集中连片池塘的尾水处理系统中氮磷的时空变化规律

徐嘉波，刘永士，施永海，袁新程，王建军，刘建忠

(上海市水产研究所，上海市水产技术推广站，上海 200433)

氮磷是水产养殖尾水排放的主要污染物，第一次全国污染源普查公报显示，水产养殖业总氮(TN)、总磷(TP)的排放分别占水环境总污染源的1.74%和3.69%，占农业污染源的3.04%和5.48%[1]。近年来多项研究[2-4]表明，上海郊区河道、养殖场水源中氮磷综合污染程度不容乐观。与此同时，随着绿色农业发展理念的深入人心，越来越多的学者从水产养殖行业自身出发，认为要确保水产养殖业持续健康发展，必须降低养殖尾水对周边环境的污染[5]，已着手开展生态养殖模式、养殖尾水处理等解决水质污染，实现零污染、零排放的方案模式研究。目前，基于生态学理论的尾水处理方法和手段最为符合当下绿色发展的要求，其主要净化功能单元有湿地[6]、生态沟渠[7]、净化池塘[8]的一种或多种组合。对这些净化功能单元的研究主要有功能单元的配置，工艺流程以及各单元功能发挥主体的品种、组合，如动植物种类，品种组合等[9-10]。对净化功能单元影响因子的研究主要包括溶氧和pH[11-12]、碳氮比[13]、水力负荷[14]、微生物群落结构[15]和底泥[16]等。这些研究主要基于实验室模型和小规模中试条件下开展，对基于集中连片池塘建立的尾水处理系统研究较少。而由集中连片池塘和尾水处理系统组成的水产养殖小区，涉及养殖池塘管理，排换水管理，尾水处理系统维护，同时受自然环境因素影响，情况更为错综复杂。有关水产养殖小区水质时空变化规律和净化效果尚且缺乏针对性的研究。

通过对TN和TP持续的时空监测，分析氮磷在养殖小区内的时空变化规律。目的是探明水产养殖小区排放尾水中氮磷经各净化功能区的削减状况，分析尾水处理系统氮磷的削减机制，比较论证养殖尾水在处理系统各功能区的季节、月份变化规律，以期为构建成熟的池塘养殖尾水处理系统，完善水产养殖小区排放水中氮磷削减技术，实现池塘养殖尾水处理达标排放提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 养殖小区概况

养殖小区位于上海市奉贤区南部某农场内，由集中连片池塘、生态沟渠和表面流湿地+净化池塘组合构成。其中，养殖功能单元，包含集中连片池塘17个，总计面积5.27 hm2，单个池塘面积约0.3 hm2，水深1.5 m；养殖尾水处理系统，包含生态沟渠和湿地+净化池塘组合，总计面积为0.56 hm2。养殖功能单元与养殖尾水处理系统面积比为9.4∶1。所有池塘养殖尾水须经养殖尾水处理系统处理后排放至自然水域。养殖小区构建及尾水处理工艺流程见图1。集中连片池塘的养殖尾水先进入生态沟渠，生态沟渠为原总排水沟，将总排水沟出水口封闭，在生态沟渠水流方向末端设置4寸泵，将养殖尾水抽提至塑料膜包覆的引水渠(80 m × 0.3 m)，随后水流依次流经湿地、碎石坝(粒径2～10 cm，上口宽1 m，下口宽0.9 m，长5 m，高0.8 m)和净化池塘。湿地由两条土坝分成3仓，每仓种植香蒲，净化池塘由原养殖池塘改造，主要放养梭鱼、少量放养青鱼，并种植空心菜，净化池塘内养殖的鱼类全程不投饲料。净化池塘内设置1.5 kW增氧机1台。系统构建参数如表1所示。

图1 养殖小区构建及尾水处理工艺流程Fig.1 Construction of aquafarm and aquaculture wastewatertreatment process

表1 养殖尾水处理系统构建详细参数Tab.1 Detailed construction parameters of aquaculture wastewater treatment system

