华南地区尾水治理设施养殖场水质综合评价

陈亮东，江达均，关 歆，杨金兰，谷阳光

(1.广州市农业机械化技术推广站，广州 510220；2.中国水产科学研究院南海水产研究所，广州 510220；3.广东工业大学环境科学与工程学院，广州 510006)

池塘养殖水属低污染水体[1]，但日常换水和定期清塘时，养殖池塘和规模养殖场养殖尾水排放总量较大，根据第一次和第二次全国污染源普查结果[2，3]，水产养殖排放的氮和磷等污染物占全部水污染物排放量的百分比分别从1.74%和3.69%提高到3.26%和5.1%，水产养殖污染负荷不容忽视。随着绿色生态发展理念普及和日益严格的水生态环境保护要求，让养殖相关方日益重视养殖尾水治理。近年来，各地采用人工湿地等水生态技术等方式开展养殖尾水净化实验及推广尾水净化设施。现行养殖尾水中主要污染物评价仅采用单因子评价方式，难以克服受尾水治理规模和环境指标本底值影响，因此引入能反映多种水质指标的综合评价方法，可定性且定量地反映尾水治理设施的水质净化效果。国内研究者采用人工神经网络法、模糊综合指数法、灰色聚类模型和水质标识指数法等方法模型对江河等水质进行综合评价[4]，综合各评价方式的优缺点[5-8]，本研究采用单因子和综合水质评价对养殖尾水的评价方式，依据SC/T 9101-2007《淡水池塘养殖水排放要求》[9]，以池塘养殖主要污染物：总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(CODMn)为评价指标，综合评价分析华南某地市养殖尾水治理设施水质，以期建立养殖尾水水质和治理设施净化效果综合评价体系。

1 材料及方法

1.1 样品采集及检测分析

2020年10月、11月，在华南某地市按照养殖场地域分布随机抽样调查50个已建成尾水治理设施的养殖场，每个养殖场采集治理设施进水口、出水口水样(进水口和出水口位置分开，独立采样)，并现场记录养殖场及尾水设施情况，其中养殖场平均养殖面积26.6 hm2，详见图1。主要养殖四大家鱼[草鱼(Ctenopharyngodonidellus)、鲢(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙(H.nobilis)和青鱼(Mylopharyngodonpiceus)]、尼罗罗非鱼(Oreochromisniloticus)、斑点叉尾(Ictaluruspunctatus)、加州鲈(Micropterussalmonides)、黄颡鱼(Pelteobagrusfulvidraco)、鳗(Anguillajaponica)、尖塘鳢(Oxyeleotrismarmorata)和虾蟹等经济品类，34个养殖场以四大家鱼、罗非鱼和虾蟹为主要养殖品种，为混养或套养养殖模式，16个养殖场以叉尾、鲈、黄颡鱼、鳗、尖塘鳢和种苗为主要养殖品种，单养模式，详见图2。

图1 50个养殖场规模Fig.1 Area of aquaculture in 50 aquafarms

图2 50个养殖场养殖品种Fig.2 Aquaculture species in 50 aquafarms

养殖场尾水治理设施类型分类根据广东省农业农村厅发布的《2019年主推渔业新技术：池塘养殖水生态治理循环利用技术》，标准治理设施主要包括养殖池塘-排水渠(管道)-沉淀池—过滤坝(池)-曝气氧化池-生态净化池等处理工艺；简化治理设施主要包括养殖池塘-排水渠(管道)-生态循环池的处理循环流程。其中标准化治理设施养殖场22个，简易治理设施养殖场28个。尾水治理设施面积规模方面，其中标准治理设施中主养四大家鱼、罗非鱼的养殖场尾水治理约占总面积的6%，黄颡鱼、鲈和叉尾鮰等鱼类占8%，虾、蟹类分别占5%和3%，简易治理设施面积约占总面积的2%。不定期按需开启尾水治理设施。

采样过程参照HJ 495-2009《水质 采样方案设计技术规定》和HJ 493-2009《水质 样品的保存和管理技术规定》执行，监测指标选取参照SC/T 9101-2007《淡水池塘养殖水排放要求》[9]，及前期对该地区养殖水监测摸查情况，选取监测指标为TN、TP和CODMn，测定方法参照SC/T 9101-2007中测定方法要求[9]。

1.2 水质评价方法

尾水排放标准依据行标SC/T 9101-2007，此外水质分析还参照GB3838-2002《地表水环境质量标准》[10]。

1.2.1 单因子水质标识指数

参照文献[7，8]对水质标识指数法的应用，单因子水质标识指数Pi表达式：

Pi=X1.X2

(1)

式中：Pi为第i个监测指标的单因子水质标识指数；X1为该监测指标的水质类别；X2为该监测指标在X1类水质标准下限与上限值区间内分位数。X1.X2计算公式如下：

X1.X2=a+(Ci-C标下)/(C标上-C标下)

(2)

X1.X2=b+(Ci-C标上)/C标上

(3)

