袁新程，施永海，劉永士

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池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降及其三態(tài)氮、總氮和總磷含量變化

袁新程，施永海，劉永士

（上海市水產(chǎn)研究所，上海市水產(chǎn)技術(shù)推廣站，上海 200433）

養(yǎng)殖廢水；自由沉降；懸浮物；三態(tài)氮；總氮；總磷

目前，池塘養(yǎng)殖是我國(guó)最傳統(tǒng)和普遍的養(yǎng)殖方式之一，而在養(yǎng)殖過(guò)程中，水產(chǎn)動(dòng)物大量的排泄物和剩余餌料排入水體中，導(dǎo)致養(yǎng)殖水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化或富集大量顆粒物和營(yíng)養(yǎng)鹽[1]。趙文等[2]研究發(fā)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖1 kg鯉魚每天要產(chǎn)生300 mg氨和100 kg含有大量氮肥的養(yǎng)殖廢水。Schneider等[3]發(fā)現(xiàn)飼料中只有20% ~ 50%的氮和15% ~ 65%的磷被魚體吸收，其他的均隨殘餌進(jìn)入到養(yǎng)殖水體中。馮東岳[4]也發(fā)現(xiàn)每生產(chǎn)1 t蝦，池塘水體中會(huì)增加0.20 t 氮元素和0.05 t 磷元素。當(dāng)前生產(chǎn)上改善池塘養(yǎng)殖水環(huán)境的主要方法是采用周期性換水，但這會(huì)產(chǎn)生大量的養(yǎng)殖廢水，大部分廢水未經(jīng)處理向周圍環(huán)境中排放，會(huì)導(dǎo)致附近河流、湖泊和水庫(kù)等水體富營(yíng)養(yǎng)化程度升高，生態(tài)水環(huán)境問(wèn)題突出[5]。

近幾年國(guó)內(nèi)外圍繞處理養(yǎng)殖廢水上的研究報(bào)道主要集中在養(yǎng)殖廢水的處理技術(shù)上[6-10]，而對(duì)其自身沉降規(guī)律及水質(zhì)變化情況的研究報(bào)道較少，因此研究池塘養(yǎng)殖廢水的自由沉降及其水質(zhì)參數(shù)的變化情況顯得尤為重要。本研究以上海地區(qū)暗紋東方鲀（）養(yǎng)殖池塘的養(yǎng)殖廢水為研究對(duì)象，通過(guò)靜置沉降，測(cè)定其不同水深、不同時(shí)間下的懸浮物含量、總氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、總氮、總磷的變化情況，研究池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降規(guī)律及其三態(tài)氮和總氮、總磷變化情況，以期為池塘養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)用水為上海市水產(chǎn)研究所奉賢科研基地內(nèi)暗紋東方鲀養(yǎng)殖池塘的養(yǎng)殖廢水，取樣后隨即準(zhǔn)備試驗(yàn)。試驗(yàn)容器為高190 cm，直徑30 cm，容積130 L的透明PVC白桶3個(gè)（圖1）。

1.2 儀器

真空泵；自由沉降柱（內(nèi)徑30 cm，高度190 cm，容積130 L）；遠(yuǎn)紅外鼓風(fēng)干燥箱；722型可見光分光光度計(jì)；723型紫外分光光度計(jì)；分析天平（精確至0.000 1 g）。

圖1 沉降柱規(guī)格及取樣位置

1.3 方法

本實(shí)驗(yàn)在上海市水產(chǎn)研究所奉賢科研基地內(nèi)進(jìn)行，池塘面積約為1 200 m2，深度約1.5 m，養(yǎng)殖魚種為暗紋東方鲀（），初始平均體質(zhì)量為5.56 g，共4 488尾，養(yǎng)殖周期70 d，養(yǎng)殖結(jié)束時(shí)暗紋東方鲀的平均體質(zhì)量為34.84 g。每天投喂一次，所喂飼料為鰻魚粉狀配合飼料，飼料加工成團(tuán)塊狀，現(xiàn)喂現(xiàn)做。

=（-0）×1 000/，=/，

式中：為廢水中懸浮物含量，mg/L；為懸浮物沉降率，mg?L-1?min-1；0為定量濾紙的質(zhì)量，g；是懸浮物和定量濾紙的質(zhì)量，g；為水樣體積，L；為沉降時(shí)間，min。

1.4 水樣測(cè)定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降懸浮物（TSS）濃度變化及其沉降率變化

