基于组合湿地构建的池塘循环水养殖系统运行效果

2023-02-12代梨梨

淡水渔业 2023年1期

柳磊，陶玲，代梨梨，彭亮，李谷

(1.中国水产科学研究院长江水产科学研究所，武汉430223；2.中国农业科学院研究生院，北京100081)

池塘养殖是我国水产养殖的主要生产方式之一。据《2021中国渔业统计年鉴》，2020年我国池塘养殖总面积303.69万公顷，占全国水产养殖总面积的43.16%，池塘养殖总产量2 537.14万吨，占全国水产养殖总产量的48.57%[1]。然而高密度、高投饵、高换水的池塘养殖模式对养殖内外环境均产生不良影响，环境污染成为制约水产养殖业发展的重要因素[2]。研发适于池塘养殖的尾水生态处理与循环利用技术，对减少污染物排放和改善养殖环境都具有重要意义。人工湿地水处理技术具有低投入、高效率和易维护等特点，已有的研究结果表明，其对于水产养殖尾水具有良好的净化效果[3-5]。池塘养殖尾水具有污染物浓度低、排放量大的特点，而已构建的人工湿地大多采用较低水力负荷运行，需要占用较大的土地面积，在实际建造和运行中存在一定问题[6]。因此，构建占地面积小、水力负荷大的人工湿地，并与养殖池塘结合形成人工湿地-池塘复合循环水养殖系统，可以达到减少废水排放、节约水资源的目的。

本研究在课题组开展的《连续柱塞流构建湿地设计及启动运行效果》[7]研究的基础上，将该组合湿地同养殖池塘有机结合，构建了组合湿地-池塘复合循环水养殖系统。重点开展了高水力负荷工况下组合湿地净化回用养殖尾水的运行效果以及系统氮、磷收支平衡研究，以期对这种生态养殖模式的进一步研究提供可借鉴的资料。

1 材料与方法

1.1 组合湿地-池塘复合循环水养殖系统构建

试验系统位于湖北省荆州市中国水产科学研究院长江水产研究所窑湾试验基地。养殖池塘占地面积400 m2，池深2.20 m，实验期间维持水深1.60～1.80 m。组合湿地占地面积56 m2，依次由进水区、上行流湿地I区、汇水区、上行流湿地Ⅱ区和出水区组成(见图1)。每个组成单元底层及两侧铺设土工膜防渗，湿地基质采用页岩陶粒，上行流湿地I区和Ⅱ区分别种植花叶芦竹(Arundodonax)和美人蕉(Cannaindica)。池塘取水处设前置区，前置区由一台水泵和过滤池组成，过滤池面积9 m2组合湿地基本结构参照孙瑞萌等[7]。

图1 组合湿地结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the constructed wetland图中箭头表示水流方向。

1.2 系统运行和管理

组合湿地中试系统于2020年8月建成，随后在低水力负荷0.58 m3/(m2·d)运行条件下开展了湿地系统在启动运行阶段对池塘养殖尾水处理效果的研究。本次试验时间为2021年5-10月，其中，2021年7-10月池塘养殖尾水经水力提升后进入组合湿地处理并循环利用，湿地系统采用间歇进水方式运行，每天平均运行4 h，阴雨天不运行，在池塘单日水交换量为10%时，组合湿地水力负荷达到5.54 m3/(m2·d)。

养殖池塘主养品种为黄颡鱼(Pelteobagrusfulvidraco)，初始体长(13.67±3.41) cm，平均体重(27.12±19.37) g，放养密度264.42 g/m2；配养白鲢(Hypophthalmichthysmolitrix)80尾，初始体长(28.13±1.40)cm，平均体重(204.61±32.54) g，放养密度40.93 g/m2。同时选择规格一致的常规养殖池塘作为对照塘，对照塘放养品种和数量与循环塘完全一致。养殖管理按常规方式进行。

