海水對蝦養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)與發(fā)展趨勢

葉麥，童家歆

河海大學環(huán)境學院/淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098

根據(jù)《2019年全國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》，2018年我國水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量為4 991.1萬t，海水養(yǎng)殖產(chǎn)量約為2 031.2萬t，蝦類約140.9萬t，其中南美白對蝦(Penaeusvannamei)占蝦類養(yǎng)殖產(chǎn)量的79.3%[1]。對比中國對蝦和斑節(jié)對蝦等養(yǎng)殖品種，南美白對蝦有生長速度快、生態(tài)位較寬、餌料需求寬松、可以適應淡水和海水養(yǎng)殖等優(yōu)勢，養(yǎng)殖規(guī)模正逐年遞增[2-3]。

我國對蝦海水養(yǎng)殖主要集中在東部沿海地區(qū)，廣東省、廣西壯族自治區(qū)、福建省、海南省、山東省等地區(qū)為主要產(chǎn)區(qū)[1]?，F(xiàn)階段主要采用的養(yǎng)殖方式有海水池塘集約化養(yǎng)殖、沿海網(wǎng)箱養(yǎng)殖和工廠化養(yǎng)殖[4]。比較成熟的產(chǎn)業(yè)化模式有南方的高位池精養(yǎng)模式和北方淡鹵水精養(yǎng)模式。隨著養(yǎng)殖面積的不斷擴大和養(yǎng)殖量的提高，養(yǎng)殖海水污染、養(yǎng)殖區(qū)赤潮等現(xiàn)象頻頻發(fā)生，南美白對蝦養(yǎng)殖業(yè)出現(xiàn)了苗種質(zhì)量下降、養(yǎng)殖環(huán)境惡化、病害頻發(fā)等問題[5]。絕大多數(shù)養(yǎng)蝦海域在開發(fā)時缺少科學規(guī)劃，海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的尾水處理長期不受關(guān)注。近年來，在“五水共治”的大背景下，如何解析養(yǎng)殖尾水對周邊水域及環(huán)境造成的影響以及開發(fā)有序高效的海產(chǎn)養(yǎng)殖廢水治理技術(shù)成為科學研究和工程實踐關(guān)注的熱點問題。

1 海水對蝦養(yǎng)殖尾水特征及環(huán)境影響

1.1 海水對蝦養(yǎng)殖尾水特征

2020年中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部、國家統(tǒng)計局、中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部共同發(fā)布的《第二次全國污染源普查公報》顯示，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)單位水產(chǎn)品養(yǎng)殖產(chǎn)量的排污強度分別為：化學需氧量13.6 kg/t、氨氮0.45 kg/t、總氮2.02 kg/t、總磷0.33 kg/t。中國水產(chǎn)科學研究院提供的《中國漁業(yè)環(huán)境生態(tài)狀況公報(2018)》顯示，海水重點增養(yǎng)殖區(qū)的主要超標因子為無機氮和活性磷酸鹽。傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的殘餌、殘骸、排泄物等使養(yǎng)殖區(qū)域產(chǎn)生大量內(nèi)源污染。研究表明，在對蝦類養(yǎng)殖過程中，投入飼料只有25%的氮和10%的磷可被蝦類吸收，其余均進入養(yǎng)殖池塘[6]。隨著對蝦養(yǎng)殖方式集約化和工廠化程度提升、養(yǎng)殖密度和投餌量大大增加，殘餌量和養(yǎng)殖機體排泄物也相應增加[7]。

1.2 海水對蝦養(yǎng)殖尾水造成的環(huán)境影響

水產(chǎn)養(yǎng)殖被認為是造成中國沿海地區(qū)局部水污染問題的重要因素之一，會給沿海生態(tài)系統(tǒng)帶來富營養(yǎng)化、赤潮、生物多樣性缺失等負面影響[11]。崔毅等[12]對黃渤海區(qū)歷年氮磷營養(yǎng)水平和COD平均濃度與該海區(qū)海水養(yǎng)殖產(chǎn)量進行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)水體中無機氮平均濃度與對蝦養(yǎng)殖產(chǎn)量有顯著正相關(guān)關(guān)系，海水養(yǎng)殖產(chǎn)量與赤潮次數(shù)呈較好正相關(guān)關(guān)系。Yang等[13]估算發(fā)現(xiàn)2015年對蝦養(yǎng)殖業(yè)(養(yǎng)殖面積1 639 hm2，平均池塘水深1.4 m)向閩江河口附近海水中排放的TN和TP分別為30.45 t和2.40 t。假設(shè)以此數(shù)據(jù)估算全國的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)排污量(養(yǎng)殖面積2.57×106hm2、平均水深1.4 m[14])，海產(chǎn)養(yǎng)殖池塘每年將向附近海域排放4.77×104t氮和3.75×103t磷，相當于中國主要入海河流營養(yǎng)負荷的5%，這些污染物加劇了沿海區(qū)域富營養(yǎng)化程度。據(jù)估算，近年來中國沿海因赤潮災害造成的直接經(jīng)濟損失超過100億元[15]。為了有效控制養(yǎng)殖尾水中污染物排放對沿海生態(tài)帶來的不利影響，2019年2月15日，我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部等發(fā)布了《關(guān)于加快推進水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的若干意見(農(nóng)漁發(fā)〔2019〕1號)》，提出要加強水產(chǎn)尾水監(jiān)測，推動養(yǎng)殖尾水達標排放，加快推進水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展。系列政策的頒布對海產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的處理處置提出了更高的要求，總結(jié)并研發(fā)適合我國近海海產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的處理技術(shù)具有重要的環(huán)境生態(tài)意義。

