董興國 景紅軍 李令國 沈海榮

摘 ?要：為了驗證前期設計的基于池塘異位修復技術的水處理系統(tǒng)的養(yǎng)殖效果，進行了為期3年的規(guī)?；嗥贩N飽和養(yǎng)殖試驗。試驗主要測定了該系統(tǒng)對普通淡水魚養(yǎng)殖池塘水體中總氮（TN）、總磷（TP）、化學耗氧量（CODMn）和葉綠素（Chla）的控制效果。結果表明：在養(yǎng)殖的中前期，養(yǎng)殖塘循環(huán)水總磷水平達到地表水環(huán)境質量III類標準（GB 3838—2002），總氮水平達到地表水水環(huán)境質量III至V類標準（GB 3838—2002），系統(tǒng)對TP、TN、CODMn和Chla的平均去除率分別為40.13%、45.02%、43.37%和86.6%，去除效果顯著;在養(yǎng)殖后期，隨著飼料投入的持續(xù)增加，試驗系統(tǒng)去除效率雖有大幅提高，但是各指標檢測數(shù)據(jù)仍然高于預期。試驗為淡水池塘的循環(huán)水處理規(guī)?；B(yǎng)殖用水提供了一種新的實踐思路。

關鍵詞：循環(huán)水處理系統(tǒng);淡水池塘;總氮;總磷;化學需氧量;葉綠素a;評價

中圖分類號：S949 ? ?文獻標志碼：A ? ?論文編號：cjas20191200300

Abstract： To verify the practical culturing effect of a previously designed circulating water treatment system based on heterotopic pond restoration technology， a large-scale multi-species saturating culture experiment was carried out for 3 years. The effects of the system on water quality control was evaluated by measuring the total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， chemical oxygen consumption （CODMn） and chlorophyll （Chla） in a common freshwater fish culturing pond. The results showed that in the early stage of the experiment， the total nitrogen level （TP） of the circulating water of the pond reached Class III of the Environmental Quality Standards for Surface Water （GB 3838—2002）， and the total phosphorus level （TN） reached Class III to V. The average removal rate of TP， TN， CODMn and Chla was 40.13%， 45.02%， 43.37% and 86.6%， respectively. The removal efficiency of the system was significant. In the late stage of the experiment， with the continuous increase of the feed input， although the efficiency of the circulating system was greatly improved， the data of each index were still higher than expected. This experiment provides a new idea for the treatment of large-scale aquaculture water by circulating water in freshwater ponds.

Keywords： circulating water treatment system; freshwater pond; total nitrogen; total phosphorus; chemical oxygen demand; chlorophyll a; evaluation

0 ?引言

循環(huán)水養(yǎng)殖是在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中采用一定的工程設施和廢水處理設備對養(yǎng)殖廢水處理之后進行回收利用，對養(yǎng)殖和環(huán)境等進行人工調控，為養(yǎng)殖生物提供最適宜的環(huán)境，達到高產(chǎn)高效優(yōu)質和零污染的生產(chǎn)模式，符合低碳農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展的規(guī)律。

淡水池塘養(yǎng)殖尾水凈化修復技術主要分為異位修復與原位修復兩種。近年來發(fā)展的池塘循環(huán)水生態(tài)養(yǎng)殖模式就是一種異位修復技術[1]，該模式將養(yǎng)殖尾水引入人工濕地進行異地凈化，然后將凈化后的水再用于池塘養(yǎng)殖，實現(xiàn)了池塘養(yǎng)殖尾水的“零排放”?，F(xiàn)階段，國內各地試驗運行該模式雖效果明顯，但運行成本較高，利用循環(huán)水設備養(yǎng)殖在附加值較大的海水品種養(yǎng)殖中應用較為廣泛[2]，但在普通淡水魚類池塘養(yǎng)殖中仍不易推廣[1]。開展試驗的目的就是研究應用性價比高、便于管理和運行高效的循環(huán)水處理系統(tǒng)，使之貼近生產(chǎn)，服務生產(chǎn)，并建立一套較為完善的循環(huán)水系統(tǒng)控制效果評價體系。

