水产养殖尾水处理技术现状及其开发与应用

黄世明，陈献稿，石建高，徐丽丽

（1．宁波优贝海洋科技有限公司，浙江宁波 315000；2．平阳县市场监督管理局，浙江平阳 325400；3．中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090；4．平阳县农业局，浙江平阳 325400）

水产养殖尾水处理技术现状及其开发与应用

黄世明1，陈献稿2，石建高3，徐丽丽4

（1．宁波优贝海洋科技有限公司，浙江宁波 315000；2．平阳县市场监督管理局，浙江平阳 325400；3．中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090；4．平阳县农业局，浙江平阳 325400）

当前，池塘高密度养殖方式在我国最为普遍。按照传统养殖方法，大量的残饵和粪便排入水体，养殖尾水污染日益严重。养殖尾水处理与重复利用已成为研究水产养殖可持续发展的关键环节。本文主要分析了水产养殖尾水特点，重点综合评述了目前尾水处理的物理、化学、生物三种技术优、缺点，以及池塘、设施、人工湿地等三种尾水处理方式的研究现状。最后，提出环境修复和生态修复两种尾水处理的开发与应用模式，为今后水产养殖业健康、可持续发展提供参考。

水产养殖；尾水处理；人工湿地

水产养殖按照不同的养殖方式，可分为池塘养殖、滩涂养殖、工厂化循环水养殖、网箱养殖、浮绳式围网（如碧海仙山开展的离岸型智能化外海浮绳式围网养殖等）［1］、堤坝围网养殖（如东海所石建高研究员团队联合浙江东一、荷兰皇家帝斯曼集团等开展的白龙屿栅栏式堤坝围网养殖工程等，相关专利授权号为ZL 201310608642．5）、大型柱桩式围网养殖（如东海所石建高研究员团队联合恒胜水产、荷兰皇家帝斯曼集团等主持完成的大型柱桩式围网养殖，相关专利授权号为ZL 201310347972．3）等。当前，池塘高密度养殖方式在我国最为普遍，按照传统养殖方法，大量的残饵和粪便排入水体，养殖尾水污染日益严重。例如，池塘养殖1 kg鲤鱼每天要耗尽500 L水中的溶解氧，排出300 mg氨以及7 000 mg的 BOD5，产生100 kg含有大量氮肥的污水［2］。再如，每生产1 t虾池塘水体中增加了0．2 t的N元素和0．05 t的P元素［3］。水产养殖尾水如得不到及时有效处理，不仅恶化养殖水域环境，而且会导致鱼类、虾类、贝类等的爆发性疾病，甚至大面积死亡，养殖产品质量和产量下降。因此，研发一种效益稳定、环境友好的水产养殖模式和养殖尾水处理方式，对我国水产养殖健康、可持续发展具有重要的现实意义。

1 水产养殖尾水特点

水产养殖尾水中的主要污染物有氨氮、亚硝酸盐、有机物、磷及污损生物［4］。氨氮是水生动物的排泄物，也是残饵、粪便及动植物尸体等含氮有机物分解的终产物，容易造成水体恶化，对养殖动物产生毒性。亚硝酸盐对鱼类有很强的毒性，它的存在可导致鱼、虾血液中的亚铁血红蛋白被氧化成高铁亚铁血红蛋白，而后者不能运载氧气，从而抑制血液的载氧能力，造成组织缺氧，水生动物摄食能力下降，甚至死亡。有机物主要由残饵、浮游生物的代谢产物及养殖动物的排泄物分解产生，有机物含量高常造成水体恶化，导致鱼类生长缓慢，甚至泛池或死亡。通常养殖尾水中的营养性成分、溶解有机物、悬浮固体（SS）和病原体是处理的重点［5］。

2 水产养殖尾水处理技术

目前，国内外已有较多研究者对水产养殖尾水处理技术进行了大量的研究和应用，主要包括物理处理技术、化学处理技术及生物处理技术等［6-12］。

2．1 物理处理技术

水产养殖尾水处理物理技术包括利用各种孔径大小不同的滤材，或阻隔或吸附水中杂质，以期保持水质洁净。其中，尤其以机械过滤和泡沫分离处理技术，因效果明显而在工厂化规模养殖的尾水处理中获得广泛应用［13-14］。

