我國池塘養(yǎng)殖尾水處理技術研究進展

陳麗婷 檀午芳 肖俊 郭忠寶 羅永巨

（廣西壯族自治區(qū)水產科學研究院，廣西南寧530021）

池塘養(yǎng)殖作為我國傳統(tǒng)的水產養(yǎng)殖方式，在我國淡水養(yǎng)殖中具有舉足輕重的地位。聯(lián)合國糧食農業(yè)組織認為，養(yǎng)殖是唯一能滿足世界人民對魚類日益增長需求的途徑[1,2]，中國農業(yè)部原部長韓長賦曾說過“世界上每三條魚就有兩條是中國養(yǎng)的”，中國水產養(yǎng)殖產量占世界養(yǎng)殖產量的60%以上[3]，據統(tǒng)計，2019年我國水產養(yǎng)殖產量為5079.07萬噸，其中淡水養(yǎng)殖產量為3013.74萬噸，而淡水池塘養(yǎng)殖產量為2230.05萬噸，分別占水產養(yǎng)殖產量的44%，占淡水養(yǎng)殖產量的74%。我國2019年淡水養(yǎng)殖面積為511.632萬hm2，其中51.69%為淡水池塘養(yǎng)殖[4]。但與日俱增的池塘養(yǎng)殖產量和面積勢必給水環(huán)境造成巨大的壓力，傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖通常沒有考慮養(yǎng)殖尾水的問題，新的統(tǒng)一的國家行業(yè)標準一直也未制定頒布實施，隨意排放養(yǎng)殖尾水現象普遍存在。隨著我國生態(tài)文明建設的不斷發(fā)展，養(yǎng)殖尾水的處理再排放問題越來越受到廣泛關注，黨的十八大報告明確指出了保護環(huán)境和建設生態(tài)文明的重要性，原農業(yè)部提出“五大行動”，自2020年起實施，其中包括養(yǎng)殖尾水治理模式推廣行動[5]，在滿足養(yǎng)魚需求的基礎上，聚焦科學治理養(yǎng)殖尾水，推動了我國生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)建設的進程。本文梳理了池塘養(yǎng)殖尾水污染物的來源、處理的技術和方法的研究成果，探討現有技術和方法對環(huán)境友好和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要意義。

1 淡水池塘養(yǎng)殖尾水污染物來源及對環(huán)境的影響

1.1 淡水池塘養(yǎng)殖尾水污染物來源

淡水池塘養(yǎng)殖尾水中污染物有固體污染物和可溶性污染物。固體污染物主要有魚類糞便、殘餌和魚、蝦等水生生物的死體，可溶性污染物主要包括含量較高的氮（N）、磷（P）及硫化物、重金屬等。污染物的來源主要有兩個方面：一是由于水產養(yǎng)殖的特性在水中吃食，必然會造成部分飼料直接溶解在水中，加上全國各地養(yǎng)殖水平的參差不齊，部分養(yǎng)殖戶對飼料質量的篩選不嚴格及投喂方式不科學等造成殘餌在養(yǎng)殖水體中的殘余，以及養(yǎng)殖生物的排泄物及尸體殘骸，這些物質在水體中分解后也會產生氮、磷等可溶性污染物，有研究指出，現有的投喂方式使投喂飼料的5%～10%因沒有被養(yǎng)殖魚類食用而直接溶解在水中，而魚類攝入飼料后仍有25%～30%未被消化吸收而以糞便的形式排出[6-8]；二是來自于養(yǎng)殖過程中使用的化學藥劑（如抗生素、殺藻劑、消毒劑等）的累積及其二次污染。