養(yǎng)殖品種選擇中華倒刺鲃、錦鯉、大口黑鱸、羅非魚、金魚等5種，來自本地或自繁。普通淡水魚類是全國養(yǎng)殖規(guī)模和產(chǎn)量最大的水產(chǎn)品，大口黑鱸作為適于廣泛養(yǎng)殖、中華倒刺鲃作為對水質要求較高的淡水魚類品種，選擇這5個品種作為試驗對象具有代表性意義。

本試驗所研究的循環(huán)水處理系統(tǒng)主要包括：沉淀池、毛刷、五種植物帶、凈水生物（微生物、濾食魚類、河蚌、青蝦等）、紫外線消毒設備、納米增氧設備和養(yǎng)殖池等構成。它側重漁業(yè)生產(chǎn)，具有性價比高、結構緊湊、管理方便、突出高效、生態(tài)和景觀效果的特點，以期達到節(jié)水節(jié)能減排和傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖“三化”[3]融合的目的。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗區(qū)位

本試驗基地位于陜西省西安市未央?yún)^(qū)漁業(yè)科技創(chuàng)新園，水產(chǎn)養(yǎng)殖容積480 m3，共20口，池深1.2 m，結構為鋼筋混凝土，水源為地下水。

1.2 ?試驗設計

循環(huán)水處理系統(tǒng)由西安市水產(chǎn)工作站與陜西省西安植物園按照異位生態(tài)修復模式共同設計，生態(tài)塘為環(huán)形設計，水流方向為逆時針循環(huán)，環(huán)形生態(tài)塘中間為養(yǎng)殖塘。生態(tài)塘面積約735 m2，平均塘深1.2 m。

1.3 ?消毒區(qū)域

安裝紫外線消毒設備一套，設計處理能力：每小時處理50 m?水體。

1.4 ?試驗材料

沉水植物主要為苦草（Vallisneria natans）、輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）、伊樂藻（Elodea nuttallii）、金魚藻（Ceratophyllum demersum L.）、聚草（Myriophyllum spicatum）、粉綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum （Vell.） Verdc.）。浮葉植物主要為荇菜（Nymphoides peltata （Gmel.） Kuntze）、睡蓮（Nymphaea L.）。挺水植物主要為香蒲（Typha orientalis Presl.）、蘆葦（Phragmites australis （Cav.） Trin. ex Steud）、茭白（Zizania latifolia）、黑三棱（Sparganium stoloniferum）、再力花（Thalia dealbata Fraser）、水蔥（Scirpus validus Vahl）、黃菖蒲（Iris pseudacorus L.）、荷花（Nelumbo nucifera Gaertn）、梭魚草（Pontederia cordata L.）。所有水生植物來自本地。

花白鰱、青蝦為本場培育。凈水微生物、河蚌為外購。

1.5 ?試驗方法

試驗于2017年6月中旬投入生產(chǎn)，至2019年11月底，試驗歷經(jīng)3個養(yǎng)殖季節(jié)。捕撈采取輪捕輪放模式。每日定時循環(huán)，養(yǎng)殖尾水通過排水渠道經(jīng)II級沉淀后排入生態(tài)塘進行異位修復，經(jīng)系統(tǒng)凈化處理、消毒、檢測達標后回到養(yǎng)殖池進行再利用。定期補充地下水。

1.6 ?檢測指標和方法

4個水樣采樣點分別為：①出水口（尾水）;②拱橋下;③進水口（凈化水）;④2#池塘。

水質測定指標和測定方法如下：（1）溶解氧（DO），碘量法測定;（2）總氮（TN），堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定;（3）總磷（TP），鉬酸銨分光光度法測定;（4）化學需氧量（COD），重鉻酸鹽法測定;（5）葉綠素a，分光光度法測定;（6）pH，水質快速測試盒測定;（7）透明度（SD），透明度盤測定。