由于大量的残饵粪便是以大颗粒状、悬浮态存在于水产养殖尾水，机械过滤能有效去除水中有机物和氨氮，显然在尾水处理的前期是一种十分实用且简便的物理处理技术手段。前期实地调研结果表明，沉淀砂滤处理系统在水产养殖处理工程中实际应用较多。整套沉淀砂滤处理系统占地面积较大，有的达到厂区的30％甚至更多。一个年产不到50亿尾虾苗的育苗厂区，沉淀池、蓄水池的总容积少则二三千m3，多则近万m3。除采用一般机械过滤去除较大悬浮物外，还通常采用弧型筛或微滤机等去除小颗粒悬浮物。常用的弧形筛筛缝间隙为0．25 mm，可有效去除约80％的粒径大于70μm的固体颗粒物质。微滤机的过滤精度达0．45μm，可以有效去除99％的水中悬浮物。如Ridha等［15］用塑料生物过滤介质对简易罗非鱼循环养殖系统废水过滤，取得了很好的净化效果。

在对微细小有机颗粒物等的去除方面，泡沫分离技术占据突出的优势。它能有效利用气泡的表面张力，吸附水中的生物絮体、纤维素、蛋白质等溶解态物和小颗粒态有机杂质。Timmons［16］综合评述了用于循环水养殖系统中的泡沫分离技术，其中提到的气泡，既可以吸附带负电的微小颗料，又可以吸附带正电的微小颗料。Thomas［17］研究发现泡沫分离技术对微小悬浮物（SS）和溶解有机物有很好的去除效果，泡沫上聚集的微小颗粒物粒径小于30 nm。孙大川等［18］研究得出：随着水力停留时间的延长，泡沫分离器对不同规格微小固体悬浮颗粒物的去除效率逐渐增加。事实上，泡沫分离器的有效性就在于扩大气体和液体之间的表面区域及其特定的表面张力，使气泡表面自然吸附更多的纤维素、蛋白素和食物残渣，最大程度能清除水产养殖尾水中80％的有机新陈代谢产物。此外，反映接触点部分的二氧化碳和氧气还进行了密集的交换。因此，经泡沫分离技术处理后的尾水充满了丰富的氧气，只含有少量的二氧化碳、微量元素和维生素。

2．2 化学处理技术

早前使用的水产养殖尾水化学处理手段，主要采用的是水流消毒法，以杀灭水体中的致病生物为主要目标。由于仅采用沉淀砂滤等水产养殖物理处理手段，水中弧菌、藻类孢子等都无法有效去除，所以大部分水产养殖企业在水中添加化学药剂杀菌，次氯酸钙5～20 pm是常用的药剂和浓度。臧微玲等［19］利用高锰酸钾、甲醛、生石灰等对罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii）育苗用水进行预处理，大大提高了罗氏沼虾的变态率和出苗率。化学药剂作为水质改良剂，对水产养殖尾水进行一定处理后，提高了尾水排放的质量，但长期连续使用不但容易使菌株产生耐药性，对于有保护层的孢子和虫卵更是难以杀灭，甚至对水产养殖环境造成二次污染，带给人体次生伤害。

目前，国内外研究中采用比较多的水产养殖化学处理手段是臭氧处理技术。臭氧可以有效地氧化水产养殖海水中积累的氨氮、亚硝酸盐，降低有机碳含量、COD浓度，去除水产养殖尾水中多种还原性污染物，起到净化水质、优化水产养殖环境的作用。臭氧具有的高效无二次污染等特性，使其在水产养殖尾水处理中的应用日益普遍。王博君等［20］、朱福庆等［21］研究了臭氧在河蟹（Eriocheir sinensis）育苗中的应用，认为育苗水经臭氧处理后，水中的细菌得到了有效抑制，亚硝酸盐大幅度降解。

絮凝剂也常被用于水体悬浮物的去除。天然水体中胶状离子大多带负电荷，加入正电荷的铝盐、铁盐、氢氧化钙、聚丙烯酰胺等絮凝剂使离子凝聚下沉，从而达到去除目的。

W．T．Mook等［22］详细综述了使用电化学技术去除水产养殖尾水中的总氨氮（TAN）、亚硝酸盐、总有机碳（TOC）情况，具有高效、操作条件适宜、设备较小、产生泥浆最少、启动快速特点。

2．3 生物处理技术

国内开展的水产养殖生物处理技术主要有5种方式：水生植物、藻类、水生动物、微生物、人工湿地，其中微生物净化水产养殖尾水技术最为成熟。近年来利用水体有益微生物如绿色藻类（Thallophytes），实施以菌制菌的生物修复技术逐渐成为水产养殖尾水处理研究与开发的热点。

