海水养殖尾水防控技术研究进展

李 楠,胡超魁,王 昆,杜 静,赫 健,吴金浩

( 辽宁省海洋水产科学研究院,辽宁 大连 116023 )

我国作为世界海水养殖第一大国,养殖面积和产量均占全世界的60%以上[1-5]。水产养殖过程中或养殖结束后,由养殖体系(包括养殖池塘、工厂化养殖车间等)直接或间接排放到受纳海域水体的部分称为养殖尾水[6]。我国海水养殖企业遍布沿海各省市及乡镇,在海水养殖产业为企业及渔民带来可观经济收入的同时,养殖尾水中的污染物也被排放至邻近海域中。养殖尾水排放后若不及时处理会使周边环境状况恶化,影响养殖企业水源的安全并造成养殖生物的品质下降,进一步可能导致消费者对海水养殖产品和海水养殖业的信任降低。目前,消费者对海水养殖产品的营养和品质有更高的要求,对海水养殖产品的环境安全也越来越重视,集中体现在对海水养殖环境、海水养殖标准化、绿色原生态养殖等多个方面的关注[7]。政府应加强对海水养殖户的质量安全管制,提高养殖户的质量安全意识,并针对不同经营特征的养殖户推荐差异化的尾水防控措施以确保养殖尾水得到有效处理,从而保障海水养殖产品的质量[8]。全国水产技术推广工作“十四五”规划明确提出,要改善养殖环境,保障海产品质量安全,提高海水养殖业的管理水平等[9]。基于我国海水养殖产业目前状况以及对养殖尾水污染防控的实际需求,笔者总结我国海水养殖现状及其对海洋生态环境的影响,并主要针对池塘和工厂化养殖综述了我国沿海地区常见的养殖尾水防控技术及工艺,包括多品种生态混养、池塘底排污、池塘内循环生态养殖、生物絮团、微生态制剂调水、人工湿地、藻类藕联等尾水控制技术中的经典工艺及近几年比较推荐的新兴技术,分析这些技术的原理和特点及其在不同类型养殖尾水处理实践中的应用和发展趋势,以期为未来海水养殖尾水的高效处理提供有益参考。

1 我国海水养殖现状及生态环境影响分析

我国沿海的11个省级行政区均有海水养殖活动,根据《中国渔业统计年鉴》[1-5],2020年我国海水养殖面积达199.56万hm2,养殖产量由1988年的249.3万t持续增至2020年的2135.3万t,32年共增长约7.6倍;另一方面,在我国日益严峻的渔业资源状况及愈发严格的禁渔休渔政策条件下,海洋捕捞量已呈下降趋势,海水养殖获得的产量占海洋渔业总产量的64.4%,发展海水养殖业是未来我国广大人民群众获得优质渔业产品的最主要途径[10]。海水养殖类型主要包括池塘养殖、工厂化养殖、开放式用海养殖(普通网箱、深水网箱、筏式、吊笼和底播)等,其中池塘养殖和工厂化养殖的养殖尾水污染情况最为普遍[10-12]。2009—2018年,我国海水池塘养殖总产量由158.29万t升至246.65万t[3,13],总体保持增长态势。从地区分布看,辽宁、河北、天津、山东、江苏、浙江、福建、广东、广西、海南和台湾11个省市均有大量成规模的海水池塘养殖区[3,14]。从海水池塘养殖品种看,有凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)、花鲈 (Lateolabraxmaculatus)、拟穴青蟹(Scyllaparamamosain)、三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)、仿刺参(Apostichopusjaponicus)、黄鳍鲷(Acanthopagruslatus)等[1-5]。工厂化养殖也是我国海水养殖的重要组成部分,2015—2020年,我国海水工厂化养殖面积大幅增长了39.2%,养殖总产量增加了59.5%[10],工厂化养殖的主要品种一般为高经济价值的鱼类、甲壳类及其他品种[仿刺参、光棘球海胆(Strongylocentrotusnudus)]等,养殖密度大,换水周期长。海水养殖过程中,投入的饲料被养殖生物摄食、吸收、利用后,会产生残饵、粪便、代谢物等,这些物质降解过程中导致养殖水体中有机物含量升高,氮、磷总量相应增加[11],最终随养殖尾水排入外部海域。这个过程易造成水体富营养化,是引发赤潮的根本原因之一。目前,根据投入品来源,产生的主要特征污染物需监测以下指标:化学需氧量、悬浮物、pH、氨氮、总氮、总磷等[6,15-16]。池塘养殖尾水排放主要集中在清塘、夏季高温季节、收获及其他特殊需要换水的期间[17],目前我国海水池塘养殖尾水大部分未经处理或经简单处理后直接排放入海。类似于海水池塘养殖,养殖尾水如果在工厂化养殖企业内部的净水设备不完善或未正常运转条件下排放至外部水体,通常并未达标,同样会对邻近海域的环境造成污染[18]。随着社会进步和经济发展,我国在治理渔业污染方面的需求日益显著,针对海水养殖尾水的防控技术亟待广泛应用并升级[19]。

