草鱼池塘养殖水体的悬浮物特征

陈 哲,刘兴国,程翔宇,张 旺,程果锋,肖述文

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092;2上海海洋大学水产与生命学院,上海 201306 )

SS通常具有广泛的粒径范围[18],养殖池塘中SS的粒径范围一般在200 μm以下。每个养殖系统的SS的粒径分布可能都有不同,这使得针对不同类型排出的废水中SS的悬浮颗粒物的粒径分布(PSD)详细研究了解更为重要[19-20]。对于固体悬浮物去除系统,SS的PSD决定了整体去除效率[21]。养殖水质调控与尾水治理是近年来内陆水产养殖所面临的主要问题,国内外针对养殖水体研究主要集中在对养殖尾水的处理技术[22]上,对养殖池塘水体中SS沉降规律及水质变化情况的研究报道较少,研究草鱼池塘水体静沉降下SS及水质变化情况有利于了解SS具体特性,以期为后续开发设计针对草鱼养殖水体SS去除系统提供具体理论依据,因此研究草鱼池塘养殖水体静沉降特性至关重要。

本研究以草鱼养殖池塘水体为研究对象,通过对水体的静沉降,测定不同水层、不同沉降时间下SS含量、粒度分布情况及水质指标变化情况,研究草鱼养殖池塘水体的静沉降规律及其粒径变化情况,旨在为草鱼养殖池塘水质调控及新型养殖系统设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验池塘

在上海市松江区三泖水产养殖场(30°57′1.89″N,121°08′52.21″E),选取典型草鱼养殖池塘进行试验。池塘面积100 m×50 m,平均水深1.6 m,水面面积0.47 hm2,塘内养殖草鱼4 000～4 100尾。

1.2 试验装置及取样

沉降装置高约为195 mm,直径为138 mm,使用5 L采水器对草鱼养殖池塘水体上、中、下层水体进行取样,将各层水样混匀,分装于15个沉降装置中,静止放置同时开始计时。采样时采用虹吸法吸取杯内上层(A层)及下层(B层)水体(水层上部1 cm深度为A层,水层底部沉积物上方1 cm为B层),尽量不扰动水体,每次取3个平行,共6次取样。采样时间为0 min、30 min、60 min、90 min、120 min、150 min。本研究共进行2次试验,第一次沉降试验进行于2022年10月份,第二次沉降试验进行于2022年11月份。

1.3 测定内容及分析方法

SS粒径分布:BT-9300SE激光粒度仪,仪器的测定范围为0.1～1 000 μm,测定悬浮颗粒物的体积分布及数量分布。SS粒径体积分布的表示方法有累积体积分布和区间体积分布。

SS质量测定:采用超微量电子天平称重(精度至0.0001 g)。

SS质量浓度测定:在100～105 ℃将Whatman GF/F玻璃纤维滤膜烘干(2 h以上),质量为A1(mg),用该滤膜抽滤体积为V(L)后,在100～105 ℃烘干4 h,冷却后质量为A2(mg),再将滤膜在550 ℃下灼烧2 h,冷却后称重质量为A3(mg),根据下式计算SS 的质量浓度:

ρ=(A2-A1)/V

(1)

颗粒有机物(POM)质量浓度为:

ρPOM=(A2-A3)/V

(2)

根据SS质量浓度的变化,根据下式计算出SS去除率:

E=(C0-C1)/C0

(3)

