阳澄湖围网养殖生态坝的优化设计与评价

石鸿韬，黎岭芳，穆玉林，高月淑，张振家，李春杰

(上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240)

中国大闸蟹养殖产业发展迅猛，其养殖产量和品质取决于优良的水质和生态环境。然而，持续的大规模围网养殖使得水体不断污染、生态系统退化，影响大闸蟹的生长繁殖，典型如阳澄湖大闸蟹养殖[1-3]。阳澄湖大闸蟹由于持续过度养殖，导致水体污染、透明度下降、沉水植物大量减少[4]，不利于大闸蟹栖息蜕壳。大闸蟹养殖对水体的污染主要来自残留饲料和排泄物，以养殖规模为10 000只/户(面积约6 667 m2)统计，一个养殖周期总共投放饲料约8 850 kg，主要是玉米和冰冻小鱼。养殖生态环境的不断恶化会使残留饲料的比例增大，导致污染加剧。此外，为了保障螃蟹蜕壳，养殖初期会投放大量水草，6月份以后其生长状况逐渐变差，最终会烂死在水体中，也会增加污染负荷[5-6]。为了保护阳澄湖水质，当地政府不断出台限制养殖规模的措施。

生态坝技术运用生态学原理，既可以控制养殖水体的污染，也有利于提高大闸蟹的产量。其单体结构是由填料浮床和植物浮床构成，分别通过微生物转化和植物吸收，起到净化水质的作用，同时，浮床水生植物有利于大闸蟹的生长，构建新的养殖生态体系[7]。前期研究通过在阳澄湖大闸蟹养殖基地上搭建面积200 m2的生态坝示范区，开展了一系列基础研究。倪志凡等[8]研究发现生态坝对于TN(总氮)和TP(总磷)的去除能力分别为340 mg/(m2·d) 和2 mg/(m2·d) ；穆玉林等[9]研究发现阳澄湖围网养殖的TN和TP污染负荷分别为68.29 mg/(m2·d) 和7.05 mg/(m2·d) ，这些结果为生态坝的设计[10]提供了重要参数。

本研究以阳澄湖单个养殖户的大闸蟹养殖为对象(蟹苗10 000只，面积6 667 m2)，以前期中试试验为基础，进行生态坝的优化设计，改进单体结构，确定平面布置方案，并进行技术经济评价，为其推广应用奠定基础。

1 生态坝的设计

1.1 设计依据

阳澄湖目前共有225户大闸蟹养殖户，每一户最高养殖面积为6 667 m2，集中分布于2个水域，分别有150户和75户，各养殖户养殖水域相邻，多为长方形结构，以桩基和防水布相隔(图1)。本研究针对位于阳澄湖东边水域的一家养殖户进行。该养殖户从1998年起就在阳澄湖进行大闸蟹养殖，是当地典型的大闸蟹养殖户，具有丰富的养蟹和湖上工作经验。以2014年的养殖情况为例，该养殖户投放大闸蟹幼苗10 000只，饲料共8 850 kg，水草2 000 kg，目前大闸蟹养殖的平均存活率保持在70%左右。

本研究以2014年中试试验结果为基础开展优化设计，该养殖阶段，3、4月份的平均水温较低，为16.98 ℃，5—10月的平均水温较高，为26.94 ℃，全年平均溶氧11.13 mg/L，平均pH 8.53，5—10月份水体环境适合好氧微生物的生长；平均水质指标见表1，阳澄湖养殖区的氮磷营养盐及有机物质量浓度均高于湖区[8]。

图1 阳澄湖大闸蟹养殖区Fig.1 Crab aquaculture area in Yangcheng Lake表1 阳澄湖大闸蟹养殖周期的水质指标Tab.1 Water quality index in crab aquaculture cycle of Yangcheng Lake

