基于生態(tài)溝渠的凡納濱對蝦小型溫棚養(yǎng)殖尾水凈化技術效能分析

蔣 葛，黎 慧，沈 輝，萬夕和，喬 毅，成 婕，王李寶，史文軍，范賢平，楊壯壯

(江蘇省海洋水產研究所，江蘇南通 226007)

凡納濱對蝦Litopenaeus vannamei 是中國對蝦養(yǎng)殖的第一大品種，養(yǎng)殖模式主要包括露天池塘養(yǎng)殖、溫棚養(yǎng)殖、工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖、高位池養(yǎng)殖等。凡納濱對蝦小型溫棚養(yǎng)殖模式是近十多年來在江蘇如東發(fā)展起來的一種新模式。小棚池塘寬8～10 m、長40～50 m、深60～80 cm，利用毛竹或鋼架支撐塑料大棚，采用鹽度2～12[1-2]地下水進行養(yǎng)殖，全池使用納米管進行微孔曝氣，一年養(yǎng)殖2～3 茬。目前，該養(yǎng)殖模式具有明顯的經濟效益。然而，隨著養(yǎng)殖面積[3-4]的不斷增加，凡納濱對蝦小棚養(yǎng)殖模式諸如環(huán)境影響隱患等弊端逐漸顯現。養(yǎng)殖過程產生的殘飼和糞便都積累在池塘底部，但傳統小棚采用上排水進行水體更新，只能去除水體表面泡沫和死藻，排污能力弱。小棚養(yǎng)殖中后期池塘中有機物含量較高，僅有小部分小棚集中區(qū)設置了工業(yè)污水處理設施，成本高昂，大部分小棚尾水未經處理就對外排放，對周邊環(huán)境造成潛在危害[1]。一種低成本且高效的尾水處理技術是凡納濱對蝦小棚養(yǎng)殖實行生態(tài)化改良的關鍵。

生態(tài)溝渠可用來凈化水質，具有濕地生態(tài)系統的功能，在維持生態(tài)系統物種多樣性、促進生態(tài)系統生產力和養(yǎng)分循環(huán)等方面起著重要作用[2-5]。中國耐鹽植物種類眾多，資源量豐富，易獲取、易栽種，為沿海地區(qū)生態(tài)溝渠提供了良好的應用基礎[6-8]。海馬齒Sesuvium portulacastrum[9]、水蔥Scirpus validus[10]、美人蕉Canna indica[10]、互花米草Spartina alterniflora Loisel[10]、蘆葦Phragmites australis[11-12]、水花生Alternanthera philoxeroides[13]等多種植物被用于處理含鹽尾水。海馬齒曾用于原位修復養(yǎng)殖水體，效果優(yōu)良；水蔥生長速率快，對氨氮和磷酸鹽去除能力很強[9]；美人蕉耐受能力強，凈化能力較弱[10]；蘆葦在較高鹽度環(huán)境下凈化能力強[11-12]；水花生對淡水中氮磷元素去除率達90%以上[13]，對含鹽尾水的凈化報道較少[14]。

本文設計了一種基于生態(tài)溝渠的凡納濱對蝦小型溫棚養(yǎng)殖尾水凈化模式，選取江蘇地區(qū)分布廣泛、易獲取、易栽種的蘆葦、互花米草和水花生作為試驗植物，通過比較3 種不同植物對氮和磷的降解效果，研究和篩選了具有較好降解效果的植物品種，并選用江蘇地區(qū)廣鹽廣溫性的濾食性魚類鯔魚Mugil cephalus對藻類和懸浮物進一步處理，為江蘇地區(qū)現有的凡納濱對蝦小型溫棚養(yǎng)殖模式向綠色環(huán)保方向轉型升級提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 技術方案

根據水產養(yǎng)殖尾水排放要求，結合區(qū)域現狀，設計基于生態(tài)溝渠的凡納濱對蝦小棚養(yǎng)殖尾水凈化工藝流程(圖1)。該流程設置自動排污設施，分別配備大小為3 m×8 m×2 m 的水泥沉淀池、厭氧池，厭氧池表面覆蓋雙層黑色地膜，將露出水面完全包裹，內置毛刷狀生物填料，多次監(jiān)測顯示溶氧在0～0.20 mg·L-1。

圖1 基于生態(tài)溝渠的凡納濱對蝦小棚養(yǎng)殖尾水凈化系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of tailwater purification system for L.vannamei based on ecological ditch