式中:E为悬浮颗粒物去除率,%;C1为不同时间悬浮颗粒物质量浓度,mg/L;C0为原始水样中悬浮颗粒物质量浓度,mg/L。

总氮(TN)测定采用国标法(GB 11894—1989)[23];总磷(TP)测定采用国标法(GB 11893—1989)[23]。

2 结果

2.1 SS质量浓度及沉降率变化

SS变化情况如图1所示。

注:Ⅰ表示第一组沉降试验,Ⅱ表示第二组沉降试验;标有不同小写英文字母者表示同一取样时间不同取样深度之间有显

为消除误差,共进行两次静沉降试验,水体中SS的初始质量浓度分别为113 mg/L、163.40 mg/L。结果显示,SS的初始质量浓度不一样时,其沉降速率和沉降规律也存在差异。随着静沉降时间的延长,不同深度的水样中SS的质量浓度均呈整体下降趋势, SS沉降率均随时间延长而显著升高,并在120 min后趋于稳定状态。处于A层的SS的质量浓度下降幅度较B层下降的更为明显,SS沉降率更大,30 min时 ,A层SS的质量浓度与B层有显著性差异(P<0.05)。150 min后,第一次试验中A层和B层SS的质量浓度差异为7.63 mg/L,第二次试验中为51.97 mg/L。沉降时间在150 min时,第一次静沉降试验中A层SS去除率达到60%,B层SS去除率达到50%,第二次试验中A层SS去除率超过60%,B层水样为33.17%。

2.2 SS的粒径分布及变化

静沉降试验中的SS粒径体积的区间百分比分布之间的比较如图2所示。

图2 不同深度悬浮颗粒物粒径分布(体积分布)随时间变化情况

虽然两组试验中原始水样的SS和粒径分布有一定的差异,但其水体在静沉降过程中粒径的体积分布变化具有一定规律性。随着静沉降时间的增加,粒径较大的SS逐渐向底部沉积,小粒径SS悬浮于水体中。从SS粒径的体积分布情况来看,静沉降时间为30 min时SS粒径的体积分布变化情况最为明显,水体中较大的SS(>100 μm)以泥沙的形式沉积在底部,水层中SS粒径大多处于100 μm以下。沉降时间在60～150 min时SS粒径体积分布的百分比变化情况并不明显。静沉降试验中, A层粒径的体积分布整体较B层偏小,SS沉降差异更为明显。从表1、表2中可以看出,A、B层SS粒径体积分布的百分比积累值是随着静沉降时间增大越来越小,同时其减小量越来越小。30 min时,A、B层SS粒径体积分布的百分比积累值存在显著性差异(P<0.05)。

表1 第1组沉降试验中沉降时间0～150 min下A和B层颗粒物累计分布粒径值

表2 第2组沉降试验中沉降时间0～150 min下A和B层颗粒物累计分布粒径值

两次静沉降试验SS粒径数量分布的区间百分比积累情况如图3所示。经150 min静沉降时间后,SS粒径的数量分布变化情况甚微,仅在数量峰值处有稍许变化情况。从图3可以看出,30 μm以上的粒径占整体粒径数量分布的极少数,甚至于数值上显示为0%。水层中SS粒径数量分布最集中的粒径区间为0.517～1.115 μm,占粒径数量分布百分比的60%以上。

图3 不同深度悬浮颗粒物粒径分布(数量分布)随时间变化情况

2.3 SS比表面积变化

原样中SS粒径的比表面积分别为165.5 m2/kg、260.5 m2/kg。从图4可以看出随着静沉降时间的延长,SS粒径的比表面积逐渐增大。当静沉降时间为30 min时,比表面积变化情况最为明显且A、B层之间有显著性差异(P<0.05);沉降90 min后,其比表面积大小趋于稳定,且均显著高于原样(P<0.05)。当静沉降时间为150 min时,试验一中A层SS粒径比表面积达到359.85 m2/kg,B层达到327.30 m2/kg;试验二中A层SS粒径比表面积达到398.05 m2/kg,B层达到314.25 m2/kg。

图4 不同深度悬浮颗粒物的比表面积随时间变化情况

2.4 SS组成比例变化

原样SS两次试验中POM占比分别为33.63%、48.10%。由图5可知,随着静沉降时间的增加,SS中POM占比在逐步增加。随着静沉降时间的增加,A层SS中POM的比例较B层增加更多。试验一中,沉降60 min后,A层POM占比超过50%;试验二中,沉降30 min后,POM占比达到63.13%。沉降150 min后,试验一中A层POM占比70.80%,B层POM占比61.68%;试验二A层POM占比为79.65%,B层为67.69%。

