重慶地區(qū)淡水池塘養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)凈化效果

陽龍江,唐征縣,韓璐璐,彭小倩,梅會清,翟旭亮,薛 洋,任朝穎,朱成科

(1 西南大學水產學院淡水魚類資源與生殖發(fā)育教育部重點實驗室,重慶 402460;2 重慶市水產技術推廣總站,重慶 401121)

重慶地處中國西南,其地形多以丘陵、低山為主,全市地表水和地下水資源豐富,境內多條河流經過,其中長江、嘉陵江、烏江、涪江和渠江在重慶境內共計1 227 km,這些有利條件促進了重慶水產養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,2010-2020年重慶漁業(yè)產量由22.43萬t增長至54.17萬t,其中90%以上的產量由淡水池塘養(yǎng)殖提供[1]。但隨著集約化、高密度養(yǎng)殖模式的快速發(fā)展,在養(yǎng)殖過程中大量飼料的投入和魚類糞便的產生,導致養(yǎng)殖水體氮磷營養(yǎng)鹽大量累積,養(yǎng)殖水環(huán)境不斷惡化,對生態(tài)環(huán)境存在潛在威脅[2-3]。據中央第四生態(tài)環(huán)境保護督察組2018年調查顯示,重慶市水產養(yǎng)殖面積83 024 hm2,每年大約10 770萬t尾水未經處理直接外排,成為次級河流污染的重要因素[4],嚴重制約了重慶地區(qū)水產養(yǎng)殖綠色健康發(fā)展。

池塘養(yǎng)殖尾水屬低污染水,主要污染物濃度較低,但養(yǎng)殖過程中長期進行換水導致養(yǎng)殖尾水排放總量較大,如果養(yǎng)殖尾水不經處理直接排放,也會使得環(huán)境污染負荷加重[5-8]。因此,隨著養(yǎng)殖和環(huán)境之間的沖突日益加劇,加強對養(yǎng)殖尾水的處理十分重要。相關研究發(fā)現(xiàn),目前主要應用的尾水處理方法包括沉淀和過濾的物理凈化法[9-10],氧化和絮凝的化學凈化法[11-13],以及使用微生態(tài)制劑[14-15]、單細胞藻類[16]、水生植物[17-18]和套養(yǎng)濾食性魚蝦貝類[19-20]凈化水體的生物法,但隨著研究的進一步深入,單一的處理方法通常不能滿足養(yǎng)殖的需要,難以對復雜的水體環(huán)境進行有效處理。尾水處理系統(tǒng)構建結合了多種處理方法的優(yōu)勢,具有物理沉淀和過濾、化學氧化、微生物膜和水生生物固定吸收等多種能力,對養(yǎng)殖尾水具有明顯的處理效果。胡高宇等[21]通過“沉淀池、陶粒池、除磷池”對海水養(yǎng)殖尾水進行處理,養(yǎng)殖尾水水質情況得到改善;徐嘉波等[22]通過“生態(tài)溝渠、濕地、水生植物+水生動物凈化池”模式對集中連片養(yǎng)殖池塘尾水進行處理,經處理后的排放水達到或優(yōu)于養(yǎng)殖進水源綜合水質的水平,并符合ST/C 9101-2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》[23]一級排放標準。

由于目前對養(yǎng)殖尾水處理的迫切需要,重慶地區(qū)開展了養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)的建設,本研究選取重慶市市級現(xiàn)代農業(yè)園區(qū)所在的養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng),探究尾水處理系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水的處理能力,為淡水養(yǎng)殖尾水處理提供理論依據和數(shù)據支持。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖區(qū)概況

養(yǎng)殖區(qū)位于重慶市永川區(qū)何梗鎮(zhèn)的市級現(xiàn)代農業(yè)園區(qū)內,該養(yǎng)殖場總養(yǎng)殖面積約13.34 hm2,水深2～3 m,主要養(yǎng)殖品種為草魚,每畝(667 m2)放草魚500～550尾(體長28.98～36.88 cm,體質量1.05～1.52 kg),搭配鰱魚300尾(體長8.76～10.48 cm,體質量0.08～0.12 kg),鳙魚70尾(體長8.48～10.88 cm,體質量0.07～0.09 kg),鯉魚80尾(體長9.32～10.75 cm,體質量0.09～0.11 kg)。每天按塘魚總質量的2%投喂配合顆粒飼料。

1.2 尾水綜合處理系統(tǒng)簡介

尾水處理系統(tǒng)總面積約1 200 m2,于2019年12月建成,1月開始系統(tǒng)24 h持續(xù)運行,平均每小時20 m3養(yǎng)殖尾水進入尾水處理系統(tǒng)。養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)處理流程如圖1所示。