国内外已有诸多学者对海水养殖造成的污染情况进行了分析,如:Bouwman等[20]研究认为,在鱼虾贝的养殖过程中,鱼类、虾类、贝类固体饵料的氮、磷吸收率分别占36%、33%,25%、10%,33%、22%;陈敏等[21]的研究表明,海湾扇贝(Argopectenirradians)养殖是近岸水域无机氮浓度增加的重要影响因素,建议在养殖中控制贝类养殖量并缩短养殖周期;Wang等[22]发现,在大西洋鲑(Salmosalar)养殖污染排放过程中,饲料营养元素氮、磷排放量占62%、70%;王东石等[23]研究发现,养殖业自身的污染对沿岸水域产生了明显的负面影响,虾类养殖过程中,管理较好的虾池也会有30%的残饵未被摄食,而其中有12.8%的氮和4%的磷释放到养殖水体中,最终排入邻近海域;Yokoyama等[24]在网箱养殖区的调查中发现,所采集沉积物中残饵和鱼类粪便占沉积物总有机质的比例分别为28.8%和11.9%;Yang等[25]研究发现,池塘养殖存在短期集中排放的问题,以福建省闽江口虾池集中排放期为例,可导致邻近海域总氮浓度增加270%、总磷浓度增加234%;Wang等[26]的研究还指出,由于沉积物中有机质降解相对比较慢,养殖活动对海水环境的影响会产生明显的累积性和滞后性,在外源营养盐输入降低后仍会通过沉积物中的有机质降解释放氮、磷等营养物质。

近年来海水养殖产品的质量安全日益受到关注,但养殖过程中的内源性污染问题日趋严重[27],养殖尾水若得不到及时有效地处理,排海及回用后会影响甚至污染养殖生物的生存环境,从而造成养殖生物生长缓慢、病害频发、水产品质量下降等严重后果[19]。曾瑞娟等[28]研究表明,通过生物学等技术的应用,基于生态系统各营养级,能够使沉积的生物粪便、残饵中存在的有机质得以有效分解,促进物质循环速度加快,有效改善养殖环境;Virkutyte等[29]通过多种反硝化方法,可实现从养殖池塘高效去除总有机碳和硝态氮,有效改善养殖池塘的生态环境;Anh等[30]通过研究越南胡志明市的海水污染、沉积物污染与养虾池之间的关系,指出通过尾水防控技术可以减少密集养虾场的污染,并确定了经济上的可行方案。因此,海水养殖尾水高效防控技术的广泛采用,能有效控制海水养殖全过程中污染物的产生、处理和排放,对海洋生态系统健康和渔业经济稳定发展意义重大。

2 海水池塘养殖尾水污染防控技术

近年来,全国各地围绕“提质增效、减量增收、绿色发展、富裕渔民”目标,在提高投入品的转化利用、增加产出等方面积极探索,建立了多种因地制宜、各具特色的节能减排技术、模式或措施[31-32],如多品种生态混养、池塘底排污、池塘内循环生态养殖、浮性饲料投喂、生物絮团、微生态制剂调水以及在线监测控制等。这些成果的取得为渔业绿色发展提供了强有力的支撑,在我国部分沿海地区已有一定规模的推广应用,具体海水池塘养殖的尾水处理应根据实际情况选择或组合应用以下控制技术及工艺。

