劉婷燕，王曉飛，安樹偉，顧玲玲，許晶，鄭堯,4，徐鋼春,4

（1南京農(nóng)業(yè)大學無錫漁業(yè)學院，江蘇無錫 214081；2蘇州市吳江區(qū)水產(chǎn)技術(shù)推廣站，江蘇蘇州 215200；3江蘇省無錫環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇無錫 214028；4中國水產(chǎn)科學研究院淡水漁業(yè)研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部稻漁綜合種養(yǎng)生態(tài)重點實驗室，江蘇無錫 214081）

0 引言

池塘養(yǎng)殖是中國淡水養(yǎng)殖的主要模式[1]。以高密度、高投餌、高換水的做法雖然在養(yǎng)殖水體單位產(chǎn)量上做出了貢獻，但造成了各種水體污染，殘餌、代謝物的積累使得池塘內(nèi)源污染加劇，養(yǎng)殖尾水的不達標排放也加重了周圍水體富營養(yǎng)化程度[2-4]。研究一個地區(qū)的池塘水質(zhì)好壞以及設(shè)立合理的廢水利用模式對水質(zhì)調(diào)節(jié)和養(yǎng)殖過程具有十分重要的意義?；诮K省地方標準DB32/T 3238—2017《淡水池塘循環(huán)水健康養(yǎng)殖三級凈化技術(shù)操作規(guī)程》建設(shè)的“兩壩三區(qū)”系統(tǒng)是一種以循環(huán)經(jīng)濟理念為指導、以促使淡水養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展為目標的新型生態(tài)養(yǎng)殖模式[5-6]，該系統(tǒng)由凈水池塘、蓄水池塘、溢流壩、潛流壩、提水泵站及一、二、三級凈化區(qū)構(gòu)成，其中一級凈化區(qū)由排水渠或河道構(gòu)成，主要功能為曝氣、沉淀；二級凈化區(qū)由凈水池塘構(gòu)成，主要功能為曝氣、硝化與反硝化；三級凈化區(qū)由蓄水池塘構(gòu)成，主要功能為曝氣復氧。3 個凈化區(qū)均按比例種植水生植物，按池塘面積放養(yǎng)鰱、鳙等水生動物。該凈化系統(tǒng)能夠結(jié)合集中物理沉淀、曝氣氧化、生物同化等功能，結(jié)合原位、異位修復技術(shù)[2]，通過對池塘的部分改造實現(xiàn)低投入的養(yǎng)殖尾水凈化，使其達標排放或循環(huán)利用，實現(xiàn)池塘綠色循環(huán)養(yǎng)殖。

池塘水質(zhì)監(jiān)測的常見指標主要有總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)等。目前水質(zhì)評價方法有單因子評價法[7]、綜合指數(shù)法[8]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]、物元分析法[10]等。近年來，模糊綜合評價方法的研究與應(yīng)用越來越廣泛[11-13]，該評價法對漁業(yè)水質(zhì)的評價效果較好，但它確定權(quán)重的方法不夠客觀和簡潔[14]。“熵權(quán)”理論是一種客觀賦權(quán)理論，通過對“熵”的計算確定權(quán)重，可以有效避免傳統(tǒng)方法在權(quán)重確定中主觀因素的影響[15]。

本實驗于蘇州地區(qū)完成標準化改造的池塘進行，通過監(jiān)測總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)等指標，利用熵權(quán)法，對池塘標準化改造后的水質(zhì)進行模糊綜合評價，可評價水質(zhì)類別及該生態(tài)改造系統(tǒng)的處理效果，以便有針對性的優(yōu)化水凈化系統(tǒng)，更好的實現(xiàn)循環(huán)水養(yǎng)殖。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)計

本研究于2020年4月—2021年3月進行。研究對象選擇經(jīng)池塘標準化改造后的蘇州吳中區(qū)臨湖鎮(zhèn)扣蟹和成蟹養(yǎng)殖池塘(T1)、甪直鎮(zhèn)南美白對蝦養(yǎng)殖池塘(T2)、吳江區(qū)同里鎮(zhèn)鱸魚養(yǎng)殖池塘(T3)、平望草鯽混養(yǎng)池塘(T4)，分別在進水口、養(yǎng)殖池塘及各凈化單元設(shè)置多個采樣點。采樣布點分布如下：T1～T4各選擇3口養(yǎng)殖池塘，每口塘按五點法布點，將所有采集的水樣均勻混合后測定；進水口及3個凈化區(qū)各布置5個采樣點，將5個點的水樣等量混勻后進行水質(zhì)分析。水樣指標測定具體參照SC/T 9101—2007《水和廢水檢測分析方法》進行，水質(zhì)測定指標和排放標準見表1。