1.2 淡水池塘養(yǎng)殖尾水對環(huán)境的影響

在集約化養(yǎng)殖的推動下，伴隨著餌料高投入，造成殘餌、糞便的數量直接增加以及養(yǎng)殖化學用藥的大量使用，使得池塘養(yǎng)殖水體的營養(yǎng)鹽和有機碎屑等超過了池塘自身的凈化能力，導致養(yǎng)殖水域生態(tài)失衡[8]，殘餌、糞便等大顆粒物質阻礙了池塘養(yǎng)殖生物的有效呼吸；水環(huán)境中的磷、氮等化合物的含量超出限額[8]，水體富營養(yǎng)化，使得水體中的浮游生物及藻類加速繁殖，消耗大量氧氣，直接造成養(yǎng)殖魚類缺氧死亡。[8,9]養(yǎng)殖水體中死亡的生物、養(yǎng)殖體排泄物和含氮有機物的被異養(yǎng)細菌分解產生氨氮、亞硝酸鹽和硫化物。氨氮分為離子氨和非離子氨兩種，而分子態(tài)氨會對水生動物的鰓絲黏膜造成損傷，進而影響鰓對氧氣的運送功能，降低甚至阻斷了血液中氧氣的輸送[10,11]；氨氮在亞硝化細菌和硝化細菌的作用下可轉化為無毒的硝酸鹽，但在缺氧的情況下，硝化過程受阻，導致水體中積累大量的亞硝酸鹽[12]，使養(yǎng)殖體血液中的亞鐵血紅蛋白被氧化成高鐵血紅蛋白，導致養(yǎng)殖體無法獲取氧氣，最終會導致養(yǎng)殖動物的死亡。[13,14]

另外，在養(yǎng)殖過程中投放有機肥料、化學藥劑等會使養(yǎng)殖水體水質發(fā)生改變，如魚病防治時使用的含氯化合物會影響水體pH值、DO等的變化，過高或過低的pH值，都不利于養(yǎng)殖生物呼吸；抗生素等殺蟲藥劑在殺滅有害病菌的同時也殺死了大量有益微生物，進一步造成水域生態(tài)失衡，甚至可能帶來藥物殘留的問題，通過食物鏈危害人類健康。[15]然而在池塘養(yǎng)殖過程中，改善養(yǎng)殖水質最常用的方法就是換水，大量的養(yǎng)殖尾水排放到自然環(huán)境中，加大了臨近水域的富營養(yǎng)化程度，造成水質污染。

發(fā)展綠色養(yǎng)殖是我國由漁業(yè)大國向漁業(yè)強國轉變的根本途徑，推進水產養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展是推動全國養(yǎng)殖業(yè)高質量發(fā)展的必經之路，因此應該加強對水產養(yǎng)殖尾水處理的研究，尋求一種高效養(yǎng)殖尾水凈化系統(tǒng)，確保水產養(yǎng)殖業(yè)向著可持續(xù)、綠色環(huán)保方向發(fā)展。

2 養(yǎng)殖尾水處理技術

基于水產養(yǎng)殖尾水水體中污染物質的組成與其他污水不同且排放量較大這一特點，目前對池塘養(yǎng)殖尾水處理技術主要有物理處理技術、化學處理技術、生物處理技術和生物膜處理技術等。

2.1 物理處理技術

物理處理技術是通過過濾、吸附、紫外照射、泡沫分離、膜分離、曝氣等方式去除養(yǎng)殖尾水中的懸浮物從而降低化學需氧量，此技術簡單易行，但其對于可溶性污染物的去除效果不明顯。

泡沫分離法（Foam fractionation）即氣除法（Air stripping），是通過養(yǎng)殖尾水中的污染物被吸附匯聚在氣—液界面，形成泡沫層，將泡沫和水體分離，從而達到凈化養(yǎng)殖尾水的目的。濃縮分離的物質可以是表面活性物質，也可以是能與表面活性物質相結合的任何溶質，如金屬陽離子、蛋白質等。[17]泡沫分離法具有可以增加水體溶氧量、工藝簡單、操作簡便等優(yōu)點，但是也有其不足之處，該方法更適用于半咸水和海水，在淡水池塘養(yǎng)殖尾水處理中效果不佳，因為產生泡沫的關鍵在于養(yǎng)殖水體中體表黏性物質等蛋白質與電解質濃度[18]，而淡水中缺乏電解質，致使氣泡形成的概率及質量均比較差，應用效果很難保證；另外由于表面活性物質絕大多數是高分子化合物，消化量較大，難以回收等都是制約該方法廣泛使用的因素。[19]

膜分離法是通過天然或人工合成的半透膜，以外界能量或化學位差為推動力在分子水平上將不同粒徑分子的混合物進行選擇性分離的技術。[20]根據環(huán)境選擇合適的濾膜，膜分離技術有微濾、超濾等。Sareh[21]等針對煉油廠廢水運用氧化鋁陶瓷微濾膜對其進行處理，處理后的廢水滲透液中總懸浮固體、濁度分別降低了100%、98%。膜分離技術具有高效、節(jié)能、環(huán)保、避免化學反應杜絕新的污染、簡單易控制等優(yōu)點[18]，但是此方法中濾膜使用時間短、成本略高。