1.3 样品采集和分析方法

1.3.1 水样采集及测定

为探讨养殖尾水污染物浓度沿组合湿地流程的变化，水样设置7个采样点，分别为过滤池外侧池塘区域、前置区、进水区、上行流Ⅰ区、汇水区、上行流Ⅱ区和出水口，运行期间每隔1 h采集各点水样500 mL，测定后取平均值，每周采样一次。同时在循环塘和对照塘各布置四个采样点，分别位于池塘四周，循环塘采样点避开湿地出水口，取混合水样，重复采样3次，采样时间为8:30～9:30，鱼苗放养后采集一次，系统运行期间采样频率与湿地一致。现场用哈希HQ30d测定溶解氧(DO)和水温(T)、用塞氏盘测定透明度(SD)；其它各项水质指标的测定均按文献[8]进行。试验期间记录降雨量和补水量，并测定氮、磷浓度。

1.3.2 底泥样品采集及测定

养殖初始和结束分别用柱状采泥器(d=4 cm)采集底泥样品，采用5点采样法，采样深度为5 cm，取混合样。样品带回实验室风干，过筛，参照文献[9]用凯氏定氮法测定底泥总氮，用碱熔-钼锑抗比色法测定底泥总磷。

1.3.3 饲料和鱼样采集及测定

准确记录不同养殖时期饲料投喂量，采用凯氏定氮法(GB/T 6432-2018)和分光光度法(GB/T 6437-2018)分别测定饲料中总氮和总磷含量。在鱼苗放养和收获时分别采集黄颡鱼鱼样，于60 ℃烘干，参照国家标准(GB/T 5009.5-2016和GB/T 5009.87-2016)测定鱼体中氮、磷含量。实验开始和结束时分别采集白鲢鱼样，按邹清等[10]的方法计算鱼体氮、磷含量。

1.4 计算方法

1.4.1 组合湿地净化效果

采用百分比去除率和面积去除率。计算公式为：

百分比去除率=[(C0-Ci)/C0]×100%，

面积去除率(g/(m2·d))=[Q×(C0-Ci)]/A

式中：C0表示人工湿地进水污染物浓度；Ci表示人工湿地出水污染物浓度；Q为人工湿地流量；A为人工湿地面积。

1.4.2 池塘养殖效果

采用成活率、增重率、特定生长率和饵料系数等。计算公式为：

成活率=(St/S0)×100%，

增重率=[(Wt-W0)/W0]×100%，

特定生长率=[(lnWt-lnW0)/t]×100%，

饲料系数=FI/(Wt-W0)，

式中：St表示养殖t时间时成活的尾数；S0表示试验开始时放养尾数；Wt表示养殖t时间时的体重(总重)；W0表示放养时的体重(总重)；FI表示投入的饲料重量。

1.4.3 氮磷收支的计算

渔获物净产量的总氮、磷量占饲料氮、磷输入总量的比例称作氮、磷的相对利用率，而渔获物净产量的总氮、磷量占池塘氮、磷输入总量的比例称作氮、磷的绝对利用率。采用物料平衡原理计算系统氮、磷收支。计算公式为：

氮磷相对利用率=(Fout-Fin)/FI×100%

氮磷绝对利用率=(Fout-Fin)/(Win+FI+Fin)×100%

Win+FI+Fin=Wout+Fout+S+CW+O

式中：Win表示通过池塘初始水体、补水以及雨水输入的氮和磷；FI表示通过饲料投加输入的氮和磷；Fin表示通过黄颡鱼(白鲢)放养输入的氮和磷；Wout表示通过池塘末期水体输出的氮和磷；Fout表示通过黄颡鱼(白鲢)收获输出的氮和磷；S表示通过沉积物蓄积输出的氮和磷；CW表示通过人工湿地净化输出的氮和磷；O表示池塘通过其他形式输出的氮和磷，主要包括气体的挥发和水体渗漏等。