表1 水質(zhì)測定指標和方法

1.2 數(shù)據(jù)處理

測定數(shù)據(jù)用Excel 軟件統(tǒng)計分析，按公式(1)計算某凈化池去除率，繪制相關(guān)圖表，采用SPSS 26.0 統(tǒng)計軟件對同一養(yǎng)殖池塘不同采樣點污染物濃度及不同凈化池的去除率進行單因素方差分析，檢驗各采樣點污染物濃度、不同凈化池間的去除效果差異顯著性，P＜0.05認為差異顯著，用不同小寫字母表示顯著性，并進行各水質(zhì)指標權(quán)重值計算及模糊綜合評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 TN的去除效果

TN 處理效果和各凈化單元去除率如圖1 所示。T1～T4凈化后出水口TN 含量分別為1.10～2.37、0.41～2.07、1.26～2.52、1.21～1.52 mg/L，均達到SC/T 9101—2007 淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求的二級排放標準。T1～T4全年平均TN 去除率依次為-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（凈化區(qū)3）TN含量顯著高于池塘，其余季節(jié)無明顯變化，春、夏、秋季凈化區(qū)1 去除率顯著高于凈化區(qū)2、3，冬季無明顯差異，系統(tǒng)TN去除率冬季最高，春季最低；T2春、夏秋季出水口TN 含量顯著低于池塘，其余季節(jié)無明顯變化，各凈化區(qū)去除率無明顯差異，系統(tǒng)TN 去除率夏季最高，冬季最低；T3春季出水口TN含量顯著低于池塘，其余季節(jié)無明顯變化，冬季凈化區(qū)2、3去除率顯著高于凈化區(qū)1，其余季節(jié)去除率無明顯差異，系統(tǒng)TN去除率夏季最高，冬季最低；T4春、秋季出水口TN含量顯著低于池塘，其余季節(jié)無顯著差異，春季凈化區(qū)1去除率顯著低于凈化區(qū)2、3，夏季凈化區(qū)3去除率顯著高于凈化區(qū)1、2，秋季凈化區(qū)3去除率顯著高于凈化區(qū)2，冬季無明顯差異，系統(tǒng)TN 去除率夏季最高，冬季最低。

圖1 系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水TN處理效果和各凈化單元平均去除率

2.2 TP的去除效果

TP 處理效果和各凈化單元去除率如圖2 所示。T1～T4凈化后出水口含量分別為0.12～0.68、0.04～0.17、0.08～0.21、0.16～0.26 mg/L，均達到SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》二級排放標準。T1～T4全年平均TP 去除率依次為-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（凈化區(qū)3）TP 含量顯著高于池塘，其余季節(jié)無明顯變化，春、秋季凈化區(qū)1去除率顯著高于凈化區(qū)3，夏季顯著高于凈化區(qū)2，冬季各凈化區(qū)去除率無明顯差異，系統(tǒng)TP 去除率冬季最高，秋季最低；T2出水口TP含量與池塘均無顯著差異，夏季凈化區(qū)1 去除率顯著高于凈化區(qū)3，冬季凈化區(qū)1、3去除率顯著高于凈化區(qū)2，系統(tǒng)TP 去除率春季最高，冬季最低；T3夏秋季池塘含量差異顯著，冬季凈化區(qū)3 去除率顯著高于凈化區(qū)1，其余季節(jié)去除率無明顯差異，系統(tǒng)TP去除率秋季最高，冬季最低；T4出水口TP 含量與池塘含量無顯著差異，冬季各凈化區(qū)去除率均有顯著差異，且凈化區(qū)1＞凈化區(qū)3＞凈化區(qū)2，系統(tǒng)TP去除率夏季最高，冬季最低。

