多功能生态塘对高密度水产养殖尾水的净化效果

常雅军， 陈 婷， 周 庆， 刘晓静， 姚东瑞， 韩士群

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014； 2. 江苏省中国科学院植物研究所，江苏 南京 210014)

近年来，随着中国水产养殖业的发展，高密度、集约化的养殖已大面积展开。然而，在众多的水产养殖模式中，池塘养殖仍是最主要的形式之一[1]。池塘养殖的水体既是养殖对象的生活场所，也是粪便、残饵等的分解场所和浮游生物的培育池[2]。在池塘高密度养殖模式下，养殖对象产生的代谢物不能被及时分离和降解，造成水质恶化，影响鱼类生长，甚至导致鱼类中毒和死亡[3-5]。目前，生产上常采用频繁换水的方法来改善池塘养殖环境，向环境中排放大量未经处理的养殖尾水或污水，致使近水域河流、湖泊等水体富营养化，生态环境所承受的压力日益增加[6]。

封闭式循环水养殖是指从养殖池塘排出的全部或90%以上尾水、污水，经净化处理后，循环至养殖池塘再利用[7]。与传统养殖模式相比，循环水养殖既能满足高密度、集约化的养殖需求，又能大大减轻对环境的污染，减少对能量、土地以及水资源的消耗[8-9]。在欧洲，高密度的封闭式循环水养殖被列入一种新型的、快速发展的复杂技术行业中，在鱼、虾、贝及软体动物的养殖中得到广泛应用[10-11]。在美国，大西洋鲑、鳗鲡、大菱鲆等几乎都采用全封闭式循环水养殖模式[12]。在中国，许多鱼类和虾、蟹的养殖也采用了循环水养殖系统，并获得了良好的收益[7-8,13]。然而，循环水养殖系统作为水产养殖和环境保护的新手段，还需要持续的关注和发展，如何高效净化和循环利用池塘高密度养殖水，也是保护水生态环境和提高养殖效益的研究热点[7-11]。

水产养殖污水的处理方法有物理法、化学法和生物法3种[14]。生物法是一种极具生态型的高新环境技术，具有绿色、环保、节能的特点[14-16]。生态塘技术是由氧化塘技术发展而来的污水生态化处理技术，是利用天然水中存在的微生物、藻类、水生动植物对污水进行好氧、缺氧和厌氧生物处理的天然或人工池塘[17]。通过生态塘中多条食物链的物质迁移、转化和能量传递，将进入塘中的有机污染物进行降解和转化，达到净化水质的目的。同时，净化后的养殖水也可作为再生水资源进入养殖池塘重新利用，使污水处理与再利用相结合，实现污水处理资源化。

随着研究和实践的深入，在原有氧化塘技术的基础上，衍生出的多功能生态塘技术是兼具脱氮、除磷和再生-回收-利用功能的生态塘技术，已成为生态塘处理工艺发展的主要方向[18]。为此，本研究拟针对池塘高密度养殖污水，利用多功能生态塘技术，设计一种封闭式循环水养殖系统，以期实现水质的高效净化和循环利用，为中国水产养殖业的可持续发展和水资源的回收利用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验在江苏省农业科学院试验基地进行，养殖池塘面积为24.00 m2，深度为1.20 m，养殖鱼种为锦鲤，初始放养量为80 kg，1 d饲料喂养量为1 kg。图1显示，多功能生态塘是由具有弹性填料的接触氧化塘、种植不同水生植物的稳定塘和沉水涵养塘3部分组成。其中接触氧化塘面积为4.50 m2，深度为1.20 m，弹性填料(聚乙烯纤维丝)布置密度为1.00 m326根，采用间歇性曝气增氧措施(计时器控制)，即每增氧4 h，停止2 h，1 d共计增氧16 h，以便弹性填料成熟生物膜层由外至内形成好氧、缺氧、厌氧的微环境。稳定塘面积为20.25 m2，深度为1.20 m，种养的水生植物分别为水葫芦、狐尾藻和芦苇，各植物的初始放养量如表1显示，各植物的总种养面积为稳定塘面积的1/3。沉水涵养塘面积为6.75 m2，深度1.20 m，沉水植物为黑藻。不同生态塘底部用直径为8.00 cm的圆形开口串联，末端的沉水涵养塘与前段的接触氧化池塘之间用动力泵接通，形成净化系统的内循环。