具體處理流程如下：每日定時排出底部含殘飼糞便的尾水，排放頻率視投喂量適時調整，底排污可以有效地排出底部碎屑；尾水經一級沉淀與由包含微濾機的固液分離單元處理，此處可將尾水內大部分不可溶顆粒物排出，并將其外運處理；隨后尾水流入厭氧池，在溶氧0～0.20 mg·L-1環(huán)境下經過生物填料粘附的自然形成的微生物群落進行厭氧處理，厭氧環(huán)境可以大幅降低尾水中氮素水平；厭氧處理后尾水分別流入布有互花米草、蘆葦、水花生[6-7]以及無植物的4 種生態(tài)溝渠，在生態(tài)溝渠內進行靜置處理，每7 d 取樣監(jiān)測水質；水質參數未達到SC/T9103-2007《海水養(yǎng)殖水排放要求》二級標準的尾水通過水泵引入沉淀池按流程再次處理；達標尾水引入蓄水池潑灑漂白粉進行消毒處理，消毒后備用。4 條生態(tài)溝渠長度各為150 m，橫切面為梯形，上底和下底分別為3.0 m 和1.20 m，水深0.50～0.80 m?；セ撞菖c蘆葦采用沉根種植，水花生采用沉根、浮根交替種植，植物栽種面積為兩邊側坡各100 m2，栽種密度為17 棵·m-2。水花生生態(tài)溝渠先存蓄部分淡水至水深0.50 m。4 種生態(tài)溝渠中各投入150 尾體長5.0～7.0 cm 左右的鯔魚幼魚，試驗結束起捕稱重[8-9]。

1.2 系統運行與養(yǎng)殖管理

試驗地點設置在南通市如東縣港城水產養(yǎng)殖專業(yè)合作社。試驗設6 個小型溫棚養(yǎng)殖蝦池，蝦池長45～50 m、寬10 m、深0.80 m，池埂鋪設地膜。試驗蝦池經過改造配置底排污和污水提升裝置，每4 h 底排污1 次，污水排放量約為1 250 L·d-1，適時補水，維持養(yǎng)殖池水量。設6 只相同規(guī)格但僅配置上層溢出排污的傳統蝦池作為對照，污水排放量約為1 250 L·d-1，全程不排放底部污物，無尾水凈化流程，適時補水，維持養(yǎng)殖池水量。2018 年8 月10 日記為1 d，開始投苗，每池放苗密度為80 尾·m-2，試驗期間只補水不換水。每天早中晚各投喂1 次，投喂量在2 h 內攝食完畢，飼料粒徑隨對蝦規(guī)格進行調整。對照蝦池與試驗蝦池養(yǎng)殖同步管理。尾水經沉淀池、厭氧池和4 條生態(tài)溝渠的水力停留時間為3 d，系統始運行凈化后的尾水經處理后匯入蓄水池備用，與外源水混合用作養(yǎng)殖補水。系統經30 d 試運行進入穩(wěn)定狀態(tài)，試驗周期為79 d。

1.3 系統運行各環(huán)節(jié)主要水質指標評價

采用鹽度10 的地下半咸水進行養(yǎng)殖，30 d 開始對試驗蝦池、對照蝦池、固液分離單元出水口、厭氧池出水口和4 類生態(tài)溝渠出水口共計18 個采集點采集水質樣品，每個采集點收集3 個平行樣品，每7 d 取樣1 次，分別測定化學需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、總氮(TN)、活性磷酸鹽(PO43--P)、總磷(TP)，測定方法按GB17378.4《海洋監(jiān)測規(guī)范 第4 部分：海水分析》進行[15]。