圖2 系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水TP處理效果和各凈化單元平均去除率

2.3 NH3-N的去除效果

NH3-N 處理效果和各凈化單元去除率如圖3 所示。T1～T4凈化后出水口含量分別為0.11～0.48、0.19～0.46、0.07～0.76、0.09～0.23 mg/L，根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，氨氮排放標準范圍限值為0.02 ～150 mg/L，因此均可達標排放。T1～T4全年平均NH3-N 去除率依次為-38.66%、33.72%、-35.52%、25.84%，T2去除率最高，T1去除率最低；T1出水口（凈化區(qū)3）NH3-N含量與池塘含量春季差異顯著，春季凈化區(qū)1去除率顯著高于凈化區(qū)2、3，其余季節(jié)各凈化區(qū)去除率無明顯差異，系統(tǒng)NH3-N去除率冬季最高，春季最低；T2出水口NH3-N含量秋季顯著低于池塘，其余季節(jié)均無顯著差異，夏季凈化區(qū)3 去除率顯著高于凈化區(qū)2、3，其余季節(jié)各凈化區(qū)去除率無明顯差異，系統(tǒng)NH3-N去除率春季最高，冬季最低；T3出水口NH3-N含量與池塘含量無顯著差異，冬季凈化區(qū)2、3 去除率顯著高于凈化區(qū)1，其余季節(jié)去除率無明顯差異，系統(tǒng)NH3-N去除率秋季最高，冬季最低；T4出水口NH3-N含量與池塘含量夏季差異顯著，秋、冬季凈化區(qū)3去除率顯著高于凈化區(qū)1、2，系統(tǒng)NH3-N 去除率夏季最高，秋季最低。

圖3 系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水NH3-N處理效果和各凈化單元平均去除率

2.4 CODMn的去除效果

CODMn處理效果和各凈化單元去除率如圖4 所示。T1～T4凈化后出水口含量分別為3.51～9.77、3.44～11.40、7.77～7.86、8.97～11.82 mg/L，均達到SC/T9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》二級排放標準。T1～T4全年平均CODMn去除率依次為-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（凈化區(qū)3）CODMn含量顯著高于池塘，其余季節(jié)無明顯變化，春、夏季凈化區(qū)1 去除率顯著高于凈化區(qū)3，其余季節(jié)各凈化區(qū)去除率無明顯差異，系統(tǒng)CODMn去除率冬季最高，春季最低；T2出水口CODMn含量與池塘均無顯著差異，夏季凈化區(qū)2、3 去除率顯著高于凈化區(qū)1，冬季凈化區(qū)2去除率顯著高于凈化區(qū)1、3，系統(tǒng)CODMn去除率春季最高，冬季最低；T3出水口CODMn含量與池塘含量夏季差異顯著，各季節(jié)凈化區(qū)去除率無明顯差異，系統(tǒng)CODMn去除率夏季最高，冬季最低；T4出水口CODMn含量與池塘含量無明顯差異，冬季凈化區(qū)2 去除率顯著大于凈化區(qū)3，系統(tǒng)CODMn去除率夏季最高，秋季最低。

圖4 系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水CODMn處理效果和各凈化單元平均去除率

2.5 pH變化

T1～T4的pH 變化情況如表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，均達到SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》排放標準。除T1冬季凈化區(qū)1 的pH 顯著高于進水口pH，其余池塘pH各季節(jié)均無明顯差異。

表2 系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水pH處理效果

2.6 基于熵值法的模糊綜合水質(zhì)評價

GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量水質(zhì)因子分級標準》見表3，各因子熵值法權(quán)重計算結(jié)果見表4，水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果見表5。由結(jié)果可知，監(jiān)測周期中T1池塘水處理前后污染物均以NH3-N 為主，權(quán)重值分別為0.3096、0.3293，TN 與CODMn處理后權(quán)重值降低；T2處理前污染物以TP為主，處理后以TN為主，權(quán)重值分別為0.2810、0.3489，TP、NH3-N、CODMn處理后權(quán)重值降低；T3處理前后污染物均以TP 為主，權(quán)重值分別為0.3241、0.2829，TN與TP處理后權(quán)重值降低；T4處理前以TN 為主，處理后以TP 為主，權(quán)重值分別為0.2961、0.3405，TN與CODMn處理后權(quán)重值降低。

表3 水質(zhì)因子分級標準mg/L

表4 權(quán)重系數(shù)計算結(jié)果

表5 模糊綜合評價結(jié)果

根據(jù)模糊綜合評價結(jié)果，T1冬季處理后水質(zhì)明顯轉(zhuǎn)好；T2夏、秋季處理后水質(zhì)明顯轉(zhuǎn)好，春季變化不大；T3春季處理后水質(zhì)有所改善，其余季節(jié)變化不大；T4秋冬季處理后水質(zhì)明顯轉(zhuǎn)好，春夏變化不大。