图5 不同深度悬浮颗粒物的有机物占比随时间变化情况

2.5 SS沉降过程中水体中TN、TP的变化

草鱼池塘养殖水体静沉降过程中TN的质量浓度随时间变化情况如图6。由于两次试验初始水体不同,初始TN质量浓度分别为2.436 0 mg/L、6.524 2 mg/L。静沉降过程中, TN质量浓度随着静沉降时间增加逐渐减低,在30 min后显著低于初始水样(P<0.05)。试验一中,在30 min后,TN质量浓度降低程度最为明显,60 min后,TN质量浓度下降趋于平缓。试验二中,30～60 min时,TN质量浓度降低程度最为明显,60 min后,A、B层TN质量浓度均下降50%以上,60 min后TN质量浓度呈现缓慢减低趋势。两次试验中上下水层中TN质量浓度均呈现显著性差异(P<0.05)。

图6 不同深度水体中总氮随时间变化情况

池塘养殖水体静沉降过程中TP的质量浓度随时间变化情况如图7所示,静沉降过程中TP与TN 的质量浓度变化趋势相似,两次静沉降试验中TP的初始质量浓度为0.256 5 mg/L、0.611 5 mg/L。由图7可见,两次试验中TP质量浓度均在30 min后迅速降低,试验一A层TP的质量浓度下降38.06%,试验二 A层TP的质量浓度下降22.32%。A层TP下降速率显著高于B层,A层TP的质量浓度显著低于B层(P<0.05)。150 min后,两次试验中A层TP的质量浓度分别为0.104 8 mg/L、0.430 8 mg/L。随着沉降时间的增加,TP的质量浓度趋于稳定状态,且显著低于初始质量浓度(P<0.05)。

图7 不同深度水体中总磷随时间变化情况

3 讨论

3.1 静沉降过程中SS变化

静沉降过程中,草鱼池塘养殖水体SS质量浓度随静沉降时间增加而减少, SS沉降率与其浓度相关,浓度越大,其沉降速率越大,随着静沉降时间的增加,沉降率逐渐减少。在静沉降过程中,PIM沉积速度大于POM,150 min后水体中SS的主要成分为POM。近几年国内外针对SS去除技术的研究较为丰富, Kim等[5]发现,臭氧与泡沫分离联用能够显著降低总BOD5(75%)、浊度(79%)、颗粒数量(89%)及细菌活性(90%)。本试验中,水体悬浮颗粒物的质量浓度随着沉降时间下降,最终沉降率为60.09%,这与袁新程等[24]研究池塘养殖废水静沉降试验最终沉降率相似。此外,结果表明A层与B层悬浮颗粒物的沉降率变化速率存在差异。两次试验中各取样点TSS的质量浓度随时间均呈现下降趋势,但B层下降速率慢于A层,该结果与桂福坤等[25]在研究舟山近海海域养殖水体悬浮物沉降特性试验中得到的结果相同,主要原因是A层水层高于B层,沉降过程中,A层水体经过B层,导致B层水体变化较为缓慢。养殖水体中悬浮颗粒物包括有机和无机两种成分,其中有机物质会溶解析出导致溶氧的消耗[26]及腐败问题,因此了解颗粒物有机物质占比情况有利于针对SS成分决定其去除方法。从试验结果可以看出,原样SS中以PIM为主,而在自然沉降过程中,SS中的PIM占比是在不断降低的,POM占比不断增加,表明其沉降过程中向底部迁移的SS大多以无机物质为主,有机物质大多处于悬浮水体中。向军等[27]研究浅水湖泊水体中颗粒悬浮物的静沉降规律时也表明在太湖底泥悬浮沉降中颗粒无机物沉速比颗粒有机物大得多,本试验SS沉降规律与其相似。

