“三池两坝”多级组合工艺对内陆池塘养殖尾水的处理

刘梅，原居林，倪蒙，练青平，郭爱环

农业部淡水渔业健康养殖重点实验室，浙江省淡水水产遗传育种重点实验室，浙江省淡水水产研究所

近年来，我国淡水池塘养殖业发展迅猛，在淡水水产养殖中的地位日益重要。《2019中国渔业统计年鉴》显示，2018年中国内陆养殖面积为7 189.52万hm2，养殖产量为2 959.84万t，其中池塘养殖产量占内陆养殖产量的60%，池塘养殖已成为中国水产养殖的主要形式和水产品供应的主要来源，在保障优质动物蛋白供给、促进农业增效和农民增收、扩大农村就业等方面发挥着重要的作用。目前淡水养殖产业也面临诸多问题和挑战[1-2]，养殖形式主要是以散户连片式养殖为主，存在养殖模式较为粗放、养殖密度过高等问题，其结果一方面造成养殖池塘内源污染严重，水质恶化，引起养殖对象疾病频发；另一方面大量残余的饵料、水生动物的排泄物未经处理直接排放到天然水域，造成养殖区周边水体富营养化日趋加剧，给生态环境造成巨大压力[3]，成为制约淡水养殖业健康可持续发展的限制性因素。如何净化池塘养殖尾水、改善养殖环境已成为养殖生态和环境研究的热点，养殖尾水生态化处理已迫在眉睫[4]。

目前，针对养殖尾水处理的方法主要有机械过滤[5]、泡沫分离[6]、膜分离[7]、曝气挥发分解[8]等物理净化法，臭氧氧化[9-10]、絮凝剂[11]等化学净化法和水生动植物[12]、微藻同化[13]等生物净化法，且主要集中在工业循环水养殖中，如曾东等[14]采用水力筛网+连续流砂滤池+沸石吸附+活性炭吸附工艺处理某对虾人工繁育基地生产废水，净化效果显著，可实现达标排放。对传统分散的养殖池塘尾水处理系统研究还较少，段立安等[11]对比研究了聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)和聚合氯化铁(PFC)对温室甲鱼养殖废水的处理效果，其中PAC效果最好，对浊度的去除率高达97.1%；申玉春等[15]建立了一种虾、鱼、贝、藻水质生物调控系统，实现了虾池水环境的生物调控与养殖用水的零排放；Lin等[16]研究表明，利用人工湿地净化技术可有效降低对虾循环养殖系统中的氮、磷浓度，能够去除86%～98%的氨态氮和95%～98%的总无机氮，磷的去除率为32%～71%。但在实际应用推广过程中均存在以下难题：1)单一处理方法效果有限；2)有些处理技术存在一次性建设投入过高或易造成二次污染；3)后续维护运行成本过高；4)未能按照不同养殖品种实际水质污染情况分类进行处理等。这些问题的存在限制了相关技术的应用，从而制约了我国不同地区水产养殖尾水治理全域开展的进程。

针对淡水池塘养殖尾水污染特点，笔者经过近3年的不断摸索、改进及对实际效果监测分析优化，提出针对不同养殖品种尾水污染水平的沉淀池+过滤坝+曝气池+过滤坝+生态池组合工艺，简称“三池两坝”。该处理工艺将物理沉淀、填料过滤、曝气氧化、生物同化等集成为一体，通过对养殖区沟渠或边角池塘进行适当改造，在实现最低投入的前提下养殖尾水的达标排放或循环利用。截至2020年，该技术已在浙江省应用于4万hm2以上养殖池塘尾水处理，并已推广应用到江苏、江西、广东等养殖区域，处理后水质均能达到SCT 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》。

1 工程建设方案

1.1 养殖区概况

浙江省自2016年提出“剿灭劣Ⅴ类水”工作目标，养殖尾水也成为被治理的对象，湖州市在2018年已全部完成养殖尾水生态化处理工程建设。在浙江湖州市选择3个主要养殖品种对应的3个养殖尾水处理示范点为研究对象，其中低污染养殖品种主要是青虾，中污染品种为翘嘴鲌，高污染养殖品种主要是大口黑鲈，具体信息见表1。

