陳亮東,江達(dá)均,關(guān) 歆,楊金蘭,谷陽光
(1.廣州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站,廣州 510220;2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,廣州 510220;3.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣州 510006)
池塘養(yǎng)殖水屬低污染水體[1],但日常換水和定期清塘?xí)r,養(yǎng)殖池塘和規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖尾水排放總量較大,根據(jù)第一次和第二次全國(guó)污染源普查結(jié)果[2,3],水產(chǎn)養(yǎng)殖排放的氮和磷等污染物占全部水污染物排放量的百分比分別從1.74%和3.69%提高到3.26%和5.1%,水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負(fù)荷不容忽視。隨著綠色生態(tài)發(fā)展理念普及和日益嚴(yán)格的水生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求,讓養(yǎng)殖相關(guān)方日益重視養(yǎng)殖尾水治理。近年來,各地采用人工濕地等水生態(tài)技術(shù)等方式開展養(yǎng)殖尾水凈化實(shí)驗(yàn)及推廣尾水凈化設(shè)施。現(xiàn)行養(yǎng)殖尾水中主要污染物評(píng)價(jià)僅采用單因子評(píng)價(jià)方式,難以克服受尾水治理規(guī)模和環(huán)境指標(biāo)本底值影響,因此引入能反映多種水質(zhì)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)方法,可定性且定量地反映尾水治理設(shè)施的水質(zhì)凈化效果。國(guó)內(nèi)研究者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合指數(shù)法、灰色聚類模型和水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法等方法模型對(duì)江河等水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[4],綜合各評(píng)價(jià)方式的優(yōu)缺點(diǎn)[5-8],本研究采用單因子和綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)對(duì)養(yǎng)殖尾水的評(píng)價(jià)方式,依據(jù)SC/T 9101-2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》[9],以池塘養(yǎng)殖主要污染物:總氮(TN)、總磷(TP)和化學(xué)需氧量(CODMn)為評(píng)價(jià)指標(biāo),綜合評(píng)價(jià)分析華南某地市養(yǎng)殖尾水治理設(shè)施水質(zhì),以期建立養(yǎng)殖尾水水質(zhì)和治理設(shè)施凈化效果綜合評(píng)價(jià)體系。
2020年10月、11月,在華南某地市按照養(yǎng)殖場(chǎng)地域分布隨機(jī)抽樣調(diào)查50個(gè)已建成尾水治理設(shè)施的養(yǎng)殖場(chǎng),每個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)采集治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口水樣(進(jìn)水口和出水口位置分開,獨(dú)立采樣),并現(xiàn)場(chǎng)記錄養(yǎng)殖場(chǎng)及尾水設(shè)施情況,其中養(yǎng)殖場(chǎng)平均養(yǎng)殖面積26.6 hm2,詳見圖1。主要養(yǎng)殖四大家魚[草魚(Ctenopharyngodonidellus)、鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙(H.nobilis)和青魚(Mylopharyngodonpiceus)]、尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)、斑點(diǎn)叉尾(Ictaluruspunctatus)、加州鱸(Micropterussalmonides)、黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)、鰻(Anguillajaponica)、尖塘鱧(Oxyeleotrismarmorata)和蝦蟹等經(jīng)濟(jì)品類,34個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)以四大家魚、羅非魚和蝦蟹為主要養(yǎng)殖品種,為混養(yǎng)或套養(yǎng)養(yǎng)殖模式,16個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)以叉尾、鱸、黃顙魚、鰻、尖塘鱧和種苗為主要養(yǎng)殖品種,單養(yǎng)模式,詳見圖2。