1.2 养殖尾水处理系统运行

6～10月期间，各养殖池塘主养品种分别为暗纹东方鲀当年鱼种(起始规格：7.5 g/尾；密度42 000尾/hm2)、商品鱼(起始规格：150 g/尾；密度12 000尾/hm2)和罗氏沼虾(起始规格：0.1 g/尾；密度675 000尾/hm2)，根据不同养殖品种的水质管理需要，单个养殖池塘每10～15 d换水1次，每次换水为1/5池塘水体，养殖小区每次换水约持续5～7 d，养殖池塘通过各池塘闸门排水至生态沟渠，生态沟渠一端设置的2个4寸泵(单个流量为60 m3/h)将生态沟渠内的水抽提至引水渠，依次流经湿地+净化池塘功能区。尾水排放时段集中在下午17：00至次日早上8：00期间，池塘排水即开启生态沟渠2个4寸泵抽水，直至生态沟渠恢复池塘排水前的正常水位，排水期间开启净化池塘增氧机。运行期间生态沟渠、湿地、净化池塘水力停留时间分别为1.03 d、0.15 d和1.29 d。以15 d为一个换水周期计，尾水处理系统的运行与非运行时间比约为1∶1，在非运行期间，净化池塘增氧机参照养殖池塘管理，定期开启。

1.3 水样采集与水质测定

水样采集位点包括养殖池塘出水(D1)、生态沟渠出水(D2)、养殖小区排放水(D3)(图1)。采集水样测定TN和TP质量浓度。TN质量浓度测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)[17]，TP质量浓度测定采用钼酸铵比色法(GB 11893—89)[18]。

1.4 统计分析

数据归纳和图表采用Excel 2010，数据分析采用SPSS 19.0软件。TN和TP质量浓度数据以平均数±标准差的形式表示。共检测各位点TN和TP数据32批次，其中池塘出水为当批次排水的各池塘出水均值。对整个研究周期内，养殖池塘出水和养殖小区排放水的TN、TP，采用配对样本T检验。根据立秋节气，定义6月5日至8月13日为夏季水样采集时段(23℃升温至29℃)，8月22日至10月26日为秋季水样采集时段(29℃降温至20℃)。夏秋季养殖小区沿程：池塘出水、生态沟渠出水和养殖小区排放水的TN、TP，采用双因素重复方差分析(P=0.05)，分析夏秋季与养殖小区沿程对TN、TP的交互作用，通过对学生化残差的分析，经Shapiro-Wilk检验，各组数据服从正态分布(P>0.05)；通过学生化残差是否超过±3倍的标准差判断，各组数据无异常值，再行Mauchly’s球形假设检验，使用Greenhouse & Geisser方法校正系数。月份对池塘出水、生态沟渠出水和养殖小区排放水的TN、TP影响，采用单因素方差分析(P=0.05)。

2 结果

2.1 养殖小区TN时空变化

2.1.1 养殖小区不同功能区TN的变化

试验期间，养殖小区养殖尾水总氮(TN)空间变化如表2所示，经生态沟渠净化，TN显著降低(P<0.05)，削减率为22.22%；养殖尾水自生态沟渠经湿地+净化池塘组合净化，TN显著降低(P<0.05)，削减率为26.74%；养殖尾水经生态沟渠和湿地+净化池塘组合净化处理后，养殖小区排放水TN(1.318±0.408 mg/L)显著降低(P<0.05)，削减率为43.02%。

表2 养殖尾水TN的空间变化Tab.2 TN space variation of aquaculture wastewater

2.1.2 养殖小区夏秋季TN变化

养殖尾水处理系统沿程与季节的TN质量浓度变化见表3。

表3 养殖尾水处理系统沿程与季节的TN质量浓度变化Tab.3 Variation of TN concentration along the way and seasonin the aquaculture treatment system

整体分析(双因素重复测量方差分析)发现沿程比较、沿程与季节交互作用均有显著性差异(P<0.05)。再使用Bonferroni校正法精细比较：夏季和秋季的池塘出水与生态沟渠出水、生态沟渠出水与养殖小区排放水以及池塘出水与养殖小区排放水均有极显著性差异(P<0.01)。夏季、秋季的各级沿程间均有极显著差异(P<0.01)。

2.1.3 养殖小区各月份TN变化

养殖小区池塘出水TN逐月递增，8～10月显著增加(P<0.05)；生态沟渠出水TN逐月增加，7～10月显著增加(P<0.05)；养殖小区排放水TN分6～7月和8～10月两个阶段，阶段间显著增加(P<0.05)，阶段内差异不显著(P>0.05)(图2)。

图2 养殖小区6～10月TN各沿程质量浓度变化Fig.2 Aquafarm TN changes along the wayfrom June to October

养殖小区对TN的削减主要发生在生态沟渠和湿地+净化池塘组合功能单元，生态沟渠对TN的削减，除6月TN削减率较低外，7～10月TN削减率稳定在19%～29%之间，且逐月递增。湿地+净化池塘组合对TN的削减，6、8月的TN削减率较低外，7、9、10月的TN削减率在30%～40%间。试验期间，养殖小区6月TN削减率最低，为13.83%；10月TN削减率最高，达57.26%(图3)。