1.2 组合工艺流程

表1 养殖尾水生态化治理示范点信息

因养殖品种和养殖模式不同，尾水污染物浓度有差异，因此在设置尾水处理面积时也应有所差异。通过前期的监测，养殖尾水处理区域面积配比一般不低于整个养殖水面面积的6%～10%，其中对于虾蟹类(如河蟹、青虾等种草养殖)低污染品种不少于养殖水面面积的6%，乌鳢、黄颡鱼、大口黑鲈、泥鳅等产量22 500 kghm2以上的高污染品种其尾水处理面积则不少于养殖水面面积的10%，其他中污染品种(如四大家鱼、翘嘴鲌、池塘高密度养殖南美白对虾、罗氏沼虾等)不少于8%。

图1 养殖尾水处理工艺流程Fig.1 Treatment process of aquaculture wastewater

图2 养殖尾水处理原理示意Fig.2 Schematic diagram of the treatment theory for aquaculture wastewater

2 处理单元及参数设计

2.1 沉淀池

不同养殖品种，其沉淀池面积配比不同。其中，低污染和中污染品种的沉淀池面积占总尾水处理面积的30%，而高污染品种的沉淀池面积占总尾水处理面积的40%，沉淀池要求水深2.5 m及以上。为了增加水体滞留时间，增强水体自净能力，沉淀池可以利用挡水坝分割成相通的2～3个区域。在靠近进水口和排水口水流垂直方向悬挂生物毛刷，毛刷长度设为1.2～1.5 m。在沉淀池第一个分隔区两端分别平行固定若干个木桩，岸边木桩间隔50 cm，在木桩的顶部和底部分别固定1根尼龙绳，然后将生物毛刷垂直悬挂在尼龙绳上，每15 cm悬挂1束，生物毛刷悬挂面积约占沉淀池面积的50%。

2.2 过滤坝

不同养殖品种，过滤坝建设要求存在较大差异。其中，低污染品种过滤坝内径宽不低于1.5 m，长度不低于8.0 m，过滤坝建议建1条及以上；中污染品种过滤坝内径宽不低于2.0 m，长度不低于8.0 m，过滤坝建议建2条；高污染品种过滤坝内径宽不低于2.0 m，长度不低于10 m，过滤坝建议建2条。过滤坝底部采用水泥硬化，主体结构为空心砖堆砌，内部填料建议用多孔质轻的火山石、陶粒、珊瑚石等，由下而上填料的直径逐渐减小，一般0～60 cm填料直径为3～5 cm，60～120 cm填料直径为5～8 cm，120 cm以上填料直径为8～10 cm，为方便后期阻塞清理，填料建议用尼龙网袋装好后填放，网袋网目在保证填料不漏出的前提下尽可能大。过滤坝位置一般要求在沉淀池与曝气池、曝气池与生态池间的隔水坝出水口一侧，出水口应分别设置在曝气池的对角线处。

2.3 曝气池

低污染和中污染养殖品种曝气池面积占总尾水处理面积的20%，高污染养殖品种曝气池面积占总尾水处理面积的30%，有效水深大于2.0 m，在距池塘底部30 cm处铺设纳米曝气盘，池底及塘埂处铺设土工膜防止底泥上泛，防止堵塞曝气孔。在岸边布设鼓风机，要求每hm2配备功率不低于37.5 kW·h。

2.4 生态池

生态池面积占总尾水处理面积的40%～50%，有效水深2.5 m，生态池坡比应适当提高(最大可增至1∶2.5)，以便岸边种植挺水植物和浅水区种植沉水植物。放养鲢、鳙、螺蛳、河蚌等净水生物，其中鲢、鳙放养密度均为750尾hm2，螺蛳、河蚌等为75 kghm2，岸边种植菖蒲、鸢尾等耐低温挺水植物，浅水区种植马来眼子菜、苦草等耐低温沉水植物，深水区可以放置生态浮岛或生态浮床，其上种植铜钱草、狐尾藻等冬天常绿植物，各浮床和浮岛底部总面积占生态净化塘面积的30%左右。