物理處理技術可以去除掉養(yǎng)殖尾水中的懸浮物，降低尾水的COD、BOD。這種處理方法簡單易行，效果明顯，但其對尾水中的可溶性污染物去除效果有限，并且成本略高。

2.2 化學處理技術

化學處理技術是通過向養(yǎng)殖水體中加入化學物質，發(fā)生絮凝、氧化還原、絡合作用等化學反應，從而去除養(yǎng)殖尾水中的一些污染物質。長期使用化學藥劑會增加病原微生物的耐藥性，同時化學藥劑本身也是一種“污染”，用量不當會造成二次污染，所以要謹慎使用化學藥劑。

凝絮技術是通過向養(yǎng)殖水體加入絮凝劑，絮凝劑中的鋁鹽、鐵鹽等物質可以減少膠狀粒子間的排斥作用，促進離子間相互吸引，使離子發(fā)生凝聚沉降，從而達到去除雜質凈化養(yǎng)殖水體的目的。常用的凝絮劑有以下幾種：明礬、石膏、鋁鹽、鐵鹽、有機高分子凝絮劑，這類凝絮劑國外使用得較多。[22]絮凝劑要適量使用，過量絮凝劑的使用致使其殘留，會對水生物有腐蝕危害。

氧化還原技術是通過向養(yǎng)殖水體中加入某些物質，經過一系列氧化還原反應，從而降低去除養(yǎng)殖水體中的污染物。臭氧是常用的氧化劑，可將養(yǎng)殖水體中的有機物、氨氮、亞硝酸鹽等有效地去除，并且氧化產物有無毒無害的氧氣，所以可以增加養(yǎng)殖水體溶氧量，降低生化需氧量和化學需氧量[23]，同時臭氧可將細菌的細胞壁（膜）分解破壞，隨后進入其細胞內部，進而影響細菌內酶的活性，最終導致病原菌死亡。但是，水生生物對臭氧極為敏感，容易產生毒性反應，主要原理是由臭氧所產生的新生態(tài)氧會使水生生物中的酶系統(tǒng)失活。[24]殘留的臭氧即使?jié)舛群艿停匀粚τ谠S多淡水生物和海洋生物有殺傷力。因為該方法穩(wěn)定性差、成本較高、管理操作復雜，所以在尾水處理中受到一定限制。

化學處理技術雖然具有見效快、效果明顯等優(yōu)點，但是其同樣有成本高的缺點，同時化學藥劑的使用容易產生二次污染。

2.3 生物處理技術

生物技術是借助微生物、水生動物和水生植物的吸收、轉化、代謝、生物降解等生物特性[25]，達到去除養(yǎng)殖水體中有機污染物和無機營養(yǎng)鹽的目的，主要去除的是養(yǎng)殖水體中的溶解態(tài)污染物。此技術具有處理效果好、生態(tài)環(huán)保、經濟適用，不用擔心會對環(huán)境產生二次污染等優(yōu)點，因此生物處理技術具有廣泛的應用前景。

為了適應市場的需要，應跟蹤國內外先進標準，積極采用國際標準和國外先進標準，加快我國國家標準、行業(yè)標準、地方標準向國際標準轉化的步伐，鼓勵企業(yè)制訂高于國家標準、行業(yè)標準的企業(yè)標準。同時，瞄準國際先進水平，大力開展高新鉆井液技術標準化工作，努力改變我國在鉆井液技術領域受制于人的被動局面。加強與國外標準化組織機構的聯(lián)系與合作，組織人員研究參與國際標準化組織的方式，積極尋找參加國際標準化活動，加入國際標準化組織的時機和形式，盡快建立可靠、有影響力的交流渠道，加快鉆井液標準化工作走向國際化進程。

微生物不僅可降解吸收養(yǎng)殖水體中的有機物、氨氮、亞硝態(tài)氮等，同時還可以抑制致病菌生長，從而達到凈化養(yǎng)殖水體的目的。常用的微生物制劑有光合細菌、枯草芽孢桿菌及復合微生物制劑EM菌。其中光合細菌是一種只要有水和光不論有無氧氣均可生存的自養(yǎng)型細菌。在養(yǎng)殖水體中投入光合細菌之后，會大量增加有益菌，最終形成優(yōu)勢種群，這樣就可以有效抑制病原菌的繁殖。[26]光合細菌能除去水體中的小分子有機物，降低水中氨氮、硫化氫等的含量，降低COD，穩(wěn)定及增加水中溶氧量，促進水體的物質循環(huán)利用。

