我国海水养殖尾水在线监测技术进展及展望

许康,冷俊昭,卢胜强*,庄树玮,于凌宇,于家坤

(1.青岛卓建海洋装备科技有限公司,山东 青岛 266555;2.青岛卓建海洋工程勘测技术有限公司,山东 青岛 266555)

在我国,随着人们对高蛋白、低脂肪、高营养价值的海产品需求的不断增长,海水养殖的规模化也不断扩大,养殖尾水的排放量急剧增加。目前我国的主要尾水排放方式为不经处理直接排放,尾水中含有的大量污染物会严重影响海洋生态环境,同时会威胁水产品质量安全,不利于水产养殖业稳定发展。因此,积极做好养殖尾水排放的监管,降低污染的排放至关重要[1]。

对此,为进一步强化海水养殖尾水排放监管工作,切实保护和改善海水生态环境,在国家层面上,相继发布了《中华人民共和国海洋环境保护法》、《关于加强海水养殖生态环境监管的意见》和《海水养殖尾水排放要求》(征求意见稿)等文件。在地方层面上,一些地方政府也纷纷出台了相应的政策文件来推进海水养殖尾水监测工作。对尾水进行监测及精细化管理已经成为目前国内海水养殖行业的发展趋势。

目前,国际上关于海水养殖尾水在线监测的研究首先得到了快速发展。在国内,虽然一些学者和机构对此进行了一些尝试,但由于起步较晚,其研究成果远远无法满足监测与治理的需要。 随着在线监测技术等的快速发展,海水养殖尾水在线监测技术也逐渐成为了研究热点。采用现代传感器技术、仪器设备和阈值报警机制,通过互联网、移动通信等手段将监测数据传输至管理中心,实现了尾水在线远程监测,进一步提高了尾水监测的效率。尾水在线监测技术具有实时、快捷、准确、全面、可追溯等特点,其在环境监测、治理和管理中的应用广泛,成为了尾水监测技术领域的重要手段。 因此,本研究旨在深入探讨海水养殖尾水在线监测技术的发展,为我国海水养殖尾水的监测提供技术支持,促进我国海洋环境保护事业的健康发展。

1 我国海水养殖尾水在线监测技术进展

在线监测技术是通过对特定水质参数进行实时连续监测,实现对污染物排放状况的及时、准确、全面和动态的信息反馈与应用。目前,我国已初步形成了以海水水质参数在线监测为核心的综合集成型在线监测技术体系[2-4]。在此基础上,基于物联网技术建设的海水养殖尾水在线监测系统已得到初步应用。针对海水养殖尾水方面的在线监测技术,本文主要从在线监测仪器和在线监测系统两个方面进行论述。

1.1 在线监测仪器技术

结合农业农村部出台的《海水养殖尾水排放要求》(征求意见稿)文件以及沿海各省制订出台的海水养殖尾水排放地方标准,主要的水质监测参数为悬浮物、pH值、化学需氧量、无机氮、磷酸盐、总氮、总磷、锌、铜等。由于测量方法和需求的不同,这些技术的发展和应用处于不同的层次和阶段[5]。

1.1.1 常规水质参数在线分析仪

悬浮物、pH值是常规的水质参数,其中pH值相关的在线仪器技术相对成熟,检测原理主要为玻璃电极法。目前国内外的仪器厂家均有在做,国外厂家主要是美国YSI、美国哈希、美国赛默飞世尔、美国WET Labs、德国WTW、德国AMT、英国Aquaread、澳大利亚In-situ Marine Optics 、加拿大Satlantic公司等,国内厂家主要有青岛水德、嘉兴道一、东营东润、苏州蛙视、烟台凯米斯、厦门斯坦道、苏州禹山、上海泽铭、山东省仪器仪表研究所、深圳朗诚等机构和公司。从整体上说,国内厂家在精度、稳定性、集成度等方面与国外厂家相比略有差距,但部分厂家产品已经可以与国外产品相媲美,并且在产品价格上具有一定优势。此外,pH计在运维方面需要定期校准以防数据偏离过大。

