不同池塘经标准化改造后尾水净化效果及水质评价

刘婷燕，王晓飞，安树伟，顾玲玲，许晶，郑尧,4，徐钢春,4

（1南京农业大学无锡渔业学院，江苏无锡 214081；2苏州市吴江区水产技术推广站，江苏苏州 215200；3江苏省无锡环境监测中心，江苏无锡 214028；4中国水产科学研究院淡水渔业研究中心/农业农村部稻渔综合种养生态重点实验室，江苏无锡 214081）

0 引言

池塘养殖是中国淡水养殖的主要模式[1]。以高密度、高投饵、高换水的做法虽然在养殖水体单位产量上做出了贡献，但造成了各种水体污染，残饵、代谢物的积累使得池塘内源污染加剧，养殖尾水的不达标排放也加重了周围水体富营养化程度[2-4]。研究一个地区的池塘水质好坏以及设立合理的废水利用模式对水质调节和养殖过程具有十分重要的意义。基于江苏省地方标准DB32/T 3238—2017《淡水池塘循环水健康养殖三级净化技术操作规程》建设的“两坝三区”系统是一种以循环经济理念为指导、以促使淡水养殖业绿色发展为目标的新型生态养殖模式[5-6]，该系统由净水池塘、蓄水池塘、溢流坝、潜流坝、提水泵站及一、二、三级净化区构成，其中一级净化区由排水渠或河道构成，主要功能为曝气、沉淀；二级净化区由净水池塘构成，主要功能为曝气、硝化与反硝化；三级净化区由蓄水池塘构成，主要功能为曝气复氧。3 个净化区均按比例种植水生植物，按池塘面积放养鲢、鳙等水生动物。该净化系统能够结合集中物理沉淀、曝气氧化、生物同化等功能，结合原位、异位修复技术[2]，通过对池塘的部分改造实现低投入的养殖尾水净化，使其达标排放或循环利用，实现池塘绿色循环养殖。

池塘水质监测的常见指标主要有总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数等。目前水质评价方法有单因子评价法[7]、综合指数法[8]、人工神经网络法[9]、物元分析法[10]等。近年来，模糊综合评价方法的研究与应用越来越广泛[11-13]，该评价法对渔业水质的评价效果较好，但它确定权重的方法不够客观和简洁[14]。“熵权”理论是一种客观赋权理论，通过对“熵”的计算确定权重，可以有效避免传统方法在权重确定中主观因素的影响[15]。

本实验于苏州地区完成标准化改造的池塘进行，通过监测总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数等指标，利用熵权法，对池塘标准化改造后的水质进行模糊综合评价，可评价水质类别及该生态改造系统的处理效果，以便有针对性的优化水净化系统，更好的实现循环水养殖。

1 材料与方法

1.1 实验设计

本研究于2020年4月—2021年3月进行。研究对象选择经池塘标准化改造后的苏州吴中区临湖镇扣蟹和成蟹养殖池塘(T1)、甪直镇南美白对虾养殖池塘(T2)、吴江区同里镇鲈鱼养殖池塘(T3)、平望草鲫混养池塘(T4)，分别在进水口、养殖池塘及各净化单元设置多个采样点。采样布点分布如下：T1～T4各选择3口养殖池塘，每口塘按五点法布点，将所有采集的水样均匀混合后测定；进水口及3个净化区各布置5个采样点，将5个点的水样等量混匀后进行水质分析。水样指标测定具体参照SC/T 9101—2007《水和废水检测分析方法》进行，水质测定指标和排放标准见表1。

表1 水质测定指标和方法

1.2 数据处理

测定数据用Excel 软件统计分析，按公式(1)计算某净化池去除率，绘制相关图表，采用SPSS 26.0 统计软件对同一养殖池塘不同采样点污染物浓度及不同净化池的去除率进行单因素方差分析，检验各采样点污染物浓度、不同净化池间的去除效果差异显著性，P＜0.05认为差异显著，用不同小写字母表示显著性，并进行各水质指标权重值计算及模糊综合评价。