3 結(jié)論

兩壩三區(qū)尾水處理系統(tǒng)對蘇州地區(qū)冬季蟹塘、夏秋季蝦塘、春季鱸魚塘及秋冬季草鯽混養(yǎng)塘尾水凈化效果較佳。冬季蟹塘由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅰ類水；夏秋季蝦塘由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅱ類水；春季鱸魚塘由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅳ類水；秋冬季草鯽混養(yǎng)塘分別由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅲ類水、Ⅲ類水轉(zhuǎn)為Ⅰ類水。

4 討論

4.1 凈化系統(tǒng)各污染物凈化特征

4.1.1 TN 凈化特征凈化系統(tǒng)的脫氮主要是利用水生植物和微生物等完成[16]。水生植物通過光合作用等生化反應(yīng)將水中的CO2及氮、磷等元素合成自身有機物質(zhì)并生成O2，以降低水中污染物的含量。董昌華等[17]通過人工模擬的方法發(fā)現(xiàn)水生植物中，特別是沉水植物能夠有效抑制底泥總氮、總磷、硝態(tài)氮與氨態(tài)氮的釋放，從而凈化水質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn)，夏季一級凈化區(qū)與二級凈化區(qū)中生態(tài)溝渠植被生長茂盛，蝦塘與魚塘除氮效果均良好。在魚類養(yǎng)殖池塘中，一般都為高密度無草的養(yǎng)殖形式，大量的投餌使得水中含有過多有機氮，一級凈化區(qū)中鳳眼蓮、水花生等水生植物的種植以及植物區(qū)中輪葉黑藻、金魚藻等沉水植物的種植均對TN有一定的去除效果[18]。對于蝦、蟹池塘，沉水植物的種植可以依靠根莖等減少水中固體顆粒物，使TN 以無機氮形式存在從而更易被植物吸收，因此一級凈化區(qū)與二級凈化區(qū)的去除效果良好，但蟹類池塘TN 濃度處理后反而有所上升，可能有以下原因：（1）生物反硝化過程受阻。沉積物（如殘餌、排泄廢物、動植物殘體等）及有害氣體的降解是依靠微生物的硝化與反硝化作用完成。厭氧細菌完成反硝化作用，而三級凈化區(qū)主要是充分曝氣復氧，影響了細菌反硝化效率，脫氮效果受到影響[19]。（2）人為影響。該系統(tǒng)在養(yǎng)殖池溏灑藥期間停用，可能會造成一定影響。

4.1.2 TP 凈化特征凈化系統(tǒng)的除磷主要依靠基質(zhì)吸附、沉降和植物吸收等方式完成[20-21]。研究表明，水生植物中蘆葦、菖蒲等挺水植物對TP 去除效果良好[22]，董昌華等[17]的研究也表明金魚藻、鳳眼蓮、苦草等6種植物對TP去除率能高達91.7%。但TP凈化效果差異較大，魚類養(yǎng)殖池塘凈化區(qū)1 對TP 的去除效果不佳，蝦蟹池塘凈化區(qū)2與凈化區(qū)3對TP去除效果不佳。這可能是由于養(yǎng)殖動物活動攪動底泥引起沉積物中TP的釋放，尤其是蝦蟹類，其活動更易引起底泥攪動，TP則由原泥水界面釋放轉(zhuǎn)變?yōu)榈啄鄦討腋♂尫臶23]。尾水中TP含量一旦超過凈化區(qū)水生植物負荷，凈化能力會大幅降低，例如，金魚藻對氮、磷的去除效果就呈現(xiàn)隨濃度升高而下降的趨勢[22]。養(yǎng)殖池塘可以考慮采用不同的改性材料，并使用微生物制劑加強沉淀池凈化效果[24]，崔婉瑩等[25]對4種改性吸附劑除磷效果的研究發(fā)現(xiàn)，改性金屬氧化物具有較好的除磷效果，可結(jié)合加入此類吸附劑的生物炭等材料增強一級凈化區(qū)除磷能力。生態(tài)溝渠中可以考慮改善水生植物品種，添加部分中草藥水生植物等，以此提高對氮磷的去除效率[26]。4.1.3 NH3-N凈化特征NH3-N是影響水質(zhì)的重要因子之一，是養(yǎng)殖尾水中常見污染物。池塘養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的NH3-N主要來源是養(yǎng)殖動物的排泄物、過剩的飼料等，塘底底泥氨化分解與肥料累積同樣會造成NH3-N污染[27]。齊振熊等[28]的研究就發(fā)現(xiàn)收獲時對蝦對氮元素利用率輸出占比為9.06%～11.5%。剩余富含氮的營養(yǎng)物質(zhì)若不能及時處理則會造成水體的富營養(yǎng)化[29]。大部分進入池塘的NH3-N 需要通過微生物“硝化-反硝化”作用排出。NH3-N的去除與溫度有著密切聯(lián)系，曝氣揮發(fā)、植物的同化作用與微生物分解等方式都能有效降低NH3-N 濃度[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，蟹塘與鱸魚池塘作為高污染池塘，整體去除效果欠佳。蝦蟹池塘與魚類池塘對NH3-N的去除效果均以三級凈化區(qū)最佳，主要是通過三級凈化區(qū)的充分曝氣復氧，并結(jié)合溫度影響水體pH 進而促進氨揮發(fā)，有助于去除NH3-N[30]；二級凈化區(qū)普遍去除效果不好的原因可能溶氧含量變化有關(guān)，溶解氧過高時，硝化效率受到影響，NH3-N去除率反而會降低[31]。