圖1 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of aquaculture wastewater treatment system

養(yǎng)殖尾水通過池塘底部鋪設的排污管道進入到沉淀池中沉淀處理,去除尾水中的大顆粒物質,再經過表層出水管道將處理水流入曝氣池,經過氧化、分解和揮發(fā)等方式去除水體中的氨氮和耗氧有機物,再經過表層出水管道處理水進入生物濾池,經過過濾和微生物好氧反應進一步去除懸浮物和耗氧有機物,然后處理水進入生態(tài)池,通過水生植物光合作用吸收處理,同時為避免水生植物死亡后腐解破壞水質,每月進行修剪收割,最后處理水引回原池塘循環(huán)利用或達標排放。

沉淀池作為承接養(yǎng)殖尾水的第一級處理池,為長30 m、寬15 m,深2.5 m的大型水泥池,為提高水體的自凈能力,在沉淀池1/3和2/3處設置兩排生物毛刷,生物毛刷與水流方向垂直,進行有效吸附和絮凝。并在后1/3處設置生物浮床種植茭白和綠狐尾藻吸收水體中的氮磷。

曝氣池位于尾水處理設施的第二級,為長30 m,寬15 m,水深2 m的大型水泥池,用于處理沉淀池流出的表層水,池內安裝微孔增氧裝置,配備一臺3.0 kW羅茨鼓風機,安裝曝氣頭,使空氣中的氧氣充分溶解于水中,將水中有害氣體或揮發(fā)性物質放逐到空氣中,加速氨氮、亞硝酸鹽的氧化。同樣在后1/3部位設置生物浮床種植茭白和綠狐尾藻吸收水體中的氮磷等營養(yǎng)鹽。

生物濾池位于尾水處理設施的第三級,為長6 m,寬1.5 m,水深1.5 m的小型水泥池,用于處理曝氣池的表層出水,池內使用大量陶粒等生物濾材進行填充。生物濾池面積較小,便于水體進行交換,提高池內的溶氧,有利于池內好氧細菌進行生化作用,降低處理水體中的無機營養(yǎng)鹽。

生態(tài)池位于尾水處理設施的最后一級,為長20 m,寬15 m,水深2 m的大型水泥池,用于處理生物濾池流出的處理水,池內大量種植大薸、茭白和綠狐尾藻等水生植物,通過種植的水生植物吸收水體中污染物,處理水通過水泵流回養(yǎng)殖池塘循環(huán)使用。

1.3 采樣與測定方法

參照SC/T 9101-2007中水質指標進行測定評價,各項水質指標的測定方法與判定標準如表1所示。

表1 測定方法與判定標準Tab.1 Determination method and determination standard

采樣時間為2020年4月-2021年3月,每月中旬采樣一次,共計12次,采樣直接在養(yǎng)殖尾水出水口、沉淀池出水口、曝氣池出水口、生物濾池出水口和生態(tài)池出水口進行,現(xiàn)場使用水質多參數(shù)測定儀(FiveGo F2,瑞士)測定水體溫度和pH,對采集水樣進行保存后帶回實驗室測定,并于48 h內完成測定。

1.4 數(shù)據處理

試驗數(shù)據使用Excel 2016進行數(shù)據匯總,使用Origin 2015進行制圖。

2 結果

2.1 水溫、pH變化

2020年4月-2021年3月尾水處理系統(tǒng)水體周年水溫和pH變化趨勢如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)水溫(A)和pH(B)變化Fig.2 Changes of water temperature( A ) and pH ( B ) in the system from April 2020 to March 2021

其中水溫從1月開始上升,到達8月達到全年水溫最高點,9月水溫開始回落,1月達到全年水溫最低點。pH總體變化趨勢不明顯,但7-9月水體pH處于較高水平,全年pH處于6.91～8.50之間,符合淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求(6.0～9.0)。

2.2 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)對TSS的去除

養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)中各級處理單元TSS含量變化如圖3所示。

圖3 各處理單元TSS變化Fig.3 TSS changes of each processing unit from April 2020 to March 2021

2020年4月-2020年8月養(yǎng)殖尾水出水懸浮物含量均高于淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求一級標準(>50 mg/L),2020年4月尾水處理系統(tǒng)開始運行后,每月TSS含量呈逐漸下降趨勢,養(yǎng)殖尾水中TSS含量得到有效控制,懸浮物含量被控制到較低水平。養(yǎng)殖尾水通過各級處理單元時,TSS含量明顯出現(xiàn)降低,沉淀池、曝氣池、生物濾池和生態(tài)池的全年平均去除率分別為40.39%、8.93%、7.76%和10.22%,系統(tǒng)TSS全年總平均去除率為67.30%,養(yǎng)殖尾水中懸浮物主要被沉淀池去除,其他處理單元去除較少,經過處理的養(yǎng)殖尾水中TSS含量由8.63～68.00 mg/L降至4.63～24.00 mg/L,低于淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求一級標準(≤50 mg/L)。