2 结果与分析

2.1 TN的去除效果

TN 处理效果和各净化单元去除率如图1 所示。T1～T4净化后出水口TN 含量分别为1.10～2.37、0.41～2.07、1.26～2.52、1.21～1.52 mg/L，均达到SC/T 9101—2007 淡水池塘养殖水排放要求的二级排放标准。T1～T4全年平均TN 去除率依次为-61.78%、10.58%、23.70%、22.04%，T4去除率最高，T1去除率最低；T1春季出水口（净化区3）TN含量显著高于池塘，其余季节无明显变化，春、夏、秋季净化区1 去除率显著高于净化区2、3，冬季无明显差异，系统TN去除率冬季最高，春季最低；T2春、夏秋季出水口TN 含量显著低于池塘，其余季节无明显变化，各净化区去除率无明显差异，系统TN 去除率夏季最高，冬季最低；T3春季出水口TN含量显著低于池塘，其余季节无明显变化，冬季净化区2、3去除率显著高于净化区1，其余季节去除率无明显差异，系统TN去除率夏季最高，冬季最低；T4春、秋季出水口TN含量显著低于池塘，其余季节无显著差异，春季净化区1去除率显著低于净化区2、3，夏季净化区3去除率显著高于净化区1、2，秋季净化区3去除率显著高于净化区2，冬季无明显差异，系统TN 去除率夏季最高，冬季最低。

图1 系统对养殖尾水TN处理效果和各净化单元平均去除率

2.2 TP的去除效果

TP 处理效果和各净化单元去除率如图2 所示。T1～T4净化后出水口含量分别为0.12～0.68、0.04～0.17、0.08～0.21、0.16～0.26 mg/L，均达到SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》二级排放标准。T1～T4全年平均TP 去除率依次为-85.57%、8.48%、42.89%、-27.79%，T3去除率最高，T1去除率最低；T1春、秋季出水口（净化区3）TP 含量显著高于池塘，其余季节无明显变化，春、秋季净化区1去除率显著高于净化区3，夏季显著高于净化区2，冬季各净化区去除率无明显差异，系统TP 去除率冬季最高，秋季最低；T2出水口TP含量与池塘均无显著差异，夏季净化区1 去除率显著高于净化区3，冬季净化区1、3去除率显著高于净化区2，系统TP 去除率春季最高，冬季最低；T3夏秋季池塘含量差异显著，冬季净化区3 去除率显著高于净化区1，其余季节去除率无明显差异，系统TP去除率秋季最高，冬季最低；T4出水口TP 含量与池塘含量无显著差异，冬季各净化区去除率均有显著差异，且净化区1＞净化区3＞净化区2，系统TP去除率夏季最高，冬季最低。

图2 系统对养殖尾水TP处理效果和各净化单元平均去除率

2.3 NH3-N的去除效果

NH3-N 处理效果和各净化单元去除率如图3 所示。T1～T4净化后出水口含量分别为0.11～0.48、0.19～0.46、0.07～0.76、0.09～0.23 mg/L，根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，氨氮排放标准范围限值为0.02 ～150 mg/L，因此均可达标排放。T1～T4全年平均NH3-N 去除率依次为-38.66%、33.72%、-35.52%、25.84%，T2去除率最高，T1去除率最低；T1出水口（净化区3）NH3-N含量与池塘含量春季差异显著，春季净化区1去除率显著高于净化区2、3，其余季节各净化区去除率无明显差异，系统NH3-N去除率冬季最高，春季最低；T2出水口NH3-N含量秋季显著低于池塘，其余季节均无显著差异，夏季净化区3 去除率显著高于净化区2、3，其余季节各净化区去除率无明显差异，系统NH3-N去除率春季最高，冬季最低；T3出水口NH3-N含量与池塘含量无显著差异，冬季净化区2、3 去除率显著高于净化区1，其余季节去除率无明显差异，系统NH3-N去除率秋季最高，冬季最低；T4出水口NH3-N含量与池塘含量夏季差异显著，秋、冬季净化区3去除率显著高于净化区1、2，系统NH3-N 去除率夏季最高，秋季最低。

图3 系统对养殖尾水NH3-N处理效果和各净化单元平均去除率

2.4 CODMn的去除效果

CODMn处理效果和各净化单元去除率如图4 所示。T1～T4净化后出水口含量分别为3.51～9.77、3.44～11.40、7.77～7.86、8.97～11.82 mg/L，均达到SC/T9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》二级排放标准。T1～T4全年平均CODMn去除率依次为-13.44%、12.41%、10.89%、-10.04%，T2去除率最高，T1去除率最低；T1春季出水口（净化区3）CODMn含量显著高于池塘，其余季节无明显变化，春、夏季净化区1 去除率显著高于净化区3，其余季节各净化区去除率无明显差异，系统CODMn去除率冬季最高，春季最低；T2出水口CODMn含量与池塘均无显著差异，夏季净化区2、3 去除率显著高于净化区1，冬季净化区2去除率显著高于净化区1、3，系统CODMn去除率春季最高，冬季最低；T3出水口CODMn含量与池塘含量夏季差异显著，各季节净化区去除率无明显差异，系统CODMn去除率夏季最高，冬季最低；T4出水口CODMn含量与池塘含量无明显差异，冬季净化区2 去除率显著大于净化区3，系统CODMn去除率夏季最高，秋季最低。