1.4 數據處理

數據處理采用GraphPad Prism 6.0 進行統計分析。

2 結果

2.1 試驗期間小棚池水主要水質因子變化

試驗系統運行79 d，試驗蝦池與對照蝦池不同時期水質參數變化見圖2。從圖2 中可見，運行79 d 后試驗蝦池COD 明顯低于對照蝦池，試驗蝦池COD 上升緩慢，79 d 達到最高值61.79 mg·L-1。對照蝦池37 d后COD 穩(wěn)步上升，79 d 達到123.82 mg·L-1。37 d 后試驗蝦NH4+-N、NO3--N 都維持較低水平，79 d 時NH4+-N 質量濃度降至0.66 mg·L-1，NO3--N 降至0.66 mg·L-1，對照蝦池NH4+-N、NO3--N 質量濃度分別達到2.61 mg·L-1和2.67 mg·L-1，差異顯著。隨著時間的發(fā)展，試驗蝦池和對照蝦池NO2--N 質量濃度呈現上升趨勢，試驗蝦池最高時達到11.71 mg·L-1；TN 質量濃度在試驗期一直表現為上升趨勢，最高達到22.16 mg·L-1；44 d后，試驗蝦池和對照蝦池PO43--P 和TP 都表現為較低濃度，79 d 時PO43--P 質量濃度達到0.31 mg·L-1；TP 達到2.28 mg·L-1。試驗蝦池和對照蝦池NO2--N、TN、PO43-及TP 差異不顯著。

圖2 試驗蝦池與對照蝦池水質不同時期的COD 以及氮磷水平比較Fig.2 Comparison of COD and nitrogen and phosphorus levels in different periods of water quality in experimental and control shrimp ponds

2.2 固液分離、厭氧單元的凈化效果

固液分離單元COD 降幅在6.25～26.16 mg·L-1，厭氧池COD 降幅在1.57～19.67 mg·L-1。固液分離單元NH4+-N、NO2-N、TN、NO3--N 出水質量濃度為0.23～1.43 mg·L-1、0.01～4.40 mg·L-1、0～0.95 mg·L-1、0.46～10.80 mg·L-1；厭氧池NH4+-N、NO2-N、TN、NO3--N 出水質量濃度為0.11～1.38 mg·L-1、0.07～0.87 mg·L-1、0～0.67 mg·L-1、0.78～6.19 mg·L-1。固液分離單元、厭氧池PO43--P 出水質量濃度為0.34～1.36 mg·L-1、0.22～1.31 mg·L-1，TP出水質量濃度為0.50～1.35 mg·L-1、0.34～1.51 mg·L-1。

2.3 不同類型生態(tài)溝渠的凈化效果

4 類不同類型生態(tài)溝渠對于COD 的去除具有顯著差異(P＜0.05)30 d 后，除無植物型外，其他各型生態(tài)溝渠COD 出水質量濃度都低于20 mg·L-1，分別為無植物型13.97～24.43 mg·L-1，互花米草型13.83～18.39 mg·L-1，蘆葦型13.89～17.56 mg·L-1，水花生型8.75～12.68 mg·L-1。4 類生態(tài)溝渠NH4+-N 出水質量濃度差異不顯著，水花生型、蘆葦型、互花米草型、無植物型生態(tài)溝渠NH4+-N 出水質量濃度為0.05～0.30 mg·L-1、0.05～0.40 mg·L-1、0.05～0.40 mg·L-1、0.10～0.45 mg·L-1。4 類生態(tài)溝渠NO2--N 出水濃度差異顯著(P＜0.05)，水花生型、蘆葦型、互花米草型、無植物型生態(tài)溝渠NO2--N 出水質量濃度為0～0.13 mg·L-1、0.10～0.44 mg·L-1、0.10～0.57 mg·L-1、為0.10～0.85 mg·L-1。44 d，無植物型出水質量濃度為0.79 mg·L-1，51 d 出水質量濃度為0.85 mg·L-1。水花生型與蘆葦型NO2--N 出水質量濃度始終低于0.50 mg·L-1。

圖3 各生態(tài)溝渠對于各污染物的去除效果Fig.3 Removal of pollutants by each ecological ditch

試驗蝦池內NO3--N 質量濃度呈現較低水平，不同生態(tài)溝渠NO3--N 出水質量濃度也保持在0.20 mg·L-1以下，僅58 d，無植物型NO3--N 出水質量濃度大于0.20 mg·L-1。自37 d，試驗蝦池TN 濃度范圍為16.25～22.63 mg·L-1，4 類生態(tài)溝渠出水濃度為(水花生型、蘆葦型、互花米草型、無植物型)為2.00～3.00 mg·L-1、3.00～4.00 mg·L-1、3.00～4.50 mg·L-1、3.50～5.00 mg·L-1，水花生型去除TN 效果最優(yōu)。

4 類生態(tài)溝渠PO43-出水質量濃度為(水花生型、蘆葦型、互花米草型、無植物型)為0.20～1.06 mg·L-1、0.11～0.93 mg·L-1、0.04～0.77 mg·L-1、0.00～0.60 mg·L-1。4 類生態(tài)溝渠PO43-出水質量濃度有一定差異，由高到低依次是水花生型、蘆葦型、互花米草型、無植物型。不同類型生態(tài)溝渠對于TP 去除能力與PO43-去除能力相一致，由高到低依次是水花生型、蘆葦型、互花米草型、無植物型。