区域NH+4-N/(mg/L)NO-2-N/(mg/L)NO-3-N/(mg/L)TN/(mg/L)TP/(mg/L)COD/(mg/L)养殖区0.25±0.130.016±0.0120.68±0.311.39±0.490.13±0.1042.28±7.49湖区0.22±0.110.016±0.0120.65±0.291.19±0.360.085±0.06039.55±6.33

1.2 设计方案

1.2.1 单体结构设计

图2 生态坝单体结构示意图Fig.2 Schematic diagram of ecological dam structure

大闸蟹在蜕壳期间，身体柔软、防御能力差，易受攻击，因此大闸蟹会选择阴暗隐蔽的场所进行蜕壳[11]。由于养殖污染导致沉水植物退化，其生态恢复的周期较长，为了提高大闸蟹蜕壳的成功率，在生态坝装置中设置专门的蜕壳层，利用植物根系保障大闸蟹蜕壳[12-13]。适用于大闸蟹养殖污染控制的生态坝单体结构如图2所示。选用2种填料，一种是弹性填料(图3a)，填料丝条由聚烯烃类和聚酰胺类塑料制成，填料丝条穿插固着在耐腐蚀、高强度的中心绳上，呈立体均匀排列辐射状态，中心绳长2.0 m，填料丝条截面直径1.5 mm，弹性填料外围也用网孔10 mm的网兜包裹。弹性填料生物膜不仅可以产生硝化作用，对有机物也有降解作用[14]。另一种是包埋菌(图3b)，包埋菌是利用固定化包埋技术将硝化细菌负载在颗粒上制成的。包埋菌内部呈致密的网状结构，适合多种微生物生长，其生物活性和除氮效率较弹性填料更高[15]。包埋菌颗粒粒径在3～5 mm，装载在直径10 cm的带孔塑料小球内，依次悬挂于蜕壳层之下的软绳(2.0 m)上，其外围再使用网孔10 mm的网兜包裹保护，避免大闸蟹的破坏。两种填料可以混合搭配使用。

为了避免风浪的影响，设置围网对植物加以保护。可供选择的植物类型有经济性植物和观赏性植物，比如空心菜和美人蕉。植物浮床和填料浮床之间设置蜕壳层，其上铺设纱网，便于大闸蟹爬行和栖息；蜕壳层利用植物发达的根系，为大闸蟹提供蜕壳的隐蔽场所，提高大闸蟹蜕壳的成功率，最终提高大闸蟹的产量。

生态坝的主要构架由塑料管材构成，所用管材的材质须为食品级，防止材料长期置于水中而向水体释放有毒有害物质[16]。装置中所用的网材应采用耐腐蚀、高强度的材质[17]，所有网材的孔(直)径为10 mm较为合适，不易阻塞，利于大闸蟹移动。

图3 两种填料实物图Fig.3 Physical map of two kinds of filler

1.2.2 设计计算与平面布置

根据养殖区域总氮(TN)和总磷(TP)污染负荷，通过公式(1)可以分别计算出填料浮床和植物浮床的面积，进而得到一户大闸蟹养殖水域搭建生态坝的理论布设面积。

(1)

式中：S—生态坝填料浮床或植物浮床设计面积，m2；Q—大闸蟹养殖产生的氮、磷污染负荷，mg/(m2·d)；A—该大闸蟹养殖户水域面积，m2，取6 667 m2；G—植物浮床和填料浮床的净化能力，mg/(m2·d)。