2 ?結果與分析

2.1 ?養(yǎng)殖效果

試驗3年，共收獲羅非魚600 kg、鱸魚商品魚325 kg、中華倒刺鲃商品魚180 kg、錦鯉（規(guī)格>250 g 750 kg，規(guī)格>1.5 kg 240 kg）1190 kg、金魚（珍珠、鎏金、龍睛）商品魚15000尾，收獲茭白72 kg。收割水生植物干重3000 kg。

2.2 ?循環(huán)水處理系統(tǒng)水化指標的變動規(guī)律

試驗期間，pH 8.0～8.4之間，隨著養(yǎng)殖時間的變化，循環(huán)水處理系統(tǒng)水體SD沒有明顯變化，在38～ ? ?55 cm之間波動。

試驗期間，出水口（養(yǎng)殖尾水）DO指標在2～3 mg/L之間波動，進水口（凈化水）DO指標在4～6 mg/L之間波動，可以滿足試驗規(guī)?；嗥贩N飽和養(yǎng)殖對于溶解氧的需求。

2.2.1 ?循環(huán)水處理系統(tǒng)對總磷的影響 ?如圖2所示，由于投餌量的增加，出水口（養(yǎng)殖尾水）總磷在養(yǎng)殖中期一直呈上升趨勢，其他3個采樣點總磷隨時間變化趨勢基本一致，檢測魚池的總磷在0.148～1.61 mg/L之間波動，穩(wěn)定在最低水平，且變化幅度最小，進水口（凈化水）水質總磷也處于較低水平，在0.425～2.27之間波動，保障了循環(huán)水處理系統(tǒng)末端養(yǎng)殖用水水質的相對穩(wěn)定，平均去除率為40.13%。系統(tǒng)運行初期，總磷的去除率為0，隨著系統(tǒng)的連續(xù)運行，去除率逐步升高。Tanner等[4]研究表明，潛流濕地運行初期對總磷的去除率不高，有時甚至出現(xiàn)負值，可能與濕地填料初期的磷的釋放有關。吳振斌等[5]也有相似報道。王麗卿等[6]研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物系統(tǒng)對總磷和活性磷的去除效果十分明顯，去除率分別在80%和96%以上，對總磷的去除率，枯草和馬來眼子菜最高（均為91.05%）。對活性磷的去除率，金魚藻幾乎達100%。試驗表明：循環(huán)水處理系統(tǒng)對總磷的去除效果明顯，除首次檢測外，各測定時間的凈化水總磷均低于養(yǎng)殖尾水，在養(yǎng)殖后期，去除后的指標數(shù)據(jù)仍高于預期，還不能全時段滿足地表水環(huán)境質量標準III類水標準，凈化效率需要進一步提升。

2.2.2 ?循環(huán)水處理系統(tǒng)對總氮的影響 ?如圖3所示，試驗系統(tǒng)對出水口（養(yǎng)殖尾水）總氮的去除效果由首次檢測負值逐步升高，最高為81.64%，平均去除率為45.02%。試驗表明：系統(tǒng)對于氮的去除效果顯著，處理后的總氮指標可達到地表水環(huán)境質量II類-IV類水標準、但尚不穩(wěn)定，氨氮控制在0.4 mg/L以下，達到地表水環(huán)境質量II類水標準。

人工濕地去除氮的主要方式包括物理、化學和生物3個方面，物理方式為揮發(fā)、吸附，化學方式為氨化、硝化、反硝化和植物攝取[7]，一般認為，表面流濕地通過濕地植物吸收、根系微生物降解的方式實現(xiàn)，潛流濕地以硝化、反硝化作用作為氮的主要去除機理。