2.5 示范点建设参数

根据以上工艺设计方案，3个示范点各处理单元的建设参数见表2。

表2 3个示范点各处理单元建设参数

2.6 取样及分析方法

每个尾水处理工程示范点在尾水排放12 h后进行取样，取样位置分别位于进水口、沉淀池出水处(过滤坝1前端)、曝气池进水处(过滤坝1后端)、曝气池出水处(过滤坝2前端)、生态池进水处(过滤坝2后端)和生态池出水口后端，具体见图3(以大口黑鲈示范点为例)，样品采回后24 h内测定完毕。其中4月和5月采样4次，为春季采样；7月和8月采样4次，为夏季采样；10月采样3次，为秋季采样；1月采样3次，为冬季采样。

参照《水和废水监测分析方法(4版)》进行水质指标的检测，排放标准参考SCT 9101—2007，各项水质指标的检测方法和排放标准如表3所示。

图3 采样点位置Fig.3 Location of sampling points

表3 水质测定指标和方法

Table 3 Determination index and method of water quality mgL

表3 水质测定指标和方法

水质指标测试方法SC∕T 9101—2007一级标准二级标准CODMn酸性高锰酸钾法(GB∕T 11892—89)≤15.0≤25.0 NH+4-N纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009)未规定未规定TSS重量法(GB∕T 11901—89)≤50.0 ≤100 TN碱性过硫酸钾分光光度法(GB∕T 11894—89)≤3.0≤5.0TP钼酸铵分光光度法(GB∕T 11893—89)≤0.5≤1.0

3 结果与讨论

3.1 TSS的去除效果

组合工艺对养殖尾水TSS的处理效果和各处理单元去除率如图4所示。由图4可见，低、中、高污染类型进水口TSS浓度依次为71～93、107～119和143～178 mgL，处理后，出水口浓度依次为44～50、52～64和61～69 mgL，平均去除率分别为48.1%、55.0%和60.7%，去除效果良好，均可达标排放，特别是夏季出水TSS浓度达到SCT 9101—2007的一级排放标准。其中，沉淀池和生态池的去除率最好，分别为21.3%和18.0%，其次为2条过滤坝，依次为11.1%和7.7%。沉淀池通常可去除粒径60 μm以上的颗粒物[17]，而池塘养殖尾水中60 μm以上的固体颗粒物占总悬浮颗粒物的80%以上[18]，因此，沉淀池中生物毛刷和生态池中水生植物根系的有效拦截和物理沉淀是去除TSS的主要途径。而曝气池的去除率为-3.43%，这主要是由于该单元中有机质通过曝气被微生物分解成细微悬浮物，从而导致TSS的增加。大量研究表明，水体中较高的DO浓度会促进好氧菌对有机物的降解，从而转化为更细微悬浮有机物，为后续厌氧菌提供了更多可快速利用的营养物质[19]。

图4 组合工艺对养殖尾水TSS的处理效果和各处理单元去除率Fig.4 TSS removal effects of combined treatment system and removal rate of each unit

3.2 CODMn的去除效果

组合工艺对养殖尾水中CODMn处理效果和各处理单元去除率如图5所示。由图5可见，低、中、高污染类型进水口CODMn依次为27.1～35.5、32.8～40.1和34.5～45.8 mgL，处理后，出水依次为13.2～6.7、15.2～19.8和17.9～21.2 mgL，均可达标排放，平均去除率分别为52.3%、50.4%和51.8%，对有机物有较好的降解效果。从季节上看，夏季处理效果最好，3种污染类型CODMn平均去除率分别为61.1%、62.1%和60.7%，主要是由于夏季温度较高，微生物活性加速了有机质的降解；即使在冬季仍然保持较高的去除率，分别达到41.3%、45.6%和49.9%，可以保障较好的出水水质，适用性强，相关研究也已证实，如Li等[20]发现温度从-4 ℃逐渐升至25 ℃时，CODMn去除率由39.76%升至66.27%。曝气池对CODMn的平均去除率为18.7%，净化效果最好，接下来依次为沉淀池(10.13%)、过滤坝1(8.23%)、过滤坝2(7.5%)、生态池(7.2%)。曝气池在整个CODMn的去除过程中占主导地位，这主要是由于曝气增氧能有效促进微生物的繁殖，提高生物活性，加速对有机污染物的新陈代谢[21-22]。