1.5 数据处理与分析

利用Excel 2019、SPSS 25.0和OriginPro 2021进行统计分析和图表绘制，对组合湿地沿程水质变化、组合湿地不同月份百分比去除率及养殖池塘水质理化特征进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，以P<0.05为差异显著水平。

2 结果与分析

2.1 沿组合湿地流程的主要水质参数变化

沿组合湿地水流方向主要水质参数变化见图2。由图2可知，溶氧(DO)平均浓度保持在(3.15±1.51) mg/L以上，经过两级上行流湿地后浓度均会明显下降，但出水DO平均值达到(5.88±1.08) mg/L，较进水提高了21.24%；pH在流经湿地过程中变化不明显，经过上行流湿地后pH小幅下降。

通过统计分析发现(见表1)，组合湿地对TAN的百分比去除率和面积去除率分别为38.48%～78.37%和0.88～4.51 g/(m2·d)；TN的为11.17%～24.28%和1.66～2.79 g/(m2·d)；TP的为34.42%～51.37%和0.56～1.06 g/(m2·d)；COD的为22.17%～41.86%和13.53～24.43 g/(m2·d)；TSS的为53.25%～69.90%和173.01～239.61 g/(m2·d)。进一步分析可知，组合湿地对TAN的去除率呈前高后低的变化，10月份出现最低值，与其它月份差异显著；TP、TSS的去除率均呈先上升后下降趋势，最高去除率均出现在9月份，各月份之间无显著性差异；TN去除率呈逐月下降趋势，10月份出现最低值，与其它月份差异显著；COD去除率在7月出现最大值，后续变化较为稳定。

图2 主要水质参数的沿程变化Fig.2 Variations of main water quality parameters along the wetland图中同一参数标不同字母表示在0.05水平上差异显著

表1 组合湿地对养殖尾水处理效果Tab.1 Treatment performance of the constructed wetland on pond culture tail water(Mean±SD)

2.2 养殖期间池塘水质动态变化及特征

由图3和表2可知，循环水养殖系统运行期间，循环塘与对照塘DO、T、pH、SD、TSS等水质参数动态变化趋势基本一致，但循环塘SD、DO和pH的值显著高于对照塘，TSS值明显低于对照塘。

2.6 池塘养殖效果

由表3可知，对照塘黄颡鱼成活率为93.56%，循环塘为99.58%，较对照塘提高6.43%；对照塘黄颡鱼产量为358.70 kg，循环塘为391.38 kg，相较对照塘提高9.11%；对照塘黄颡鱼增重率小于循环塘，特定生长率略高于循环塘，循环塘黄颡鱼生长情况较好。对照塘饲料系数为1.95，循环塘为1.77，相较对照塘降低9.23%，循环塘饲料利用情况较好。

2.4 系统氮磷收支平衡

由表4可知，循环塘氮、磷相对利用率较对照塘分别提高10.68%、11.20%；循环塘氮、磷绝对利用率较对照塘分别提高11.06%、11.49%。

由表5可知，饲料是系统氮、磷输入的主要途径，养殖期间，对照塘投入饲料481.58 kg，循环塘投入饲料487.98 kg，分别占对照塘氮、磷输入的88.07%、87.83%和循环塘氮、磷输入的88.36%、88.09%；其次是鱼苗，分别占对照塘氮、磷输入的7.23%、6.77%和循环塘氮、磷输入的7.15%、6.71%；养殖期间补水、初始水体、降水等在氮、磷输入中占比较少。

沉积物底泥积累是氮、磷支出的主要项目，分别占对照塘氮、磷支出的59.65%、69.35%和循环塘氮、磷支出的54.92%、49.81%；其次是养殖生物的收获，黄颡鱼收获分别占对照塘氮、磷支出的24.95%、18.82%和循环塘氮、磷支出的26.96%、20.33%；养殖末期水体分别占对照塘氮、磷支出的5.43%、3.71%和循环塘氮、磷支出的4.37%、2.64%。相较对照塘，循环塘黄颡鱼在氮、磷支出中所占比例分别提高8.06%、8.02%，循环塘环境积累(水体+底泥沉积物)占氮、磷支出分别减少8.90%、28.21%。同对照塘相比，循环塘增加了组合湿地系统对氮、磷的支出，组合湿地在循环塘氮、磷支出中所占比例分别为7.71%、20.74%。