有研究表明，低污染負荷的人工濕地對氮磷營養(yǎng)物質的去除率要低于高污染負荷[8]。

試驗前期，本系統(tǒng)對總氮的去除率不高，主要是因為濕地系統(tǒng)的進水濃度較低，污染負荷較低;另外，試驗前期，氣溫偏低，硝化和反硝化能力較弱，積累在生態(tài)塘的N主要以氨的形式存在，有殘餌、排泄物、浮游生物的尸體隨著氣溫升高逐漸分解，系統(tǒng)循環(huán)去除的效率低于有機物質分解的速度，導致首次檢測總氮去除率為負值，之后隨著氣溫的升高和循環(huán)次數(shù)的增加，生態(tài)塘氨化、硝化、反硝化和植物攝取能力增強，對于總氮的去除率明顯提高。在童昌華等[9]的冬季實驗中，氨氮的去除率只有14%～70%，這表明，盡管氨氮可以通過直接揮發(fā)、吸附到底泥等途徑從水體中去除，但硝化和反硝化作用才是去除的主要途徑[10]。

2.2.3 ?循環(huán)水處理系統(tǒng)對水體有機物（以CODMn表示）的影響 ?如圖4所示，試驗系統(tǒng)各采樣點CODMn 隨時間變化趨勢基本一致，首次檢測CODMn去除率為負數(shù)，這可能與表面流濕地的沉水植物對水體中CODMn的去除效果不明顯[11]和生態(tài)塘冬季積累的有機質有很大關系，之后去除率提高，平均去除率為43.37%，去除效果明顯，但是變化規(guī)律不明顯。這與童昌華[9]的研究結果一致。

試驗表明：系統(tǒng)對于CODMn的去除效果顯著，處理后的CODMn指標在地表水環(huán)境質量II類-V類水標準之間波動。在養(yǎng)殖后期，系統(tǒng)對CODMn去除率最高，達到74.34%。

2.2.4 ?試驗期間系統(tǒng)各采樣點葉綠素a（Chla）的影響 ?如圖5所示，循環(huán)水處理系統(tǒng)能夠明顯降低Chla含量，平均去除率為86.6 %，試驗系統(tǒng)對Chla去除率從7月初開始逐漸升高，8月份有所下降而后又逐步升高，養(yǎng)殖中后期平均去除率89.65%，這說明，系統(tǒng)對浮游藻類具有很強且穩(wěn)定的抑制作用，去除效果與濾食性生物數(shù)量和紫外線開啟時間長短呈正相關，由于養(yǎng)殖中期水溫的升高和投餌量的增加，水中營養(yǎng)物質增多，浮游藻類繁殖速率加快，濾食性生物數(shù)量和紫外線開啟時長未變，造成了試驗中期去除率階段性下降。這與趙峰等[12]利用環(huán)形螺去除Chla的結果一致。陳家長等[13]研究發(fā)現(xiàn)：蚌、魚混養(yǎng)對Chla的去除效果明顯，平均去除率達83.49%，各測定時間的出水水質綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均明顯低于進水，認為蚌、魚混養(yǎng)對主養(yǎng)區(qū)養(yǎng)殖廢水具有很好的凈化效能。

3 ?討論與結論

氮、磷、化學耗氧量、葉綠素和溶解氧是水產(chǎn)養(yǎng)殖重要的理化和生物因子，其指標的高低直接影響水質的穩(wěn)定和養(yǎng)殖生物的安全。3年試驗期間，循環(huán)水處理系統(tǒng)能有效地去除養(yǎng)殖尾水中的N、P等營養(yǎng)物質，對總磷（TP）、總氮（TN）、CODMn和葉綠素a（Chla）的去除率分別為：40.13%、45.02%、43.37%和86.6 %，去除率隨系統(tǒng)運行時間呈上升趨勢，去除效果顯著。錢鳴飛等[14]研究認為香蒲和蘆葦適合用于人工濕地污水處理系統(tǒng)，特別是香蒲處理低濃度廢水，去除CODMn、總磷、總氮去除效果分別為37.97%、73.46%、58.53%。山東大學孫瑞蓮等[15]研究茭白和寬葉香蒲對TP去除效果分別為10.8%、11.2%，寬葉香蒲、水蔥去除CODMn效果較好。王妹等[16]研究認為組合濕地系統(tǒng)能有效凈化養(yǎng)殖尾水。程國鋒等[17]研究認為基于人工濕地的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)具有養(yǎng)殖存活率高、生長良好以及節(jié)水減排效果顯著優(yōu)點。Chen等[18]采用水生植物、沸石、陶粒和卵石等組成的生物濾床，當水力負荷為1.2 mg/d時，TN，TP的去除率均保持在50%以上，COD主要由生物陶瓷去除，礫石床對總氮的去除率為60%。張成林等[19]研究發(fā)現(xiàn)：循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)應用在羅非魚養(yǎng)殖中，是一種可行且高效的方法。李安峰等[20]研究認為，IBCW在布水比為1：1時對COD的平均去除率為73.9%，當布水比為1：2時的TN去除效果明顯優(yōu)于布水比1：1時。