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)初始廢水的TSS質(zhì)量濃度為821.33 mg/L，不同深度TSS沉降率隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。不同深度的TSS沉降率均隨時(shí)間延長(zhǎng)具有不同的變化趨勢(shì)，在90 min內(nèi)，2#、3#、4#、5#取樣位置的TSS沉降率均隨時(shí)間延長(zhǎng)而顯著降低（< 0.05），并具有趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；而1#的沉降率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈先升高后降低的趨勢(shì)，并趨于穩(wěn)定（圖2）。150 min內(nèi)，取樣位置越淺，TSS沉降率越大，4#、5#的沉降率均顯著大于其他取樣位置（< 0.05）；1#在30 min時(shí)的TSS沉降率為負(fù)值，在90 min時(shí)沉降率最大，而其他取樣位置的TSS沉降率均在30min時(shí)最大，在150 min時(shí)各取樣位置的TSS濃度沉降均達(dá)到59%以上。

2.2 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降的銨態(tài)氮（TAN）、亞硝酸鹽（NO-N）和硝酸鹽（NO-N）變化

在養(yǎng)殖廢水自由沉淀過(guò)程中三態(tài)氮均呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化，在0～30 min，1#、2#取樣位置廢水的TAN濃度略有升高，其他取樣位置的TAN濃度略有降低，30 min后各取樣位置TAN濃度均逐漸降低，并在120 min時(shí)均顯著低于初始水樣（< 0.05）（圖3a）。在150 min時(shí)，各取樣位置廢水中總銨氮含量大小順序?yàn)?#> 2#> 3#> 4#> 5#，4#和5#均顯著低于1#（< 0.05）。表明廢水中總銨氮含量隨時(shí)間自由沉降后有降低趨勢(shì)，沉降深度越淺其含量越低。

標(biāo)有不同小寫字母者表示同一取樣時(shí)間不同取樣深度之間有顯著性差異（＜0. 05），標(biāo)有不同大寫字母者表示同一深度取樣位置不同取樣時(shí)間之間有顯著性差異（＜0. 05）

The Signs with different lowercase letters within the same sampling time are significantly different in different sampling depths at the 0.05 probability level, and signs with different uppercase letters within the same depths are significantly different in different sampling time at the 0.05 probability level

圖2 不同深度取樣位置懸浮物沉降率隨時(shí)間的變化情況

Fig. 2 Changing pattern of the sedimentation rate of suspended solids at different depths with time

標(biāo)有不同小寫字母者表示同一取樣時(shí)間不同取樣深度之間有顯著性差異（＜0. 05），標(biāo)有不同大寫字母者表示同一深度取樣位置不同取樣時(shí)間之間有顯著性差異（＜0. 05）

The Signs with different lowercase letters within the same sampling time are significantly different in different sampling depths at the 0.05 probability level, and signs with different uppercase letters within the same depths are significantly different in different sampling time at the 0.05 probability level

2.3 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降的總氮（TN）、總磷（TP）變化

池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降過(guò)程中TN和TP隨時(shí)間變化情況如圖4，不同深度取樣位置的TN和TP的變化趨勢(shì)相似，在150 min內(nèi)，1#的TN含量隨時(shí)間延長(zhǎng)先升高后迅速降低，于90 min時(shí)趨于平衡，并顯著低于初始水樣（< 0.05）；而其他取樣位置的TN含量均在0~30 min內(nèi)迅速減小，之后隨時(shí)間延長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，均顯著低于初始水樣（< 0.05）。而在150 min內(nèi)，1#的TP含量隨時(shí)間延長(zhǎng)先升高后逐漸降低，而其他取樣位置的TP含量均隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低，均于120 min時(shí)趨于穩(wěn)定，且均顯著低于初始水樣（< 0.05）。最終150 min后TN含量大小順序?yàn)?#> 4#> 3#> 2#> 5#，各取樣位置TN去除率均達(dá)到50%以上（圖4a）；最終150 min后TP含量大小順序?yàn)?#> 2#> 4#> 3#> 5#，各取樣位置TP去除率均達(dá)到28%以上（圖4b）。表明養(yǎng)殖廢水通過(guò)自身自由沉降作用也能去除部分TN和TP含量。

標(biāo)有不同小寫字母者表示同一取樣時(shí)間不同取樣深度之間有顯著性差異（＜0. 05），標(biāo)有不同大寫字母者表示同一深度取樣位置不同取樣時(shí)間之間有顯著性差異（＜0. 05）

The Signs with different lowercase letters within the same sampling time are significantly different in different sampling depths at the 0.05 probability level, and signs with different uppercase letters within the same depths are significantly different in different sampling time at the 0.05 probability level

圖4 不同深度取樣位置TN和TP濃度隨時(shí)間的變化情況

Fig. 4 Changing pattern of concentration of TN and TP at different height with time