3.3 TN的去除效果

组合工艺对养殖尾水TN的处理效果和各处理单元去除率如图6所示。由图6可见，低、中、高污染类型进水口TN浓度依次为6.3～8.2、7.8～9.9和9.2～13.1 mgL，处理后，出水口浓度降至2.9～3.5、3.3～3.7和3.5～4.4 mgL，均可达标排放。低、中、高3种污染类型进水TN全年平均去除率分别为55.0%、59.2%和64.2%，且随着TN进水浓度增加去除率提高，说明该组合系统对不同污染水平的养殖尾水具有很好的适应性，能够保障出水水质稳定。从季节看，夏季处理效果最好，除了高温促使硝化和反硝化微生物活性增强外[23]，还与植物生长茂盛，同化作用较强有关[12]。其中，各单元处理效果依次为沉淀池(15.8%)、生态池(15.3%)、曝气池(11.9%)、过滤坝1(8.33%)、过滤坝2(8.13%)。不同污染类型各单元对TN的去除效果存在一定差异，对于低污染养殖品种尾水处理区生态池处理效果最好，其次为沉淀池、曝气池；对中、高污染品种，则为沉淀池去除效果最好，其次为生态池和曝气池。这主要是由于青虾养殖过程大量种植沉水植物(轮叶黑藻、苦草、伊乐藻等)，其根、茎、叶不仅能吸收底泥和水体中的营养物质，也能吸附拦截固体悬浮颗粒物，致使养殖尾水中固体颗粒物较少[25]，因此尾水中TN主要以无机氮形式存在，能被生态池中的水生植物快速吸收利用；而中高污染类型养殖品种采取高密度无草养殖，大量残饵粪便进入水体，致使养殖尾水中含有大量颗粒态有机氮[3]，因此沉淀拦截可以有效去除水体中的TN。

图5 组合工艺对养殖尾水CODMn处理效果和各处理单元去除率Fig.5 CODMn removal effects of combined treatment system and removal rate of each unit

图6 组合工艺对养殖尾水TN处理效果和各处理单元去除率Fig.6 TN removal effects of combined treatment system and removal rate of each unit

图7 组合工艺对养殖尾水处理效果和各处理单元去除率 removal effects of combined treatment system and removal rate of each unit

3.5 TP的去除效果

图8 组合工艺对养殖尾水TP处理效果和各处理单元去除率Fig.8 TP removal effects of combined treatment system and removal rate of each unit

组合工艺对养殖尾水TP的处理效果和各处理单元去除率如图8所示。由图8可见，低、中、高污染类型进水TP浓度依次为1.5～2.5、1.4～2.2和1.9～3.1 mgL，处理后，出水浓度降至0.5～0.7、0.4～0.6和0.6～0.8 mgL，全年平均去除率分别为68.6%，71.5%和72.1%，去除效果显著，均可达标排放。其中夏季低、中、高3种污染类型的去除率分别为76.0%、77.3%和80.6%，这主要是依靠沉淀和植物的吸收以及微生物的固定[26]；冬季去除率为53.3%～57.9%，这是由于温度较低，部分植物枯萎或者微生物活性降低，导致同化和固定效果减弱[27]。其中，生态池对TP的去除贡献最大，平均去除率为28.8%，其次为沉淀池(18.3%)、过滤坝1(11.8%)和过滤坝2(8.1%)，曝气池对TP的去除贡献较小，仅为3.7%。

