海水池塘養(yǎng)殖園區(qū)排放水綜合生態(tài)凈水技術(shù)研究*

宋嫻麗，逄劭楠，吳瑩瑩，邱兆星，吳海一

(山東省海洋生物研究院，青島市淺海底棲漁業(yè)增殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266104)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)沿海養(yǎng)殖模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)，集中、集約化海水養(yǎng)殖發(fā)展格局導(dǎo)致高度匯集的養(yǎng)殖廢水點(diǎn)源式排放，加劇了局部海區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化和養(yǎng)殖區(qū)自身污染程度，嚴(yán)重制約著海水池塘養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。2019年1月11日，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等10部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的若干意見(jiàn)》中明確提出，推進(jìn)養(yǎng)殖尾水治理和發(fā)揮水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)修復(fù)功能的相關(guān)要求。為滿(mǎn)足國(guó)家“新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換”與“生態(tài)文明建設(shè)”的發(fā)展需求,保證海水池塘養(yǎng)殖業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，深入開(kāi)展海水養(yǎng)殖園區(qū)排放水生態(tài)化處理技術(shù)研究意義重大。早在20世紀(jì)80年代，以色列和泰國(guó)等國(guó)家便開(kāi)始頒布相關(guān)法律，強(qiáng)制養(yǎng)殖企業(yè)污水必須經(jīng)過(guò)凈化處理后才能排放入海，這一點(diǎn)在我國(guó)已經(jīng)受到足夠的重視，但仍未得到有效的控制[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，一系列針對(duì)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖水的處理工藝日趨成熟[4-6]，相對(duì)而言，針對(duì)高通量室外池塘養(yǎng)殖園區(qū)的排放水處理技術(shù)則起步較晚。范航清等[7]提出的復(fù)合人工濕地尾水處理模式可將25%-50%的養(yǎng)殖水面用于重建紅樹(shù)林和鹽沼植被，但由于該模式大幅降低養(yǎng)殖空間利用率，且存在濕地植被生長(zhǎng)環(huán)境限制及地域特點(diǎn)等限制，在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的局限性。而基于多營(yíng)養(yǎng)層次的生態(tài)養(yǎng)殖模式(IMAT)，如蝦-貝-藻混養(yǎng)[8]及魚(yú)菜共生循環(huán)系統(tǒng)(ARS)[9]等模式可顯著提高系統(tǒng)的光能利用率和投入系統(tǒng)總能的轉(zhuǎn)化效率，并在一定程度上降低自身污染物的排放，但在處理養(yǎng)殖排放水過(guò)程中仍然存在基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、處理效率低下、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、工程化水平低下等問(wèn)題[10-12]。本研究以園區(qū)規(guī)劃改造、尾水集中排放、設(shè)施工程化處理為基礎(chǔ)，以海水池塘養(yǎng)殖園區(qū)排放水集中處理為切入點(diǎn)，通過(guò)對(duì)多種物理、生物修復(fù)技術(shù)的集成耦合，構(gòu)建了海水池塘養(yǎng)殖園區(qū)排放水綜合生態(tài)凈水處理系統(tǒng)，擬為海水池塘養(yǎng)殖的無(wú)害化排放提供有力的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年5月至2017年10月在日照開(kāi)航水產(chǎn)技術(shù)公司養(yǎng)殖園區(qū)內(nèi)開(kāi)展，凈化池塘位于園區(qū)集中排水渠下游的末端，面積3 000 m2。凈化處理系統(tǒng)包括泡沫分離裝置、微生物濾池和大型藻修復(fù)區(qū)(圖1)。養(yǎng)殖園區(qū)排放水通過(guò)水泵抽提進(jìn)入泡沫分離裝置，流速為600 m3·h-1，有機(jī)泡沫分離后的水直接進(jìn)入大型藻修復(fù)區(qū)，而分離出的有機(jī)泡沫則隨少量高濃度的有機(jī)質(zhì)顆粒物水流通過(guò)裝置的上排水口進(jìn)入生物濾池中進(jìn)行顆粒物的靜置、有機(jī)質(zhì)降解及水體修復(fù)，后溢入大型藻修復(fù)區(qū)進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)化(流速20 m3·h-1)，在大型藻修復(fù)區(qū)中央通過(guò)涌浪機(jī)作用充分混合后經(jīng)排水口排放。系統(tǒng)中泡沫分離裝置由杭州大賀水處理技術(shù)有限公司定制而成，罐體為玻璃鋼材質(zhì)，罐體直徑3.6 m，深2 m，儲(chǔ)水量20 m3，罐底設(shè)置微孔氣排裝置。微生物濾池由4個(gè)寬2 m，長(zhǎng)5 m，深1 m的水泥池進(jìn)出水口上下交替串聯(lián)而成，池中由竹排懸掛彈性調(diào)料作為固定化微生物附著基，竹排間距20 cm，每根竹排上懸掛約20-30根彈性填料，池內(nèi)微生物由池塘納水時(shí)環(huán)境中土著微生物自然掛膜30 d形成。大型藻羊棲菜采購(gòu)于浙江洞頭海區(qū)，用浮筏吊養(yǎng)于涌浪機(jī)四周，面積為30 m×40 m，局部吊養(yǎng)密度400 g/m3，并通過(guò)涌浪機(jī)(0.75 kW)的作用使凈化池中水體充分混合。