2.3 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)對BOD5和CODMn的去除

養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)中各級處理單元BOD5和CODMn變化如圖4、5所示。

圖4 各處理單元BOD5變化Fig.4 BOD5 changes of each processing unit from April 2020 to March 2021

圖5 各處理單元CODMn變化Fig.5 Change of CODMn in each treatment unit from April 2020 to March 2021

尾水處理系統(tǒng)開始運行后,養(yǎng)殖尾水中BOD5和CODMn出現(xiàn)明顯下降。養(yǎng)殖尾水通過各級處理單元時,BOD5和CODMn明顯出現(xiàn)降低,沉淀池、曝氣池、生物濾池和生態(tài)池的BOD5全年平均去除率分別為53.37%、7.77%、7.75%和8.23%,系統(tǒng)BOD5全年總平均去除率為77.13%;沉淀池、曝氣池、生物濾池和生態(tài)池CODMn的全年平均去除率分別為29.93%、2.43%、2.11%和4.84%,系統(tǒng)CODMn全年總平均去除率為39.31%,養(yǎng)殖尾水中BOD5和CODMn主要在沉淀池中被處理,其他處理單元處理貢獻較小。

經過處理的養(yǎng)殖尾水中BOD5由5.61～20.48 mg/L降至0.36～6.47 mg/L,CODMn由8.22～15.68 mg/L降至4.92～8.11 mg/L,均低于淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求一級標準(BOD5≤10 mg/L,CODMn≤15 mg/L)。

2.4 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)對TN的去除

養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)中各級處理單元TN含量變化如圖6所示。

圖6 各處理單元TN變化Fig.6 TN changes of each processing unit from April 2020 to March 2021

尾水處理系統(tǒng)開始運行后,養(yǎng)殖尾水中TN含量出現(xiàn)明顯下降。養(yǎng)殖尾水通過各級處理單元時,TN含量明顯降低,沉淀池、曝氣池、生物濾池和生態(tài)池的全年平均去除率分別為32.94%、3.63%、3.45%和8.37%,系統(tǒng)TN全年總去除率為48.39%,養(yǎng)殖尾水中TN主要在沉淀池中被處理,其他處理單元處理貢獻較小。經過處理的養(yǎng)殖尾水中TN含量由2.42～4.89 mg/L降至1.08～2.58 mg/L,低于淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求一級標準(≤3.0 mg/L)。

2.5 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)對TP的去除

養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)中各級處理單元TP含量的變化如圖7所示。

圖7 各處理單元TP變化Fig.7 TP changes of each processing unit from April 2020 to March 2021

尾水處理系統(tǒng)開始運行后,養(yǎng)殖尾水中TP含量均降低到較低水平。養(yǎng)殖尾水通過各級處理單元時,TP含量明顯出現(xiàn)降低,沉淀池、曝氣池、生物濾池和生態(tài)池的全年平均去除率分別為39.76%、2.42%、4.71%和5.73%,系統(tǒng)TP全年總平均去除率為52.62%,經過處理的養(yǎng)殖尾水中TP含量由0.20～0.52 mg/L降至0.09～0.32 mg/L,低于淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求一級標準(≤0.5 mg/L)。

3 討論

3.1 尾水處理系統(tǒng)對懸浮物的去除

水體中懸浮物的常見處理方法為沉淀和過濾,本研究通過建設沉淀池和生物濾池來對養(yǎng)殖尾水中懸浮物進行處理,沉淀池中生物毛刷有效攔截和物理沉淀是去除懸浮物的主要途徑,沉淀池通?？梢杂行コ笮?0 μm以上的顆粒物[10],而養(yǎng)殖尾水中60 μm以上的固體顆粒物占總懸浮物的80%以上[30],本研究中沉淀池對養(yǎng)殖尾水中懸浮物的去除率為40.39%,處理效果較為明顯。曝氣池通常在懸浮物的去除效果并不明顯,這主要是由于曝氣池中的有機質往往通過曝氣被分解為細微懸浮物,從而導致懸浮物含量的增加[11],本研究中的尾水處理系統(tǒng)由于在曝氣池后1/3處種植了大量水生植物,從而對懸浮物具有較好的去除效率。生物濾池通過濾材的過濾作用將養(yǎng)殖尾水中的大顆粒懸浮物攔截在生物濾池內,通過微生物反應進行分解,但生物濾池的處理效果往往并不明顯,這是因為生物濾池中的填料孔徑不一,填料之間縫隙過大所導致的,與胡高宇等[18]的研究結果一致。與此同時,本研究中沉淀池去除了大部分的懸浮物,流出水體中懸浮物含量較低,生物濾池不能有效處理。生態(tài)池內由于種植了大量水生植物,水生植物在水體中的根系十分發(fā)達,可以有效地對懸浮物進行阻擋,然后進行分解吸收,所以生態(tài)池對懸浮物具有一定的去除作用。