具有抑制致病菌生长、起水质净化作用的微生物主要有硝化细菌（Nitrifying bacteria）、光合细菌（Photosynthetic bacteria）、枯草杆菌（Bacillus subtilis）、放线菌（Actinomycete）、乳酸菌（Lactobacillus）、芽孢杆菌（Bacillus）、链球菌（Pneumococcus）等。中国、日本及东南亚等国的养虾池和养鱼池普遍投放光合细菌以改善水质［23-24］。据了解，厄瓜多尔、美国及日本的养虾场还通过用微生物技术清洁水体，去除有机物，使水产品的养殖密度增加了20％，同时提高水产品的品质。国内关于罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii）、中华鳖（Trionyx sinensis）、加州鲈（Micropterus salmoides）、中国明对虾（Penaeus orientalis）养殖中应用光合细菌［25］，芽孢杆菌［26］等降低水中氨氮、硫化氢含量的研究，有益细菌起到了抑制病原繁殖的作用，具有改善水质、减少病害、提高水产养殖经济效益的效果。仇丽等［27］在育苗期的水产养殖水体中加入枯草芽孢杆菌后，氨氮含量和亚硝酸氮含量分别下降52．5％和50％。

制取高效的微生物净水产品的重点是通过筛选以获得净化能力强和优良生产性能的菌株。迄今，在水产养殖尾水处理应用中，大多数是益生菌—复合水产微生态制剂，即由许多有益微生物组成的活菌制剂，能发挥各个菌株的不同功能，起到协同作用，克服单一品种适应性差、应用面较为狭窄的不足。“利生素”［28］、EM菌群［29］、Clear～Flo［30］等是常见的复合微生态制剂产品。Grommen等［31］向养鱼池尾水中投加复合菌液，4 d内可使氨氮由10 mg／L降低到可检测范围。微生物菌剂还能促进生物链的形成。枯草芽孢杆菌的作用就是防止粪便、死藻、残饵的过度积累，促进藻相的更新，及时分解水中有机物，对池塘水质、底质的改良与修复效果十分明显。张克强等［32］把两种芽孢杆菌投入水产养殖水体，使氨氮、亚硝酸盐和COD浓度分别降低了96．97％、87．78％和73．66％，其原理就是利用有益菌调节水体中菌相藻相的平衡，防止残饵与代谢产物积累所引起的水体环境的恶化。

以上三种尾水处理技术各有优缺点，详见表1。

表1 水产养殖尾水处理三类技术比较Tab．1 Comparison of three kinds of technology in aquaculture wastewater treatment

3 水产养殖尾水处理形式的现状

水产养殖尾水处理属于设施渔业范畴，其关键是从水处理效率和水质改善等方面降低成本、净化水质，有效减少养殖过程对周边水环境的依赖。到目前为止，现实生产实际中，水产养殖尾水处理形式主要包括池塘分区净化、设施净化、湿地净化等。

3．1 池塘净化

池塘净化主要依据过滤、沉淀、吸附、氧化、降解等的技术原理，在措施落实上有：沙滤、网滤、曝气、水生植物处理、水生动物处理等。传统池塘养殖中常用的过滤池都是快滤池类型，效果与所用的过滤填料有关，多种组合填料比单一填料的过滤效果要好。过滤法最大的缺点是由于水产养殖水中悬浮物相当多，在短时间内会形成阻塞现象，需配合定期清洗或更换填料过程，但仍浪费很大的人力、物力。池塘净化特点是简便易建、成本低，但见效慢，场内有局部污染。

3．2 设施净化

设施净化原理上类同池塘净化，技术上更加细化和专门化。设施净化特点表现为效果好、占地少、成本高。存在于水产养殖尾水中溶解或不溶解的杂质，粒径大都在1 nm～0．2μm范围，属胶态体系，不能借重力作用沉淀，也不能以过滤方法去除，只能靠药剂破坏其稳定性，使胶体颗粒增大才能予以去除。一般情况下从1 nm～100μm的颗粒领域均可用凝聚处理，所以利用设施作凝聚处理在分离技术中既重要又广泛。同时在水产养殖过程中利用活性炭特殊的吸附作用，去除水中的有机碎屑、蛋白质、类脂物、异臭物、农药、游离氨、色素等物质。但由于吸附介质易被悬浮物堵塞，且处理水量小，处理成本相对较高，在水产养殖场中应用较少。