2.1 内循环养殖技术

在海水池塘生态养殖过程中,循环水养殖技术目前应用比较广泛。郁蔚文等[33-34]研究表明,内循环养殖技术将池塘养殖区分隔成流水养殖池(区)和生态净化池(区),利用微孔增氧的方式和导流(壁)板推引水体进行定向流动,并在流水养殖池(区)的末端对养殖池的固形废弃物利用集排污装置进行集中收集[17],根据实际养殖情况,可在生态净化池内进行滤食性鱼类套养、水生植物种植等模式对养殖废水进行沉淀和净化后再进行循环使用。通常可在2%～5%的池塘水面上修建一系列带气浮、推水、曝气和集排污装备的水槽,作为类似“工业化”的高密度养殖处理区,并在其余95%～98%的池塘水面上进行改造后作为生态净化区对经过前段处理的养殖尾水进行生物净化及处理。内循环养殖技术和模式将传统“开放式散养”池塘养殖模式升级为“生态式圈养”循环流水模式,提高了生产效率,并具有占地面积少、排污量小的特点,是一种集高密度、高产量、高投入、高收益的“四高”养殖模式,符合未来水产养殖业结构调整的大趋势[33,35-36]。池塘内循环养殖技术也存在一些应用局限性,包括启动成本相对较高、管理精细化程度要求高、必须有稳定电源供应等。实际应用中,此项技术对养殖管理人员的要求较高,除养殖技术外还必须精通其他的技术,能及时排除主要水电设备的故障,实时保障池塘内循环各工艺段的正常运行。

2.2 预处理+人工湿地技术

预处理+人工湿地技术是基于经标准化改造后的海水养殖池塘,采用物理、化学及生物等水质净化措施,构建生态沟渠和净化池塘等湿地的尾水处理技术。张诗涵等[37-39]利用生态净化作用对池塘养殖尾水进行水质净化,争取实现尾水回用和循环水养殖模式,大幅减少养殖用水的排放量,达到海水池塘养殖区的生态小循环效果。结合我国的实际情况,在海水池塘养殖较为密集的乡镇地区,首先通过面源集中的原则,将各分散的养殖池塘养殖尾水通过管道、沟渠等集中至几条主要的排水途径上,再将其引入生态沟渠和净化池塘等湿地区域进行净化。钟非等[40]认为,湿地内可以构建水力停留时间较长的沟渠,栽种养殖区本地固有的一些滨海湿地水生植物,争取利用自然净化和生态净化作用,同时在工艺段上尽量减少化学和生物药剂的投放量和频率。经过人工湿地处理后的养殖尾水,达到既可以循环回用,又可达标排放的处理效果,最终实现池塘养殖品种健康生长和养殖尾水达标排放“兼得”模式。预处理+人工湿地技术也存在一些缺点和应用局限,具体包括受气候温度影响较大,占地面积大,基质易堵塞,易受植物、基质、水力负荷、运行方式影响等。笔者建议,各沿海地区在应用此项技术的过程中,可采取适当的保温措施(地膜覆盖等),合理规划占地面积,加强对尾水的预处理以防止基质堵塞,选择合适的间歇运行方式等措施来有效保障预处理+人工湿地技术的顺利实施。

2.3 多品种生态混养技术

多品种生态混养技术是在同一海水养殖池塘内利用养殖生态位互补的动植物实现养殖用水的循环利用和养殖环境的生物调控的一种技术[41-42]。如虾参生态高效混养模式、多品种混养模式、“凡纳滨对虾-三疣梭子蟹-菲律宾蛤仔(Ruditapesphilippinarum)-大菱鲆(Scophthalmusmaximus)”海水池塘多营养层次生态健康养殖模式。陈高峰等[43-46]在这些养殖模式中综合利用微生态调控、生物预防及控制、营养调节、微孔增氧及质量安全保障等关键技术,均达到了理想的混养及氮磷控制效果。多品种生态混养技术的局限性在于实施之前必须充分掌握各养殖品种之间的生态关系及对养殖效果的影响,混养动植物种类越多,生态系统越复杂,应根据生态位合理搭配混养动植物种类、优化各养殖品种的放苗时间及数量,逐步构建健康高效的多品种生态混养池塘生态系统。

2.4 底层微孔增氧技术

通过在海水养殖池塘底部安装高分子材料的微孔增氧管,以构建水体底层的“人工肺叶”增氧设施,可有效改善底层养殖水体内溶解氧状况;同时高分子材料制成的微孔增氧管曝气孔孔径仅有20～30 μm,相较于传统曝气可产生比表面积更大的微细化气泡,在养殖水体中呈烟雾飘散状,接触面积更大,上浮速度更慢,左明等[47-49]利用此项技术使海水池塘养殖的增氧效率大幅度提高;海水池塘水体溶解氧水平从表层至底层均得到显著提升,黄小香[50]研究也表明,底层微孔增氧技术有效地增强了营养类物质在整个池塘水体内的循环利用率。在我国部分易缺氧的海水养殖池塘可考虑推广此项技术和工艺,改善池塘内水质状况,提高池内溶解氧含量,使鱼类、虾类、海参等的养殖环境内营养物质的循环利用率得到提高。底层微孔增氧技术有诸多优点,但同时也存在一些缺点和技术局限性,如对表层水体的增氧效果没有传统叶轮式设备效果好、搅水能力比水车式设备略差、安装较复杂且初期投资大,具体应用过程中应结合养殖池塘的实际需要进行选择和配置。