3.2 尾水處理系統(tǒng)對BOD5和CODMn的去除

生化需氧量是在規(guī)定條件下,微生物分解水中某些可氧化的物質,特別是有機物的生物化學過程消耗的溶氧[31],而化學需氧量是反應水體中有機及無機可氧化物質污染的指標,指一定條件下氧化水體中某些有機物及還原性無機物質所消耗的溶氧的量[32],均能夠反映水體受污染程度。本研究中尾水處理系統(tǒng)對BOD5的去除效率遠高于CODMn,這是由于養(yǎng)殖尾水中含有些難氧化有機物不能通過養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)進行有效處理。尾水處理系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水中BOD5和CODMn的去除主要通過沉淀池對耗氧有機物的吸附沉淀和生態(tài)池中的水生植物根部對小顆粒有機物的分解吸收。通過對比發(fā)現(xiàn),生物濾池對BOD5和CODMn的去除效率最低,這是由于水流經過生物濾池后導致生物膜脫落,帶走了附著在基質上的微生物[6]。相比其他研究[12,14]中曝氣池對BOD5和CODMn的去除,本研究中曝氣池的去除效率較低,這是由于大部分有機物在沉淀池中被處理,進入曝氣池中的有機物含量較低,曝氣池不能進行有效處理。

3.3 尾水處理系統(tǒng)對TN的去除

氮源是養(yǎng)殖尾水中的重要污染物之一,其中氨氮和亞硝酸鹽氮含量過高會引起養(yǎng)殖生物中毒導致死亡,造成較大的經濟損失,直接排放也會對外界水體環(huán)境造成污染,因此養(yǎng)殖尾水中的氮源污染物的處理十分重要。整個試驗期間,綜合性尾水處理系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水中總氮的去除效率為48.39%,其中沉淀池的去除效率最高,之后依次是生態(tài)池、曝氣池和生物濾池。沉淀池對總氮的處理包括固體懸浮顆粒有機氮的沉降吸附、生物毛刷的攔截和水生植物根部的營養(yǎng)吸收作用;曝氣池通過化學氧化作用將沉淀池中未沉淀的小顆粒有機氮轉化為無機氮,在經過曝氣池后1/3種植的水生植物的去除;生物濾池中的生物濾材不僅具有物理過濾功能,在其上還附著生物濾膜,它能進行各種生物反應,在生物濾池溶氧充足的前半部分,水體中酸堿度較高,好氧的硝化細菌通過硝化作用將有機氮化物和無機氨氮、亞硝酸鹽氮轉化為硝酸鹽氮,在生物濾池溶氧不足的后半部分,水體中酸堿度較低,厭氧的反硝化細菌通過反硝化作用將無機氮轉化為氮氣逸散到空氣中;生態(tài)池中種植大量的水生植物通過根部的營養(yǎng)吸收水體中的含氮物質。

尾水處理系統(tǒng)開始運行時,底排污管道中積聚了大量的含氮有機物,經過尾水處理系統(tǒng)的長期運行,養(yǎng)殖尾水中含氮有機物得到明顯處理,總氮含量明顯降低。在養(yǎng)殖高峰期的7-10月,養(yǎng)殖生物的運動和攝食加強,養(yǎng)殖尾水中總氮含量有所上升,但與4月相比,水體中總氮含量明顯得到控制,說明尾水處理系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水中的總氮具有較好處理效果。徐嘉波等[5]通過濕地+凈化池塘組合和生態(tài)溝渠對養(yǎng)殖尾水進行處理,處理后養(yǎng)殖尾水中總氮含量分別降低26.74%和22.22%,總共降低總氮含量48.96%,與本研究總氮去除效率類似;劉梅等[33]使用“三池兩壩”多級組合工藝對低、中、高淡水池塘養(yǎng)殖尾水進行處理,養(yǎng)殖尾水中總氮去除率為52.5%～59.2%,與本研究相比,該尾水處理系統(tǒng)中養(yǎng)殖尾水中總氮含量處于較高水平,所以對總氮的去除率更高,根據該研究結果表示,尾水處理系統(tǒng)的去除率隨總氮含量降低呈下降趨勢。