3．3 湿地净化

湿地净化是一种复杂的多功能生态系统，利用物理过滤、化学吸附、沉淀、植物过滤及微生物作用等方法，能有效去除水产养殖尾水中的N、P等营养元素，还能去除一定的BOD、COD、SS，具有很高的净化能力。陈家长等［33］构建的池塘养殖——表面流人工湿地系统，污染物平均去除率分别为NH3-N达76．9％，NO2-N达53．1％，NO3-N达60．9％，TN达54．2％。李怀正等［34］针对上海松江五库农业园区水产养殖污染问题，提出以边坡人工湿地／水生植物塘集成技术进行处理，优化工艺流程及工程设计，湿地表面种植栀子花、金边黄杨、金鸡菊、美人蕉、麦冬草等湿地或坡岸植物，达到湿地供氧及美化边坡作用。集成技术示范工程运行结果表明：湿地对水质净化的功能与湿地类型、填料厚度、填料种类、植物种类、植物数量有关，植物每年COD、TN、TP的减排强度分别达到896．35 kg／hm2、35．2 kg／hm2、10．9kg／hm2，初步解决了园区水产养殖排水污染问题。同时，水生植物塘中生长的浮萍可以用作草鱼养殖饲料，符合现代水产养殖的发展趋势。由于地区间气候等条件差异较大，因此湿地的选择要因地制宜。

Jan Vymazal［35］综述了使用混合人工湿地特别关注N尾水去除技术最新进展，指出混合人工湿地由几个阶段的垂直流动和之后的几个阶段水平流动床组成，与单纯垂直流动或水平流动的人工湿地相比较，去除总氮效率更高。

4 水产养殖尾水处理技术的开发和应用

4．1 利用鱼-贝-藻循环水养殖模式的环境修复水产养殖尾水处理净化

大面积水产养殖的生态系统显然是很容易受到人工干扰的简单脆弱生态系统，不仅水环境本身容易受到影响，而且养殖水体环境变化也容易导致养殖水产病害发生。宁波优贝海洋科技有限公司鱼-贝-藻循环养殖模式的复合尾水处理净化系统（图1）以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的间歇砂滤和接触过滤技术发展起来，兼顾微生物处理技术，费用低廉，经济美观。这既符合现代水产养殖高效高产趋势，也符合生态环境的要求，是未来水产养殖尾水处理技术改进的方向之一。

鱼-贝-藻循环养殖以主要养殖经济作物——鱼为中心，可开展轮养、套养、间养等养殖模式。多种生物间的混养，必然有互相依赖，也有交叉影响，因此对藻类和贝类的选择尽量以能吸收所养鱼类残饵剩渣、改善水质状况为目标，兼顾养殖的副业经济。海水养殖尾水在经投放了江蓠（Gracilaria lemaneiformis）、羊栖菜（Hizikia fusifarme）、浒苔（Enteromorpha prolifera）等藻类净化池后降低了N、P含量，同时由光合作用增加了水中的氧气含量；再经投放了三倍体太平洋牡蛎（Crassostrea gigas）、皱纹盘鲍（Haliotis discus hannai）、海螺（Busycon canaliculatu）等的贝类净化池后，由贝类滤食固态有机颗粒和浮游生物，进一步降低了水体中的有机物含量和营养盐数量，水质得以易位修复。

图1 鱼-贝-藻循环养殖模式复合水处理系统设计Fig．1 Design of wastewater treatment system for the fish-shellfish-algae cyclem odel

马旻等［36］研究了凤眼莲、轮叶黑藻、香根草和水雍菜四种水生植物在亚热带气候条件下净化淡水养殖废水的效果，跟踪比较了一个月之内它们处理污水时，水体氮、磷、化学需氧量、pH值和溶解氧的变化，结果表明：4种植物均能强化养殖废水污染物的去除。

4．2 利用生态原理的原位修复水产养殖尾水处理净化

水产养殖尾水的共同点是：属有机污染，几乎不含有毒物质，但N、P含量很高；N、P、COD等主要污染参数大部份含在固形物中，经过滤后这些指标可大幅度下降。水产养殖尾水中的悬浮体系颗粒一种是比较容易沉淀的颗粒，特别是温室类的尾水经3～5 min就能沉淀，此后就看不出有继续沉淀的效果；另一种是有机和无机的胶状体，即使放置三天以上这些悬浮物还是无法完全沉淀。水产养殖尾水的性质与特点还依养殖对象的不同而有差别，大致可分二种情况：一是温室类，尾水污染指数高，尾水中除菌类外几乎没有活体；二是池塘养殖池，污染指数相对低一些，尾水中有藻类和浮游动物等的活体，但在它们死亡前不容易沉淀，如要去除就必须使用化学药剂。

综合对水产养殖尾水的认识和目前对水产养殖尾水处理的研究情况看，单纯地利用一种方法或一种形式处理尾水，效率和效益均不能达到最大值。利用生态原理将物理、化学、生物三种处理手段有机高效融合，包括进一步研究物理过滤或吸附作用更强的滤料，提供廉价高效的化学絮凝剂，开发处理效果更强、有毒有害物去除率更高的生物品种，形成综合水产养殖尾水处理模式，原位修复水质环境，将是改进水产养殖尾水处理技术发展的重点方向之一。

