生態(tài)凈化海水養(yǎng)殖尾水國內(nèi)外研究進展

趙晨冉，李秀辰，張國琛，張 倩，潘瀾瀾，李天宇

（1.大連海洋大學(xué)，a.機械與動力工程學(xué)院，遼寧大連 116023；b.設(shè)施漁業(yè)教育部重點實驗室（大連海洋大學(xué)），遼寧大連 116023；2.遼寧省海洋漁業(yè)裝備專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧大連 116023）

海水養(yǎng)殖業(yè)不僅為人類提供了優(yōu)質(zhì)的動物蛋白食品，改善了人們的食品攝入結(jié)構(gòu)，且彌補了海洋捕撈的不足。但隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)技術(shù)的成熟與規(guī)模的擴大，水體污染物大量增加，水體自凈能力下降。養(yǎng)殖中投放的餌料、營養(yǎng)物及排泄物等都會在水體中留下大量的氮、磷、細(xì)菌、有機物等，不達標(biāo)排放會造成養(yǎng)殖水體的污染，使水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重。常見的污水處理方式包括物理處理方法（機械過濾法、泡沫分離法）、化學(xué)處理方法（絮凝沉降法、電化學(xué)法）、生物處理方法（生態(tài)處理法、生物膜法、活性污泥法）。而常規(guī)的物理、化學(xué)處理方式在長期的實踐中也存在不足，例如物理法對溶解于水的污染物質(zhì)作用甚微；化學(xué)試劑在數(shù)量上的控制要求極高，否則容易發(fā)生對水體的二次污染等［1］。水產(chǎn)養(yǎng)殖綠色發(fā)展成為新時代養(yǎng)殖業(yè)的新導(dǎo)向，其發(fā)展趨勢越來越規(guī)?；?、自動化、智能化、生態(tài)化，養(yǎng)殖廢水生態(tài)處理顯得尤為重要［2］。國內(nèi)外養(yǎng)殖業(yè)都重視綠色環(huán)保生態(tài)經(jīng)濟，通過大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，強化水資源的配置管理，綜合利用水生動物、水生植物、大型海藻等水生生物處理養(yǎng)殖廢水，形成綠色經(jīng)濟的處理模式，是養(yǎng)殖水處理的發(fā)展方向。

1 不同藻類及貝藻混養(yǎng)處理養(yǎng)殖海水的國內(nèi)外研究進展

1.1 大型海藻處理養(yǎng)殖尾水的國內(nèi)外研究進展

研究表明，大型海藻對水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽有明顯的凈化效果。如龍須菜（Asparagus schoberioides Kunth）、孔石莼（Ulva pertusa）、海帶（Laminaria ja?ponica）、滸苔（Laminaria japonica）、紫菜（Pyropia/Porphyra spp）等大型海藻都具有較強的凈水能力和相對高的經(jīng)濟價值。大型海藻現(xiàn)多作為生物濾器用于凈化水體，并逐漸發(fā)展成為與魚、貝、蝦等混養(yǎng)的綜合生態(tài)養(yǎng)殖模式，同時也在不斷篩選合適的海藻種類和培養(yǎng)工藝使之能夠更好的達到凈化水質(zhì)的目的。國內(nèi)外學(xué)者針對大型藻類凈水條件進行了大量研究，明確了龍須菜、孔石莼、海帶等的凈水能力。使用添加了不同濃度的無機氮、磷培養(yǎng)液和養(yǎng)殖廢水的混合液培養(yǎng)龍須菜，發(fā)現(xiàn)在龍須菜在無機氮10～75 μmol/L 和無機磷1～15 μmol/L 條件下，生長良好且氮磷被吸收速度較快［3］?？资粚λw中氮、磷營養(yǎng)鹽的清除效果明顯，在養(yǎng)殖廢水中生長良好，鮮質(zhì)量逐漸增加［4］。藻類在不同光照強度、肥料負(fù)荷率、廢水負(fù)荷率下的生長情況以及硝化能力、凈水能力國內(nèi)外學(xué)者開展了研究，孔石莼、龍須菜、海帶等藻類對水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)都有明顯的吸收去除效果［5，6］，不同藻類試驗生存環(huán)境及凈水效果對比見表1。