图1 多功能生态塘工艺图Fig.1 Diagram of multi-functional ecological pond

表1多功能生态塘中水生植物的初始放养量

Table1Initialfreshweightofdifferentaquaticplantsinmulti-functionalecologicalpond

项目浮水植物水葫芦挺水植物芦苇沉水植物狐尾藻黑藻初始放样量(kg)40．005．1121．321．12

封闭式循环水养殖系统运行期间(2016年7月)，每隔3 d将养鱼塘污水与多功能生态塘水进行间歇性交换，在养殖尾水进入多功能生态塘的进口处和净化后的出口处进行水体取样与检测，28 d内的检测次数为9次，重复样品数为3次，对应的水体交换量逐步增大，依次为6.25%、12.50%、12.50%、25.00%、25.00%、37.50%、37.50%、50.00%、50.00%。净化水体回到养鱼池之前，需要在储水池进行臭氧杀菌和曝气增氧处理。

1.2 养殖水

封闭式循环养殖系统水体来源于江苏省农业科学院1号塘，经多功能生态塘内部循环和净化处理，总氮浓度为0.740 mg/L，小于地表水III类水质标准值(1.000 mg/L)(GB3838-2002);硝态氮浓度为0.530 mg/L，远低于国家渔业养殖水质标准值(20.000 mg/L)(GB11607-89);亚硝态氮和氨氮浓度分别为0.039 mg/L和0.008 mg/L，均远低于国家渔业养殖水质标准值(0.120 mg/L和0.020 mg/L)(GB11607-89);总磷0.063 mg/L。因此，封闭式循环养殖系统中水质良好，符合中国渔业养殖水标准。

1.3 测定方法

通过OLYMPUS CX31型三目电子显微镜进行生物膜生物相分析。水体中总氮浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-1989)测定，总磷浓度采用钼酸铵分光光度法(GB11893-1989)测定，氨态氮浓度采用纳氏分光光度法(HJ535-2009)测定，硝态氮浓度采用紫外分光光度法(HJ/T346-2007)测定，亚硝态氮浓度采用分光光度法(GB7493-87)测定。

1.4 数据分析

采用Office 2010软件对数据进行整理。多功能生态塘对高密度水产养殖尾水中氮和磷去除率的计算公式为：Wi-3=(Ci-Ci-3)/Ci×100%，式中：Wi-3为多功能生态塘运行第id，进入多功能生态塘的养殖尾水停留3 d后，其氮或磷的去除率，Ci为多功能生态塘运行第id，进入多功能生态塘的养殖尾水中所含氮或磷的浓度，Ci-3为进入多功能生态塘的养殖尾水停留3 d后，流出多功能生态塘时所含氮或磷的浓度。

2 结果与分析

2.1 接触氧化塘弹性生物膜生物相分析

目前，在污水处理系统中，一般采用原生动物作为生物膜稳定的指示生物[19-20]。2016年6月22日，采用活性污泥快速启动方式对接触氧化塘进行挂膜。在接触氧化塘启动初期，生物膜处于形成过程，挂膜尚未成熟。在启动的第8 d，发现弹性填料(聚乙烯纤维丝)上附着一层厚厚的微生物黏液(图2)。图3显示，通过电子显微镜观察到较高等的原生动物(草履虫、变形虫、钟虫和轮虫等)，这些生物的出现表明生物膜已经成熟，接触氧化塘反应已趋稳定，可运行封闭式循环水养殖系统，并对多功能生态塘进口水质和出口水质进行检测。