4 经济成本分析

4.1 建设投资

各处理单元建设投资如表4所示。由表4可以看出，低、中、高污染类型示范点建设总投资分别为27.4万、22.2万和58.7万元，折算到每hm2尾水处理建设投资费用为1.370万、2.775万和1.304万元，可见尾水处理小区养殖面积越大，建设费用越低，因此，在进行推广应用时应尽量将分散的养殖池塘集中成面积较大的尾水处理区，以降低工程建设投资费用。

表4 工程建设总投资 Table 4 Total investment of engineering construction 万元

相比于传统的潜流型人工湿地以及生活污水处理工程[28]，该工程建设费用较低，主要是由于该处理系统针对尾水污染特点重点考虑采用物理沉降过滤、挥发分解、植物吸收以及水生动物立体生态位处理等技术[29]，而较少采用化学药剂、活性污泥、厌氧装置等耗费比较大的处理技术[30-31]。且该系统仅过滤坝部分需要水泥硬化、铺设填料，相对于传统人工湿地建设，极大节省了水泥、沙子等填料费用，且过滤坝过滤效果好，不易堵塞，维护简单。

4.2 运行成本

该工程运行费用如表5所示。由表5可以看出，3个示范点每年运行费用为6.5万、3.1万、18.0万元，分摊到每hm2养殖池塘尾水处理费用仅为0.325万、0.387万和0.400万元，维护费用较低，对于养殖户比较容易接受，易于推广。系统主要耗电是罗茨风机用电，青虾示范点配备的罗茨风机运行功率为5.0 kW·h，翘嘴鲌示范点为2.5 kW·h，大口黑鲈示范点为7.5 kW·h，由于养殖尾水排放不连续，按照养殖实际情况折算为每天需开3 h，另外在尾水不排放期间，需要每天将生态池的部分水通过提升泵提升到沉淀池中，每天提升泵和曝气装置开启3 h，合计每天需开罗茨分机6 h，按照1.0元(kW·h)计算，全年耗电费用为1.1万、0.5万和3.2万元；每年春天需要适当补种冬天枯萎的水生植物(铜钱草、狐尾藻、美人蕉等)，以及生态池中补放鱼、虾、蟹等水生动物；每年对曝气盘和生物毛刷进行定期检修，对失去功能的曝气盘和生物毛刷进行及时更换；人工费主要用于水生植物的种植及定期收割，曝气盘毛刷、过滤坝内滤料的定期清洗，以及罗茨风机的定时开关等工作。

表5 系统运行费用

Table 5 Cost of engineering operation 万元a

表5 系统运行费用

项目示范点青虾翘嘴鲌大口黑鲈塘租费2.41.27.0电费1.10.53.2植物补种费1.00.52.8水生动物补放费0.60.21.8曝气盘维护费0.20.10.6生物毛刷维护费0.20.10.6人工费1.00.52.0总运行费用6.53.118.0每hm2池塘尾水运行费0.3250.3870.400

4.3 工程效益

该工程旨在净化内陆不同污染类型的养殖尾水，实现养殖尾水的达标排放或者循环利用。通过该工程的运行，净化了水质，一定程度上改善了集中养殖区周边河道水环境，具有良好的环境效益；净化后的达标水体可循环利用，经过改善的外河水，水质较好，减少了养殖病害的发生，形成良性循环，生态池内每年又可获取一定的水产品，具有一定的经济效益；另外，通过在沉淀池、曝气池和生态池岸边浅水区种植美观的挺水植物，在生态池浮床上种植景观性良好的挺水或者漂浮植物，具有良好的社会效益。

5 结论

(1)采用沉淀池+过滤坝+曝气池+过滤坝+生态池多级组合系统处理不同污染类型的内陆池塘养殖尾水，均可实现出水TSS、TN、TP、CODMn的达标排放。该系统夏季处理效果最好，其次是春、秋季节，冬季处理效果稍差，但仍然能稳定运行，保障出水水质达标。

(3)该组合工艺系统低、中、高污染类型示范点建设费用分别为1.370万、2.775万和1.304万元hm2，建设费用低，分摊到每hm2养殖池塘尾水处理费用仅为0.325万、0.387万和0.400万元，运行维护费用较低，适合内陆淡水养殖池塘推广应用。