宋嫻麗，逄劭楠，吳瑩瑩，邱兆星，吳海一

(山東省海洋生物研究院，青島市淺海底棲漁業(yè)增殖重點實驗室，山東青島 266104)

0 引言

近年來，隨著我國沿海養(yǎng)殖模式的轉(zhuǎn)型升級，集中、集約化海水養(yǎng)殖發(fā)展格局導(dǎo)致高度匯集的養(yǎng)殖廢水點源式排放，加劇了局部海區(qū)的富營養(yǎng)化和養(yǎng)殖區(qū)自身污染程度，嚴(yán)重制約著海水池塘養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。2019年1月11日，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等10部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的若干意見》中明確提出，推進(jìn)養(yǎng)殖尾水治理和發(fā)揮水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)修復(fù)功能的相關(guān)要求。為滿足國家“新舊動能轉(zhuǎn)換”與“生態(tài)文明建設(shè)”的發(fā)展需求,保證海水池塘養(yǎng)殖業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，深入開展海水養(yǎng)殖園區(qū)排放水生態(tài)化處理技術(shù)研究意義重大。早在20世紀(jì)80年代，以色列和泰國等國家便開始頒布相關(guān)法律，強制養(yǎng)殖企業(yè)污水必須經(jīng)過凈化處理后才能排放入海，這一點在我國已經(jīng)受到足夠的重視，但仍未得到有效的控制[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，一系列針對工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖水的處理工藝日趨成熟[4-6]，相對而言，針對高通量室外池塘養(yǎng)殖園區(qū)的排放水處理技術(shù)則起步較晚。范航清等[7]提出的復(fù)合人工濕地尾水處理模式可將25%-50%的養(yǎng)殖水面用于重建紅樹林和鹽沼植被，但由于該模式大幅降低養(yǎng)殖空間利用率，且存在濕地植被生長環(huán)境限制及地域特點等限制，在實際應(yīng)用中存在較大的局限性。而基于多營養(yǎng)層次的生態(tài)養(yǎng)殖模式(IMAT)，如蝦-貝-藻混養(yǎng)[8]及魚菜共生循環(huán)系統(tǒng)(ARS)[9]等模式可顯著提高系統(tǒng)的光能利用率和投入系統(tǒng)總能的轉(zhuǎn)化效率，并在一定程度上降低自身污染物的排放，但在處理養(yǎng)殖排放水過程中仍然存在基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、處理效率低下、水資源浪費嚴(yán)重、工程化水平低下等問題[10-12]。本研究以園區(qū)規(guī)劃改造、尾水集中排放、設(shè)施工程化處理為基礎(chǔ)，以海水池塘養(yǎng)殖園區(qū)排放水集中處理為切入點，通過對多種物理、生物修復(fù)技術(shù)的集成耦合，構(gòu)建了海水池塘養(yǎng)殖園區(qū)排放水綜合生態(tài)凈水處理系統(tǒng)，擬為海水池塘養(yǎng)殖的無害化排放提供有力的實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

試驗于2017年5月至2017年10月在日照開航水產(chǎn)技術(shù)公司養(yǎng)殖園區(qū)內(nèi)開展，凈化池塘位于園區(qū)集中排水渠下游的末端，面積3 000 m2。凈化處理系統(tǒng)包括泡沫分離裝置、微生物濾池和大型藻修復(fù)區(qū)(圖1)。養(yǎng)殖園區(qū)排放水通過水泵抽提進(jìn)入泡沫分離裝置，流速為600 m3·h-1，有機泡沫分離后的水直接進(jìn)入大型藻修復(fù)區(qū)，而分離出的有機泡沫則隨少量高濃度的有機質(zhì)顆粒物水流通過裝置的上排水口進(jìn)入生物濾池中進(jìn)行顆粒物的靜置、有機質(zhì)降解及水體修復(fù)，后溢入大型藻修復(fù)區(qū)進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)化(流速20 m3·h-1)，在大型藻修復(fù)區(qū)中央通過涌浪機作用充分混合后經(jīng)排水口排放。系統(tǒng)中泡沫分離裝置由杭州大賀水處理技術(shù)有限公司定制而成，罐體為玻璃鋼材質(zhì)，罐體直徑3.6 m，深2 m，儲水量20 m3，罐底設(shè)置微孔氣排裝置。微生物濾池由4個寬2 m，長5 m，深1 m的水泥池進(jìn)出水口上下交替串聯(lián)而成，池中由竹排懸掛彈性調(diào)料作為固定化微生物附著基，竹排間距20 cm，每根竹排上懸掛約20-30根彈性填料，池內(nèi)微生物由池塘納水時環(huán)境中土著微生物自然掛膜30 d形成。大型藻羊棲菜采購于浙江洞頭海區(qū)，用浮筏吊養(yǎng)于涌浪機四周，面積為30 m×40 m，局部吊養(yǎng)密度400 g/m3，并通過涌浪機(0.75 kW)的作用使凈化池中水體充分混合。