2 海水對蝦養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)

2.1 海水對蝦養(yǎng)殖尾水的物理和化學處理方法

針對海水對蝦養(yǎng)殖尾水中的懸浮物和膠體等污染物，可采用機械過濾、絮凝膜分離和泡沫分離等物理方法予以去除。尾水中的溶解性有機質(zhì)等污染物可通過臭氧氧化法進行去除[16]。不少專家學者針對對蝦海水養(yǎng)殖尾水開發(fā)出了更多物理、化學處理技術(shù)，表1總結(jié)了部分海水對蝦養(yǎng)殖尾水處理使用的物理、化學技術(shù)及案例，有一定應用潛力。由于催化劑制備困難、單一電極材料無法處理多種污染物、投資成本高等原因，催化氧化、電化學氧化法大部分仍處于實驗室階段，在大規(guī)模海水對蝦養(yǎng)殖尾水處理過程中應用較少。實際操作過程中較少使用單一的物理或化學方法處理尾水，而常常將其與生態(tài)方法結(jié)合，以達到更好的凈水效果。

2.2 海水對蝦養(yǎng)殖尾水的生物處理方法

1)水生植物法。 水生植物法主要利用部分水生植物可高效吸收有機物和營養(yǎng)鹽、吸附懸浮物、富集重金屬的特點，實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水中污染物的有效去除。水生植物法生態(tài)兼容性較強，成本低廉，操作簡單；但同時存在修復過程緩慢，對高污染負荷水體修復效果不佳等缺點[24]。葉聰?shù)萚25]選取水蕹菜、羽衣甘藍、生菜3種水培蔬菜浮植于規(guī)?；B(yǎng)蝦池塘，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水蕹菜在3種蔬菜中對污染物去除效果最佳，對TN、TP、CODMn的去除率分別為72.2%、67.9%、34.6%，浮植方式對水蕹菜生長情況影響較?。灰岳K結(jié)式將水蕹菜等間距固定于尼龍繩上，以20 kg/667 m2的量種植于養(yǎng)蝦池塘(覆蓋塘面積10%，蝦密度為5萬尾/667 m2)，培養(yǎng)50 d后蝦塘中的TN和TP的去除率分別為5.86%和3.73%，且對蝦成活率和餌料系數(shù)顯著優(yōu)于對照塘。

表1 海水養(yǎng)殖尾水處理中使用的物理、化學技術(shù) Table 1 Physical and chemical techniques used in mariculture wastewater treatment

微生態(tài)制劑和生物絮團常用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(recirculating aquaculture system，RAS)以改良養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)。RAS的特點是系統(tǒng)封閉并對養(yǎng)殖用水進行循環(huán)，與傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式相比，在實現(xiàn)高密度養(yǎng)殖的同時高效率節(jié)水節(jié)地節(jié)能，是未來水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢[48]。目前RAS系統(tǒng)在實驗室水平和魚類養(yǎng)殖生產(chǎn)中已經(jīng)基本實現(xiàn)應用，但RAS設(shè)備投入和運行成本較高的特點限制了其在對蝦工業(yè)化養(yǎng)殖的大規(guī)模推廣[49]。

2.3 養(yǎng)殖尾水資源化利用技術(shù)

然而目前要利用養(yǎng)殖尾水實現(xiàn)大規(guī)模栽培微藻還存在許多技術(shù)瓶頸，國內(nèi)對于藻-菌共生在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)應用中的研究也還處于初級階段[70]。微藻生物膜系統(tǒng)是一種在固體表面附著培養(yǎng)微藻的創(chuàng)新技術(shù)，對水和能源的需求較少，可以解決傳統(tǒng)栽培技術(shù)中如生物質(zhì)產(chǎn)量低、生物質(zhì)回收率低等問題，相比于傳統(tǒng)的懸浮栽培系統(tǒng)更具優(yōu)勢?？蒲腥藛T已在實驗室內(nèi)開展了技術(shù)和生態(tài)兩方面的研究，微藻生物膜技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖和廢水處理等領(lǐng)域的應用已經(jīng)得到了科學界的關(guān)注[71]。研發(fā)以藻-菌共生體系等在內(nèi)的生態(tài)技術(shù)實現(xiàn)對海產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的資源化利用及生態(tài)處理符合社會發(fā)展的主流趨勢，具有良好前景。