图3 池塘水质参数动态变化Fig.3 Variations of water quality parameters in the fishponds

表2 养殖期间池塘主要水质理化特征Tab.2 Physical-chemical characteristics of water quality in the fishponds (Mean±SD)

表3 不同组别池塘鱼类收获情况Tab.3 Harvest information in different fishponds (Mean±SD)

表4 不同组别池塘黄颡鱼氮、磷利用情况Tab.4 The nitrogen and phosphorus utilization rate of animals in different fishponds

表5 不同养殖池塘氮、磷收支估算Tab.5 Budgets of nitrogen and phosphorous in two systems

3 讨论

3.1 组合湿地对养殖尾水净化及调控池塘水质分析

在此次试验中，组合湿地对TAN、TN、TP、COD和TSS的面积去除率分别为0.88～4.51 g/(m2·d)、1.66～2.79 g/(m2·d)、0.56～1.06 g/(m2·d)、13.53～24.43 g/(m2·d)和173.01～239.61 g/(m2·d)。在李怀正等[6]的研究中，人工湿地对养殖尾水中TN、TP和TSS的面积去除率分别为1.80 g/(m2·d)、0.39 g/(m2·d)和117.58 g/(m2·d)。类似研究[14]表明人工湿地对TAN、COD、TP的最高面积去除率为0.22 g/(m2·d)、9.91 g/(m2·d)、0.63 g/(m2·d)。相较上述研究结果，本次构建的组合湿地表现出良好的养殖尾水净化效果。组合湿地出水DO平均值达到5.00 mg/L以上，其它各项水质参数也都满足渔业用水水质标准。

3.2 复合循环水养殖系统氮磷利用效率

养殖系统内氮、磷收支及氮、磷的利用率常作为评价养殖模式优劣的重要指标，并且氮磷收支可以量化养殖水体和底泥的潜在污染水平[15]。已有的研究表明，不同养殖种类和养殖模式下，氮、磷输入的来源比例会有所差异，但饲料和肥料通常是氮、磷输入的主要来源[16]。在孙云飞等[17]研究中，饲料分别占氮、磷输入的85.54%～93.38%、82.60%～84.26%，与本次试验差异较小。养殖生物也是氮、磷输入的重要项目，在孙云飞等[17]的结果中，分别占氮、磷输入的3.37%～9.07%、3.64%～5.63%，而在刘梅等[18]的研究中，分别占常规养殖模式氮、磷输入的(0.50±0.04)%、(0.46±0.03)%，后者与本试验差异较大，这主要是由于放养鱼苗的种类和放养规格不同会使占比产生差异。循环塘和对照塘氮、磷输入占比总体上比较一致，氮的输入依次为：饲料>养殖生物>初水体>降水>补水，磷的输入依次为：饲料>养殖生物>初水体>补水>降水。底泥沉积是池塘养殖系统氮、磷支出的主要途径，通常占总输入量的50%以上，其次是收获的养殖生物，一般占比也在20%左右[19]。本次试验中，对照塘采取常规养殖模式，底泥和养殖生物分别占氮、磷支出的59.65%、69.35%和28.39%、24.35%，与以上结论较为一致。在循环水养殖模式中，组合湿地是系统新的氮、磷支出项目，同时，通过湿地系统净化改善养殖环境，提高了养殖生物对氮、磷利用率，因此循环塘水体和底泥在氮、磷支出中所占比例低于对照池塘，减少了氮、磷在养殖池塘内的积累，降低了内源性污染水平，可进一步降低养殖尾水排放对外界水环境产生的负面影响。