圖1 養(yǎng)殖園區(qū)排放水生態(tài)處理系統(tǒng)示意圖

1.2 取樣及分析方法

對凈化處理池中的各個修復(fù)模塊的進(jìn)出口水進(jìn)行逐月采樣。系統(tǒng)正常運行2 h，待泡沫分離裝置及微生物濾池中存水完全排出后，在流動狀態(tài)下每隔30 min分別采集園區(qū)排放水、經(jīng)泡沫裝置分離后的泡沫水、經(jīng)泡沫分離裝置處理后的排放水、經(jīng)微生物濾池處理后的水、大型藻處理后的水共5個水樣，共采集4次，每個水樣取3個平行樣，分別測定pH、COD、氨氮(NH4-N)、亞硝氮(NO2-N)、硝氮(NO3-N)、活性磷酸鹽及溶解無機氮(DIN)等6個指標(biāo)。其中，pH使用雷磁(PHS-3C)現(xiàn)場測定，氨氮、亞硝氮、硝氮及活性磷酸鹽使用紫外可見分光光度計(YQ-005)測定，無機氮待測水樣均用經(jīng)過鹽酸浸泡后的醋酸纖維膜(Φ：0.45 μm)抽濾后測定， COD 采用高錳酸鉀法測定，具體分析方法參見《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378—2007)。

1.3 計算方法

RRi(%)=(CInlet-COutlet)/CInlet×100%，

式中：i為相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)；RR為系統(tǒng)對i指標(biāo)的去除率，%；CInlet為系統(tǒng)進(jìn)水口i指標(biāo)濃度，mg/L；COutlet為系統(tǒng)出水口i指標(biāo)濃度，mg/L。計算結(jié)果用Excel 2007和Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

試驗期間凈化池塘水深1.2—1.5 m，水溫變化為23.2—35.3℃。養(yǎng)殖排放水鹽度變化為16‰—29‰，pH值變化為7.89—8.33，其他各指標(biāo)變化范圍及平均值見表1。

表1 養(yǎng)殖園區(qū)排放水各指標(biāo)含量(mg/L)

Table 1 Various indicators of water discharged from fishery park (mg/L)

項目Item指標(biāo)IndicatorCODNH4NNH3NO2NNO3NDINDIP變化范圍Range of variation1.98—2.340.06—0.280.002—0.0530.01—0.140.19—0.650.26—0.930.03—0.24平均值A(chǔ)verage value2.600.110.0110.070.430.610.17

2.1 泡沫分離技術(shù)對水體的凈化效果

泡沫分離技術(shù)對養(yǎng)殖排放水中COD、NH4-N、NO2-N、NO3-N、DIN及DIP均有較明顯的去除效果(圖2)，其對各項指標(biāo)的去除率平均值分別為41.95%、55.68%、51.97%、58.08%、57.05%和44.33%，且去除率均隨著溫度的升高而降低。在29℃以上，泡沫分離技術(shù)對水體各指標(biāo)的去除能力有一個明顯的降低過程，這可能是由于持續(xù)降雨、鹽度驟降以及泡沫表面張力減弱、濃縮效率降低所致。

圖2 泡沫分離技術(shù)對養(yǎng)殖排放水的凈化效果

Fig.2 Purification effect of foam separation technology on discharged water

2.2 微生物濾池對水質(zhì)的凈化效果

微生物濾池對水體中NH4-N、NO2-N、NO3-N、DIN有較明顯且穩(wěn)定的去除效果(圖3)，對各項指標(biāo)的去除率平均值分別為60.34%、57.37%、38.79%和44.13%，但其對COD去除效率較低，且對活性磷酸鹽DIP的去除效果不穩(wěn)定，該結(jié)果與傅雪軍等[13]研究結(jié)果一致。