悬浮物相关在线仪器方法主要为紫外吸收法、红外散射等光学法,国外主要仪器厂家是美国YSI、美国哈希、美国Campbell、美国Sequoia Scientific、美国Pyxis、德国WTW、英国Jensprima、奥地利是能等公司,国内厂家为杭州腾海、苏州禹山、山东霍尔德、大连弗朗、上海博取等公司。一些厂家需要另行配套毛刷来定期清洁传感器探头以防污损造成误差。由于该参数的在线传感器主要应用在污水处理中,故大部分厂家的传感器还需要进行防腐处理来适应海水环境。

1.1.2 营养盐在线分析仪

养殖尾水中需要测的营养盐参数主要是无机氮和磷酸盐,无机氮包括硝氮、氨氮、亚硝氮。市场化的在线仪器采用方法为湿化学法和光学法,其中湿化学法是主要方法和传统方法,该方法检测要素齐全,技术相对成熟。光学法主要是检测海水硝酸氮和海水磷酸盐,检测海水亚硝酸氮的在线仪器较少,检测氨氮的在线产品尚未在市面见诸报道。

湿化学法的国外仪器厂家主要有美国EnviroTech、美国Green Eyes、美国SubChem、意大利Systea、德国4H、德国WTW、德国SubCtech等公司,国内厂家主要有国家海洋技术中心、山东省仪器仪表研究所、青岛卓建、厦门科龙德、青岛水德、上海泽铭、深圳朗诚、湖南力合、厦门斯坦道等机构和公司[6]。相比国外厂家,国内机构和公司相关产品在可靠性和稳定性方面仍需要提升。光学法方面,检测硝酸氮的厂家有美国Sea-Bird、德国 TriOS等公司,检测亚硝酸氮的厂家有奥地利是能公司,检测磷酸盐的厂家主要是美国Sea-Bird 、美国WET Labs等公司。目前,国内的为厦门斯坦道公司可以在线检测硝酸氮和亚硝酸氮。

1.1.3 总氮、总磷在线分析仪

海水总氮、总磷相关的在线分析技术主要是湿化学法,技术相对成熟,但受限于海水浊度等因素,稳定性有待改进。目前国外厂家是意大利Systea、日本HORIBA等公司,国内厂家主要是山东省仪器仪表研究所、青岛卓建、青岛水德、湖南力合、厦门斯坦道、上海泽铭、深圳朗诚、厦门吉龙德等机构和公司。光学法方面目前有厦门斯坦道报道可测,相关稳定性和准确度还有待验证。

1.1.4 COD在线分析仪

海水COD相关的在线分析技术主要是湿化学法和光学法,海水COD在线分析仪器生产厂家和机构较少。相关分析技术比较成熟,同总氮、总磷的相似,浊度是影响其性能的关键,特别是对光学方法的仪器影响较大。湿化学方法的国外仪器厂家主要是意大利Systea、美国HACH等公司,国内仪器厂家是山东省仪器仪表研究所、青岛卓建、青岛水德、天津兰力科、深圳朗诚、上海泽铭等机构和公司,光学方法的主要国外厂家为德国TriOS、奥地利是能等公司,国内的仪器厂家是厦门斯坦道、厦门吉龙德等公司。

1.1.5 重金属在线分析仪

锌和铜是海水养殖尾水的中的重金属检测指标,相较于其他检测指标,海水中锌和铜在线监测技术难度较大,技术成熟度较低,相关在线分析仪器较少,并且现有在线仪器造价相对昂贵,普及的困难程度较大。目前主流的在线分析技术主要是阳极溶出伏安法和电感耦合等离子体质谱分析方法。国外的意大利IDRONAUT、加拿大AVVOR等公司采用阳极溶出伏安法,国内的杭州谱育、湖南力合等公司采用的电感耦合等离子体质谱分析方法。