水生植物主要是通過其根、莖、葉的吸附等作用來去除養(yǎng)殖水體中的污染物，以減少或消除水產養(yǎng)殖對環(huán)境的污染，達到凈化水體的目的。吳振斌等[27]為了修復富營養(yǎng)化水體種植了苦草等沉水植物，結果表明沉水植物對亞硝態(tài)氮、磷等有明顯的去除作用。Damon E[28]研究發(fā)現在羅非魚-萵苣復合養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)運行28d后，養(yǎng)殖水體中的硝態(tài)氮和磷的含量都有明顯的下降。彭劍峰等[29]研究發(fā)現穩(wěn)定塘-濕地組合生態(tài)處理系統(tǒng)中浮萍塘對氨態(tài)氮去除速率為0.28～2.17 mg·L-1·d-1。目前，借助水生植物的吸附作用，將水生植物種植在載體上的生物浮床被廣泛應用，其可以達到改善水質的效果。

水生動物主要是借助以顆粒懸浮物和浮游生物為營養(yǎng)來源的甲殼類和濾食性魚類來達到凈化養(yǎng)殖水體水質的目的，因其濾食活動可有效減少養(yǎng)殖尾水中的懸浮顆粒物和藻類的數量。常見的濾食性動物有牡蠣、扇貝、鰱魚、鳙魚等。Aldridge等[30]研究顯示在對蝦養(yǎng)殖水體中的懸浮顆粒物的去除效果中，低濃度貽貝好于高濃度貽貝，并且高濃度貽貝會影響對蝦的存活率。田相利等[31]研究結果顯示在對蝦、羅非魚和縊蟶封閉式綜合養(yǎng)殖中，混養(yǎng)組的養(yǎng)殖水體COD、細菌數量、有機質含量等均優(yōu)于單養(yǎng)組，并且底泥中氮、磷含量也有所降低。因此，應該合理地配養(yǎng)濾食性水生動物，以避免影響到水體溶氧功能的恢復。

生物技術利用水生植物、濾食性魚類處理養(yǎng)殖水體，不僅凈化了水質，而且經濟類水生作物和濾食性魚類也可產生一定的經濟效應，具有雙贏的效果。但是該技術對養(yǎng)殖管理要求較高，而且需要根據不同的養(yǎng)殖對象，能夠恰當地選擇搭配不同的水生生物和濾食性魚類才能起到促進的效果，不能滿足集約化養(yǎng)殖的需求。

2.4 生物膜處理技術

生物膜技術（Biofilm method）主要是利用微生物易附著于濾料表面進行繁殖，借助其生命活動及各種代謝作用來消耗、去除養(yǎng)殖尾水中的有機物質、氨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、COD等來達到凈化水體的目的。

英國是最早應用生物膜技術的國家，1893年，污水通過粗濾料時發(fā)現濾料對污水具有較好的凈化效果，但是由于微生物附著的基質（濾料）發(fā)展緩慢，最開始的生物濾池也存在較多問題，限制了生物濾池的應用和推廣。1960年，隨著有機材料合成技術的發(fā)展，相應的生物膜介質材料也有了很大進展，因此生物膜技術得到了極大的提高，發(fā)展集成了生物濾池、結構的生物膜反應器等，[32]并且在水產養(yǎng)殖尾水處理中得到了廣泛應用。

生物膜構建過程分成六個階段，分別是適應期、對數增長期、線型增長期、減速增長期、穩(wěn)定期和脫落期。[33]流動的水及曝氣沖力會促使老化的生物膜被沖刷掉，促進新的生物膜的生長，及時更新?lián)Q代。[34]生物膜由好氧層和厭氧層構成，好氧層近水體，厭氧層近濾料，分工合作共同完成水體凈化的目的。[35]其工作原理為首先由生物膜吸附養(yǎng)殖水體中的有機物及溶解態(tài)無機物，由好氧層的好氧菌將其分解，接著進入厭氧層進行厭氧分解。生物膜法對水體凈化效果的好壞取決于載體（濾料）上生物膜的附著情況及微生物的生物群落活動，所以載體的選擇是生物膜處理效果好壞的關鍵所在。選擇表面積大、孔隙率高、表面粗糙、密度適中的濾料有助于微生物附著及使用率。