2.4 養(yǎng)殖尾水凈化技術效果評價

采用所研發(fā)的小棚養(yǎng)殖尾水處理技術進行處理后，4 種不同類型的生態(tài)溝渠系統出水水質各項指標比對照池水有較大幅度的降低，具體水質指標見表1。從表1 中可見，水花生、蘆葦和互花米草型生態(tài)溝渠的出水水質COD 都達到SC/T9103-2007《海水養(yǎng)殖水排放要求》二級標準；水花生、蘆葦型生態(tài)溝渠的出水水質活性磷酸鹽達到一級標準。

表1 84 d 后4 種類型生態(tài)溝渠的出水水質(mg·L-1)Tab.1 Effluent quality of the four types of ecological ditch on 84 d

3 討論

3.1 固液分離及厭氧池的效果分析

近年來，水產養(yǎng)殖正朝著綠色生態(tài)方向發(fā)展，養(yǎng)殖尾水達標排放是生態(tài)發(fā)展的必然要求；江蘇省更是出臺了池塘養(yǎng)殖水排放強制要求。傳統高產的凡納濱對蝦小型溫棚養(yǎng)殖模式存在一定的生態(tài)損害，可持續(xù)發(fā)展受到影響。因此，研究養(yǎng)殖尾水的凈化技術是該模式發(fā)展的必然趨勢。

生態(tài)溝渠是一種有效、低成本的水產養(yǎng)殖尾水凈化技術[17-19]。本研究利用集成了固液分離(過濾和沉淀)、厭氧處理工藝和耐鹽植物的生態(tài)溝渠技術凈化養(yǎng)殖尾水。因為成本和早期設計的缺陷，如東早期凡納濱對蝦小型溫棚養(yǎng)殖模式本身并沒有底排污系統，殘飼和糞便沉積于池底，水體的COD 處于較高水平。固液分離、厭氧池處理單元有明顯去除COD 的作用。本試驗通過底排污和固液分離處理單元，將水體中的殘飼和糞便等固態(tài)有機物分離出來，尾水COD 從173.28 mg·L-1降至20 mg·L-1以內，得到大幅度下降，這說明物理分離對尾水處理具有直接作用。利用厭氧池微生物群落，將水體中大分子的有機物降解成小分子的有機物或者無機物的過程，可產生一定量的無機氮和無機磷，因此，該環(huán)節(jié)COD 顯現下降趨勢，NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43-下降趨勢并不明顯，有的呈上升趨勢，這應屬于正?，F象[20]。

安陽等[21]通過在蝦池內設置生物掛膜和斜管沉降等處理單元原位處理凡納濱對蝦養(yǎng)殖水體，改善水質效果明顯，但由于凡納濱對蝦小型溫棚內水體空間有限，不具備開展原位凈化養(yǎng)殖水體的基礎，因此只能選擇異位處理養(yǎng)殖尾水。試驗期間養(yǎng)殖池中NH4+-N 等指標明顯比對照蝦池低。在堿性環(huán)境下，NH4+-N、NO2--N 在水體環(huán)境對養(yǎng)殖蝦類具有較強的毒性，同時也會誘導白斑綜合征等多種疾病的發(fā)生[22-24]。試驗結果表明研發(fā)的凈化技術對于預防蝦類疾病的發(fā)生具有較好的促進作用。試驗期間養(yǎng)殖池中PO43-、TP 等指標與對照池差異并不顯著，這是養(yǎng)殖過程每天產生的殘餌和糞便都會在原位降解形成無機物所致，雖然每天都有尾水排放及凈化后的尾水循環(huán)流入，但流入量十分有限，所以試驗池與對照池的差異不顯著。有機物降解形成的NH4+-N、NO2--N 對養(yǎng)殖蝦類具有一定的毒性，為了保障養(yǎng)殖蝦類的健康，有必要適當降低養(yǎng)殖密度，以降低每日的投飼量，減少殘飼和糞便[25]。