总体上看,海水养殖尾水在线监测的相关分析仪器均可从国内外获得,大部分参数的在线监测仪器成熟度较高,适合普及推广。少数仪器在进一步提高完善的同时降低成本。此外,各省(区、市)从各自区域养殖特点和经济、技术可行性来选择适合的在线分析仪器进行尾水监测。

1.2 在线监测系统

基于物联网技术的海水养殖尾水在线监测系统是指利用物联网、大数据等新一代信息技术,将海水养殖尾水中的水质、水温、溶氧、 pH值、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)等指标数据进行采集,通过无线网络传输至后台监测中心,实现养殖尾水中各项指标的实时监测。

在实现海水养殖尾水水质监测系统集成的过程中,需要充分考虑系统可靠性、监测指标准确性、数据传输稳定性等多方面的因素。对于系统的硬件部分,应选用高质量的仪器设备,确保仪器具有高灵敏度、高精度、高稳定性等优点。同时,选用符合规范的传感器和无线传输模块,以确保采集数据的准确性和实时性。 在软件方面,必须根据实际情况设计有效的数据处理和分析算法,以保证实时反映水质变化趋势。同时,利用人工智能等前沿技术,进行数据挖掘和预测分析,提前预判可能出现的问题,并及时采取措施进行处理。 另外,也需要考虑监测系统的实时性和反应速度。在传输数据时,应选择高速稳定的网络传输方式,并建立一套完善的实时响应机制,实现对数据的快速响应和处理。 总体而言,实现海水养殖尾水水质监测系统集成需要充分考虑到各种因素,整合各种技术手段,打造高效满足实际需求的监测系统。

由于海水养殖尾水在线监测是近年来新兴的海洋环境监测方向,相关研究不多,海水养殖尾水在线监测系统供应商较少,在线监测系统的示范案例等存在明显不足。目前,国外厂家有澳大利亚 Greenspan等公司在做,国内厂家有青岛卓建、山东广为等公司在做。这些厂家的养殖尾水监测系统主要是在海洋生态环境岸基在线监测系统建设经验基础上结合海水养殖尾水环境特点进行优化升级而成,其稳定性和准确度等方面还有待验证。

2 发展趋势

在海水养殖尾水水质监测技术的发展中,越来越多的新技术和新方法被不断提出和应用。其中,主要发展趋势包括以下几个方面。 首先,智能化技术的发展。随着物联网技术、人工智能技术等的发展,智能化监测仪器设备逐渐成为海水养殖尾水水质监测的主流。这些设备具有数据自动采集、传输、存储等功能,能够迅速、准确地将实时监测的数据传输至计算机或云端,为数据分析和监控提供便利。其次,在线仪器技术的应用。海水养殖尾水水质监测仪器会随着监管标准的提高和行业自律机制的逐步完善而不断提高。未来,在操作简单性、数据分析精度、设备运行稳定性等方面,尾水监测技术还需再进行深入研究和开发,以提高技术性能和使用便捷性。另外,基于人工智能技术的辅助判断也有望应用于海水养殖尾水水质监测。通过对大量数据的分析、处理,人工智能可以对水质进行智能判断和预警,从而提高管理效率和监测准确性。 总之,海水养殖尾水水质监测技术发展正朝着智能化、自动化、高精度化的方向发展。多种技术相互融合、协同作用,将为海水养殖尾水的环境治理和水产养殖的可持续发展提供有效支撑。

3 存在问题

尽管近年来我国海水养殖尾水在线监测技术已取得了一定的进展,但总体而言,与国外相比,我国在养殖尾水在线监测技术发展方面还有很大的差距。例如:

(1)在标准规范方面,我国海水养殖尾水在线监测技术标准体系尚未形成,目前行业层面上仅有《海水养殖水排放要求》(SC/T 9103—2007)推荐性标准和相关尾水排放的地方标准,其他关于海水养殖尾水在线监测技术的相关规范还有待进一步形成和完善。