2.5 气动循环养殖技术

气动循环养殖技术是在传统海水养殖池塘的基础上实施改造并增设附属池,改变其全工艺段上增氧、排污、循环、处理等结构布局。戴慧婷等[51]研究表明,以微孔增氧产生的气泡进行循环推动,促进养殖池及附属池之间的水体循环,同时配备尾水集中收集及处理系统,最终可实现尾水循环利用或达标排放。钟传明等[52]在虾池进行的相关试验表明,与传统类型养虾池塘的排污方式相比,应用气动循环技术的养殖池塘可节水90%以上,综合节能也可达50%以上。在我国部分污染较为严重而且取水较为困难的海水养殖池塘中,可以考虑采用此工艺技术进行试验和探索,其优点是节水节能,但相对初期投入的设备成本较高,后期运行及维护需要配备专业的技术人员。综合来看,气动循环养殖技术投入使用后,可显著改善海水养殖池塘的水质状况,提高养殖生物的品质,其定期排放的养殖尾水的污染状况可得到有效改善。

2.6 微生态制剂应用技术

微生态制剂相关技术的核心是益生菌类的活菌制剂,该技术首先需要制备有益的生物制剂(活菌制剂),部分类型的生物制剂还含有其代谢产物及添加有益菌的生长促进因子等,均能够有效改善水体状况。微生态制剂主要功能包括:改善海水养殖池塘内高值养殖品种机体内外的微生态平衡,提高养殖品种对饲料的转化率,抑制养殖水体内的病原菌。吕永辉等[53-55]的研究中合理利用了微生态制剂,从而提高了多种海水养殖品种对常见病害的抵抗力。水产养殖业中,常用的微生态制剂包括硝化细菌、光合细菌、芽孢杆菌、放线菌、乳酸菌、酵母菌等,曲木等[56-57]根据养殖水体的实际情况选择应用以上菌剂,均取得了理想的水质改善效果。微生态制剂也有一些缺陷和应用限制。自然养殖条件下的许多因素会影响微生态制剂的使用效果,如天气、水温、水质条件和养殖生物种类等,使用效果差异很大;另外,微生态制剂要在避光、低温(5～15 ℃)条件下保存,达不到这一保存条件,会造成产品菌种含量达不到商品标签上注明的含量,从而影响使用效果;有些菌种投进水体后大量繁殖,会迅速消耗氧气,因此使用时最好开启微孔增氧或使用增氧剂,避免造成养殖池塘缺氧。

2.7 生物絮团技术

生物絮团技术是通过调控养殖水体的营养结构,向养殖水体中添加有机碳类物质,调节水体中的碳氮比值,促进异养细菌在水体中的繁殖效率,利用微生物同化水体中的无机氮,最终可将水体中的氨氮等营养盐成分转化为细菌自身结构,并通过细菌絮凝作用形成颗粒状物质被养殖池内的高值养殖品种所摄食,起到维护水质环境稳定、减少换水体积、提高养殖成活率、增加养殖品种产量及降低饲料系数等作用的一项新技术。张美彦等[58-59]在养殖池中合理应用此项技术,有效降低了饵料系数和氮、磷含量。生物絮团技术被认为是解决水产养殖产业发展所面临的环境制约和饲料成本问题的有效替代技术,利用该技术可在海水池塘养殖过程中分解投喂的残饵及养殖生物体产生的粪便,将水体内的氨氮、亚硝态氮等转化为蛋白质供给养殖生物,同时抑制有害微生物的生长。王仁龙等[60]研究表明,生物絮团技术可有效提高池塘内高值养殖生物的免疫力。但生物絮团技术也存在一些问题,如生物絮团微生物组成复杂、稳定性差,养殖后期生物絮团若不能被养殖生物所摄食,大量絮团累积增加耗氧会影响养殖生物呼吸,同时絮团也存在老化沉降腐败等问题。该技术目前在封闭(可控)水体中应用效果比较明显,在开放式养殖水体条件下的应用还受到很多其他因素的限制。对于海水养殖池塘这类封闭水体,生物絮团技术是非常适合的,具体可以与前文所述微生态制剂相结合,在一些换水频率不高的海水养殖池塘进行应用,通过人工调节水体总碳氮比,改善池塘内的水质微环境,促进养殖生物品种利用池塘内的氮、磷及有机物质,在提高养殖生物品种品质的同时,可有效降低养殖尾水排放量。