圖1 50個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)模Fig.1 Area of aquaculture in 50 aquafarms
圖2 50個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖品種Fig.2 Aquaculture species in 50 aquafarms
養(yǎng)殖場(chǎng)尾水治理設(shè)施類型分類根據(jù)廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳發(fā)布的《2019年主推漁業(yè)新技術(shù):池塘養(yǎng)殖水生態(tài)治理循環(huán)利用技術(shù)》,標(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施主要包括養(yǎng)殖池塘-排水渠(管道)-沉淀池—過濾壩(池)-曝氣氧化池-生態(tài)凈化池等處理工藝;簡(jiǎn)化治理設(shè)施主要包括養(yǎng)殖池塘-排水渠(管道)-生態(tài)循環(huán)池的處理循環(huán)流程。其中標(biāo)準(zhǔn)化治理設(shè)施養(yǎng)殖場(chǎng)22個(gè),簡(jiǎn)易治理設(shè)施養(yǎng)殖場(chǎng)28個(gè)。尾水治理設(shè)施面積規(guī)模方面,其中標(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施中主養(yǎng)四大家魚、羅非魚的養(yǎng)殖場(chǎng)尾水治理約占總面積的6%,黃顙魚、鱸和叉尾鮰等魚類占8%,蝦、蟹類分別占5%和3%,簡(jiǎn)易治理設(shè)施面積約占總面積的2%。不定期按需開啟尾水治理設(shè)施。
采樣過程參照HJ 495-2009《水質(zhì) 采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和HJ 493-2009《水質(zhì) 樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》執(zhí)行,監(jiān)測(cè)指標(biāo)選取參照SC/T 9101-2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》[9],及前期對(duì)該地區(qū)養(yǎng)殖水監(jiān)測(cè)摸查情況,選取監(jiān)測(cè)指標(biāo)為TN、TP和CODMn,測(cè)定方法參照SC/T 9101-2007中測(cè)定方法要求[9]。
尾水排放標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)行標(biāo)SC/T 9101-2007,此外水質(zhì)分析還參照GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]。
1.2.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)
參照文獻(xiàn)[7,8]對(duì)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的應(yīng)用,單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi表達(dá)式:
Pi=X1.X2
(1)
式中:Pi為第i個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù);X1為該監(jiān)測(cè)指標(biāo)的水質(zhì)類別;X2為該監(jiān)測(cè)指標(biāo)在X1類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下限與上限值區(qū)間內(nèi)分位數(shù)。X1.X2計(jì)算公式如下:
X1.X2=a+(Ci-C標(biāo)下)/(C標(biāo)上-C標(biāo)下)
(2)
X1.X2=b+(Ci-C標(biāo)上)/C標(biāo)上
(3)
式中:Ci為第i項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度(mg/L);C標(biāo)上為第i項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的上限;C標(biāo)下為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的下限。
當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度分別滿足行標(biāo)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)或二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí),適用計(jì)算公式(2);即a分別為:a=1或a=2。當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度大于行標(biāo)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),適用計(jì)算公式(3),即b=3。
