復(fù)合生態(tài)溝渠對池塘養(yǎng)殖尾水和稻田退水的凈化效果

咼金亮,李 奎,孫靜妤,李 敏,石 偉,邱文杰,管衛(wèi)兵,4,5

(1.上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,上海201306;2.銀川科海生物技術(shù)有限公司,寧夏 銀川750000;3.銀川市賀蘭縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,寧夏 銀川750000;4.淮安市蘇澤生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司,江蘇 淮安223218;5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部稻漁綜合種養(yǎng)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201306)

池塘養(yǎng)殖作為中國當(dāng)前養(yǎng)殖業(yè)的一種主要生產(chǎn)方式,隨著高密度、高投餌率的精養(yǎng)模式的大規(guī)模推廣,常引起水質(zhì)惡化并導(dǎo)致病害、產(chǎn)量下降及影響品質(zhì)等諸多問題,污水的排出還可能導(dǎo)致周邊水體富營養(yǎng)化[1],控制和處理養(yǎng)殖尾水污染是實(shí)現(xiàn)漁業(yè)健康發(fā)展和水資源可持續(xù)利用的重要保障。在魚類養(yǎng)殖過程中,70%～80%投喂的飼料會以溶解或顆粒物的形式排放到水體中,其中最終約有51%的氮和64%的磷會成為廢棄物[2]。這不僅會影響魚類的生長速度,提高魚病的發(fā)生率,降低水產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量,影響整個(gè)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的總體經(jīng)濟(jì)效益,而且隨著養(yǎng)殖尾水的排出,會進(jìn)一步加劇周圍水域的富營養(yǎng)化。如今,面源污染正逐步取代點(diǎn)源污染,成為引發(fā)地表水環(huán)境問題的主要原因,而農(nóng)業(yè)面源污染又是最主要來源之一。中國作為利用稻田進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大國,其產(chǎn)生的稻田退水是引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染的一類重要形式。據(jù)統(tǒng)計(jì),稻田退水引發(fā)自然水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)率高達(dá)27%,大量未被利用的氮、磷隨退水流失到周邊水體中,繼而引發(fā)河流和湖泊的富營養(yǎng)化[3-4]。在池塘養(yǎng)殖尾水和稻田退水凈化中,已有研究通過對排水溝渠進(jìn)行改造,進(jìn)而形成具備排水和濕地凈化雙重作用的生態(tài)溝渠[5-7]。吳湘等[8]通過生態(tài)溝渠對中華鱉溫室的養(yǎng)殖排放水體進(jìn)行凈化,總氮濃度減少75%,銨態(tài)氮濃度減少91%,總磷濃度減少83%,化學(xué)需氧量減少62%,溶解氧增加近4倍。劉興國等[9]對生態(tài)工程化循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行研究,結(jié)果表明生態(tài)溝渠對養(yǎng)殖水體中TN的去除率達(dá)到18.35%,TP的去除率達(dá)到17.39%,COD的去除率達(dá)到18.18%。陶玲等[10]研究生態(tài)溝渠可以增加水中溶解氧,去除N,P等物質(zhì),達(dá)到對處理養(yǎng)殖廢水的目的。吳軍等[11]運(yùn)用排水溝與塘堰濕地結(jié)合的系統(tǒng)凈化農(nóng)田排水,一定程度上實(shí)現(xiàn)了減少農(nóng)田面源污染和修復(fù)農(nóng)田水環(huán)境的目的。張樹楠等[12]將原農(nóng)業(yè)排水溝渠改建成生態(tài)溝后,出水氮、磷濃度分別達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類和Ⅱ類,對水體總氮、總磷的平均去除率分別為64.3%,69.7%。生態(tài)溝渠可同時(shí)通過植物吸收、泥沙截留和微生物分解等理化作用,降低水體中的污染物濃度[13]。生態(tài)溝渠中的水生植物除能直接吸收水體中的氮、磷外,還可延長溝渠中的水力停留時(shí)間,為微生物提供有利的生長環(huán)境等[14]。但已有研究多針對小規(guī)模的池塘養(yǎng)殖尾水和稻田退水的凈化,對實(shí)際大型工程化循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)運(yùn)行中的氮磷污染狀況研究仍較缺乏[15]?，F(xiàn)有研究在通過生態(tài)溝渠實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖尾水和稻田退水凈化后一般直接排出系統(tǒng),未實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用和造成養(yǎng)分流失,不適合中國中西部等干旱缺水地區(qū)。本研究通過在稻蟹共生—池塘養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)中[16-17],構(gòu)建一種復(fù)合生態(tài)溝渠系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對池塘養(yǎng)殖尾水和稻田退水的污水凈化和循環(huán)資源化利用。通過研究復(fù)合生態(tài)溝渠系統(tǒng)中的水質(zhì)沿程變化,探討其凈化效果,以期為稻漁共作循環(huán)水養(yǎng)殖模式的合理構(gòu)建和綠色發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