图4 系统对养殖尾水CODMn处理效果和各净化单元平均去除率

2.5 pH变化

T1～T4的pH 变化情况如表2 所示。T1～T4出水口pH：7.64～8.27、7.44～8.24、7.64～8.01、7.71～7.88，均达到SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》排放标准。除T1冬季净化区1 的pH 显著高于进水口pH，其余池塘pH各季节均无明显差异。

表2 系统对养殖尾水pH处理效果

2.6 基于熵值法的模糊综合水质评价

GB 3838—2002《地表水环境质量水质因子分级标准》见表3，各因子熵值法权重计算结果见表4，水质模糊综合评价结果见表5。由结果可知，监测周期中T1池塘水处理前后污染物均以NH3-N 为主，权重值分别为0.3096、0.3293，TN 与CODMn处理后权重值降低；T2处理前污染物以TP为主，处理后以TN为主，权重值分别为0.2810、0.3489，TP、NH3-N、CODMn处理后权重值降低；T3处理前后污染物均以TP 为主，权重值分别为0.3241、0.2829，TN与TP处理后权重值降低；T4处理前以TN 为主，处理后以TP 为主，权重值分别为0.2961、0.3405，TN与CODMn处理后权重值降低。

表3 水质因子分级标准mg/L

表4 权重系数计算结果

表5 模糊综合评价结果

根据模糊综合评价结果，T1冬季处理后水质明显转好；T2夏、秋季处理后水质明显转好，春季变化不大；T3春季处理后水质有所改善，其余季节变化不大；T4秋冬季处理后水质明显转好，春夏变化不大。

3 结论

两坝三区尾水处理系统对苏州地区冬季蟹塘、夏秋季虾塘、春季鲈鱼塘及秋冬季草鲫混养塘尾水净化效果较佳。冬季蟹塘由Ⅴ类水转为Ⅰ类水；夏秋季虾塘由Ⅴ类水转为Ⅱ类水；春季鲈鱼塘由Ⅴ类水转为Ⅳ类水；秋冬季草鲫混养塘分别由Ⅴ类水转为Ⅲ类水、Ⅲ类水转为Ⅰ类水。

4 讨论

4.1 净化系统各污染物净化特征

4.1.1 TN 净化特征净化系统的脱氮主要是利用水生植物和微生物等完成[16]。水生植物通过光合作用等生化反应将水中的CO2及氮、磷等元素合成自身有机物质并生成O2，以降低水中污染物的含量。董昌华等[17]通过人工模拟的方法发现水生植物中，特别是沉水植物能够有效抑制底泥总氮、总磷、硝态氮与氨态氮的释放，从而净化水质。本研究发现，夏季一级净化区与二级净化区中生态沟渠植被生长茂盛，虾塘与鱼塘除氮效果均良好。在鱼类养殖池塘中，一般都为高密度无草的养殖形式，大量的投饵使得水中含有过多有机氮，一级净化区中凤眼莲、水花生等水生植物的种植以及植物区中轮叶黑藻、金鱼藻等沉水植物的种植均对TN有一定的去除效果[18]。对于虾、蟹池塘，沉水植物的种植可以依靠根茎等减少水中固体颗粒物，使TN 以无机氮形式存在从而更易被植物吸收，因此一级净化区与二级净化区的去除效果良好，但蟹类池塘TN 浓度处理后反而有所上升，可能有以下原因：（1）生物反硝化过程受阻。沉积物（如残饵、排泄废物、动植物残体等）及有害气体的降解是依靠微生物的硝化与反硝化作用完成。厌氧细菌完成反硝化作用，而三级净化区主要是充分曝气复氧，影响了细菌反硝化效率，脱氮效果受到影响[19]。（2）人为影响。该系统在养殖池溏洒药期间停用，可能会造成一定影响。