1.2.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)
參照文獻(xiàn)[7,8]對(duì)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的應(yīng)用,綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)IWQ表達(dá)式:
IWQ=X1.X2
(4)
1.2.3 空間變化定性評(píng)價(jià)
空間變化定性評(píng)價(jià),分為基本不變、輕微變化、顯著變化。計(jì)算公式如下:
IWQ(△X1.X2)=|(X1.X2)S1-(X1.X2)S2|/(X1.X2)S1
(5)
式中:S1、S2分別表示尾水治理設(shè)施后和設(shè)施前采樣點(diǎn),(X1.X2)S1、(X1.X2)S2為S1、S2采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)IWQ值。
當(dāng)IWQ(△X1.X2)≤10%時(shí),判定水質(zhì)基本不變;當(dāng)10%
使用SPSS 23對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析,采用配對(duì)樣品T檢驗(yàn)對(duì)進(jìn)水口和出水口濃度進(jìn)行顯著性差異分析,P<0.05差異顯著,P<0.01極顯著。
本次調(diào)查的50個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)尾水治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口水質(zhì)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化情況如圖3。
圖3 2020年養(yǎng)殖場(chǎng)池塘進(jìn)水口及出水口監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化情況Fig.3 Change of monitoring indicators along the inlet and outlet of the water treatment system*表示經(jīng)配對(duì)樣品T檢驗(yàn)差異顯著(P<0.05),**表示極顯著(P<0.01)。
TN:進(jìn)水口平均含量從2.57 mg/L下降到出水口的1.77 mg/L,下降31%,其中,標(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施和簡(jiǎn)易治理設(shè)施養(yǎng)殖場(chǎng)平均含量分別下降42%和22%,配對(duì)樣品均差異極顯著。
TP:進(jìn)水口平均含量從0.33 mg/L下降到出水口的0.13 mg/L,下降62%,其中,標(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施和簡(jiǎn)易治理設(shè)施養(yǎng)殖場(chǎng)平均含量分別下降68%和56%,配對(duì)樣品差異均極顯著。
CODMn:進(jìn)水口平均含量從8.2 mg/L下降到出水口6.9 mg/L,下降15%;其中,標(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施和簡(jiǎn)易治理設(shè)施養(yǎng)殖場(chǎng)平均含量分別下降12%和18%,配對(duì)樣品差異顯著。
依據(jù)行標(biāo)SC/T 9101-2007二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值,采用單因子評(píng)價(jià)方法,即水質(zhì)單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值大于養(yǎng)殖尾水限值時(shí)判定不符合尾水排放標(biāo)準(zhǔn)。全部50個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)中,進(jìn)水口和出水口水質(zhì)達(dá)標(biāo)的養(yǎng)殖場(chǎng)從42個(gè)提升至48個(gè),達(dá)標(biāo)率從84%提升到96%。
Pi(TN)、Pi(TP)和Pi(CODMn)均有明顯降低,大部分養(yǎng)殖場(chǎng)Pi(TN)<2。進(jìn)水口Pi(TN)、Pi(TP)和Pi(CODMn)>2的養(yǎng)殖場(chǎng)個(gè)數(shù)分別為16、10和3,在出水口Pi(TN)、Pi(TP)和Pi(CODMn)>2的養(yǎng)殖場(chǎng)個(gè)數(shù)分別為10、1和2,如圖4。說明在養(yǎng)殖尾水設(shè)施治理前TN和TP為主要污染物風(fēng)險(xiǎn)因子,治理后的養(yǎng)殖尾水主要的風(fēng)險(xiǎn)因子為TN。
圖4 尾水治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)(Pi)Fig.4 Water quality evaluation of inlet and outlet of the water treatment system