2.8 池塘“底排污”工程技术

池塘“底排污”工程技术是在养殖池塘底最低处设置排污口、拦阻网,通过排污口、排污管与固液分离池连通,养殖尾水经物理、生物生态等净化处理后,达到养殖用水标准后循环使用,实现养殖水体生态循环的一项技术[61-63]。此项技术应该与内循环养殖技术及预处理+人工湿地技术相结合使用,从全国各地的养殖池塘来看,池塘的污染物很多都沉积和富集于底泥当中,相当于底泥不断向水体当中扩散或释放污染物,所以很多海参及其他鱼类、虾类品种的养殖池塘都需要定期进行“清底”,以彻底改善池塘内的生态养殖环境,使得海水养殖池塘的水质更好,养殖品种更加健康。吴仁福[64]研究表明,与传统的清塘、晒塘、消毒等清淤方式不同,池塘底排污技术可以在较长甚至长达一年以上的时段内保持养殖池塘底质环境轻污染状况。对于一些相对受底质扰动影响较大的养殖品种,可以考虑采用其他尾水污染控制手段,而对于底质扰动影响较小的养殖品种,建议与内循环养殖技术及预处理+人工湿地技术相结合进行推广,可以从根本上改善养殖尾水的污染状况。

3 海水工厂化养殖尾水污染防控技术

针对海水工厂化养殖尾水的外排部分,应推进连片海水养殖工厂化区尾水的集中处理模式,在技术和工艺上可将此类处理技术归纳为海水工厂化养殖尾水的异位处理技术[65],也就是在脱离养殖尾水的生产单元外进行处理;相对而言,由于工厂化养殖往往是在具有较高自动化程度的车间或厂区内进行,故经过合理化升级改造,工厂化养殖尾水是可达到处理后直接回用或部分尾水达标后直接外排(大部分回用)的程度,也就是海水工厂化养殖尾水的原位处理技术[18,65]。从长远看,海水工厂化养殖尾水的原位处理技术更符合绿色生产理念,可在未新增附加养殖尾水处理设施及工艺的条件下完成达标排放,是未来工厂化养殖应推广的绿色减排技术。但鉴于目前我国的实际情况,海水工厂化养殖企业一般并不能达到原位处理的技术和能力条件,所以海水工厂化养殖尾水异位处理技术仍然将作为主要技术措施在本研究中进行介绍。

3.1 海水工厂化养殖尾水原位处理技术

海水工厂化养殖尾水原位处理技术通常在循环式或半循环式海水工厂化养殖体系中进行应用,末端产生的养殖尾水经过机械过滤、蛋白分离、生物接触氧化、消毒增氧及调温等工艺段处理后,可进行循环或部分循环后进行系统回用。该技术的关键点包括以下几个方面(图1):(1)机械过滤装置的效率及抗腐蚀性;(2)生物处理段的氧化效率;(3)消毒增氧方式的选择;(4)处理后水体回用的调温方式。

图1 工厂化养殖尾水原位处理模式流程Fig.1 Flow chart of in-situ treatment mode of industrialized aquaculture wastewater

海水工厂化养殖中采用的物理过滤目前主要分为机械过滤和泡沫分离两类,其中常用的养殖尾水机械过滤装置主要是微滤机和弧形筛这两种形式,常用的泡沫分离设备则通常在气浮机和蛋白质分离器这两种之间选择。在微滤机方面,常用的又有4种形式:转鼓式、转盘式、格栅式和履带式,其中海水养殖尾水处理普遍采用转鼓式和履带式微滤机[65]。在机械过滤装置的长期运转过程中,过滤装置的过滤效率和耐腐蚀性是整个工艺段的核心问题。由于考虑到过滤装置长期在海水中工作,其各金属部件对耐腐蚀性的要求极高,故除了塑料部件外,必要的金属部件均由不锈钢(316L)材质制成。另一方面,王志敏等[66]认为,泡沫分离方式中气浮机及蛋白分离器装置的相关技术已很成熟,技术关键点即为如何保证微细气泡的持续产生以及其射流距离。在选择气浮机及蛋白分离器装置的型号时,应根据实际情况,确认好总水体体积、养殖密度、养殖品种、海水来源、气温等实际工厂化养殖状况后再进行匹配选型,根据不同的养殖负载,选择不同的设备装置型号。