图2 接触氧化塘中弹性填料生物膜表面菌胶团Fig.2 Surface zoogloea of elastic filler biofilm in contact oxidation pond

图3 接触氧化塘生物膜中原生动物Fig.3 Protozoa from biofilm in contact oxidation pond

2.2 对总氮、硝态氮的去除效果

封闭式循环养殖系统的原水质良好，完全符合渔业养殖水标准，但当养鱼池中投放80 kg锦鲤，并且1 d的饲料喂养量为1 kg时，鱼类的粪便、残饵等在夏季分解于池，改变水质，造成水体氮、磷浓度上升。在持续喂养8 d后，生物膜挂膜成熟，养殖尾水进入多功能生态塘进行净化处理。图4显示，在为期28 d的检测时间内，进水口总氮浓度从初始的6.84 mg/L呈折线式上升到13.39 mg/L。同时，养鱼池与多功能生态塘水体交换量从养鱼池水量的6.25%加大到50.00%，但经多功能生态塘净化后，出水口的总氮浓度由1.56 mg/L增至3.61 mg/L，总氮去除率为60.04%～92.95%。在试验期间的9次检测中，硝态氮浓度在多功能生态塘进水口的检测值由1.59 mg/L增至6.69 mg/L，在试验期间的前7次检测中，养鱼池塘水体硝态氮浓度上升较快。在水体交换量逐步增大的情况下，经多功能生态塘内循环净化3 d(运行28 d)，出水口硝态氮浓度均低于1.57 mg/L，去除率为70.93%～93.59%。

图4 不同水体交换量下多功能生态塘对高密度养殖尾水总氮、硝态氮的去除率Fig.4 Removal rate of total nitrogen and nitrate nitrogen of tail water from high-density aquaculture by multi-functional ecological pond under different water exchange capacity

2.3 对亚硝态氮、氨态氮的去除效果

渔业养殖水中的亚硝态氮和氨态氮积累到一定程度，会对鱼类产生明显的毒性，诱发鱼病[21-22]。因此，国家渔业养殖水标准中对亚硝态氮和氨态氮作了明确的浓度要求(GB11607-89)。图5显示，在系统运行至第21 d(水体交换量达37.50%)时，由养鱼池塘排至多功能生态塘尾水中的亚硝态氮浓度高达0.20 mg/L，远大于国家渔业养殖水标准值(0.12 mg/L)，但在其他运行时间出现的养殖尾水的亚硝态氮浓度均接近国家渔业养殖水标准值(0.12 mg/L)。同时，在水体交换量从初始的6.25%增加到50.00%的情况下，不同浓度的亚硝态氮养殖尾水经多功能生态塘处理后，其浓度均低于国家渔业养殖水标准值(0.12 mg/L)，可循环至鱼塘再利用。系统运行21 d后，多功能生态塘对亚硝态氮的去除率开始急剧下降，由60.00%下降至30.70%。说明耦合的多功能生态塘，在系统运行21 d后，对亚硝态氮的去除能力开始下降。

高密度养殖尾水中氨态氮浓度也较高，在试验期间的9次检测中，从养鱼池塘排至多功能生态塘进水口的污水氨态氮浓度为0.17～3.64 mg/L，远高于国家渔业养殖水氨态氮标准值(0.02 mg/L)(GB11607-89)。当水体交换量从初始的6.25%增加到第21 d的37.50%时，不同氨态氮浓度的养殖尾水经多功能生态塘净化后，在出水口的7次检测中，有2次(即系统运行第15 d和第18 d)没有检测到氨态氮，其余5次的氨态氮检测值为0.01 mg/L～0.02 mg/L，符合渔业养殖进水标准，可循环至鱼塘再利用。当水体交换量达到养鱼池塘水量的50.00%时，在多功能生态塘出水口进行2次检测，氨态氮的检测浓度分别为0.03 mg/L和0.22 mg/L，均高于0.02 mg/L，不符合渔业养殖进水标准(图5)。