4.1.4 CODMn凈化特征養(yǎng)殖水體中的CODMn主要來源是養(yǎng)殖對象的殘餌與代謝物，隨著養(yǎng)殖周期代謝產(chǎn)物與殘餌不斷累積，CODMn逐漸升高。研究表明，有機污染物會導致對蝦鰓、肝胰腺等組織病變[32]，過高的CODMn是誘發(fā)對蝦疾病的主要環(huán)境因子之一[33-34]。本研究發(fā)現(xiàn)，蝦蟹類池塘和魚類養(yǎng)殖池塘中一級凈化區(qū)、二級凈化區(qū)CODMn的去除效果較好，主要是通過沉降和過濾去除懸浮性有機顆粒和有機物的方式進而降低CODMn含量，而蝦蟹類二級凈化區(qū)與三級凈化區(qū)去除效果不佳，可能與氣溫短暫浮動和溶解氧含量變動有關(guān)，二級凈化區(qū)中有植物種植區(qū)，植物耗氧后水體自凈能力減弱。

4.1.5 pH 凈化特征水體pH 能夠反映水體的酸堿情況，也是判斷水質(zhì)好壞的一個重要指標。水體pH主要受水中二氧化碳含量的影響，二氧化碳含量又受水生生物的光合作用、呼吸作用、有機物氧化分解等影響。在養(yǎng)殖過程中餌料殘渣和排泄物等也會影響pH。本研究結(jié)果表明，整個養(yǎng)殖周期中蝦蟹與魚類養(yǎng)殖水pH經(jīng)處理后均達到SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》排放標準，除T1冬季凈化區(qū)1 pH 顯著高于進水口pH，其余池塘pH各季節(jié)均無明顯差異，可能是曝氣池增加了水中二氧化碳含量從而加強了水生植物的光合作用。

4.2 系統(tǒng)整體效果探討

本研究采用的水質(zhì)評價系統(tǒng)主要結(jié)合了熵權(quán)法與模糊綜合評價法。根據(jù)研究結(jié)果來看，T1冬季處理后由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅰ類水，水質(zhì)明顯轉(zhuǎn)好，主要原因是養(yǎng)殖末期成蟹捕撈后水源污染大大減少，凈化區(qū)凈水壓力減少。T2夏、秋季處理后水質(zhì)明顯轉(zhuǎn)好，均由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅱ類水，春季變化不大，說明該系統(tǒng)對蝦塘尾水去污效果集中在高溫時最佳，而冬季水質(zhì)變差，除后期飼料投喂變化，可能也與外源污染有關(guān)；T3春季處理后水質(zhì)有所改善，由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅳ類水，其余季節(jié)變化不大；T4秋季處理后由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅲ類水，冬季由Ⅲ類轉(zhuǎn)為Ⅰ類，水質(zhì)明顯轉(zhuǎn)好，春夏季水質(zhì)變化不大。系統(tǒng)對蝦蟹池塘的TN去除與對魚塘的TP去除效果較好，能夠在一定程度上減少污染物權(quán)重值，而去污效果不佳的季節(jié)應(yīng)考慮優(yōu)化凈化區(qū)所用凈化材料，從而進一步升級系統(tǒng)。