本研究試驗(yàn)地點(diǎn)位于寧夏回族自治區(qū)銀川市賀蘭縣常信鄉(xiāng)四十里店村科海漁業(yè),整個(gè)養(yǎng)殖基地占地71.10 hm2,其中水產(chǎn)養(yǎng)殖面積19.34 hm2,稻田種植面積51.76 hm2,基地日常運(yùn)行是將池塘養(yǎng)殖尾水引入稻田凈化后再返回池塘。試驗(yàn)分別在基地內(nèi)的池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠和稻田退水復(fù)合生態(tài)溝渠中進(jìn)行,溝渠系統(tǒng)全長約3 050 m,寬6～8 m,深約2 m。池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠由5段組成,分別為第一段睡蓮溝、二號溝、三號溝、第二段睡蓮溝和三池兩壩溝組成。第一段睡蓮溝長約120 m,溝中均勻栽種睡蓮。二號溝為稻田進(jìn)水溝,長約820 m,溝內(nèi)養(yǎng)殖有少量草魚,日常喂養(yǎng)蘆葦和浮萍等青飼料以產(chǎn)生生物絮團(tuán)凈化水質(zhì)。三號溝為稻田排水溝,長約730 m。第二段睡蓮溝長約170 m,溝中均勻栽種睡蓮。三池兩壩溝長約220 m,溝內(nèi)有沉淀池、曝氣池和生態(tài)凈化池,由兩級過濾壩隔開,溝中均勻栽種狐尾藻、薄荷和蘆竹等水生植物進(jìn)一步凈化水質(zhì)。溝渠東側(cè)放置有抽水泵,通過水泵將凈化后的水再灌入池塘。稻田退水復(fù)合生態(tài)溝渠由2段組成,第一段由稻田排水溝改造而成,長約990 m,溝內(nèi)種植蘆葦、菖蒲等水生植物,第二段為三池兩壩溝。稻田退水復(fù)合生態(tài)溝渠和池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠的三池兩壩溝為同一溝段。復(fù)合生態(tài)溝渠系統(tǒng)對池塘養(yǎng)殖尾水和稻田退水的凈化流程(圖1)。溝渠結(jié)構(gòu)形狀為倒梯形(圖2)。

圖1 復(fù)合生態(tài)溝渠凈化流程

圖2 生態(tài)溝渠橫斷面示意

1.2 樣品采集

寧夏地區(qū)稻漁綜合種養(yǎng)的主要生產(chǎn)時(shí)間為5—9月,而8—9月正是水稻生長的灌溉需肥旺期和池塘養(yǎng)殖需換水周期的重要時(shí)期,考察其循環(huán)水水質(zhì)沿程變化情況具有重要意義。2020年8月對池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠進(jìn)行7次水質(zhì)監(jiān)測,共選取11個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行采樣,采集上、中層混合水樣,每個(gè)點(diǎn)位均采集3個(gè)平行樣,此期間基地生產(chǎn)狀況良好。檢測指標(biāo)為溶解氧(DO)、水溫(WT)、磷酸鹽(PO3-4-P)、亞硝酸鹽氮(NO-2-N)和氨氮(NH3-N)等水質(zhì)指標(biāo),采樣時(shí)間為上午10:00—11:00。S1位于魚塘總出水口,S2位于睡蓮溝和二號溝的交匯處,S3位于二號溝中間,S4位于二號溝出水口,S5位于三號溝進(jìn)水口,S6位于三號溝中間,S7位于三號溝和睡蓮溝的交匯處,S8位于睡蓮溝出水口,S9位于三池兩壩溝第一個(gè)壩前,S10位于第2個(gè)壩前,S11位于魚塘總進(jìn)水口。采樣點(diǎn)分布如圖3所示。精養(yǎng)魚塘所產(chǎn)生的養(yǎng)殖尾水由魚塘總出水口進(jìn)入第一段睡蓮溝,然后流入二號溝,由泵站抽水灌入稻田,經(jīng)稻田凈化后由稻田出水口進(jìn)入三號溝,然后部分直接流入魚塘,部分流入第二段睡蓮溝,最后由睡蓮溝出水口進(jìn)入三池兩壩溝,養(yǎng)殖尾水完全處理完畢。經(jīng)過處理后的養(yǎng)殖尾水再由水泵抽入魚塘總進(jìn)水口供給至各魚塘。