大量研究證明生物膜技術在水處理中對常見水質指標如COD、氨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等具有顯著改善效果。張寒冰等[36]應用生物膜技術模擬處理養(yǎng)殖廢水，結果顯示，在曝氣條件下，對COD、氨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮的去除效率可分別達到79%、99%、99%，而在不曝氣條件下相應去除率分別為78%、35%、76%。李亞峰等[37]通過對生物濾池自然掛膜過程研究發(fā)現生物膜在第20d即可成熟，此時對氨氮和COD去除率可分別達到90%和80%。

生物膜處理技術具有環(huán)保、生態(tài)、可持續(xù)的優(yōu)點，但其處理效果受溫度、pH、水體流速等的影響較大，且處理效率不高，很難滿足集約化及連片池塘的養(yǎng)殖尾水處理需求。

3 多級組合處理系統(tǒng)

多級處理系統(tǒng)即將整個系統(tǒng)劃分為不同處理單元，有針對性的對不同的污染物進行逐級去除以達到良好的整體凈化效果。

隨著環(huán)保壓力的增加和環(huán)保意識的加強，推動了全國范圍內水產養(yǎng)殖尾水多級組合處理系統(tǒng)的發(fā)展與應用。其中“三池兩壩”多級組合處理系統(tǒng)得到了廣泛推廣應用，所謂“三池兩壩”即沉淀池、過濾壩一、曝氣池、過濾壩二和生物凈化池。沉淀池可將養(yǎng)殖尾水中的大顆粒懸浮物沉淀；過濾壩中放置粒徑不同的濾料可將養(yǎng)殖尾水中的污染物過濾吸附；曝氣池中安裝曝氣裝置可增加養(yǎng)殖尾水的溶解氧含量；生物凈化池中通過種植各種水生植物以吸收養(yǎng)殖尾水中的氮磷等營養(yǎng)鹽，此外還可投放濾食性魚類及貝類等濾食性水產品種攝食養(yǎng)殖尾水中的浮游生物。通過各個處理單元協(xié)同凈化完成對養(yǎng)殖尾水的有效處理。張旭彬[38]針對黑龍江地區(qū)的連片池塘尾水處理總結了“四池兩壩”型處理系統(tǒng)（沉淀池—過濾壩—曝氣池—過濾壩—生物處理池—生態(tài)凈化池）。張維清等[39]針對太湖地區(qū)小流域提出了“三級凈化系統(tǒng)處理系統(tǒng)”（沉淀池—過濾壩—曝氣池—水生蔬菜種植基地）。上述水產養(yǎng)殖尾水多級組合處理系統(tǒng)均獲得了不同程度的效果。

廣西壯族自治區(qū)水產科學研究院特色淡水魚綜合試驗基地通過優(yōu)化構建淡水池塘養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)，以構建的“五池兩壩”（沉淀池一+過濾壩一+沉淀池二+曝氣池+過濾壩二+微生物處理池+水生植物凈化池）多級組合處理系統(tǒng)對淡水池塘養(yǎng)殖尾水進行凈化處理，該系統(tǒng)為國內首創(chuàng)，目前已進入示范推廣階段，連片池塘與尾水處理池的比例為200∶1，處理效果良好，為國內處理淡水池塘養(yǎng)殖尾水技術提供了一條新途徑。

4 結束語

池塘養(yǎng)殖尾水技術不斷創(chuàng)新，其關鍵的變化在于朝生態(tài)化和有機化的方向發(fā)展，黨的十八大以來，國務院提出了“全面加強生態(tài)環(huán)境保護，堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見”，明確了生態(tài)文明建設的重要舉措，在世界水產養(yǎng)殖業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，養(yǎng)殖尾水治理模式推廣行動勢在必行，發(fā)展連片池塘養(yǎng)殖尾水處理多級組合系統(tǒng)，結合池塘養(yǎng)殖尾水的特點，應用了物理、生物凈化的技術和方法，具有高效節(jié)能的特點，達標排放，可作為新型生態(tài)農業(yè)推廣新模式。在生態(tài)文明建設驅動下，養(yǎng)殖尾水的科學治理，將會為中國水產養(yǎng)殖業(yè)，乃至世界水產養(yǎng)殖走向可持續(xù)增長的道路做出重大貢獻。