以氮元素的去除为依据，阳澄湖围网养殖TN污染负荷为68.29 mg/(m2·d) ，生态坝对于TN的净化能力为340 mg/(m2·d) ，根据公式(1)计算得到生态坝的理论面积为1 339.09 m2；以磷元素的去除为依据，阳澄湖围网养殖TP污染负荷为7.05 mg/(m2·d) ，生态坝对于TP的净化能力为2 mg/(m2·d)，根据公式(1)计算得到生态坝的理论面积为23 501.18 m2。以上两个结果中，以氮元素的去除为依据得到的面积占养殖水域总面积的20.09%，具备实地建设的可行性；而以磷元素的去除为依据得到的面积大大超过养殖水域的总面积，不具备实地建设的可行性。因此，从实际情况考虑，生态坝的设计以养殖水域的TN负荷为基础，取1 339.09 m2作为生态坝的理论布设面积。根据该面积设计，考虑将生态坝单体设定为2 m×1 m的长方形结构，总计使用672个单体，布设面积1 344 m2。基于以下几点考虑，进行如图4所示的布置设计：养殖区四周各设置两排，其余集中布设于中心，生态坝单体之间相互紧靠并使用绳索连接，通过架设桥架和桩基进行固定。外围的生态坝在保持水力交换的同时，将其中的污染物截留在生态坝内；生态坝均匀分布在养殖水域中心和四周，为大闸蟹褪壳提供隐蔽场所；蟹农的工作船可以在养殖区域内正常行驶，不影响蟹农的正常养殖作业。

图4 生态坝平面布置图Fig.4 Layout plan of ecological dam

2 技术经济评价

2.1 技术评价

2.1.1 填料性能

填料是生态坝控制养殖污染的核心，作为微生物的载体直接影响了微生物的附着、生长、繁殖和脱落的整个过程，对水中溶氧和水力分布也起着重要的作用，其性能直接影响和制约着处理效果[18]。生态坝使用了常见的弹性填料和新型的包埋菌，两种填料均有较好的生物活性和除氮效能。张博宇等[19]同时使用这两种填料处理养殖废水，并研究其反应动力学，结果显示，包埋菌和弹性填料的24 h氮去除率分别为65%和8%，包埋菌的氮去除速率更高。王郑等[20]通过添加球形塑料填料的生态浮床处理养殖废水，其24 h氮去除率为9%。对比发现，包埋菌的除氮效率要远高于传统的塑料填料，说明其能够更快地负载微生物，但是在实际应用中，包埋菌由于质地柔软，颗粒分散，容易损坏和流失，稳定性不如传统硬质塑料填料，且制作成本较高。综合考虑，将弹性填料与包埋菌混合搭配使用是最有利的方式[21]。

2.1.2 磷污染控制

生态坝对于磷的去除作用主要通过植物吸收完成，本研究设计的生态坝可以去除TP污染负荷的5.7%，除磷作用不显著，需要通过其他手段进行辅助除磷。目前用于水体的除磷方法主要有化学法、生物除磷法、膜分离技术法、结晶法和吸附法，对于不同磷的含量和存在形式、不同的水体，需要采用不同的方法[22]。吸附法是利用具有大比表面积的固体吸附剂与磷发生物理吸附、表面沉淀或离子交换，去除低浓度磷的方法，具有见效快、无二次污染、成本低等优点，是最适合湖水除磷的方法[23]。水化硅酸钙是一种可以高效固定湖水沉积物中可溶性磷的吸附剂[24]，可以搭载在下沉式装置上，与生态坝结合使用，降低养殖区的TP负荷。

2.1.3 平面布置

平面布置方案优先考虑提升生态坝的污染控制效果和大闸蟹养殖效率，采取在养殖区域四周和中心分别布设的方案。在这种情况下，把生态坝分成5个区域进行集中布设，需要对每个区域的生态坝分别进行固定，这样会增加建设成本，而养殖区域四周的生态坝为长条形分布，受风浪冲击面积大，有单体损坏和脱离的风险。许多运用生态浮床的工程中都采用集中在一个区域布设的方案，这样设计可以最大程度地减少风浪的影响，也更方便设置防护和消浪系统[25-26]。另外，对于远离阳澄湖岸的养殖区，可以采用锚泊法固定生态坝，施工更方便，造价更低[27]。