圖1 養(yǎng)殖園區(qū)排放水生態(tài)處理系統(tǒng)示意圖

1.2 取樣及分析方法

對(duì)凈化處理池中的各個(gè)修復(fù)模塊的進(jìn)出口水進(jìn)行逐月采樣。系統(tǒng)正常運(yùn)行2 h，待泡沫分離裝置及微生物濾池中存水完全排出后，在流動(dòng)狀態(tài)下每隔30 min分別采集園區(qū)排放水、經(jīng)泡沫裝置分離后的泡沫水、經(jīng)泡沫分離裝置處理后的排放水、經(jīng)微生物濾池處理后的水、大型藻處理后的水共5個(gè)水樣，共采集4次，每個(gè)水樣取3個(gè)平行樣，分別測(cè)定pH、COD、氨氮(NH4-N)、亞硝氮(NO2-N)、硝氮(NO3-N)、活性磷酸鹽及溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)等6個(gè)指標(biāo)。其中，pH使用雷磁(PHS-3C)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，氨氮、亞硝氮、硝氮及活性磷酸鹽使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(YQ-005)測(cè)定，無(wú)機(jī)氮待測(cè)水樣均用經(jīng)過(guò)鹽酸浸泡后的醋酸纖維膜(Φ：0.45 μm)抽濾后測(cè)定， COD 采用高錳酸鉀法測(cè)定，具體分析方法參見(jiàn)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378—2007)。

1.3 計(jì)算方法

RRi(%)=(CInlet-COutlet)/CInlet×100%，

式中：i為相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)；RR為系統(tǒng)對(duì)i指標(biāo)的去除率，%；CInlet為系統(tǒng)進(jìn)水口i指標(biāo)濃度，mg/L；COutlet為系統(tǒng)出水口i指標(biāo)濃度，mg/L。計(jì)算結(jié)果用Excel 2007和Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)期間凈化池塘水深1.2—1.5 m，水溫變化為23.2—35.3℃。養(yǎng)殖排放水鹽度變化為16‰—29‰，pH值變化為7.89—8.33，其他各指標(biāo)變化范圍及平均值見(jiàn)表1。

表1 養(yǎng)殖園區(qū)排放水各指標(biāo)含量(mg/L)

Table 1 Various indicators of water discharged from fishery park (mg/L)

項(xiàng)目Item指標(biāo)IndicatorCODNH4NNH3NO2NNO3NDINDIP變化范圍Range of variation1.98—2.340.06—0.280.002—0.0530.01—0.140.19—0.650.26—0.930.03—0.24平均值A(chǔ)verage value2.600.110.0110.070.430.610.17

2.1 泡沫分離技術(shù)對(duì)水體的凈化效果

泡沫分離技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖排放水中COD、NH4-N、NO2-N、NO3-N、DIN及DIP均有較明顯的去除效果(圖2)，其對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的去除率平均值分別為41.95%、55.68%、51.97%、58.08%、57.05%和44.33%，且去除率均隨著溫度的升高而降低。在29℃以上，泡沫分離技術(shù)對(duì)水體各指標(biāo)的去除能力有一個(gè)明顯的降低過(guò)程，這可能是由于持續(xù)降雨、鹽度驟降以及泡沫表面張力減弱、濃縮效率降低所致。

圖2 泡沫分離技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖排放水的凈化效果

Fig.2 Purification effect of foam separation technology on discharged water

2.2 微生物濾池對(duì)水質(zhì)的凈化效果

微生物濾池對(duì)水體中NH4-N、NO2-N、NO3-N、DIN有較明顯且穩(wěn)定的去除效果(圖3)，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的去除率平均值分別為60.34%、57.37%、38.79%和44.13%，但其對(duì)COD去除效率較低，且對(duì)活性磷酸鹽DIP的去除效果不穩(wěn)定，該結(jié)果與傅雪軍等[13]研究結(jié)果一致。