從全年運行來看，循環(huán)水處理系統(tǒng)在冬季不投餌階段各指標去除率降低，但由于外源性餌料投入減少，適度開啟納米增氧，循環(huán)水整體保持相對穩(wěn)定，各檢測指標處于全年最低水平。陶玲等[21]研究發(fā)現(xiàn)，通過對人工濕地進行強化曝氧能夠顯著提高冬季人工濕地對TN和CODMn的去除率，同時發(fā)現(xiàn)低溫下人工濕地對TP和TSS保持較高的去除率。叢海兵等[22]對2種耐寒植物的水質改善性能進行了研究：黃菖蒲和西伯利亞鳶尾耐寒能越冬，生長期長，管理工作量小，且對TP、TN去除率高。

潛流人工濕地、5種植物帶梯次配置、濾水生物選擇和消毒設備的高效集成為試驗系統(tǒng)的技術核心，針對影響池塘養(yǎng)殖的關鍵水質影響因子，配置不同種類、生活型的功能性水生植物帶，搭配凈水生物，細化管理和配合使用各環(huán)節(jié)可控資源，使得池塘養(yǎng)殖的尾水得到了良好的凈化，通過循環(huán)重新為養(yǎng)殖所用，年綜合補充地下水總量低于10%，水資源重復利用率高。人工濕地對水質變化范圍適應強，處理效果好，基本建設費用較低，操作簡單易懂等優(yōu)點，人工濕地成為眾多學者研究的對象，也被認為是一種最有發(fā)展前途的污水凈化的途徑[23]。同時，有研究[24]認為再力花對砷和鉛的富集效果最好，梭魚草對銅、鎘、鉻的富集效果最好，伊樂藻、枯草、狐尾藻、金魚藻、黑葉輪藻對無機N、P的去除能力較強。濕地植物對金屬鎘汞[25]具有較好的去除能力，濕地植物對重金屬吸收富集以后，通過收割進行轉移，從而達到異位生態(tài)修復的目的。

從系統(tǒng)去除各污染物的情況看，紫外線設備運行時間與葉綠素a的去除效果呈現(xiàn)正相關關系，隨著運行時間、頻率的持續(xù)增加，循環(huán)水中的N、P呈現(xiàn)某種增加趨勢，同時引起溶解氧下降，對凈化水質并不是一直都有利。

試驗利用異位修復技術構建的循環(huán)水處理系統(tǒng)研究了對普通淡水養(yǎng)殖池塘水體中的N、P、CODMn、Chla等水產(chǎn)養(yǎng)殖關鍵理化和生物因子的控制效果。研究發(fā)現(xiàn)，在試驗中前期，養(yǎng)殖塘循環(huán)用水水質中總氮水平達到地表水環(huán)境質量III類標準，總磷水平達到地表水環(huán)境質量III至IV類標準，氨氮和亞硝酸鹽分別控制在0.4 mg/L和0.1 mg/L以下，達到地表水環(huán)境質量II類標準。結果表明，循環(huán)水處理系統(tǒng)對規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖中能夠對N、P、CODMn、Chla實現(xiàn)有效的控制，并且可以達到較高等級的地表水環(huán)境質量標準。試驗為淡水池塘的循環(huán)水處理規(guī)模化養(yǎng)殖用水提供了一種新的實踐思路。

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