2.3 大型藻對水質(zhì)的凈化效果

本研究結(jié)果顯示，水溫在23—26℃時羊棲菜對水體中NH4-N、NO2-N、NO3-N、DIN及DIP均有較明顯的去除效果(圖4)，對各項指標(biāo)的去除率平均值分別為60.60%、47.00%、50.66%、53.37%和53.57%。當(dāng)水溫超過26℃持續(xù)1周左右，羊棲菜的生長停滯，對水體會產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

圖3 微生物濾池對養(yǎng)殖排放水的凈化效果

圖4 大型藻(羊棲菜)對水質(zhì)各指標(biāo)的去除率

Fig.4 Removal rate of large algae (Sargassumfusiforme) on discharged water

2.4 綜合生態(tài)凈化技術(shù)對園區(qū)養(yǎng)殖排放水的綜合處理效果評價

養(yǎng)殖園區(qū)排放水分別經(jīng)過泡沫分離、微生物濾池及大型藻處理后，各檢測指標(biāo)明顯降低，系統(tǒng)對COD、NH4-N、NO2-N、NO3-N、DIN及DIP綜合去除率平均分別為40.84%、89.37%、86.88%、93.75%、78.74%和59.73%,各處理技術(shù)對各項指標(biāo)的綜合去除率見圖5。泡沫分離技術(shù)對各指標(biāo)的去除作用最為顯著，修復(fù)作用的貢獻(xiàn)率為58.30%—77.33%；微生物濾池除對活性磷酸鹽作用不明顯之外，對其他指標(biāo)也具有一定的修復(fù)作用，貢獻(xiàn)率為8.49%—30.91%；大型藻對磷酸鹽的修復(fù)作用僅次于泡沫分離技術(shù)，貢獻(xiàn)率為10.79%—40.22%。

2.5 養(yǎng)殖園區(qū)排放水水質(zhì)改善狀況評價

基于4種海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對經(jīng)處理前后池塘養(yǎng)殖園區(qū)排放水水質(zhì)改善情況進(jìn)行綜合評價(圖6)。在經(jīng)系統(tǒng)處理前，養(yǎng)殖排放水中COD全部達(dá)標(biāo)；DIN除單次取樣達(dá)標(biāo)之外，其余樣品均超標(biāo)，尤其是6月下旬水溫至26℃以上時，NH3濃度高達(dá)0.05 mg/L，嚴(yán)重超出《海水水質(zhì)二類標(biāo)準(zhǔn)》和《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》；DIP平均值為0.17 mg/L，超標(biāo)情況較為嚴(yán)重。而采用生態(tài)凈化處理技術(shù)可以明顯改善養(yǎng)殖排放水水質(zhì)狀況，基本可以實現(xiàn)各項指標(biāo)的達(dá)標(biāo)排放。

圖5 各凈水技術(shù)對水質(zhì)各指標(biāo)綜合修復(fù)作用

Fig.5 Comprehensive remediation effect of various water purification technologies on various indicators of water quality

A:《海水水質(zhì)二類標(biāo)準(zhǔn)》，B:《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，C:《海水養(yǎng)殖水排放要求》，D:《水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水排放要求》

A:Sea water quality standard (Ⅱ),B:Water quality standard for fisheries,C:Water drainage standard for sea water mariculture,D:Discharge requirement for aquaculture waste water

圖6 水質(zhì)改善狀況評價

Fig.6 Evaluation of water quality improvement

3 討論

3.1 各生態(tài)凈水技術(shù)之間的性能互補

本研究采用泡沫分離裝置將從養(yǎng)殖排放水中分離出的有機物作為下一個處理環(huán)節(jié)——微生物濾池中土著微生物繁殖生長所需的氮源、碳源，大幅提高營養(yǎng)物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的流動、轉(zhuǎn)化效率，并減少外源微生物制劑使用所引起的二次污染。筆者在2016年對蝦養(yǎng)殖池塘現(xiàn)場修復(fù)試驗中發(fā)現(xiàn)，通過自然掛膜培養(yǎng)的微生物只能維持60 d左右的生物活性[5]；而本次試驗中采用泡沫分離物作為持續(xù)營養(yǎng)源的微生物濾池在試驗開展120 d后(圖3)，仍然能維持較高的修復(fù)效率。本系統(tǒng)中微生物濾池還兼具靜置去除顆粒態(tài)污染物的功能，而養(yǎng)殖中后期排放水中氨氮濃度的升高也有利于自然掛膜微生物的擴繁生長[14]。另一方面，系統(tǒng)中大型藻修復(fù)技術(shù)對活性磷酸鹽出色的修復(fù)能力將有效彌補微生物濾池對其修復(fù)能力不足的問題。因此，在池塘養(yǎng)殖園區(qū)排放水凈化處理過程中，將以上多種凈水技術(shù)聯(lián)合使用可取得更佳的凈化效果。