表1 不同藻類試驗生存環(huán)境及凈水能力對比

1.2 微藻及菌藻共生對養(yǎng)殖尾水凈化的國內(nèi)外研究進展

微藻（microalgae）極易生長，適應(yīng)能力較強，具有高效的脫氮除磷能力，且具有可回收的特點。利用吸附法、包埋法、交聯(lián)法等固定化方法回收后的生物質(zhì)還能作為沼氣、動物飼料等高價值產(chǎn)品，實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)循環(huán)。在蝦養(yǎng)殖中，Nannochloropsis ocu?lata、Thalassiosira pseudonana2 種微藻顯著降低了氨氮、亞硝氮、硝氮、磷的含量，其養(yǎng)殖水pH 保持穩(wěn)定，溶解氧增加，水質(zhì)改善明顯［7］。在小球藻（Chlo?rella vulgaris）凈化豬場廢水厭氧發(fā)酵沼液過程中，小球藻對氮、磷和COD 的凈化效率高［8］。較高的光強水平促進藻類生長，是控制藻類凈化裝置硝化作用的主要因素［9］。并在動物糞便廢水中的氮、磷上培養(yǎng)藻類，確定了在不同糞便廢水負(fù)荷率下藻類的生產(chǎn)力［10］。一些以厭氧消化牛糞為原料生長的干藻生物量的肥料價值堪比商業(yè)肥料，經(jīng)濟價值可觀［11］。

微藻具有高效的脫氮除磷能力，而光合菌對養(yǎng)殖廢水中氨氮和化學(xué)需氧量的去除效果也很好，結(jié)合微藻和光合菌對養(yǎng)殖業(yè)廢水處理更具有優(yōu)勢，能進一步提高處理效果。小球藻和芽孢桿菌（Bacil?lus）在游離或固定形態(tài)下，單一和共生系統(tǒng)的細(xì)胞生長對其尾水中氮、磷和化學(xué)需氧量的去除效果對比，得出藻-菌共生系統(tǒng)的處理效果最優(yōu)，對氮、磷及化學(xué)需氧量的去除效果較為明顯，凈化后的水可達到排放二級標(biāo)準(zhǔn)［12］。海藻酸鈉、氯化鈣固化硝化細(xì)菌（Nitrifying bacteria）和小球藻處理養(yǎng)殖廢水，經(jīng)固化后二者對環(huán)境的適應(yīng)性增強，在氨氮與固化菌藻小球質(zhì)量比為1∶40 的條件下，24 h 后能去除96.51%的氨氮［13］。在菌藻固定化系統(tǒng)中污泥最佳包埋量比的條件下，固定化菌藻對氮、磷的去除效果優(yōu)于單一固定化細(xì)菌和固定化藻類的去除效果［14］。一些光合菌和微藻會形成一定的共生關(guān)系，利用菌藻混養(yǎng)的協(xié)同作用處理養(yǎng)殖廢水，可以提高廢水中氮、磷和COD 的去除效率。