依據(jù)行標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià),影響?zhàn)B殖場(chǎng)尾水的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)和綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見表1,綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)見圖5。
表1 尾水治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)
圖5 尾水治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)(IWQ)
進(jìn)水口和出水口IWQ>2數(shù)量分別為10和4個(gè),占總養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)百分比從20%下降到8%。通過對(duì)比設(shè)施進(jìn)水口和出水口IWQ(△X1.X2)變化,基本無變化(≤10%)、輕微變化(10%<△X1.X2≤20%)和顯著變化(20%≤△X1.X2)分別占17個(gè)、14個(gè)和19個(gè),分別占比34%、28%和38%,表明尾水綜合水質(zhì)不僅有效改善,綜合水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)較低。
養(yǎng)殖尾水經(jīng)過尾水設(shè)施治理,水質(zhì)略劣于前期對(duì)該地區(qū)江河斷面監(jiān)測(cè)的水質(zhì)狀況(前期大部分河段達(dá)到地表水Ⅲ~Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn))[11],也與近1年來該地域主要省考和國(guó)考地表水考核斷面水質(zhì)Ⅱ~Ⅲ目標(biāo)存在差距,凈化后的養(yǎng)殖尾水對(duì)環(huán)境水體仍存在一定的壓力。參照《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),本次調(diào)查的養(yǎng)殖場(chǎng)水質(zhì)處于或劣于二級(jí)排放水標(biāo)準(zhǔn)(進(jìn)水口水質(zhì)Pi>2)的指標(biāo)主要為TN和TP,分別占調(diào)查總養(yǎng)殖場(chǎng)的32%和20%,表明TN和TP為養(yǎng)殖尾水主要的潛在污染物風(fēng)險(xiǎn)因子,這與徐嘉波等[8]對(duì)上海地區(qū)淡水集中連片池塘調(diào)查結(jié)論類似。在工廠化大規(guī)模養(yǎng)殖中,養(yǎng)殖尾水污染物主要源于糞便排泄物和未充分利用的飼料[12],以及底泥擾動(dòng)引發(fā)上覆水釋放氮磷[13]。因養(yǎng)殖尾水氮磷排放導(dǎo)致的周圍環(huán)境水體富營(yíng)養(yǎng)化威脅著水產(chǎn)行業(yè)健康發(fā)展[14],需高度重視。
調(diào)查發(fā)現(xiàn),11個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)水口TP優(yōu)于地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(≤0.05 mg/L),質(zhì)量濃度較低(均值為0.03 mg/L),但TN作為污染物風(fēng)險(xiǎn)因子且經(jīng)治理設(shè)施后養(yǎng)殖尾水氮濃度仍較高,為解決這一課題,可通過提高待凈化養(yǎng)殖尾水的氮磷比至浮游植物最適生長(zhǎng)比,以促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)[15],浮游植物進(jìn)一步為濾食性魚類提供食物,即通過生態(tài)食物鏈且養(yǎng)殖效益增值的方式脫氮。
養(yǎng)殖池塘尾水治理設(shè)施占養(yǎng)殖面積的2%~8%,人工濕地去除氮磷等污染物機(jī)理比較復(fù)雜,包括濕地植物、基質(zhì)和微生物通過物理沉降、化學(xué)及生物的協(xié)同作用降低水體污染物[16]。此次調(diào)查50個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)中IWQ指數(shù)得到改善(IWQ△X1.X2≥10%)的養(yǎng)殖場(chǎng)占比66%,說明尾水設(shè)施經(jīng)物理沉降、曝氣和水生動(dòng)植物修復(fù)相結(jié)合的技術(shù)處理效果較好,且凈化塘種植水生植物、過濾壩填充材料和曝氣設(shè)施具備投資少、日常維護(hù)簡(jiǎn)易和消耗低的特點(diǎn)[17],無需建造工業(yè)化的尾水處置設(shè)備和相應(yīng)維護(hù)成本,在凈化尾水的同時(shí)產(chǎn)出部分水生動(dòng)植物,產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),部分尾水治理養(yǎng)殖場(chǎng)引用水葫蘆單一水生植物的方式構(gòu)建人工濕地,這種方式構(gòu)建的人工濕地容易導(dǎo)致水體缺氧、發(fā)黑發(fā)臭,加重水體富營(yíng)養(yǎng)化和水域生態(tài)破壞等[18,19],建議搭配和錯(cuò)峰種植鳳眼蓮、輪葉黑藻、黃菖蒲、金魚藻等水生植物[20],有條件的種植水芹菜、水蕹菜甚至水稻等經(jīng)濟(jì)蔬菜及作物[21,22],適當(dāng)養(yǎng)殖濾食性魚類,在保持對(duì)尾水氮磷凈化穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,提升和穩(wěn)定尾水治理設(shè)施凈化效果[23],在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)兼顧生態(tài)效益。