3.2 生態(tài)溝渠的應用效果

在生態(tài)溝渠內N、P 的降解主要通過基質吸附、微生物群落降解和植物根系吸收。本文研究重點在于篩選一種凈化含鹽尾水的植物。目前，用于凈化含鹽尾水的植物報道很多。程果鋒等[26]構建了排水溝沉淀及海藻吸附、貝藻凈化和人工紅樹林濕地深度凈化養(yǎng)殖海水，紅樹林處理養(yǎng)殖不同鹽度海水效果都很明顯，竇碧霞等[9]運用海馬齒凈化鹽度15 尾水中的N、P 元素效果優(yōu)良，張力等[10]使用水蔥和美人蕉等對養(yǎng)殖海水進行凈化處理研究，但紅樹林、海馬齒、水蔥和美人蕉等植物的地理分布限制了其在浙江以北的凡納濱對蝦養(yǎng)殖區(qū)推廣的潛力。本研究選取水花生、蘆葦、互花米草3 種植物對凡納濱對蝦養(yǎng)殖的低鹽度尾水進行處理。研究發(fā)現，3 種植物的凈化效果從強至弱依次為水花生、蘆葦、互花米草。水花生表現出了很好的尾水凈化作用，能夠有效去除水體中的N、P 營養(yǎng)元素，降低水體中的COD。經水花生型生態(tài)溝渠處理后的養(yǎng)殖尾水主要指標能夠達到SC/T9103-2007《海水養(yǎng)殖水排放要求》二級標準。ZUO,et al[27]研究表明水花生在超富營養(yǎng)化水體中能夠很好地生長，并且能夠去除超富營養(yǎng)化水體中TN、TP，相對去除率能達到91.6%和95.1%，并可減少水體中COD，與本研究的結果相一致。張海耿等[11]通過營造人工蘆葦濕地凈化養(yǎng)殖海水，但隨著鹽度升高，蘆葦凈化能力減弱。此外，MOZDZER,et al[28]比較了蘆葦、互花米草兩種鹽生植物對不溶性有機氮(DON) 的吸收凈化效果，蘆葦優(yōu)于互花米草，與本研究結果接近。

水花生常用于凈化淡水養(yǎng)殖尾水，關于凈化含鹽尾水的報道較少。本研究對于水花生處理養(yǎng)殖半咸水具有示范作用。高建明等[29]發(fā)現，水花生具有較強的耐鹽能力(400 mmol·L-1)，遠超一般陸生植物。實驗布組時，在水花生溝渠內蓄積深10 cm 的淡水，將鹽度10 的養(yǎng)殖尾水緩慢流入，3 d 后水花生溝渠內鹽度升至10，水花生生長良好。另一方面，水花生對銅、鉛等重金屬元素和銫、鈾等核素也有很好的富集作用，試驗過程中其生長速度較蘆葦、互花米草較快，在沿海地區(qū)低鹽度水產養(yǎng)殖尾水生態(tài)修復應用中具有較好的應用潛力[29]。

3.3 濾食性魚類與養(yǎng)殖對蝦的產出

試驗中投放于4 類生態(tài)溝渠內的鯔魚可以通過濾食藻類進一步降低水體中的N、P 元素[30-31]，將富營養(yǎng)元素轉化為動物蛋白質，還可以增加養(yǎng)殖收入。選取鯔魚作為試驗用魚，鯔魚可以在淡水、半咸水、咸水中進行人工養(yǎng)殖，可以適應沿海所有養(yǎng)殖水域[32]。

研究發(fā)現，通過研發(fā)的凡納濱對蝦小棚養(yǎng)殖尾水凈化技術，經過84 d 的養(yǎng)殖試驗，6 個試驗蝦池的對蝦平均產量達到535 kg，比對照蝦池高于11.69%。同時，試驗池塘養(yǎng)殖過程中未發(fā)現對蝦發(fā)病死亡現象，而對照蝦池4 號蝦池卻發(fā)生一次急性肝胰腺壞死綜合癥，死亡部分對蝦。底排污裝置的設置顯著改善了試驗蝦池養(yǎng)殖水質。試驗蝦池養(yǎng)殖水體中的COD 值低于傳統蝦池，后期僅為傳統蝦池的一半，N、P 含量也低于傳統蝦池。相對優(yōu)良的養(yǎng)殖水質有利于提高養(yǎng)殖產量[33-35]。綜上所述，基于生態(tài)溝渠的凡納濱對蝦小棚養(yǎng)殖尾水凈化技術的應用可以較好凈化養(yǎng)殖尾水，提高凡納濱對蝦養(yǎng)殖產量，是一種可推廣應用的健康養(yǎng)殖模式。