圖3 2020年試驗(yàn)采樣點(diǎn)分布

2021年對池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠進(jìn)行重復(fù)監(jiān)測,共選取7個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行采樣,采樣點(diǎn)位、方法和檢測指標(biāo)與2020年一致。2021年同時(shí)對基地稻田退水復(fù)合生態(tài)溝渠中的水質(zhì)情況進(jìn)行了測試研究,于8—9月共進(jìn)行7次水質(zhì)監(jiān)測,共選取11個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行采樣檢測。

P1位于稻田出水口,P2—P7位于改造后的稻田排水溝,其中P4—P6位于基地周邊毗連旱地的排水溝渠,P8位于與睡蓮溝的交匯處,P9位于三池兩壩溝第一個(gè)壩前,P10位于第2個(gè)壩前,P11位于溝渠出水處。采樣點(diǎn)分布如圖4所示。采樣方法和檢測指標(biāo)與池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠一致。

圖4 2021年試驗(yàn)采樣點(diǎn)分布

1.3 試驗(yàn)方法

采樣容器均為無菌采樣瓶,將獲得的水樣置于便攜冰箱進(jìn)行低溫保存,24 h完成樣品的水質(zhì)指標(biāo)測定。溶解氧和水溫使用哈希溶氧儀測定;溶解性磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法(HJ632-2011)測定;氨氮采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)測定,亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法(GB/T11889-1989)測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Excel 2010進(jìn)行制圖,通過SPSS 26統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)各指標(biāo)的顯著性水平,p＜0.05為顯著,p＜0.01為極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠

2020和2021年池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠溶解氧、磷酸鹽、亞硝酸鹽氮和氨氮含量沿程變化分別如圖5—6所示。

由圖5—6可知池塘養(yǎng)殖尾水在進(jìn)入復(fù)合生態(tài)溝渠后,水體中的污染物濃度均有所下降。2020年磷酸鹽由0.43±0.36 mg/L下降至0.02±0.01 mg/L,平均去除率為96.21%,亞硝酸鹽氮由0.13±0.08 mg/L下降至0.01±0.01 mg/L,平均去除率為91.27%,氨氮由2.64±1.00 mg/L下降至0.14±0.10 mg/L,平均去除率為94.75%;2021年磷酸鹽由0.08±0.08 mg/L下降至0.03±0.03 mg/L,平均去除率為68.96%,亞硝酸鹽氮由0.08±0.03 mg/L下降至0.03±0.01 mg/L,平均去除率為61.36%,氨氮由0.69±0.29 mg/L下降至0.33±0.07 mg/L,平均去除率為51.92%,說明復(fù)合生態(tài)溝渠系統(tǒng)對池塘養(yǎng)殖尾水起到了很好的凈化效果,各采樣點(diǎn)水質(zhì)狀況詳見表1—2。