2.1.4 饲料利用

大闸蟹食量大，对于饲料的需求量高，因此养殖户会大量投放饲料，这就造成养殖水域残留饲料众多，腐坏后污染水体环境。理论上，生态坝利用生物填料上的微生物净化水质、恢复水体生态系统，使螺蛳和小鱼等生物利用残余饲料大量生长，建立丰富的水下食物链，为大闸蟹提供额外的食物来源，从而减少人工投放的饲料量，控制污染[28]。由于在实际养殖过程中，大闸蟹对饲料的利用率需要进行长期的观察和研究，中试试验未能确定生态坝在提高饲料利用率方面的能力，这在之后的研究和应用中具有很大的提升潜力。

2.2 经济评价

2.2.1 建设费用

生态坝的一次性投入主要为基础设施建设费用，取决于生态坝面积和平面布置设计。生态坝的面积为1 344 m2，每个生态坝单元面积为2 m2，需要布设的生态坝单元总数为672个，其中微生物载体有弹性填料和包埋菌两种。使用弹性填料所需数量为34 944根，使用包埋菌所需数量为3 230 L，为方便计算，将弹性填料与包埋菌各装载一半的生态坝，搭配使用。种植的水生植物以空心菜为例，所需空心菜苗为17.07 kg，平均每株菜苗质量0.8 g，每个生态坝单元种植32株。表2为生态坝的估计建设成本，这是基于实际购买价格进行的预算，可能随着市场价格的变化而变化[29]。在6 667 m2的大闸蟹养殖区域构建生态坝的一次性投入为188 478元。

表2 生态坝一次性建设费用Tab.2 One-time construction costs of ecological dam

注：生态坝单元总数为672个

2.2.2 运行费用

生态坝的运行成本主要包括人工费、能耗和折旧费。考虑到生态坝的面积较大，需要雇佣2名工作人员进行日常管理维护，工资为50元/d，每年工作天数为120 d，共计6 000元/年；能耗为工作人员乘坐小船进行维护工作时产生的油耗，为500元/年；PVC管材弯头、植物浮床、围网、桥架、桩基、弹性填料和包埋菌使用年限按8年计算，残值率取5%，每年计提折旧费20 963元。

2.2.3 经济效益

生态坝的产出主要包括大闸蟹增产、节省水草和销售经济植物(以空心菜为例)，根据实地调研，生态坝的预期经济效益如下：1)水质改善，提高大闸蟹蜕壳成功率，使大闸蟹的存活率由70%增加至80%，已知投放蟹苗为10 000只，每年可多收获1 000只成蟹，成蟹价格为50元/只，可增收50 000元；2)沉水植物正常生长，蜕壳层提供大闸蟹蜕壳场所，代替大量的水草投放，节省4 000斤水草，价值约10 000元；3)空心菜预期亩产为3 000 kg，每年可收获空心菜6 045 kg，销售价格3.4元/ kg，可增收20 553元。生态坝每年的直接经济产出预计为80 553元，若扣除其运行费用(27 463元)，则生态坝每年产生的利润为53 090元，结合建设费用(188 478元)，可计算得到投资回收期为3.55年，投资利润率为28.17%。可见，生态坝的建设可成为大闸蟹养殖的基础设施，既保护环境又增加经济效益，其在技术和经济上都是可行的。事实上，如果生态坝选择更具经济价值的水生植物，强化其技术管理，扩大生产规模，还可以进一步降低成本，提高经济效益。

3 结论

生态坝单体结构设计一方面将弹性填料和包埋菌相结合，以增强其水质净化能力，同时在生态坝的植物浮床和填料浮床之间增加蜕壳层，以提高大闸蟹养殖存活率；针对单户养殖(6 667 m2)的TN污染负荷，设计计算所得生态坝的面积为1 344 m2，占养殖区域的20%，结合养殖作业情况，可在养殖区的边缘和中心进行布设；生态坝在填料性能、平面布置和饲料利用等方面还具有技术提升的潜力，但其对磷污染的控制还存在不足，需要结合其他磷污染控制技术进行防治；假设单户养殖的生态坝一次性建设费用约20万元，按8年折旧计算，运行费用约3万元，年增收约5万元，计算可得投资回收期为3.55年，投资利润率为28.17%,若扩大规模，可进一步降低成本。

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