1.3 貝藻混養(yǎng)對養(yǎng)殖廢水凈化的國內(nèi)外研究進展

某些濾食性貝類具有較強的凈水能力，可以降低水體中懸浮物和營養(yǎng)鹽的濃度。但貝類的排泄與呼吸也可能造成水體污染和氨氮濃度的增加，造成二次污染［15］。藻類可以吸收水體中氮磷等無機鹽。二者結(jié)合對污染物有互補凈化效果，大型海藻可以吸收貝類的排泄物，貝類也可以控制浮游植物的密度，防止赤潮。通過藻與貝的結(jié)合進行二者的協(xié)同凈水研究，比較海帶、石莼、鼠尾藻、馬尾藻（Scagas?sum）對營養(yǎng)鹽的吸收和文蛤（Meretrix meretrix）、扇貝（Pectinidae）、牡蠣（ostrea gigas thunberg）對懸浮顆粒物的去除，發(fā)現(xiàn)石莼、海帶、牡蠣的效果較好；并且通過貝藻的混養(yǎng)發(fā)現(xiàn)牡蠣與石莼組成的混養(yǎng)生物濾器對氮、磷和懸浮顆粒物去除效果最好［16］。貝藻混養(yǎng)方式效果比單個養(yǎng)殖凈化效果更好，尤其是牡蠣與龍須菜的混養(yǎng)［17］。濾食性的貝類也可凈化水質(zhì)，且在與大型海藻的搭配混養(yǎng)過程中能夠發(fā)揮協(xié)同作用更好地凈化水體，去除養(yǎng)殖廢水中的懸浮物和氮、磷等營養(yǎng)鹽，同時增長生物量，具有一定的經(jīng)濟效益［17］。

2 利用水生植物及人工濕地對養(yǎng)殖尾水處理的國內(nèi)外研究進展

2.1 水生植物對養(yǎng)殖尾水處理效果的國內(nèi)外研究進展

水生植物作為高等植物，具有提高水體自凈能力、吸收水體營養(yǎng)物質(zhì)的能力。國內(nèi)外學(xué)者對各種水生植物的凈水能力進行了大量研究。密刺苦草（Vallisneria denseserrulata）、伊樂藻（Elodea canaden?sis）、微齒眼子菜（Potamogeton maackianus）、黑藻（Hydrilla verticillata）、苦草（Vallisneria natans）、竹葉眼子菜（Potamogeton malaianus）、金魚藻（Ceratophyl?lum demersum）和篦齒眼子菜（Potamogeton pectina?tus）這8 種亞熱帶地區(qū)常見的沉水植物對水體中TN、TP 都有較強的凈化能力，其中密刺苦草去除率最高［18］。香蒲（Typha orientalis）、黃菖蒲（Iris pseud?acorus）、再力花（Thalia dealbata）、梭魚草（Pontede?ria cordata）、千屈菜（Spiked loosestrlfe）這5 種挺水植物對水體中總氮、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總磷的去除效果都比較明顯，再力花對TN 的去除率最高達61.75%［19］。水芋（Calla palustris）、黃菖蒲（Iris pseud?acorus）、美人蕉（Canna indica）3 種塊莖挺水植物對水中氨氮的去除效率基本一致，20 d 后去除率達到99%以上［20］。無論是沉水植物還是挺水植物，都可以通過根系的吸收和根系微生物膜對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)吸附降解，不僅達到凈化水質(zhì)的目的，還能形成綠色景觀，植物回收即可帶走營養(yǎng)鹽。

2.2 人工濕地對養(yǎng)殖尾水處理的國內(nèi)外研究進展

人工濕地污水處理技術(shù)是集污水處理與生態(tài)工程為一體的綜合生態(tài)系統(tǒng)，其對氮磷的去除能力強、對負(fù)荷變化適應(yīng)性強。人工濕地處理系統(tǒng)包括自由水面人工濕地處理系統(tǒng)、人工潛流濕地處理系統(tǒng)、垂直水流型人工濕地處理系統(tǒng)。國內(nèi)外學(xué)者對不同類型人工濕地、不同水力負(fù)荷、運行時間及各種植物與基底配合對水體凈化效果開展研究。設(shè)置連續(xù)流和間歇流的人工濕地種植鹽角草（Salicornia europaea L）和互花米草（Spartina alterniflora Loisel）探究適于海水養(yǎng)殖系統(tǒng)的人工濕地運行方式，發(fā)現(xiàn)在間歇運行時（水力負(fù)荷為300 mm/d），凈化效率優(yōu)于連續(xù)運行［21］。將養(yǎng)殖池與人工潛流濕地相連搭配形成循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)養(yǎng)殖鯽魚，通過分析養(yǎng)殖期間水質(zhì)指標(biāo)和魚類生長狀況，發(fā)現(xiàn)濕地對總氮、總氨氮、亞硝氮、COD、TSS 的去除均十分明顯［22］。在4 種種植條件、3 種水力停留時間用一年生紅樹林物種的幼苗凈化養(yǎng)殖魚塘的廢水發(fā)現(xiàn)，紅樹林微生態(tài)系統(tǒng)去除效率為氨氮21.2%～49.8%、硝氮5.4%～37.7%、磷18.7%～29.9%［23］。人工濕地通過物理沉淀、吸附、微生物代謝、硝化分解等作用，對氮、磷、COD、TSS等吸收效果較好，而改進運行工藝達到更好的凈水效率是今后研究的關(guān)鍵。