生物接触氧化单元是海水工厂化养殖尾水原位处理技术的核心,此工艺段的主要作用是通过生物作用降低养殖水体中氨含量,达到回用水标准,以增加养殖用水的回用率。生物接触氧化单元主要是由微生物的附着基质及微生物共同组成,微生物附着基质的形态和来源比较广泛,可以是有机材料、无机材料及复合材料等,形状上也无固定形式,可以是颗粒状、球形、棒状、环状等。目前水产养殖常见的微生物群落的附着物基质具体有活性炭、沸石、陶瓷环、纤维球、高分子材料等,何春丽[67]研究发现,这些附着物可以为硝化细菌和反硝化细菌提供充分的附着场所,均具有比较大的比表面积。同时微生物群落的附着物基质还应该具有较高的机械强度,在海水养殖过程中不会因为较大水流及长期使用而碎裂或变形等。另一方面,海水工厂化养殖所需的总水体量较大,同时养殖海水的温度、盐度、pH等指标均应保持在较稳定的范围内,从而保证微生物处于良好的生理状态下,可达到对养殖用水(循环水)中的氨等污染物的稳定降解作用。在海水工厂化养殖过程中,生物接触氧化池中微生物主要以定向自然繁殖为主,一般是采取在现有的生物接触氧化池中加入一定量的氯化铵和亚硝态氮,然后进行曝气和定向培养微生物菌群[68-69]。乌兰等[70]在实施一定时间的定向培养过程后,通过检测海水养殖水体中的碳氮比及NH4+等浓度情况,即可判断生物接触氧化段的熟化程度是否达到工艺要求,从而投入使用。

经过生物接触氧化单元后,海水还需要经过消毒增氧装置进行消毒和增氧处理,消毒工艺主要可以分为物理消毒(紫外光辐照)和化学消毒(通入二氧化氯、臭氧等过氧化剂)这两大类,海水工厂化养殖中常用的是物理消毒法(紫外光辐照结合臭氧)。姜妍君等[71]认为,该技术的关键是需要控制好消毒的时间和距离。另外,经过消毒过程后,养殖循环的海水还需要进行增氧操作,主要是考虑工厂化养殖过程中,由于养殖品种养殖密度非常大,会导致水体中溶解氧含量较低,需要在消毒工艺段后进行增氧。通常是利用空气压缩机通过管道对养殖水体进行曝气,使海水养殖水体中溶解氧含量保持在6 mg/L以上。高晓田等[72]认为,养殖水体中的溶解氧含量充足,可促进养殖生物的生长速度加快,保持养殖水体内各水质指标更稳定,缓解养殖密度过大带来的胁迫效应。

经过过滤、生物接触氧化及消毒增氧后的养殖循环水还需要进行调温,曾本和等[73-74]总结其原因是海水工厂化养殖的品种一般都是高值品种,对生长温度的要求较高,如果经前面几个工艺段处理后的循环海水温度过低或过高,会直接影响养殖品种(主要是鱼类)的存活、生长和摄食。实际海水工厂化养殖过程中,可采用冷水机组对养殖水体进行降温后再进行循环回用,也可根据实际情况采用热泵机组对养殖水体进行升温后再进行循环回用[75],调温后的养殖循环水体可回注工厂化养殖区进行回用,节约工厂化养殖用水量。但这些技术及方式面临能耗较高的问题,李竞超[76]研究的太阳能调温等技术在这方面可能为海水工厂化养殖提供经济有效的能源解决新方案。我国工厂化养殖业(高值鱼类、虾类、海参等)可根据实际条件,在具备推广此类条件的工厂化养殖区域建立原位处理技术示范厂,逐步进行试点和推广此项技术。

3.2 海水工厂化养殖尾水异位处理技术

海水工厂化养殖尾水原位处理技术虽然具有诸多优点,符合绿色海水养殖的发展趋势,但在目前阶段仍然存在处理设备集成度高、造价高、能耗高等实际问题,海水工厂化养殖尾水异位处理的设计理念是将养殖尾水引出养殖系统,利用各种方法处理养殖尾水后循环使用或直接排放[77]。我国许多海水工厂化养殖企业在设计初期并未引入原位处理的技术概念,所以以下几种工厂化养殖尾水异位处理技术可能仍然是目前工厂化养殖尾水进行污染控制的主要方式。海水工厂化养殖尾水异位处理技术也有其优点,包括营养素利用充分、系统稳定、维护方便等,从技术大方向上可分为物理法、化学法和生物法,按具体的处理工艺可分为生物浮床技术、人工湿地技术、生物絮团技术、藻类藕联技术等。