3 討論

3.1 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降的總懸浮物濃度及沉降率變化情況

按照傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式，大量的水產(chǎn)動(dòng)物排泄物和剩余餌料進(jìn)入養(yǎng)殖水體，導(dǎo)致養(yǎng)殖水環(huán)境富含有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽，對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境可能引起嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化威脅，而含有高濃度懸浮物養(yǎng)殖廢水的直接排放是養(yǎng)殖廢水超標(biāo)的一個(gè)重要原因。并且池塘水體中懸浮顆粒中有機(jī)物質(zhì)的溶解和析出，易導(dǎo)致水質(zhì)快速惡化，致使病毒細(xì)菌大量繁衍，導(dǎo)致養(yǎng)殖環(huán)境被破壞[14-15]。因此去除廢水中總懸浮物對(duì)控制養(yǎng)殖水體水質(zhì)及保障養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要[16]。近幾年有關(guān)懸浮物去除技術(shù)也在不斷研究發(fā)展中，Barrut等[17]通過(guò)改進(jìn)舊式泡沫分離器獲得真空泡沫分離器，可以每小時(shí)20%的去除率將水體中懸浮物進(jìn)行去除；鄭瑞東等[18]研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用泡沫分離法可至少清除廢水中60%的懸浮物。本研究通過(guò)研究池塘養(yǎng)殖廢水的自由沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水中懸浮物濃度均時(shí)間延長(zhǎng)有逐漸降低趨勢(shì)，最終沉降率達(dá)到59%，并在不同深度水層中總懸浮物含量的降低速度也不同。本研究中，在30 min時(shí)，1#取樣位置的懸浮物濃度升高；其他取樣位置均降低，但隨水體深度的增加沉降率減小，深度越深沉降率越小。這主要是因?yàn)檩^高水層的水樣沉降下來(lái)的總懸浮物會(huì)經(jīng)過(guò)低水層處，所以水層越低水樣的懸浮物含量變化越慢，因此，在本研究中會(huì)出現(xiàn)1#處的水樣懸浮物含量呈先增大后變小的變化趨勢(shì)，以及取樣水層深度越深，其總懸浮物濃度變化越慢的情況。此研究結(jié)果與關(guān)山月等[19]研究的低濃度生活污水中懸浮物自由沉降的變化情況相似。

3.2 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降的水質(zhì)變化情況

池塘養(yǎng)殖廢水含有大量的殘餌和糞便等含氮有機(jī)物，其中主要的有害物質(zhì)為氨氮和亞硝酸鹽[20]。氨氮是水產(chǎn)動(dòng)物排泄物及殘餌等含氮有機(jī)物的終產(chǎn)物，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物有毒害作用，排放到外界環(huán)境后極易造成水體污染。亞硝基可氧化水產(chǎn)動(dòng)物血液中含有的亞鐵血紅蛋白為高鐵血紅蛋白，從而降低了血液的載氧含量，導(dǎo)致機(jī)體組織缺氧，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物有很強(qiáng)毒害作用[1]。池塘養(yǎng)殖廢水中有機(jī)物包括水產(chǎn)動(dòng)物和浮游動(dòng)物排泄物、剩余餌料等經(jīng)過(guò)分解而產(chǎn)生的有機(jī)物，相互聚集或附著于微小的泥沙上形成大顆粒狀懸浮物，所以隨著懸浮物顆粒的沉降對(duì)廢水中三態(tài)氮含量的變化有一定影響。另外，由于水體中存在的微生物氨化、硝化和反硝化作用[21]，從而導(dǎo)致水體中硝基氮含量也會(huì)發(fā)生一定的變化。本研究中，各深度的取樣位置廢水中總氨氮含量隨時(shí)間延長(zhǎng)下降的變化，在30 min內(nèi)降低較快，之后降低緩慢，于120 min時(shí)趨于穩(wěn)定，并且在穩(wěn)定之后氨氮含量隨取樣位置深度增大而降低。主要原因可能是因?yàn)殡S著懸浮物顆粒的沉降，附著于其中還未來(lái)得及分解的有機(jī)物質(zhì)也隨之沉降到底部，從而導(dǎo)致濃度的降低，另一方面也可能是微生物的氨化作用轉(zhuǎn)化為亞硝基[22]。試驗(yàn)中亞硝基變化情況與氨氮變化很相似，均隨時(shí)間延長(zhǎng)增大和深度減小呈降低的趨勢(shì)?？赡苁窃诒緦?shí)驗(yàn)條件下，養(yǎng)殖廢水中懸浮物的沉降作用和微生物自身的硝化作用大于其反硝化作用而產(chǎn)生的結(jié)果[22]。