2.4 海水對蝦養(yǎng)殖尾水集成技術(shù)及應用潛勢分析

經(jīng)過對上述文獻的歸納與分析，結(jié)合處理效率、經(jīng)濟成本、資源化利用程度、技術(shù)操作難易度等因素，提出以下適宜在我國沿海區(qū)域進行海水對蝦養(yǎng)殖尾水處理的原位處理技術(shù)、異位處理技術(shù)和資源化利用技術(shù)，如表2所示。

表2 優(yōu)選的對蝦養(yǎng)殖尾水生物處理技術(shù) Table 2 Preferred biological treatment technologies for shrimp culture wastewater

3 海水對蝦養(yǎng)殖尾水綜合治理和排放管理展望

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部頒布的《2019年中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報》，我國海域夏季呈富營養(yǎng)化狀態(tài)的海域面積共42 710 km2，近岸海域局部污染仍比較嚴重，水產(chǎn)增養(yǎng)殖區(qū)等重要漁業(yè)區(qū)域水質(zhì)仍待提高。對海水養(yǎng)殖尾水進行有效處理處置能有效降低養(yǎng)殖尾水的污染負荷，削減污染排放量，實現(xiàn)對養(yǎng)殖尾水排放的有效管控。展望我國海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展方向，很多漁業(yè)發(fā)達國家的政策和經(jīng)驗值得參考。例如日本在海水養(yǎng)殖產(chǎn)量上保持循序漸進的態(tài)勢，自20世紀70年代開始嚴格按照養(yǎng)殖空間和水域環(huán)境控制海水養(yǎng)殖產(chǎn)量，管理上政府與行業(yè)協(xié)會共同治理；美國政府在20世紀80年代成立了由科學家、漁民、政府官員及其他海洋漁業(yè)從業(yè)人員參加的漁業(yè)協(xié)會，共同參與漁業(yè)管理；挪威在水產(chǎn)養(yǎng)殖、品質(zhì)控制方面建立了完善的法律體系，制定了養(yǎng)殖許可制度，并針對執(zhí)照設(shè)定養(yǎng)殖產(chǎn)量上限，分配飼料投喂額度以控制產(chǎn)量[72-73]。我國可根據(jù)本國國情，完善法律條文以適應海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)復雜多變的新情況，建立漁業(yè)協(xié)會與政府的合作關(guān)系，引導海洋環(huán)境非政府組織(NGOs)相互協(xié)作，共同發(fā)展。

在多年的海水養(yǎng)殖尾水治理過程中，我國廣西、江蘇、山東等地已總結(jié)出多套適合我國國情的海水養(yǎng)殖尾水治理方案，體現(xiàn)治理實效的先進案例也可供其他地區(qū)借鑒推廣。廣西是我國對蝦海水養(yǎng)殖的主要地區(qū)[1]，以防城港市為例，當前最普遍使用的養(yǎng)殖方式是海水池塘高密度養(yǎng)殖。集中連片海水池塘高密度養(yǎng)殖區(qū)的尾水綜合治理模式通常為：生態(tài)渠道+水生動植物混養(yǎng)+曝氣增氧+生物膜+定期施用微生態(tài)制劑，另配設(shè)尾水水質(zhì)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)使尾水外排達標[74]。江蘇南通如東縣長沙鎮(zhèn)采用生物處理與生態(tài)溝塘結(jié)合的尾水處理模式，充分利用水生植物、微生物、微生態(tài)制劑的凈化優(yōu)勢對養(yǎng)殖尾水進行原位修復；大豫鎮(zhèn)采用四級逐級過濾的尾水處理模式，結(jié)合物理方法與生物修復，適合大規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)，處理效率高，占地較少[75]。山東東營現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)的牧漁歸陸上海洋牧場項目實現(xiàn)了養(yǎng)殖尾水的回用，并投放益生菌及進行生物抑菌處理減少蝦病害與抗生素污染[76]。綜上所述，我國可通過典型案例示范引領(lǐng)，推廣海水養(yǎng)殖尾水治理的先進技術(shù)和生態(tài)養(yǎng)殖理念，走生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的道路，因地制宜地采用原位處理技術(shù)、異位處理技術(shù)、資源化利用技術(shù)等尾水處理集成技術(shù)，利用低營養(yǎng)級、非投餌型海產(chǎn)的碳匯效應，降低碳排放，實現(xiàn)海水養(yǎng)殖綠色發(fā)展。