3.2.1 生物浮床技术

生物浮床技术在我国多应用于淡水池塘养殖的尾水处理工艺中[78],具体是在池塘水体上部搭建浮床,以水生植物为主体,运用无土栽培技术原理,以高分子材料等为载体和基质,应用物种间共生关系,充分利用水体空间各生态位和营养生态位,从而建立高效人工生态系统。本技术可用来削减水体中的污染负荷(氮磷等营养素),鱼菜共生模式是生物浮床法的典型具体形式,李海燕等[79]在虾池搭建框架式浮床水培空心菜,证明水培空心菜生长好于土培空心菜,并取得了11.90 g/m2的总氮及1.11 g/m2的总磷移除率。李志斐等[80]研究表明,海水养殖生物浮床技术中一般应选择海水养殖区本地原有的植物类,并应挑选根系发达、耐盐碱、温度耐受度高的本地水生植物。因此根据海水工厂化养殖企业所在地的自然状况,选择性地栽种本地耐盐碱、温度耐受度高的海水耐受性植物,可达到自然生态净化的效果。

3.2.2 人工湿地技术

人工湿地技术是利用土壤、植物和微生物组成的生态系统对养殖尾水进行处理的一种异位处理技术,利用构建的生态系统将引入养殖尾水中的氮、磷、悬浮物等通过物理、化学和生物作用进行处理[81-82]。人工湿地技术中目前应用较多的主要是红树林人工湿地。仇建标等[83]研究表明,红树林是近岸海洋系统的“清道夫”,可有效对海水中污染物进行吸附及降解,是一种比较成熟的养殖尾水异位处理技术。但由于红树林主要分布在亚热带和热带地区,在我国主要分布在浙江省及以南的沿海地区,对于北方的海水工厂化养殖显然不能直接照搬利用。在北方地区,目前有张海耿等[84]利用细沙、芦苇、蛭石等构建人工湿地,并取得了不错的海水工厂化养殖尾水异位处理效果。笔者认为,海水工厂化养殖尾水在外排过程中,如果构建人工生态湿地,选择各海水养殖区本地土著植物为宜。

3.2.3 生物絮团技术

生物絮团技术一般是通过调节养殖尾水中的碳氮比,从而增加尾水水体中异养微生物的数量和活性,利用微生物作用将养殖尾水中氮元素(氨氮)转化为微生物本身的蛋白质,从而形成絮状物质。而且,转化生成的絮状物质还可以被养殖生物利用和摄食,进而有效控制养殖水体中氮元素含量。Burford等[85]的研究表明,养殖过程中投喂的饲料中约75%～80%的氮元素以粪便和代谢物的方式进入水体,另有约10%～20%的饲料由于未被摄食而溶于水体中。生物絮团技术可将水体中的多余氮元素转化为菌体蛋白,鱼虾等养殖生物会摄食粒径合适的生物絮团颗粒,从而实现蛋白的再利用并降低了饵料系数。李爽等[86]采用生物絮团技术,有效地控制和降低了工厂化海参养殖池产生尾水中营养元素(氮、磷)的含量,提高了目标水体中微生物的代谢能力。但此项技术对维护要求较高,王晓用等[87]在处理养殖废水的研究中,对生物絮凝工艺的定期跟踪及维护要求进行了详细阐述。针对海水工厂化养殖尾水的生物絮团技术与海水池塘养殖部分提出的此项技术基本类似,对于海水工厂化养殖尾水的异位处理,可以将生物絮团技术与其他工艺技术相结合,可以取得更理想的氮、磷等去除效果。