(2)在监测技术方面,监测仪器的准确性和稳定性有待提高。由于环境存在差异性,国内现有的海水养殖尾水在线监测仪器没有能够适应不同海域环境的要求。监测仪器的准确性和稳定性正是该技术亟待提高的方面,以确保监测仪器监测数据的正确性和真实性。

(3)在应用模式方面,当前基于尾水排放监控需求的在线监测系统主要是依托于地方政府搭建的信息化管理平台和排污企业内部建设的养殖尾水在线监测系统进行集成。随着海水养殖业的快速发展,不同企业之间、行业之间以及养殖品种之间对尾水排放监控信息数据的需求差异日益凸显。然而由于缺乏全国范围内养殖尾水排放监控信息数据共享平台的支撑,大量需要进行数据统计、汇总、分析等工作的企业缺乏获取实时监控信息数据手段,影响了尾水排放监管工作效果和效率。

(4)在管理体系方面,由于海水养殖尾水排放监控信息数据缺乏共享平台支撑,导致养殖尾水排放监管工作无法做到及时、全面和准确。以美国为例,美国政府将整个养殖区视为一个整体管理单元,利用大数据技术实现对养殖区水体的实时动态监控。相较而言,我国对于养殖尾水在线监测技术还缺乏有效的监管手段。目前我国尚未出台针对海水养殖尾水排放监管工作的专门法规和管理办法。

(5)在应用效益方面,尽管我国海水养殖尾水在线监测技术发展迅速,但与发达国家相比还有较大差距。一方面是由于缺乏政府统一管理机制;另一方面是由于监测设备成本高、缺乏合理运营维护机制、监测设备维护效果不佳等因素制约了我国养殖尾水在线监测技术的广泛推广和应用。

(6)在政策保障方面,目前我国尚未出台针对海水养殖尾水在线监测技术相关的政策法规和技术规范。在现行法律法规体系中,缺少对海水养殖尾水在线监测技术发展的鼓励和扶持政策;在管理体制方面也没有专门针对海水养殖尾水在线监测技术进行管理、监督和考核的部门或者机构;此外,缺少国家层面对海水养殖尾水在线监测技术发展的相关政策法规。

4 对策和建议

(1)建议国家及地方各级渔业主管部门对海水养殖尾水在线监测技术进行系统研究,结合当地实际情况制定切实可行的在线监测技术方案,避免盲目追求先进技术而造成不必要的资源浪费,明确要求所有新建或改扩建的养殖项目应安装养殖尾水在线监测设备,并鼓励现有水产养殖项目安装尾水排放设施,同时鼓励使用低能耗、低成本的在线监测设备。

(2)建议国家及地方各级渔业主管部门建立海水养殖尾水在线监测技术应用激励机制,加强海水养殖尾水在线监测设备的推广应用;通过财政补贴、政策扶持等方式推动渔业主管部门和相关企业开发建设满足海水养殖尾水排放管控要求、适用于我国海水养殖业发展现状的在线监测系统;通过标准规范、示范项目等方式,引导社会力量参与海水养殖尾水排放管控。

(3)建议国家及地方各级渔业主管部门通过对现有在线监测设备进行改造升级、建立数据共享平台等方式,促进和加强对现有在线监测设备数据分析和应用评估;鼓励利用第三方平台建立海水养殖尾水在线监测信息发布机制,提高行业管理部门及企业对尾水在线监测系统的应用效果;鼓励各地以企业自建或第三方平台为依托开展尾水排放监管工作,加强对排放企业尾水排放情况的监督管理,提升管理部门的监管水平和能力。

5 结语

我国是世界上海水养殖业发展最为迅速的国家之一,海水养殖尾水排放已成为影响我国海水养殖业可持续发展的重要因素之一。科学、有效地监测尾水排放状况,是实现养殖尾水排放监管和海洋生态环境保护的前提。本文系统梳理了我国海水养殖尾水在线监测技术进展,指出了国内海水养殖尾水在线监测技术发展方向和面临的主要问题,并提出了相应的对策。