2.3 植物生態(tài)浮床處理養(yǎng)殖廢水的國內(nèi)外研究進展

生態(tài)浮床是針對富營養(yǎng)化的水質(zhì)，以水生植物為主體，運用無土栽培的原理，將浮床置于需要凈化的水體之上，利用植物的根系來吸收水體中的富營養(yǎng)化物質(zhì)，比如氨氮、硝氮、亞硝氮、無機磷等。學(xué)者對不同水生植物進行篩選與研究，對比其與生態(tài)浮床的適配性和凈水能力。利用浮葉植物黃花水龍（Jussiaea stipulacea Ohwi.）、挺水植物菖蒲（Acorus calamus）、沉水植物綠色狐尾藻（Myriophyllum aquat?icum）和千島湖水模擬試驗植物的生長和對氮、磷濃度的影響，發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)植物的凈水能力不同，春季優(yōu)于秋季。生態(tài)浮床組合可以考慮不同植物的季節(jié)特性［24］。根據(jù)傳統(tǒng)泡沫浮床技術(shù)的局限性對生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)進行改造設(shè)計，并利用空心菜（Ipomoea aquatica Forsk）凈化污水與傳統(tǒng)浮床作對比，發(fā)現(xiàn)新型浮床設(shè)計靈活、不會遮蔽陽光，對富營養(yǎng)化污水中氨氮、總磷、總碳去除率都達到90%以上［25］。以動植物、浮毯、填料、單一漂浮植物、美人蕉（Canna in?dica L.）5 種生態(tài)浮床為試驗組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，浮毯和美人蕉對總氮、美人蕉和填料和浮毯組對總磷去除效果好［26］。生態(tài)浮床相比傳統(tǒng)廢水處理方式，不僅可以利用植物根系進行氮磷元素的吸收，有效凈化水質(zhì)；且能夠為水生植物提供優(yōu)良的生長環(huán)境，成本低，耗材少，工藝簡潔，經(jīng)濟且高效。

3 耐鹽性海馬齒處理養(yǎng)殖廢水的國內(nèi)外研究進展

海馬齒（Sesuvium portulacastrum）作為一種海上蔬菜，豐富了海上糧倉的組成內(nèi)容，為海島官兵提供蔬菜來源。在對海馬齒所含營養(yǎng)物質(zhì)的測定中，根據(jù)平均營養(yǎng)價值估算法得出ANV 值在2.95～2.96，屬于第四類，營養(yǎng)價值稍高，且其含有較高蛋白質(zhì)、豐富的β-維生素、氨基酸種類齊全，礦質(zhì)元素齊全［27］。海馬齒生命力旺盛，易于栽培，高蛋白、低脂肪、必需氨基酸配比合理，營養(yǎng)豐富、經(jīng)濟價值高，值得開發(fā)利用。