2.3 大型藻對(duì)水質(zhì)的凈化效果

本研究結(jié)果顯示，水溫在23—26℃時(shí)羊棲菜對(duì)水體中NH4-N、NO2-N、NO3-N、DIN及DIP均有較明顯的去除效果(圖4)，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的去除率平均值分別為60.60%、47.00%、50.66%、53.37%和53.57%。當(dāng)水溫超過(guò)26℃持續(xù)1周左右，羊棲菜的生長(zhǎng)停滯，對(duì)水體會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

圖3 微生物濾池對(duì)養(yǎng)殖排放水的凈化效果

圖4 大型藻(羊棲菜)對(duì)水質(zhì)各指標(biāo)的去除率

Fig.4 Removal rate of large algae (Sargassumfusiforme) on discharged water

2.4 綜合生態(tài)凈化技術(shù)對(duì)園區(qū)養(yǎng)殖排放水的綜合處理效果評(píng)價(jià)

養(yǎng)殖園區(qū)排放水分別經(jīng)過(guò)泡沫分離、微生物濾池及大型藻處理后，各檢測(cè)指標(biāo)明顯降低，系統(tǒng)對(duì)COD、NH4-N、NO2-N、NO3-N、DIN及DIP綜合去除率平均分別為40.84%、89.37%、86.88%、93.75%、78.74%和59.73%,各處理技術(shù)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的綜合去除率見(jiàn)圖5。泡沫分離技術(shù)對(duì)各指標(biāo)的去除作用最為顯著，修復(fù)作用的貢獻(xiàn)率為58.30%—77.33%；微生物濾池除對(duì)活性磷酸鹽作用不明顯之外，對(duì)其他指標(biāo)也具有一定的修復(fù)作用，貢獻(xiàn)率為8.49%—30.91%；大型藻對(duì)磷酸鹽的修復(fù)作用僅次于泡沫分離技術(shù)，貢獻(xiàn)率為10.79%—40.22%。

2.5 養(yǎng)殖園區(qū)排放水水質(zhì)改善狀況評(píng)價(jià)

基于4種海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)經(jīng)處理前后池塘養(yǎng)殖園區(qū)排放水水質(zhì)改善情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(圖6)。在經(jīng)系統(tǒng)處理前，養(yǎng)殖排放水中COD全部達(dá)標(biāo)；DIN除單次取樣達(dá)標(biāo)之外，其余樣品均超標(biāo)，尤其是6月下旬水溫至26℃以上時(shí)，NH3濃度高達(dá)0.05 mg/L，嚴(yán)重超出《海水水質(zhì)二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》和《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》；DIP平均值為0.17 mg/L，超標(biāo)情況較為嚴(yán)重。而采用生態(tài)凈化處理技術(shù)可以明顯改善養(yǎng)殖排放水水質(zhì)狀況，基本可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)排放。

圖5 各凈水技術(shù)對(duì)水質(zhì)各指標(biāo)綜合修復(fù)作用

Fig.5 Comprehensive remediation effect of various water purification technologies on various indicators of water quality

A:《海水水質(zhì)二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》，B:《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，C:《海水養(yǎng)殖水排放要求》，D:《水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水排放要求》

A:Sea water quality standard (Ⅱ),B:Water quality standard for fisheries,C:Water drainage standard for sea water mariculture,D:Discharge requirement for aquaculture waste water

圖6 水質(zhì)改善狀況評(píng)價(jià)

Fig.6 Evaluation of water quality improvement

3 討論

3.1 各生態(tài)凈水技術(shù)之間的性能互補(bǔ)

本研究采用泡沫分離裝置將從養(yǎng)殖排放水中分離出的有機(jī)物作為下一個(gè)處理環(huán)節(jié)——微生物濾池中土著微生物繁殖生長(zhǎng)所需的氮源、碳源，大幅提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)、轉(zhuǎn)化效率，并減少外源微生物制劑使用所引起的二次污染。筆者在2016年對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)自然掛膜培養(yǎng)的微生物只能維持60 d左右的生物活性[5]；而本次試驗(yàn)中采用泡沫分離物作為持續(xù)營(yíng)養(yǎng)源的微生物濾池在試驗(yàn)開(kāi)展120 d后(圖3)，仍然能維持較高的修復(fù)效率。本系統(tǒng)中微生物濾池還兼具靜置去除顆粒態(tài)污染物的功能，而養(yǎng)殖中后期排放水中氨氮濃度的升高也有利于自然掛膜微生物的擴(kuò)繁生長(zhǎng)[14]。另一方面，系統(tǒng)中大型藻修復(fù)技術(shù)對(duì)活性磷酸鹽出色的修復(fù)能力將有效彌補(bǔ)微生物濾池對(duì)其修復(fù)能力不足的問(wèn)題。因此，在池塘養(yǎng)殖園區(qū)排放水凈化處理過(guò)程中，將以上多種凈水技術(shù)聯(lián)合使用可取得更佳的凈化效果。