3.4 尾水處理系統(tǒng)對TP的去除

總磷含量是水產養(yǎng)殖中的重要指標之一,也是造成水體富營養(yǎng)化的主要因子,隨著養(yǎng)殖過程中飼料的大量投入產生的殘飼和糞便,水體中的含磷物質沉積在池塘底部,而隨著養(yǎng)殖尾水的排出,含磷物質也隨之排出。在尾水處理系統(tǒng)開始運行之后,養(yǎng)殖尾水中總磷含量得到較好控制,養(yǎng)殖尾水中總磷含量均在0.5 mg/L以下,試驗期間,尾水處理系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水中總磷的去除效率為52.62%,其中沉淀池去除效率最高,其次是生態(tài)池和生物濾池,曝氣池去除效率最低。當養(yǎng)殖尾水進入尾水處理系統(tǒng)后,首先大顆粒磷通過沉淀池的沉淀吸附到底泥中,再經過尾部種植的水生植物根部及其附著的聚磷菌進行營養(yǎng)吸收和后,進入曝氣池,在曝氣池中小顆粒磷進行氧化作用轉化為無機磷酸鹽,然后經過尾部種植的水生植物根部的吸收后進入生物濾池,在生物濾池中,未被處理的小顆粒磷被過濾去除,無機磷酸鹽被微生物的生長同化去除,最后進入生態(tài)池中再進行一次水生植物根部的吸收,養(yǎng)殖尾水中總磷大部分被去除。

尾水處理系統(tǒng)作為一個復合系統(tǒng),可利用植物的吸收、底質的吸附與截留及根系微生物的降解等功能對磷富集水體具有較好的凈化潛能。本研究中養(yǎng)殖尾水中總磷的去除主要依靠沉淀和植物吸收,與劉梅等[33]的研究結果類似,其中沉淀池和生態(tài)池對養(yǎng)殖尾水中總磷的去除貢獻率最大,曝氣池對總磷的去除貢獻較小;徐嘉波等[5]使用“濕地、水生動物凈化塘、水生植物凈化塘”組合的養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)對池塘養(yǎng)殖尾水進行處理,發(fā)現(xiàn)總磷平均去除率為32.89%,其中水生植物凈化塘總磷去除率為20.01%,表明水生植物對總磷的凈化作用在該尾水處理系統(tǒng)中起主導作用。

3.5 尾水處理系統(tǒng)綜合評價

常見池塘養(yǎng)殖尾水處理模式有池塘容納量控制處理模式、原位處理模式和異位處理模式[34-35]。與其他模式相比,“三池兩壩”尾水處理系統(tǒng)作為異位處理模式的重要方法之一,其應用廣泛,處理效果好,但在實際應用中,構建傳統(tǒng)的“三池兩壩”尾水處理系統(tǒng)面臨著占地面積大,缺乏反應塘等問題,通常難以達到預期效果。本研究中尾水處理系統(tǒng)在傳統(tǒng)“三池兩壩”尾水處理系統(tǒng)的基礎上采取“沉淀池+曝氣池+生物濾池+生態(tài)池”模式,并且在各級處理池末端種植水生植物發(fā)揮攔截、吸收作用,更好地對養(yǎng)殖尾水中各種污染物進行凈化,有效地提高了養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)的凈化效率,使養(yǎng)殖尾水水質達到漁業(yè)用水標準及淡水池塘養(yǎng)殖水排放一級標準。在本研究中尾水處理系統(tǒng)減少了系統(tǒng)占地面積,對養(yǎng)殖者的經濟壓力變小,系統(tǒng)維護成本同樣降低。但由于水生植物種植面積增大,需要對種植水生植物進行及時采收,以免植物腐敗導致水質進一步惡化。

4 結論

本研究系統(tǒng)的尾水處理系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水中具有較高的去除效率,全年平均TSS、BOD5、CODMn、TN、TP去除效率為67.30%、77.13%、39.31%、48.39%、52.62%。對比各級處理單元處理效果,沉淀池的處理貢獻最高,生態(tài)池次之,其他處理單元貢獻較小,說明沉淀池中種植水生植物能有效對各種污染物進行去除。養(yǎng)殖尾水通過尾水處理系統(tǒng)處理后,水質得到明顯改善,所監(jiān)測的各項水質指標均符合淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求(SC/T 9101-2007)一級標準,處理水可達標排放或循環(huán)使用。