通過對(duì)進(jìn)水口和出水口水質(zhì)綜合評(píng)價(jià),經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施凈化后養(yǎng)殖尾水在TN和TP的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)和IWQ指數(shù)改善上顯著優(yōu)于簡(jiǎn)易治理設(shè)施,在較大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖尾水治理呈現(xiàn)更優(yōu)的處理效果。濕地系統(tǒng)凈化效果受規(guī)模、進(jìn)水理化特征、環(huán)境條件和水利條件等多方面因素影響[24]。一般情況下,濕地對(duì)污染水體脫氮主要是依靠微生物的硝化與反硝化作用[25,26],微生物除氮是濕地系統(tǒng)對(duì)低污染水體主要的除氮途徑[27],更有學(xué)者對(duì)濕地的研究表明微生物除氮率高達(dá)59%[28]。由于硝化與反硝化菌存在細(xì)菌世代的問題,實(shí)際運(yùn)用中須考慮污水停留時(shí)間,HUETT等[29]發(fā)現(xiàn)污水停留時(shí)間在3.5~7 d時(shí)有良好的凈化效果,國(guó)內(nèi)針對(duì)多級(jí)人工濕地-塘組合系統(tǒng)去除低污染水體污染物研究中水力停留時(shí)間達(dá)到4~5 d時(shí),能夠取得較好的凈化效率[30],標(biāo)準(zhǔn)尾水治理設(shè)施設(shè)置獨(dú)立的沉淀池、過濾壩、曝氣池、生態(tài)池,凈化沿程更長(zhǎng),在物理沉降、曝氣增氧、微生物作用、生物吸附等方面具備優(yōu)勢(shì),從而更能有效降低養(yǎng)殖尾水中氮磷的降解。Abe等[27]研究發(fā)現(xiàn)微生物作用和沉降吸附分別是去除氮和磷的主要機(jī)制。對(duì)不同類型濕地系統(tǒng)處理效率對(duì)比發(fā)現(xiàn),垂直濕地系統(tǒng)呈現(xiàn)更好的治理氮磷等污染物效果[31,32]。針對(duì)部分治理后尾水TN和TP仍為污染物風(fēng)險(xiǎn)因子的養(yǎng)殖場(chǎng),可采用復(fù)合垂直流人工濕地替代水平潛流人工濕地,此外對(duì)養(yǎng)殖尾水模擬研究表明,增加曝氣時(shí)間能有效提升氮磷及化學(xué)需氧量的去除率[33]。綜上,在尾水設(shè)施后續(xù)維護(hù)升級(jí)及曝氣等運(yùn)行參數(shù)上,還有進(jìn)一步優(yōu)化空間以降低養(yǎng)殖尾水氮磷含量。
此外,根據(jù)現(xiàn)有尾水設(shè)施建設(shè)技術(shù)指引,龜鱉類等排污高養(yǎng)殖品種現(xiàn)行做法主要為提高治理設(shè)施占比面積,以實(shí)現(xiàn)高污染物養(yǎng)殖尾水水質(zhì)凈化。王珵瑞等[34]研究表明多級(jí)生態(tài)藕塘構(gòu)建的濕地系統(tǒng)對(duì)高污染物濃度的養(yǎng)殖廢水能夠起到良好穩(wěn)定的凈化效果,建議養(yǎng)殖尾水排放污染物濃度較大時(shí),凈化濕地除了采用復(fù)合垂直濕地系統(tǒng)、優(yōu)化治理設(shè)施面積和尾水滯留時(shí)間等參數(shù)外,還可探索諸如蓮藕等凈化效果好且具備較好經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物,兼顧環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。
以TN、TP和CODMn作為參評(píng)因子,對(duì)50家養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)水口和出水口的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià),養(yǎng)殖水主要污染物風(fēng)險(xiǎn)因子為TN和TP,經(jīng)過尾水治理設(shè)施后TN為主要污染物風(fēng)險(xiǎn)因子。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),池塘養(yǎng)殖水經(jīng)過尾水設(shè)施凈化,各項(xiàng)排放指標(biāo)和綜合水質(zhì)(IWQ指數(shù))得到明顯改善,部分養(yǎng)殖場(chǎng)能達(dá)到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過治理設(shè)施的綜合水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)較低。