式中：Ci为第i项监测指标的实测浓度(mg/L)；C标上为第i项监测指标在水质标准区间的上限；C标下为标准区间的下限。

当监测指标实测浓度分别满足行标一级排放标准或二级排放标准时，适用计算公式(2)；即a分别为：a=1或a=2。当监测指标实测浓度大于行标二级标准时，适用计算公式(3)，即b=3。

1.2.2 综合水质标识指数

参照文献[7，8]对水质标识指数法的应用，综合水质标识指数IWQ表达式：

IWQ=X1.X2

(4)

1.2.3 空间变化定性评价

空间变化定性评价，分为基本不变、轻微变化、显著变化。计算公式如下：

IWQ(△X1.X2)=|(X1.X2)S1-(X1.X2)S2|/(X1.X2)S1

(5)

式中：S1、S2分别表示尾水治理设施后和设施前采样点，(X1.X2)S1、(X1.X2)S2为S1、S2采样点综合水质标识指数IWQ值。

当IWQ(△X1.X2)≤10%时，判定水质基本不变；当10%20%时，判定水质显著变化。

1.3 统计分析

使用SPSS 23对数据结果进行分析，采用配对样品T检验对进水口和出水口浓度进行显著性差异分析，P<0.05差异显著，P<0.01极显著。

2 结果与分析

2.1 各项监测指标及单因子评价

本次调查的50个养殖场尾水治理设施进水口、出水口水质各监测指标变化情况如图3。

图3 2020年养殖场池塘进水口及出水口监测指标变化情况Fig.3 Change of monitoring indicators along the inlet and outlet of the water treatment system*表示经配对样品T检验差异显著(P<0.05)，**表示极显著(P<0.01)。

TN：进水口平均含量从2.57 mg/L下降到出水口的1.77 mg/L，下降31%，其中，标准治理设施和简易治理设施养殖场平均含量分别下降42%和22%，配对样品均差异极显著。

TP：进水口平均含量从0.33 mg/L下降到出水口的0.13 mg/L，下降62%，其中，标准治理设施和简易治理设施养殖场平均含量分别下降68%和56%，配对样品差异均极显著。

CODMn：进水口平均含量从8.2 mg/L下降到出水口6.9 mg/L，下降15%；其中，标准治理设施和简易治理设施养殖场平均含量分别下降12%和18%，配对样品差异显著。

依据行标SC/T 9101-2007二级标准限值，采用单因子评价方法，即水质单项指标测定值大于养殖尾水限值时判定不符合尾水排放标准。全部50个养殖场中，进水口和出水口水质达标的养殖场从42个提升至48个，达标率从84%提升到96%。

2.2 水质单因子水质标识指数评价

Pi(TN)、Pi(TP)和Pi(CODMn)均有明显降低，大部分养殖场Pi(TN)<2。进水口Pi(TN)、Pi(TP)和Pi(CODMn)>2的养殖场个数分别为16、10和3，在出水口Pi(TN)、Pi(TP)和Pi(CODMn)>2的养殖场个数分别为10、1和2，如图4。说明在养殖尾水设施治理前TN和TP为主要污染物风险因子，治理后的养殖尾水主要的风险因子为TN。

图4 尾水治理设施进水口、出水口单因子水质标识指数评价(Pi)Fig.4 Water quality evaluation of inlet and outlet of the water treatment system

2.3 尾水水质综合水质标识指数评价

依据行标进行水质评价，影响养殖场尾水的单因子水质标识指数和综合水质标识指数评价结果见表1，综合水质标识指数评价见图5。

表1 尾水治理设施进水口、出水口水质标识指数评价

图5 尾水治理设施进水口、出水口综合水质标识指数评价(IWQ)

进水口和出水口IWQ>2数量分别为10和4个，占总养殖场数百分比从20%下降到8%。通过对比设施进水口和出水口IWQ(△X1.X2)变化，基本无变化(≤10%)、轻微变化(10%<△X1.X2≤20%)和显著变化(20%≤△X1.X2)分别占17个、14个和19个，分别占比34%、28%和38%，表明尾水综合水质不仅有效改善，综合水质污染风险较低。

3 讨论

3.1 养殖尾水水质污染特征

养殖尾水经过尾水设施治理，水质略劣于前期对该地区江河断面监测的水质状况(前期大部分河段达到地表水Ⅲ～Ⅳ类水标准)[11]，也与近1年来该地域主要省考和国考地表水考核断面水质Ⅱ～Ⅲ目标存在差距，净化后的养殖尾水对环境水体仍存在一定的压力。参照《淡水池塘养殖水排放要求》二级标准，本次调查的养殖场水质处于或劣于二级排放水标准(进水口水质Pi>2)的指标主要为TN和TP，分别占调查总养殖场的32%和20%，表明TN和TP为养殖尾水主要的潜在污染物风险因子，这与徐嘉波等[8]对上海地区淡水集中连片池塘调查结论类似。在工厂化大规模养殖中，养殖尾水污染物主要源于粪便排泄物和未充分利用的饲料[12]，以及底泥扰动引发上覆水释放氮磷[13]。因养殖尾水氮磷排放导致的周围环境水体富营养化威胁着水产行业健康发展[14]，需高度重视。