3.2 静沉降过程中PSD变化

静沉降时,草鱼养殖池塘水体中的大颗粒SS(>100 μm)向底部沉积,水体整体粒径范围向小颗粒趋近。国内外目前针对SS的PSD研究大多与其去除同步进行,张成林等[22]研发了多向重力沉淀装置,循环水养殖系统中粒径小于 20 μm的微颗粒去除率达到 19.5%,粒径大于 60 μm的微颗粒去除率达到90.3%;季明东等[28]使用泡沫分离针对循环水养殖系统中细微颗粒物的去除,泡沫分离对粒径 ≤90 μm的颗粒物有较好的去除作用。第一次静沉降试验中原样SS在100～1000 μm有较多的分布,这与池塘的SS分布规律有较大不同,但沉降30 min后,颗粒物粒径体积分布范围迅速下降,这可能是因为采集池塘下层水样时混入较多底部泥沙,或者水体中存在大颗粒藻类,导致原样中存在较多大粒径颗粒,整体粒径范围变大。从颗粒物粒径的体积分布上看,随沉降时间增加,颗粒物粒径的体积分布变化最为明显时是沉降时间为30 min时,这与SS沉降类型有关。一般来说,水体中悬浮颗粒物的静沉降方式分为两种情况,一种是粒径范围较大的SS会采用单颗粒的形式沉积下层,此种沉降方式速度较快;一种是粒径范围较小的SS,沉降速度慢,并且在沉降过程中会与其他有机质结合形成絮凝体以絮凝的方式沉降[29]。本试验沉降规律与此一致。从SS粒径的数量分布来看,随着静沉降时间增加,SS粒径数量分布的变化情况并不明显,这与养殖系统中SS数量分布规律有关。段姗杉等[30]研究表示养殖系统中粒径在1～3 μm的颗粒占总颗粒数的 98.36%,3～15 μm 的占 1.63%,15～30 μm 的仅占 0.01%。Paulo等[31]研究表明养殖水体中的SS以微粒为主,小于20 μm的微粒占所有PSD的94%。本试验中粒径的数量分布规律也符合此规律,悬浮颗粒物数量主要集中在1 μm左右,因此在静沉降过程中,SS粒径的数量分布变化情况并不明显。比表面积是指单位质量物料所具有的总面积,SS粒径越小,比表面积越大。本试验中随着静沉降时间增加,SS的比表面积增加,说明在沉降过程中,水体中SS粒径整体趋向于小粒径颗粒。这可能是因为粒径偏大的SS在静沉降过程中会由于重力作用向底部沉积,停留水体中的SS较先前整体粒径变小。这也与悬浮颗粒物粒径的体积分布变化情况相呼应。

3.3 静沉降过程中TN、TP变化

静沉降过程中SS质量浓度的降低会影响TN、TP的质量浓度,TN、TP质量浓度随沉降时间增加而逐渐减少,沉降120 min后水体中TN、TP质量浓度趋于稳定。草鱼池塘养殖水体中含有大量未食用完的饲料及水生动物粪便等,经过溶解析出产生有机物,并与水体中微小的泥沙颗粒物附着聚集形成大颗粒悬浮物,因此SS的静沉降会对水体中氮磷含量产生一定影响。TN、TP作为水体排放时的重要指标,监测其含量变化情况极其重要。本试验中A层中TN、TP质量浓度随静沉降时间增加而减少,主要原因可能是因为SS在下沉过程中携带尚未分解的有机物质,其中包含一部分氮磷物质,导致A层中TN、TP质量浓度的降低;30 min后,TN、TP下降率最高,120 min后趋于稳定。与30 min后水体中SS质量浓度显著降低(P<0.05),120 min后趋于稳定的变化规律相似。两次静沉降试验中,最终TN质量浓度在3 mg/L以下,TP质量浓度在0.6 mg/L以下,表明养殖水体的静沉降对池塘上层水体TN、TP有一定程度的去除效果。这与袁新程等[23]研究池塘养殖废水TN、TP变化情况一致。

4 结论

草鱼池塘养殖水体在静沉降过程中,SS质量浓度随沉降时间增加而减少,且SS质量浓度越大时减少越明显;SS沉降率与其质量浓度相关,质量浓度越大,其沉降速率越大,并且随着沉降时间的增加,沉降率逐渐减少;草鱼养殖池塘水体在沉降过程中,SS中大颗粒(>100 μm)向底部沉积,水体整体粒径范围向小颗粒趋近;在静沉降过程中,颗粒无机物(PIM)沉积速度大于颗粒有机物(POM);草鱼养殖池塘水体在静沉降中,TN、TP质量浓度随沉降时间增加而逐渐减少,且当沉降时间足够长时TN、TP质量浓度趋于稳定。

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