池塘養(yǎng)殖廢水中有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮含量的增加會(huì)消耗水體中的氧氣，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，而水中磷類物質(zhì)過(guò)量極易造成藻類過(guò)度繁衍，降低了水質(zhì)透明度，導(dǎo)致水質(zhì)變壞，所以總氮和總磷作為水質(zhì)檢測(cè)的重要參數(shù)，對(duì)養(yǎng)殖廢水排放起著重要作用[23]。水體中氮元素的去除，除了氨自身?yè)]發(fā)、硝化和反硝化作用等途徑外，還主要依靠水體中懸浮顆粒的沉降作用[24-25]。本實(shí)驗(yàn)中廢水經(jīng)過(guò)自由沉降后，總氮濃度隨時(shí)間延長(zhǎng)增加而逐漸降低。其中1#取樣位置的總氮含量在30 min內(nèi)升高，之后又隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，主要原因是在離沉降柱底部較高位置的含氮有機(jī)物質(zhì)懸浮顆粒隨時(shí)間延長(zhǎng)沉降到較低位置時(shí)，懸浮顆粒濃度增加，導(dǎo)致1#取樣位置的總氮含量增加，之后較高位置的懸浮顆粒沉降完畢后，低取樣位置的懸浮顆粒濃度開始逐漸降低，從而導(dǎo)致1#取樣位置總氮含量呈先升高后降低得變化趨勢(shì)。而其他深度的取樣位置具有不同的變化趨勢(shì)，均隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，在30 min內(nèi)降低較快，并于90 min時(shí)趨于穩(wěn)定，較高取樣水層總氮含量較低，但各取樣位置之間無(wú)顯著差異。本實(shí)驗(yàn)養(yǎng)殖廢水中TP的去除主要依靠沉降作用等途徑去除[26-28]，因此廢水中大量的含磷有機(jī)物隨懸浮物顆粒自由沉降而降低，1#取樣位置的總磷變化和總氮變化相似，均先增加后降低，其他深度取樣位置均逐漸降低，并于120 min后趨于平衡。本研究表明養(yǎng)殖廢水自由沉降后對(duì)上層水樣中總氮和總磷有一定程度的沉降作用，這與傳統(tǒng)處理方式中直接對(duì)排出養(yǎng)殖廢水進(jìn)行凈化處理相比，增加了自由沉降步驟，提高凈化效率的同時(shí)降低了勞動(dòng)成本，為今后池塘養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及構(gòu)建提供理論依據(jù)，也對(duì)中國(guó)目前大面積、集約化的池塘養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)水環(huán)境的保護(hù)具有積極意義。

4 結(jié)論

1）池塘養(yǎng)殖廢水經(jīng)自由沉降后，TSS含量明顯減少，較深水層TSS濃度會(huì)隨時(shí)間變化先增大后逐漸減小，較淺水層的TSS濃度隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸減小。水層越淺，廢水TSS沉降速度越快，水層越深，則沉降越慢，同一深度水層中總懸浮物沉降率會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，同一時(shí)間內(nèi)隨深度增大沉降率減小。沉降150 min后，中上層養(yǎng)殖廢水中TSS含量會(huì)顯著降低，沉降率均在59%以上。

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Study on the Pattern of Free Sedimentation of Pond Wastewater and the Change of Three-State Nitrogen, Total Nitrogen and Total Phosphorus

YUAN Xin-cheng, SHI Yong-hai, LIU Yong-shi

（，，200433,）

wastewater from aquaculture; free sedimentation; suspended solids; three-state nitrogen; total nitrogen；total phosphorus

S967.4；X503.225

A

1673-9159（2019）04-0056-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.04.009

2019-04-21

2018年度上海市市級(jí)農(nóng)口系統(tǒng)青年人才成長(zhǎng)計(jì)劃項(xiàng)目[滬農(nóng)青字(2018)第3-1號(hào)]；上海市科技興農(nóng)項(xiàng)目(2019-02-08-00-07-F01130)

袁新程（1989－），碩士，助理工程師，研究方向?yàn)樗h(huán)境檢測(cè)與調(diào)控、水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種及繁殖生物學(xué)。E-mail：xcyuan2016@163.com

施永海，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗a(chǎn)繁育、水環(huán)境監(jiān)測(cè)及養(yǎng)殖技術(shù)研究。E-mail: yonghais@163.com

袁新程，施永海，劉永士. 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降及其三態(tài)氮、總氮和總磷含量變化[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，39（4）：56-62.

（責(zé)任編輯：劉朏）