3.1 環(huán)境因子對海馬齒生長及其凈水能力影響的國內(nèi)外研究進展

海馬齒具有極強的生命力，它的生長情況和凈水能力會受到環(huán)境的影響，尤其是鹽度，大量研究表明，海馬齒是典型的耐鹽植物。用淡水及不同鹽度配比的海水對海馬齒進行生理指標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)在低于1/2 海水澆灌時植物生長旺盛，說明海馬齒植物根部對Na+的吸收能力和Na+/K+交換能力強［28］。通過水培試驗系統(tǒng)測定不同淡/海水組合下海馬齒的生長和生理變化，結(jié)果顯示海馬齒雖具有很強的耐鹽堿特性，但在淡/海水（2∶1）組合培養(yǎng)液中植株長勢最好，且該基礎(chǔ)上海水比例增加，植株生長速度變慢［29］，海馬齒在0～20%鹽度條件下能快速生長，30%鹽度生長受到抑制［27］。將海馬齒和鹽堿地草在哥斯達黎加熱帶太平洋近岸培育733 d，發(fā)現(xiàn)在淡水短缺的情況下，2 種植物依然生長旺盛，是具有經(jīng)濟價值的鹽生作物［30］。海馬齒置于不同NaCl 濃度的土壤中一段時間后測量其土壤電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)海馬齒適應(yīng)高鹽度生長，可用于鹽堿地的脫鹽［31］。海馬齒陸生水生都可正常生長，對高鹽、干旱和重金屬離子具有很高的耐受性，在10‰～20‰的中鹽度下，各項生長指標(biāo)較好，根系發(fā)育活力充足，凈水效果也更明顯，但是將海馬齒應(yīng)用到北方室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖凈水這方面還需進一步探索。

3.2 海馬齒生態(tài)浮床處理養(yǎng)殖廢水的國內(nèi)外研究進展

海馬齒對養(yǎng)殖水體中的富營養(yǎng)化物質(zhì)有吸收去除的功能，起到凈化水質(zhì)的作用。海馬齒栽植在泡沫薄板上置于不同氮、磷濃度的培養(yǎng)液中，在氮濃度為5~200 μmol/L 、磷濃度為0.5~20 μmol/L、N、P 比為10：1 時，吸收速率逐漸增大［32］。構(gòu)建浮床養(yǎng)殖系統(tǒng)將海馬齒浮床浮于羅非魚養(yǎng)殖缸，海馬齒經(jīng)過生長期進入穩(wěn)定期后對養(yǎng)殖水體中的氨氮、亞硝態(tài)氮、COD、總磷的去除率都在70%～90%［33］。在模擬海水石斑魚封閉式養(yǎng)殖系統(tǒng)中海馬齒生態(tài)浮床修復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)浮床覆蓋率為30%時，石斑魚成活率、生長率、投入產(chǎn)出比等都達到養(yǎng)殖最佳效果［34］。將海馬齒與浮床結(jié)構(gòu)搭配使用，能夠更大程度發(fā)揮海馬齒根部對養(yǎng)殖水體中營養(yǎng)鹽的吸收，且生態(tài)浮床置于河道、湖泊等受污染水域可以美化環(huán)境，具有一定經(jīng)濟效應(yīng)與環(huán)境價值。將海馬齒與生態(tài)浮床結(jié)合凈化修復(fù)區(qū)海水，通過測定海馬齒C、N、P 的儲量及修復(fù)區(qū)的水質(zhì)指標(biāo)，得出海馬齒生態(tài)浮床可提高DO，并降低海水中的Oil、COD、N、SS、P 含量［35］。在廈門湖泊利用浮床種植海馬齒測定植物的生物指標(biāo)及C、N、P，植物體從水中吸收的N、P 主要積累在莖中，最佳浮床覆蓋率為30%時，水體中氮含量從4.34 g/L降到國家海水標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類以下需要2 年［36］。利用海馬齒浮床凈化污水入海銜接段水質(zhì)，在感潮河段的鹽度范圍內(nèi)，海馬齒對COD、TN、TP 去除率分別最高達到73.33%、65.88%和62.22%［37］。在東山灣養(yǎng)殖區(qū)利用海馬齒浮床去除水中氮和磷，并構(gòu)建生態(tài)學(xué)模型對其修復(fù)效果進行評價。試驗表明，海馬齒在8個月內(nèi)能夠吸收377 g/m2的氮和22.9 g/m2的磷［38］。向生態(tài)浮床模擬系統(tǒng)中脈沖式添加泥粉研究海馬齒根系對水體懸浮顆粒物的吸附量和促沉降量，其根系主要作用于粒徑小于20 μm 的懸浮顆粒物［39］。海馬齒根系對水質(zhì)有明顯的凈化效果，一是可以吸收水中的懸浮顆粒物，二是根系周圍形成微生物群落通過硝化反硝化凈化水質(zhì)，三是對水中氨氮、硝氮、亞硝氮、磷等有明顯的吸收效果。