调查发现，11个养殖场进水口TP优于地表水Ⅲ类水标准(≤0.05 mg/L)，质量浓度较低(均值为0.03 mg/L)，但TN作为污染物风险因子且经治理设施后养殖尾水氮浓度仍较高，为解决这一课题，可通过提高待净化养殖尾水的氮磷比至浮游植物最适生长比，以促进浮游植物的生长[15]，浮游植物进一步为滤食性鱼类提供食物，即通过生态食物链且养殖效益增值的方式脱氮。

3.2 尾水治理设施净化效果

养殖池塘尾水治理设施占养殖面积的2%～8%，人工湿地去除氮磷等污染物机理比较复杂，包括湿地植物、基质和微生物通过物理沉降、化学及生物的协同作用降低水体污染物[16]。此次调查50个养殖场中IWQ指数得到改善(IWQ△X1.X2≥10%)的养殖场占比66%，说明尾水设施经物理沉降、曝气和水生动植物修复相结合的技术处理效果较好，且净化塘种植水生植物、过滤坝填充材料和曝气设施具备投资少、日常维护简易和消耗低的特点[17]，无需建造工业化的尾水处置设备和相应维护成本，在净化尾水的同时产出部分水生动植物，产生一定的经济效益。

现场调查发现，部分尾水治理养殖场引用水葫芦单一水生植物的方式构建人工湿地，这种方式构建的人工湿地容易导致水体缺氧、发黑发臭，加重水体富营养化和水域生态破坏等[18，19]，建议搭配和错峰种植凤眼莲、轮叶黑藻、黄菖蒲、金鱼藻等水生植物[20]，有条件的种植水芹菜、水蕹菜甚至水稻等经济蔬菜及作物[21，22]，适当养殖滤食性鱼类，在保持对尾水氮磷净化稳定性的基础上，提升和稳定尾水治理设施净化效果[23]，在产生经济效益同时兼顾生态效益。

3.3 不同类型尾水治理设施净水效果分析

通过对进水口和出水口水质综合评价，经标准治理设施净化后养殖尾水在TN和TP的单因子水质标识和IWQ指数改善上显著优于简易治理设施，在较大规模养殖场养殖尾水治理呈现更优的处理效果。湿地系统净化效果受规模、进水理化特征、环境条件和水利条件等多方面因素影响[24]。一般情况下，湿地对污染水体脱氮主要是依靠微生物的硝化与反硝化作用[25，26]，微生物除氮是湿地系统对低污染水体主要的除氮途径[27]，更有学者对湿地的研究表明微生物除氮率高达59%[28]。由于硝化与反硝化菌存在细菌世代的问题，实际运用中须考虑污水停留时间，HUETT等[29]发现污水停留时间在3.5～7 d时有良好的净化效果，国内针对多级人工湿地-塘组合系统去除低污染水体污染物研究中水力停留时间达到4～5 d时，能够取得较好的净化效率[30]，标准尾水治理设施设置独立的沉淀池、过滤坝、曝气池、生态池，净化沿程更长，在物理沉降、曝气增氧、微生物作用、生物吸附等方面具备优势，从而更能有效降低养殖尾水中氮磷的降解。Abe等[27]研究发现微生物作用和沉降吸附分别是去除氮和磷的主要机制。对不同类型湿地系统处理效率对比发现，垂直湿地系统呈现更好的治理氮磷等污染物效果[31，32]。针对部分治理后尾水TN和TP仍为污染物风险因子的养殖场，可采用复合垂直流人工湿地替代水平潜流人工湿地，此外对养殖尾水模拟研究表明，增加曝气时间能有效提升氮磷及化学需氧量的去除率[33]。综上，在尾水设施后续维护升级及曝气等运行参数上，还有进一步优化空间以降低养殖尾水氮磷含量。

此外，根据现有尾水设施建设技术指引，龟鳖类等排污高养殖品种现行做法主要为提高治理设施占比面积，以实现高污染物养殖尾水水质净化。王珵瑞等[34]研究表明多级生态藕塘构建的湿地系统对高污染物浓度的养殖废水能够起到良好稳定的净化效果，建议养殖尾水排放污染物浓度较大时，净化湿地除了采用复合垂直湿地系统、优化治理设施面积和尾水滞留时间等参数外，还可探索诸如莲藕等净化效果好且具备较好经济价值的水生植物，兼顾环境和经济效益。

4 结论

以TN、TP和CODMn作为参评因子，对50家养殖场进水口和出水口的单因子水质标识指数评价，养殖水主要污染物风险因子为TN和TP，经过尾水治理设施后TN为主要污染物风险因子。综合水质标识指数评价发现，池塘养殖水经过尾水设施净化，各项排放指标和综合水质(IWQ指数)得到明显改善，部分养殖场能达到地表水Ⅲ类水标准，经过治理设施的综合水质污染风险较低。