图5 不同水体交换量下多功能生态塘对高密度养殖尾水中亚硝态氮、氨态氮的去除效果Fig.5 Removal rate of nitrite nitrogen and ammonia nitrogen of tail water from high-density aquaculture by multi-functional ecological pond under different water exchange capacity

2.4 对总磷的去除效果

图6显示，养鱼塘排至多功能生态塘进水口的污水磷浓度从初始的0.92 mg/L上升至6.52 mg/L，随后又下降至2.06 mg/L，试验结束时又上升至5.23 mg/L。在多功能生态塘出水口的前7次检测中，总磷浓度为0.05～0.76 mg/L，去除率为76.85%～95.36%。说明，当水体交换量从6.25%增加到37.50%时，多功能生态塘对总磷的去除率均高于76.85%。当水体交换量大于37.50%时，总磷去除率直线下降，试验结束时下降至56.41%。尽管国家渔业养殖水标准(GB11607-89)对总磷含量未做要求，但本研究结果表明，多功能生态塘对高密度养殖尾水中的总磷也具有良好的去除效果。

图6 不同水体交换量条件下多功能生态塘对高密度养殖尾水中总磷的去除效果Fig.6 Removal rate of total phosphorus of tail water from high-density aquaculture by multi-functional ecological pond under different water exchange capacity

3 讨 论

本研究中设计的多功能生态塘由前端的接触氧化塘、中间的稳定塘和末端沉水涵养塘3部分组成。接触氧化塘的填料选择比表面积较大的聚乙烯纤维丝，因为比表面积越大，越有利于微生物的繁殖和生长[21]。采用活性污泥快速启动方式进行挂膜，进行间歇性增氧，即每增氧4 h，停止2 h，1 d共计增氧16 h。在启动的第8 d，聚乙烯纤维丝上附着一层厚厚的微生物黏液，通过电子显微镜观察发现，较高等原生动物草履虫、变形虫、钟虫和轮虫等表现活跃，说明生物膜已经成熟。成熟的生物膜层会由外至内形成好氧、缺氧、厌氧的微环境，有利于硝化反硝化的同步进行。因此，生物膜技术在水产养殖水循环中也逐渐兴起[22-24]。

本研究设计的封闭式循环养殖系统运行的28 d内，在逐渐增加水体交换量的条件下，对多功能生态塘进水口和出水口的水质指标进行检测，明确多功能生态塘净化高密度养殖尾水的能力。研究结果表明，在试验期间的9次检测中，随着水体交换量的逐步增大，养殖尾水在进水口检测的总氮浓度为6.84～13.89 mg/L，但经过多功能生态塘净化后的总氮浓度为1.56～3.64 mg/L，低于净化前的浓度，去除率为60.04%～92.95%。同时，在开始检测的前7次结果中，多功能生态塘对总磷的去除率均高于76.85%。尽管国家渔业养殖水标准(GB11607-89)对总氮和总磷含量未做要求，但在地表水富营养化程度评价标准中，总氮和总磷浓度越高，富营养化程度越高，会造成养殖水中浮游生物的大量繁殖，消耗水中大量的氧，造成养殖水中溶解氧不足，鱼类难以生存。因此，多功能生态塘对总氮、总磷的高效去除，可以改善养殖水源的水质，利于鱼类的生长发育。多功能生态塘对养殖水中总氮的高效去除主要是因为其对硝态氮、亚硝态氮以及氨态氮等含氮化合物的高效去除。此外，多功能生态塘对总磷的高效去除是因为生态塘好养层和兼氧层中的微生物、水生植物可吸收水中溶解性无机态磷酸盐，满足自身的新陈代谢，从而达到降低水中磷含量的目的[25]。在试验后期，当水体交换量大于37.50%时，总磷去除率直线下降至56.41%，这可能是由生物膜微生物衰退引起的。