3.2.4 藻类藕联技术

藻类藕联技术是利用藻类在海洋中高适应性及生长迅速等特点,将其引入养殖尾水的处理过程中,可有效降低尾水中的无机氮和活性磷酸盐含量,此技术的核心是将藻类与其他养殖生物进行优化组合-藕联,从而发挥最优的处理效果[88]。目前国内常见的藻类藕联技术包括“虾-贝-藻”、“鱼-贝-藻-参”等。毛玉泽等[89]将大型藻类与海水养殖过程相结合,使养殖尾水中氮、磷等被充分利用,变废为宝,取得了理想的混养效益。但通过藕联结合的养殖体系内生物类型多样,体系变得复杂,会产生各种生物容量和生境难以调和的问题。张继红[90]研究也表明,藕联结合的小生态系统变得更加不稳定和脆弱,这是需要科技人员及从业者进一步研究和探索的方向。藻类藕联技术与海水池塘养殖中的多品种生态混养技术相类似,对于海水工厂化养殖尾水的异位处理技术,提供了一个生态思路的解决途径,实际可结合其他养殖品种进行试点和示范养殖等方面的尝试。例如,尝试鱼[大菱鲆、褐牙鲆(Paralichthysolivaceus)]+贝(菲律宾蛤仔)+藻类+参(仿刺参)的养殖模式,也间接将海水池塘养殖和海水工厂化养殖的尾水串联起来进行综合处理,相当于同时结合了人工湿地、多品种混养、藻类藕联等技术的优势,为我国海水养殖尾水处理提供了一个新思路。

综合来看,全国海水工厂化养殖模式使水产养殖实现了从农业向工业化的逐步转变,但带来的养殖尾水处置问题也是目前和未来工厂化养殖发展的瓶颈问题。整体上看,养殖尾水处理工艺和技术的高效性、高回收率、低能耗、通用化、集成化等都是本技术能否快速发展和普及的关键因素,而这些方面又与材料科学、生物技术、信息自动化等科学技术的发展密切相关,广大渔业养殖从业者都迫切希望此类工厂化养殖尾水处理技术的尽早成熟和广泛应用,从而带来更好的经济效益、社会效益和生态效益。

4 建议与展望

海水养殖尾水防控技术及相应管理政策的有效实施,不仅具有良好的生态效益和社会效益,还具有较大的经济效益。通过标准化养殖提高水产品质量,通过科学化控制推动产业转型,最终实现提升渔业水域生态环境质量,加快构建现代渔业发展体系,推动我国现代渔业快速、健康、可持续发展的目标。鉴于此笔者提出以下几个方面的建议与展望:

(1)加强海水养殖污染防治和水生生态保护;优化水产养殖空间布局,依法科学划定禁止养殖区、限制养殖区和养殖区;推进水产生态健康养殖,积极发展大水面生态增养殖、工厂化循环水养殖、池塘工程化循环水养殖、连片池塘尾水集中处理模式等健康养殖方式,推进多品种混养等生态循环渔业模式。

(2)推动出台各地海水养殖尾水排放标准,加大养殖企业主体和乡镇政府对养殖尾水处理设施的投入和运行管理。大型养殖企业进一步加强管理,保障养殖尾水处理设施运行效果;中小型养殖企业(养殖户)进行必要的设施改造升级,从制度上保障海水养殖直排海尾水达标排放。另一方面,推动海水池塘养殖和工厂化养殖原位处理技术方案实施及生态化改造,结合重点养殖污染区域及其邻近海域海洋环境监测结果,改善养殖基础设施条件,投建经济合理的养殖尾水处理设施,从技术角度保障海水养殖直排海尾水达标排放。

(3)统筹做好海水养殖尾水监测工作,建立海水池塘及工厂化养殖水质综合监控体系;做好开放式用海养殖邻近海域海洋生态环境监测工作,建立养殖尾水排放口预警监控体系,及时准确掌握养殖水体和邻近海域海洋生态环境状况。必要时可考虑在重点监测区域安装海洋环境在线监测设备,进一步加强重点区域及其邻近海域的环境监测能力。

(4)海水池塘养殖和工厂化养殖应进行引、排水规划和设计,引、排水口及沟渠应根据各沿海地区实际情况,按照行业规范要求进行布设、调整和升级改造。引水口可根据各沿海地区的实际情况布设,排水口及沟渠则务必按照防控方案的统一规划进行布设、调整和升级改造。针对长期监测中多污染指标超标严重的排水口及沟渠,应考虑结合海水养殖尾水处理工艺及方案进行重点污染源控制。

(5)积极推进绿色健康养殖相关的养殖技术、水质控制、净化处理等技术研究;开展零排放循环养殖模式研究;进一步加强自动控制技术和设备装置研发及应用;深入开展海水尾水处理研究,形成不同治理效果的具体模式;开展高浓度污染尾水处理研究,攻克特殊品种的养殖难题;建立现代化生态养殖试验示范基地,加强示范技术应用。