池与养殖池上游指标比较(增减百分比) 单位：%

2.11 三处采样点水质指标的统计学分析

3处采样点水质指标的统计学分析结果见表3。从分析结果看，水源、养殖池上游、沉淀池水体中SS、pH、CODMn、TP、TN、NO3--N有显著性差异(P<0.05)，DO、NH4+-N和NO2--N则没有显著差异(P>0.05)。

表3 三处采样点水质指标的比较分析

如表4所示，水源的SS、CODMn、TN、TP显著低于养殖池上游(P<0.05)，pH和NO3--N无显著性差异(P>0.05)，3组样本的TN和CODMn均值低于淡水养殖池塘排放标准。水源SS、CODMn、TN、TP极显著低于沉淀池，而NO3--N极显著高于沉淀池(P<0.01)。沉淀池SS显著高于养殖池上游，pH和NO3--N则显著低于养殖池上游(P<0.05)。沉淀池的DO与其他2组样本无显著性差异，但在3组样本中均值最低，为(5.16±3.44)mg/L，同时，沉淀池NO3--N极显著低于其他两组(P<0.01)。

表4 三处采样点水质指标的显著性分析

2.12 氮磷去除率

2020年度氮磷去除率见表5。饲料中的TN和TP含量分别为5.09%和1.13%，排泄物的TN和TP含量分别为1.25%和3.09%。草鱼表观消化率为72.44%，排泄物在湿物质中占比为41.00%。经计算，通过收集鱼类排泄物，TN去除率为5.69%，TP去除率为63.42%。

表5 2020年度氮磷去除率

3 讨论

3.1 氮磷去除效率

磷是鱼类生长、发育和繁殖所必需的营养元素，饵料中磷的平衡供给可以防止磷缺乏症的发生，同时可以降低粪和尿中磷的排出。水产养殖中，为使饲料中的营养元素更易于被养殖对象吸收，一般会在饲料中添加一定比例的氮和磷[17]。然而，外源性的输入会导致养殖环境中氮、磷含量升高，对养殖水体的水质调控形成较大压力，同时养殖水体外排亦会对周边水域环境造成一定影响[4-5],尤其是在水温适合鱼类生长的养殖高峰期，投饲量增大，氮磷输入更多，水质调控的压力就会更大。在传统养殖模式中，鱼类排泄物通常无法被收集，会长期积累在池塘底部，持续向养殖水体中释放氮磷等元素，是影响水质的重要因素。池塘循环流水养殖模式利用集污系统，通过吸取和沉淀等方式有效地收集鱼类排泄物，并将其分离出池塘，大幅降低其对养殖水体的影响。池塘循环流水养殖模式中，排泄物收集量为鱼类排泄量的80%以上[11]。结果显示，经饲料输入的TN和TP全年总量分别为5 376 kg和1 193 kg，通过集污系统去除的TN和TP分别为306.06 kg和756.59 kg，TN和TP去除率分别为5.69%和63.42%，表明通过集污系统可去除池塘循环流水养殖模式中的大部分TP，降低其对养殖水质的影响。但TN的去除率较低，这可能是由于TN的去除途径包含但不仅限于排泄物的收集，如崔奕波等[18]提出的氮收支方程:CN=FN+GN+UN所述，TN部分转化为鱼肉，部分溶解于养殖水体中，同时也受到池塘生态系统调节、温度变化、天气变化等因素的影响。

3.2 水质调控效果

水质调控是水产养殖的重要环节，水质优劣会直接影响鱼类的摄食、生长和行为活动等[19]，探索高效绿色的生态养殖技术和模式一直是水产养殖业的长期目标[20-21]。传统养殖模式一般是通过大量换水进行水质调控，使养殖水体能够符合养殖要求。与传统养殖模式相比，池塘循环流水养殖模式的养殖产量较高[11]，全年氮磷外源性输入因投饲量增加而增加，但通过鱼类排泄物收集等手段进行水质调控，可实现养殖水体零排放[1]。总体而言，在较传统养殖模式养殖产量翻倍、全程养殖水体零排放的条件下，养殖池上游的SS、CODMn、TP指标均明显优于沉淀池，这一结果除了池塘的自净功能以外，主要得益于集污系统对氮磷的去除。根据3处采样点的水质指标全年对比结果，沉淀池TP、SS、CODMn含量高于养殖池上游的最大百分比值分别为221.85%、241.67%、102.18%。但养殖池上游的TN、NH4+-N含量与沉淀池差别较小，NO2--N和NO3--N含量指标甚至频繁高于沉淀池，主要原因可能是养殖池水体在鱼类排泄物被移除之后流经净化池塘的大面积区域，氮元素受到硝化、反硝化、溶解等作用影响较大。3处样本的显著性分析结果表明，养殖鱼类和投喂饲料会引起水质恶化，需在养殖管理过程中重点关注总磷输入的问题。综合而言，集污系统对污染物的降解和水质调控具有较为积极有效的作用，但基于养殖水体体量较大和负载较重的现实情况，还需进一步研究提升系统对CODMn、TN、TP的降解效率。

3.3 存在的问题

池塘循环流水养殖模式中，通过集污系统进行鱼类排泄物收集是去除氮磷和有效调控水质的可行方法。但由于外源性输入压力过大，仅通过此种方法仍不能确保全年各项指标在每阶段均达到标准参考范围，需提高集污系统的效能。特别是在养殖高峰期时，适当提高集污系统运行频次可能有益于降低水质调控压力。在集污收集基础上，应进一步优化水质调控方法，如在净化池塘中适当开展生态工程化调控和鱼菜综合种养，以及研究更易收集排泄物的饲料配方等。另外，本试验中，集污系统曾因故障停运3次，累计时长8 d，也对水质调控产生了较大影响。因此，完善集污设备，降低集污系统故障频次，确保其在养殖周期内工作正常是需要重视的问题。