多功能生态系统对不同形态氮的去除效果表明，试验期间的9次检测中，硝态氮在多功能生态塘进水口的检测值由1.59 mg/L增大到6.69 mg/L。在水体交换量逐步增大的情况下，多功能生态塘出水口硝态氮浓度均低于1.57 mg/L，去除率为70.93%～93.59%，体现了多功能生态塘对硝态氮的高效去除。这一方面是由于多功能生态塘的生物膜和水生植物根系上附着大量的反硝化菌，在厌氧条件下可将硝态氮转化为氮气逸出[26]，另一方面是因为水生植物和微生物也可吸收、同化一部分硝态氮，用于自身的生长。此外，在水产养殖中，亚硝酸盐是硝化菌处理养殖污水过程的中间产物，是另一种具有潜在毒性的无机氮化合物，一旦硝化反应不畅，亚硝酸盐可在养殖水体中积累，会诱发鱼病发生，甚至造成鱼类死亡[21]。本研究中，当循环养殖系统中水体交换量从初始的6.25%增加到50.00%时，经多功能生态塘净化后的水体亚硝态氮浓度均低于0.12 mg/L，符合中国渔业养殖水标准，可循环至鱼池再利用。

氨态氮浓度的高低对循环水养殖的成败起着关键作用，当水体中总氨含量超过0.50 mg/L时，对鱼类有毒害作用，鱼类不能长时间生活在此水体中[21-22]。本试验中，高密度养殖尾水氨态氮浓度为0.17～3.64 mg/L，远高于中国渔业养殖水氨态氮标准值(0.02 mg/L)(GB11607-89)，这是由高密度水产养殖中的大量饲料残渣和粪便中溶解性有机氮在鱼池微生物作用下分解、氨化引起的[26]。然而，当水体经多功能生态塘净化后，在出水口的7次检测中，有2次(即系统运行第15 d和第18 d)没有检测到氨态氮，其余5次的氨态氮检测值为0.01～0.02 mg/L，低于中国渔业养殖水标准值，可循环至鱼池利用。当水体交换量达到50.00%时，出水口的氨态氮浓度高于0.02 mg/L，不符合渔业养殖进水标准，试验停止。说明本研究设计的多功能生态塘在系统运行前期对养殖尾水氨态氮去除效果较好，这是因为污水进入多功能生态塘后，所含氨态氮在硝化菌作用下转化为硝态氮，继而在反硝化菌的作用下还原成分子态氮并挥发到大气中，同时氨态氮也可被生物膜中微生物和水生植物吸收同化。试验后期，出水口氨态氮浓度不符合渔业养殖水标准，一方面可能是随着进水浓度和水体交换量的增大，本研究所耦合的多功能生态塘的净化能力开始下降，另一方面可能是因为接触氧化塘中的生物膜开始老化，在厌氧菌作用下，衰亡的细菌发生分解。

本研究耦合的多功能生态塘集生物絮凝作用、过滤截留作用、生物氧化作用和植物吸收作用于一体，对进入的养殖污水水质和水量的变化都具有较强的适应性。当接触氧化塘生物膜成熟后，尽管水体交换量从鱼池水量的6.25%逐渐增加到37.50%，多功能生态塘在高密度养殖尾水总氮、总磷、硝态氮、亚硝态氮以及氨态氮的去除中，均表现良好。净化后水体亚硝态氮和氨态氮的浓度均低于中国渔业养殖水标准，可循环至养鱼池利用，达到了改善水源水质，净化养殖尾水并循环利用的目的。在生态塘内部形成水体内循环，养殖废水和净化后水体之间进行间歇性交换，这与传统模式中的频繁换水法相比，增加了废水在净化区的停留时间，提高净化效率的同时降低了劳动成本，对中国目前大面积、集约化发展的水产养殖业的可持续发展与水资源高效利用具有积极意义。

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