圖5 池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠2020年水質(zhì)沿程變化

表1 不同采樣點(diǎn)2020年水質(zhì)的比較

圖6 池塘養(yǎng)殖尾水復(fù)合生態(tài)溝渠2021年水質(zhì)沿程變化

池塘養(yǎng)殖尾水在經(jīng)過復(fù)合生態(tài)溝渠后,溶解氧含量有所上升。尾水在進(jìn)入生態(tài)溝渠后,其流速緩慢,而且與空氣的接觸面積增大,溶解氧增加。另外,溝渠內(nèi)水生植物的光合作用也是溶解氧增加的原因之一。睡蓮溝出水口溶解氧濃度極顯著低于魚塘總出水口、二號溝和三號溝溶解氧濃度(p＜0.01)。睡蓮溝中睡蓮生長茂密,遮蔽陽光,影響水體中藻類光合作用,從而使溶解氧較低。此外,睡蓮生長速度快,莖葉脫落分解過程中也會消耗氧,因此要合理控制睡蓮的種植密度。魚塘總出水口排出的富營養(yǎng)化尾水和溝渠排出的稻田水,經(jīng)過睡蓮溝中睡蓮和浮游生物消耗,溶解氧在S1—S2間和S7—S8間迅速下降。尾水進(jìn)入溝渠后經(jīng)過四號溝泵站進(jìn)入稻田,在稻田凈化作用下,水中溶解氧迅速增高,凈化后由稻田總出水口流入三號溝。但由于經(jīng)過第二段睡蓮溝的耗氧作用,所以最終進(jìn)入三池兩壩的尾水溶解氧含量并不高,僅0.56±0.53 mg/L。在經(jīng)過三池兩壩溝中曝氣池作用后,溶解氧含量上升至1.11±1.11 mg/L。由于池塘養(yǎng)殖尾水在流入稻田后,磷酸鹽被稻田被吸收,因此三號溝磷酸鹽濃度顯著低于魚塘總出水口(p＜0.05)。睡蓮溝中沉積了較多的磷酸鹽,在厭氧環(huán)境下,會分解釋放出大量可溶性磷酸鹽,因此尾水在經(jīng)三號溝出水口流入睡蓮溝后,磷酸鹽濃度極顯著上升(p＜0.01)。經(jīng)過三池兩壩溝中水生植物吸收后,磷酸鹽濃度又有所下降。魚塘尾水經(jīng)過復(fù)合生態(tài)溝渠后亞硝酸鹽氮濃度呈極顯著性下降(p＜0.01)。精養(yǎng)魚塘在魚類和其他動物作用下產(chǎn)生大量亞硝酸鹽氮,尾水進(jìn)入睡蓮溝后,被微生物還原,亞硝酸鹽氮含量迅速下降,但經(jīng)過稻田在有氧條件下會轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮,故三號溝亞硝酸鹽氮濃度有所上升。魚塘養(yǎng)殖尾水在進(jìn)入復(fù)合生態(tài)溝渠后氨氮呈下降趨勢,經(jīng)過稻田凈化后三號溝中氨氮濃度和其他溝相比呈極顯著降低(p＜0.01)。而在進(jìn)入第二段睡蓮溝后氨氮濃度呈極顯著上升(p＜0.01),主要是由于睡蓮溝內(nèi)厭氧藻類較少,因而濃度上升。經(jīng)過三池兩壩溝中水生植物吸收后,魚塘總進(jìn)水口氨氮濃度有所下降。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的推移,魚塘內(nèi)磷酸鹽、亞硝酸鹽氮和氨氮的濃度總體呈下降趨勢,為魚類生長提高了良好的養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境。

表2 不同采樣點(diǎn)2021年水質(zhì)的比較

生態(tài)溝渠中種植有各種水生植物,水生植物的根(莖)網(wǎng)絡(luò)為微生物的附著、棲生、繁殖提供了條件,溝渠底部沉積物表面也附著大量微生物,這些微生物可對N進(jìn)行硝化、反硝化等作用。溝渠底部有土壤和植物死亡后的腐殖質(zhì)組成的沉積物,這些沉積物有較大的表面積,將吸附的N,P進(jìn)行沉積、轉(zhuǎn)化[18]。同時(shí),沉積物表面的N,P會隨著間隙水的遷移轉(zhuǎn)移到沉積物內(nèi)部,然后通過礦化等方式將部分N,P去除[19]。另外,溝渠中的水生植物所形成的過濾帶能降低水流速度,進(jìn)而減緩污染物的輸移,促使其在溝渠中沉淀下來[20]。

2.2 稻田退水復(fù)合生態(tài)溝渠

2021年稻田退水復(fù)合生態(tài)溝渠溶解氧、磷酸鹽、亞硝酸鹽氮和氨氮含量沿程變化如圖7所示。由圖7可知,稻田退水在經(jīng)過復(fù)合生態(tài)溝渠后溶解氧濃度呈極顯著下降(p＜0.01),生態(tài)溝渠中水生植物茂密,遮蔽了光照,影響水體中藻類的光合作用,從而使得稻田退水在進(jìn)入溝渠后溶解氧下降。稻田退水在進(jìn)入復(fù)合生態(tài)溝渠后,水體中的磷酸鹽、亞硝酸鹽氮、氨氮濃度均有所下降,說明復(fù)合生態(tài)溝渠系統(tǒng)對稻田退水起到了很好的凈化作用。經(jīng)過連續(xù)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的持續(xù),出水磷酸鹽、亞硝酸鹽氮和氨氮的濃度總體呈下降趨勢,凈化效果更加穩(wěn)定。在稻田退水流經(jīng)至P8時(shí),因?yàn)橛兴彍铣鏊?導(dǎo)致磷酸鹽、亞硝酸鹽氮、氨氮濃度有所波動上升。9月中旬水稻開始進(jìn)入收割前的干田期,稻田退水量增大,水力停留時(shí)間變短,因此對復(fù)合生態(tài)溝渠的凈化效果產(chǎn)生影響。另外,由于降雨等引起地表徑流輸入變化,也會對溝渠沿程及個(gè)別點(diǎn)位的水質(zhì)產(chǎn)生影響。監(jiān)測總體結(jié)果表明復(fù)合生態(tài)溝渠對稻田退水起到了很好的凈化作用,經(jīng)過凈化后的稻田退水達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),減少了農(nóng)業(yè)面源污染。