4.1.2 TP 净化特征净化系统的除磷主要依靠基质吸附、沉降和植物吸收等方式完成[20-21]。研究表明，水生植物中芦苇、菖蒲等挺水植物对TP 去除效果良好[22]，董昌华等[17]的研究也表明金鱼藻、凤眼莲、苦草等6种植物对TP去除率能高达91.7%。但TP净化效果差异较大，鱼类养殖池塘净化区1 对TP 的去除效果不佳，虾蟹池塘净化区2与净化区3对TP去除效果不佳。这可能是由于养殖动物活动搅动底泥引起沉积物中TP的释放，尤其是虾蟹类，其活动更易引起底泥搅动，TP则由原泥水界面释放转变为底泥启动悬浮释放[23]。尾水中TP含量一旦超过净化区水生植物负荷，净化能力会大幅降低，例如，金鱼藻对氮、磷的去除效果就呈现随浓度升高而下降的趋势[22]。养殖池塘可以考虑采用不同的改性材料，并使用微生物制剂加强沉淀池净化效果[24]，崔婉莹等[25]对4种改性吸附剂除磷效果的研究发现，改性金属氧化物具有较好的除磷效果，可结合加入此类吸附剂的生物炭等材料增强一级净化区除磷能力。生态沟渠中可以考虑改善水生植物品种，添加部分中草药水生植物等，以此提高对氮磷的去除效率[26]。4.1.3 NH3-N净化特征NH3-N是影响水质的重要因子之一，是养殖尾水中常见污染物。池塘养殖过程中产生的NH3-N主要来源是养殖动物的排泄物、过剩的饲料等，塘底底泥氨化分解与肥料累积同样会造成NH3-N污染[27]。齐振熊等[28]的研究就发现收获时对虾对氮元素利用率输出占比为9.06%～11.5%。剩余富含氮的营养物质若不能及时处理则会造成水体的富营养化[29]。大部分进入池塘的NH3-N 需要通过微生物“硝化-反硝化”作用排出。NH3-N的去除与温度有着密切联系，曝气挥发、植物的同化作用与微生物分解等方式都能有效降低NH3-N 浓度[20]。本研究发现，蟹塘与鲈鱼池塘作为高污染池塘，整体去除效果欠佳。虾蟹池塘与鱼类池塘对NH3-N的去除效果均以三级净化区最佳，主要是通过三级净化区的充分曝气复氧，并结合温度影响水体pH 进而促进氨挥发，有助于去除NH3-N[30]；二级净化区普遍去除效果不好的原因可能溶氧含量变化有关，溶解氧过高时，硝化效率受到影响，NH3-N去除率反而会降低[31]。

4.1.4 CODMn净化特征养殖水体中的CODMn主要来源是养殖对象的残饵与代谢物，随着养殖周期代谢产物与残饵不断累积，CODMn逐渐升高。研究表明，有机污染物会导致对虾鳃、肝胰腺等组织病变[32]，过高的CODMn是诱发对虾疾病的主要环境因子之一[33-34]。本研究发现，虾蟹类池塘和鱼类养殖池塘中一级净化区、二级净化区CODMn的去除效果较好，主要是通过沉降和过滤去除悬浮性有机颗粒和有机物的方式进而降低CODMn含量，而虾蟹类二级净化区与三级净化区去除效果不佳，可能与气温短暂浮动和溶解氧含量变动有关，二级净化区中有植物种植区，植物耗氧后水体自净能力减弱。

4.1.5 pH 净化特征水体pH 能够反映水体的酸碱情况，也是判断水质好坏的一个重要指标。水体pH主要受水中二氧化碳含量的影响，二氧化碳含量又受水生生物的光合作用、呼吸作用、有机物氧化分解等影响。在养殖过程中饵料残渣和排泄物等也会影响pH。本研究结果表明，整个养殖周期中虾蟹与鱼类养殖水pH经处理后均达到SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》排放标准，除T1冬季净化区1 pH 显著高于进水口pH，其余池塘pH各季节均无明显差异，可能是曝气池增加了水中二氧化碳含量从而加强了水生植物的光合作用。

4.2 系统整体效果探讨

本研究采用的水质评价系统主要结合了熵权法与模糊综合评价法。根据研究结果来看，T1冬季处理后由Ⅴ类水转为Ⅰ类水，水质明显转好，主要原因是养殖末期成蟹捕捞后水源污染大大减少，净化区净水压力减少。T2夏、秋季处理后水质明显转好，均由Ⅴ类水转为Ⅱ类水，春季变化不大，说明该系统对虾塘尾水去污效果集中在高温时最佳，而冬季水质变差，除后期饲料投喂变化，可能也与外源污染有关；T3春季处理后水质有所改善，由Ⅴ类水转为Ⅳ类水，其余季节变化不大；T4秋季处理后由Ⅴ类水转为Ⅲ类水，冬季由Ⅲ类转为Ⅰ类，水质明显转好，春夏季水质变化不大。系统对虾蟹池塘的TN去除与对鱼塘的TP去除效果较好，能够在一定程度上减少污染物权重值，而去污效果不佳的季节应考虑优化净化区所用净化材料，从而进一步升级系统。