3.2 高通量園區(qū)排放水處理技術(shù)中的性能局限

于向陽(yáng)等[15]在室內(nèi)受控實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)水體中COD濃度低于4.32 g/L時(shí)，泡沫分離技術(shù)對(duì)COD最大去除率約為40%，而在本研究中該技術(shù)對(duì)COD的去除率要明顯低于該值，綜合去除率僅為32.23%。這主要是由于系統(tǒng)在處理較大通量的養(yǎng)殖排放水時(shí)，流速的增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)有機(jī)泡沫濃縮效率降低，這種為滿(mǎn)足處理速度而犧牲處理效率的情況，在大規(guī)模養(yǎng)殖水體修復(fù)過(guò)程中在所難免。

3.3 養(yǎng)殖中后期影響生態(tài)化凈水技術(shù)處理性能的關(guān)鍵因素

研究中發(fā)現(xiàn)在對(duì)蝦池塘養(yǎng)殖中后期，無(wú)機(jī)氮會(huì)出現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，而活性磷酸鹽含量出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，該評(píng)價(jià)結(jié)果與True等[16]及蓋春蕾等[17]研究結(jié)果一致。無(wú)機(jī)氮的積累主要來(lái)源于餌料的投喂、對(duì)蝦的排泄以及沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的溶出[18]，活性磷酸鹽在養(yǎng)殖前期超標(biāo)主要是由于池塘前期所投入的復(fù)合肥在養(yǎng)殖環(huán)境中緩慢釋放所至。本系統(tǒng)對(duì)無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽的綜合去除率分別為78.74%和59.73%，通過(guò)整套修復(fù)系統(tǒng)，前者基本達(dá)標(biāo)，而磷酸鹽由于底物濃度過(guò)高超出處理系統(tǒng)修復(fù)能力，如將其濃度降至0.042 9 mg/L時(shí)則可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)。因而可以從控制前期投入品用量及提升系統(tǒng)對(duì)磷酸鹽的去除能力兩方面來(lái)提升修復(fù)系統(tǒng)對(duì)磷酸鹽的處理效率。

3.4 綜合生態(tài)凈水技術(shù)的水處理負(fù)荷

較過(guò)去對(duì)蝦池塘養(yǎng)殖使用大排大灌的養(yǎng)殖方式[19]，隨著蝦—蟹—貝混養(yǎng)等池塘生態(tài)養(yǎng)殖模式的日益推廣，養(yǎng)殖環(huán)境營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用趨向最大化，池塘養(yǎng)殖的排水量日益減少。20世紀(jì)90年代，煙臺(tái)地區(qū)對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘每公頃的年換水量為2 400 m3(注：水深按1.5 m估算)[20]，經(jīng)估算本研究所處的對(duì)蝦池塘養(yǎng)殖園區(qū)每公頃的年換水量約為1 200 m3。在我國(guó)北方，對(duì)蝦池塘養(yǎng)殖周期一般為180 d，平均每天每公頃池塘養(yǎng)殖排放水量約為6.67 m3。由此可以看出生態(tài)養(yǎng)殖模式的不斷推廣大幅降低池塘養(yǎng)殖換水量，使得通過(guò)綜合生態(tài)凈水技術(shù)在戶(hù)外對(duì)池塘養(yǎng)殖排放水集中處理成為可能。

4 結(jié)論

以園區(qū)規(guī)劃改造、尾水集中排放、設(shè)施工程化處理為基礎(chǔ)，集成泡沫分離、生物濾池及大型藻等多種修復(fù)技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖園區(qū)排放水進(jìn)行集中處理，可有效改善養(yǎng)殖排放水水質(zhì)狀況，基本實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)排放，為全國(guó)漁業(yè)產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)建設(shè)提供良好示范。海水池塘養(yǎng)殖區(qū)換水量的持續(xù)減少，降低待處理水體總量負(fù)荷，對(duì)于滿(mǎn)足生態(tài)化處理系統(tǒng)的負(fù)載能力具有十分積極的作用。在研究過(guò)程中，如何維持并提高各生態(tài)化處理技術(shù)的修復(fù)效率及系統(tǒng)對(duì)高通量園區(qū)排放水的處理能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；ＫB(yǎng)殖園區(qū)尾水的有序排放和高效處理是至關(guān)重要的。