以宁波优贝海洋科技有限公司研发的UB-16型为例（图2），其水产养殖尾水处理路线为：整个养殖水域→尾水收集池→平流池→生化池（水处理一体机）→植物吸收池→清水贮水池→公共排放水域。尾水处理的核心工艺是悬浮物（SS）、营养盐去除、排放或回用。工艺流程经过机械过滤、气浮分离、生物氧化、消毒杀菌等环节。其尾水处理模式的原理是依托物理、化学、生物三者处理手段的有机融合（图3），达到水质原位净化的目的。在实践应用生物填料时，注意不同种类的生物填料，对号入座，有针对性选择填料种类；同时，注意使用对象的污染指数，若在水中的污染物过高，特别是SS过高的污水中使用，污水中的污染物和悬浮物会很快附着在填料表面，将填料与水体隔离，使其失去净化功能。因此，实践应用中，还注重加强管理，定时清洗及更换。

图2 UB-16型尾水处理综合系统示意图Fig．2 Schematic diagram of UB-16 aquaculture wastewater treatment system structure

图3 尾水处理模式原理图／流程图Fig．3 Diagram／Flow chats of aquaculture water treatmentmodel

这种利用生态原理，以水处理一体机为代表的综合处理方法，提供了一种从高效出发，以节省水资源消费为特征的水产养殖尾水处理技术改进模式，强调运用水质在线监测处理和调控技术与病害防控技术。经测试，过滤精度可达到30 nm，对于水中的颗粒物、藻类和弧菌，比如霍乱弧菌尺寸200～600×1 000～3 000 nm，金黄色葡萄球菌尺寸800～1 000 nm，大肠杆菌500× 1 000～2 000 nm均可得到有效的去除。同时，注意实时监测水中化学残留物质，如在利用臭氧处理养殖河蟹育苗时，操作过程中时刻注意臭氧的毒性问题，当水体残留臭氧浓度高于0．06 mg／L时，可对鱼虾等养殖生物产生一定的毒性作用［37］。为确保水产养殖尾水中剩余臭氧不对水生生物产生不良作用，还增加采用以下方法对残留臭氧加以去除：一是利用活性炭进行吸附；二是配置鼓风曝气设备等。依靠物理、化学、生物有机融合的综合水产养殖尾水处理技术，使“人工操纵”实现养殖系统的“生物操纵”与环境“自我修复”，有效地控制着养殖的自身污染及因养殖活动对水域环境造成的影响，凸显水环境的生态修护和生态维持作用，实现与养殖效益的平衡。

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Review on status of wastewater treatment technologies and their development and app lication in aquaculture

HUANG Shi-ming1，CHEN Xian-gao2，SHI Jian-gao3，XU Li-li4
（1．Ningbo Union-bay Marine Science＆Technology Co．LTD．，Ningbo 315000，China；2．Market Supervision Administration of Pingyang County，Pingyang 325400，China；3．East China Sea Fisheries Research Institute，Shanghai 200090，China；4．Agricultue Bureau of Pingyang County，Pingyang 325400，China）

At present，high-density pond culture is the most common mode in aquaculture of China．Following the conventional culture methods，a large number of residual feeds and excrement are discharged into waters，and wastewater pollution originated from aquaculture becomemore severe．From studies of several years，the treatment and recycling of wastewater has been known as the key steps for the development of sustainable aquaculture．The characteristics of aquaculture wastewater weremainly analyzed．Meanwhile，the advantages and disadvantages of the current physical，chemical，biological techniques，aswell as the research status in wastewater treatment among ponds，facilities，constructed wetlandswere comprehensively reviewed．From the above，two development and application modes，which are based on environmental and ecological principals respectively are proposed for wastewater treatment in the hope of providing references for the healthly and sustainable development of aquaculture in the future．

aquaculture；wastewater treatment；constructed wetland

S 969

：A

2095-3666（2016）04-0278-08

10．13233／j．cnki．fishis．2016．04．006

2016-07-15

：2016-08-08

2013年海洋经济创新发展区域示范项目“年产650吨高性能离岸深水网箱岱衢族大黄鱼健康养殖示范”；四技服务项目“水产养殖大型围网工程设计合作”；洞头县科技计划项目“白龙屿栅栏式堤坝围网用高性能绳网技术开发”（N2014K19A）

黄世明（1971-），男，学士，浙江浦江人，主要从事尾水处理技改项目。E-mail：nbhsm＠hotmail．com