圖7 稻田退水復(fù)合生態(tài)溝渠水質(zhì)沿程變化

3 討論與結(jié)論

水環(huán)境污染不僅制約中國池塘養(yǎng)殖的健康發(fā)展,而且對養(yǎng)殖區(qū)及其周邊水域的生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生負(fù)面影響[21]。雖然中國在2007年就頒布了《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求(SC/T9101-2007)》,但由于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域分布較廣且分散,難以對養(yǎng)殖用水集中組織排放,因此管控效果一直不佳。人工濕地作為一種新興的水污染處理技術(shù),目前已被廣泛地應(yīng)用處理各種類型廢水。中國稻田面積廣闊,水稻生長的需肥旺期與養(yǎng)殖需換水周期較一致,因此稻田濕地在池塘養(yǎng)殖尾水凈化中可發(fā)揮獨(dú)特的作用[22-23]。稻田退水是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源之一,如果不經(jīng)過處理直接排放也會污染周邊水體。稻田退水溝渠是重要的農(nóng)田水利設(shè)施,不僅承擔(dān)著匯水、排水的作用,還具備一定程度的濕地凈化水質(zhì)功能[24-25]。目前,稻田溝渠系統(tǒng)在污染物的截留與凈化方面日益受到重視[26]。楊林章等[27]研究表明,生態(tài)溝渠對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮污染的去除率達(dá)到48%～64%,磷污染的去除率達(dá)到41%～70%。生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)對農(nóng)田徑流中的氮、磷都有較好地去除效率,但易受其他因素影響,如進(jìn)水氮磷濃度、水力停留時(shí)間和季節(jié)溫度等[28]。另外,一些水生植物在吸收營養(yǎng)物質(zhì)后,會迅速生長從而減小溝渠的實(shí)際過水?dāng)嗝?再加上一些懸浮物的沉淀積累,因而在比較長的時(shí)間里會影響復(fù)合生態(tài)溝渠的處理效果,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。因此,選取合適的水生植物,及時(shí)對水生植物進(jìn)行刈割和定期清理溝渠是很重要的。余紅兵等[29]發(fā)現(xiàn)定期刈割溝渠植物,不僅能轉(zhuǎn)移植物吸收的氮、磷,還能提高底泥的氮、磷去除率。

復(fù)合生態(tài)溝渠中水質(zhì)的沿程變化表明,池塘養(yǎng)殖尾水和稻田退水在經(jīng)過凈化后,總體水質(zhì)狀況得到明顯改善。當(dāng)水體流經(jīng)復(fù)合生態(tài)溝渠時(shí),水生植物的吸收、分解和稻田等基質(zhì)的吸附作用降低了水體中的污染物濃度。池塘養(yǎng)殖尾水和稻田退水在經(jīng)過復(fù)合生態(tài)溝渠系統(tǒng)凈化后既可循環(huán)利用,減少養(yǎng)分流失,也可達(dá)標(biāo)排出,在中國中西部等干旱缺水地區(qū),具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在稻漁共作模式下構(gòu)建的復(fù)合生態(tài)溝渠系統(tǒng),相較于直接利用改建后的排水溝渠凈化池塘養(yǎng)殖尾水和稻田退水,對氮、磷具有更高的去除效率。利用復(fù)合生態(tài)溝渠系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖用水和稻田灌溉用水的循環(huán)利用,在保證充分利用養(yǎng)分的同時(shí),又產(chǎn)生了節(jié)水效益。但復(fù)合生態(tài)溝渠在運(yùn)行過程中,也需要定期維護(hù)和管理,從而保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。