3.3 海馬齒與其他凈水方式協(xié)同凈水的國內(nèi)外研究進展

海馬齒與其他大型海藻、水生植物等具有凈水能力的生物可以聯(lián)合凈化養(yǎng)殖廢水，每種生物在不同成分上的去除能力有所差異，合理搭配效果更佳。通過石莼和海馬齒的各自單一處理和協(xié)同處理海水養(yǎng)殖水體發(fā)現(xiàn)，2.0 g/L 種植密度的石莼、4.8 g/L 種植密度的海馬齒改善水質(zhì)效果最好，兩者協(xié)同同處理對COD、無機磷、銨氮和總氮的去除率分別為36.7%、100%、100%和88.8%［40］。海馬齒可以通過與微藻，孔石莼、龍須菜等大型海藻，貝類、海參等濾食性水生動物，及活性炭、鐵碳等基底相互配合提高凈化水質(zhì)的效率。

海馬齒配合一些基底，如多介質(zhì)土壤濾層系統(tǒng)（MSL）、活性炭等生物濾料，通過其吸附作用或微生物的降解去除污水中污染物［41］，多者結(jié)合能夠更好更全面地去除污染物。在基底和濾料凈水方面，國內(nèi)學(xué)者也開展了研究，為與海馬齒協(xié)調(diào)凈水奠定了基礎(chǔ)。建立A（陶粒+活性炭+沙）、B（沙+活性炭+陶粒）和C（沙）3 種含鹽污水，發(fā)現(xiàn)溶解氧在這些系統(tǒng)中的分布因不同的填充方法而異，使用不同孔隙率的基質(zhì)可以改善溶解氧供應(yīng)，提高脫氮效率［42］。不同材質(zhì)的生物濾料在相同試驗條件掛膜時間有所不同，水力負(fù)荷時間也對生物濾器凈水效果影響顯著［43，44］。不同種類的生物濾料擁有較合理的流體力學(xué)幾何構(gòu)造，超大的比表面積，利用微生物膜對養(yǎng)殖水體中營養(yǎng)元素進行吸收，并且使用較為便利，投資費用低，也是海水養(yǎng)殖循環(huán)系統(tǒng)水生物濾器選擇的重要材料。

基底濾料和植物協(xié)同凈水的研究相對較少。在不同比例的Fe-C 基底和海馬齒結(jié)合對養(yǎng)殖廢水的脫氮效果研究中發(fā)現(xiàn)，含有33%Fe-C 的海馬齒對碳源不足的海水養(yǎng)殖廢水具有明顯的脫氮的效果［45］。不同生物濾料對養(yǎng)殖廢水的凈化效果也有所差異。不同的基底在處理污水的能力上有所不同，但總體對水中氮、磷吸收效果明顯，可以進一步探討與海馬齒相互配合，以期達到更理想的凈水效果。

4 小結(jié)

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展是可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，而養(yǎng)殖尾水生態(tài)處理帶來的凈化效果和經(jīng)濟收益以及無二次污染的特點符合綠色發(fā)展的理念，對于尾水處理工作起到了積極的作用。在強調(diào)綠水青山就是金山銀山的今天，重視發(fā)展生態(tài)處理尾水技術(shù)，緩解生態(tài)環(huán)境壓力，提高水產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。