3.2 高通量園區(qū)排放水處理技術(shù)中的性能局限

于向陽等[15]在室內(nèi)受控實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)水體中COD濃度低于4.32 g/L時，泡沫分離技術(shù)對COD最大去除率約為40%，而在本研究中該技術(shù)對COD的去除率要明顯低于該值，綜合去除率僅為32.23%。這主要是由于系統(tǒng)在處理較大通量的養(yǎng)殖排放水時，流速的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)對有機泡沫濃縮效率降低，這種為滿足處理速度而犧牲處理效率的情況，在大規(guī)模養(yǎng)殖水體修復(fù)過程中在所難免。

3.3 養(yǎng)殖中后期影響生態(tài)化凈水技術(shù)處理性能的關(guān)鍵因素

研究中發(fā)現(xiàn)在對蝦池塘養(yǎng)殖中后期，無機氮會出現(xiàn)逐漸升高的趨勢，而活性磷酸鹽含量出現(xiàn)逐漸降低的趨勢，該評價結(jié)果與True等[16]及蓋春蕾等[17]研究結(jié)果一致。無機氮的積累主要來源于餌料的投喂、對蝦的排泄以及沉積物中營養(yǎng)鹽的溶出[18]，活性磷酸鹽在養(yǎng)殖前期超標(biāo)主要是由于池塘前期所投入的復(fù)合肥在養(yǎng)殖環(huán)境中緩慢釋放所至。本系統(tǒng)對無機氮和活性磷酸鹽的綜合去除率分別為78.74%和59.73%，通過整套修復(fù)系統(tǒng)，前者基本達(dá)標(biāo)，而磷酸鹽由于底物濃度過高超出處理系統(tǒng)修復(fù)能力，如將其濃度降至0.042 9 mg/L時則可實現(xiàn)達(dá)標(biāo)。因而可以從控制前期投入品用量及提升系統(tǒng)對磷酸鹽的去除能力兩方面來提升修復(fù)系統(tǒng)對磷酸鹽的處理效率。

3.4 綜合生態(tài)凈水技術(shù)的水處理負(fù)荷

較過去對蝦池塘養(yǎng)殖使用大排大灌的養(yǎng)殖方式[19]，隨著蝦—蟹—貝混養(yǎng)等池塘生態(tài)養(yǎng)殖模式的日益推廣，養(yǎng)殖環(huán)境營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用趨向最大化，池塘養(yǎng)殖的排水量日益減少。20世紀(jì)90年代，煙臺地區(qū)對蝦養(yǎng)殖池塘每公頃的年換水量為2 400 m3(注：水深按1.5 m估算)[20]，經(jīng)估算本研究所處的對蝦池塘養(yǎng)殖園區(qū)每公頃的年換水量約為1 200 m3。在我國北方，對蝦池塘養(yǎng)殖周期一般為180 d，平均每天每公頃池塘養(yǎng)殖排放水量約為6.67 m3。由此可以看出生態(tài)養(yǎng)殖模式的不斷推廣大幅降低池塘養(yǎng)殖換水量，使得通過綜合生態(tài)凈水技術(shù)在戶外對池塘養(yǎng)殖排放水集中處理成為可能。

4 結(jié)論

以園區(qū)規(guī)劃改造、尾水集中排放、設(shè)施工程化處理為基礎(chǔ)，集成泡沫分離、生物濾池及大型藻等多種修復(fù)技術(shù)對養(yǎng)殖園區(qū)排放水進(jìn)行集中處理，可有效改善養(yǎng)殖排放水水質(zhì)狀況，基本實現(xiàn)各項指標(biāo)的達(dá)標(biāo)排放，為全國漁業(yè)產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)建設(shè)提供良好示范。海水池塘養(yǎng)殖區(qū)換水量的持續(xù)減少，降低待處理水體總量負(fù)荷，對于滿足生態(tài)化處理系統(tǒng)的負(fù)載能力具有十分積極的作用。在研究過程中，如何維持并提高各生態(tài)化處理技術(shù)的修復(fù)效率及系統(tǒng)對高通量園區(qū)排放水的處理能力，對實現(xiàn)規(guī)模化海水養(yǎng)殖園區(qū)尾水的有序排放和高效處理是至關(guān)重要的。