图3 养殖小区6～10月TN各沿程削减率Fig.3 Reduction rate of TN in the aquafarm along the wayfrom June to October

2.2 养殖小区TP时空变化

2.2.1 养殖小区不同功能区TP的变化

试验期间，养殖小区养殖尾水TP空间变化如表4所示，经生态沟渠净化，TP显著降低(P<0.05)，削减率为36.29%；养殖尾水自生态沟渠经湿地+净化池塘组合净化，TP略有升高(P>0.05)，削减率为-9.26%；尽管如此，养殖尾水经生态沟渠和湿地+净化池塘组合净化处理后，养殖小区排放水TP (0.325±0.160 mg/L)显著降低(P<0.05)，削减率为30.39%。

表4 养殖尾水TP的空间变化Tab.4 TP space variation of aquaculture wastewater

2.2.2 养殖小区夏秋季TP变化

采用双因素重复测量方差分析方法，判断夏秋季不同沿程对TP质量浓度的影响。季节与沿程无交互作用。夏秋季对TP的主效应不具有统计学意义(P>0.05)。池塘出水TP(0.467±0.272 mg/L)与生态沟渠出水TP(0.297±0.125 mg/L)具有显著性差异(P=0.006，<0.05)，生态沟渠出水TP(0.297±0.125 mg/L)与养殖小区排放水TP(0.325±0.160 mg/L)差异不显著(P>0.05)，池塘出水TP与养殖小区排放水TP具有显著性差异(P=0.008，<0.05)。分析结果与养殖尾水TP的空间变化的配对样本T检验结果一致。

2.2.3 养殖小区不同月份TP变化

养殖小区池塘出水TP变化呈峰谷状，6月为谷底，9月为峰顶，至10月回落至6月水平；生态沟渠出水与养殖小区排放水TP随月份的变化趋势与池塘出水相似(图4)。

图4 养殖小区6～10月TP各沿程质量浓度变化Fig.4 Aquafarm TP changes along the wayfrom June to October

生态沟渠为养殖小区TP削减的主要功能单元，其对池塘出水TP的削减表现为，6月最低为25.16%，7、8、10月在35%上下，9月高达46.47%。但在6、8、9月，养殖小区排放水TP分别高于同期生态沟渠出水TP，湿地+净化池塘组合对TP的削减为负值，且7、10月湿地+净化池塘组合对TP的削减表现并不显著，分别为11.89%和1.57%(图5)。

图5 养殖小区6～10月TP各沿程削减率Fig.5 Reduction rate of TP in the aquafarm along theway from June to October

3 讨论

3.1 养殖小区TN夏秋季与沿程时空交互作用

夏秋季池塘出水与养殖小区排放水均有显著差异(P<0.05)，分别下降34.7%和47.2%，说明夏秋季的季节因素对尾水处理的显著效果影响微弱。整个试验期、夏、秋季，湿地+净化池塘组合对TN的削减率为26.74%、22.4%和29.2%，对应的生态沟渠对TN的削减率为22.22%、15.9%和25.4%，说明湿地+净化池塘组合对TN的净化效果完全优于生态沟渠。生态沟渠对氮的削减包括固体悬浮颗粒的沉降、底泥截留吸附、植物拦截吸收和微生物反硝化作用等[7,19-20]。其中悬浮颗粒的沉降、底泥截留吸附作用滞留的有机氮，最终仍在生态沟渠中，在微生物作用下，矿化为无机氮，脱氮主要依靠：一是植物拦截吸收，根据植物生长特性，随着生物量的增长而呈正相关；二是反硝化作用，上述作用在养殖小区内完成氮素的物质形态转化，分别以植物蛋白与核酸，以及氮气的形式脱氮。而湿地+净化池塘组合除生态沟渠具有的脱氮机制外，还具有动物生态位脱氮功能，梭鱼摄食含氮有机碎屑，将有机氮转化为动物蛋白。

池塘出水TN在夏秋季差异显著(表2)，其差异性主要由养殖中后期(8～10月)池塘出水TN显著升高造成(图2)。这与孙振中等[4]的研究结果一致。TN持续升高主要有3个原因：主因为TN来源大幅增加，饲料占养殖池塘氮总输入的68%～92%[5]，6～10月养殖饲料的投入不断增加和积累；其次，还包括养殖对象集群扰动以及增氧机开启扰动造成的底泥释放，高强度扰动时，底泥释氮强度是静置条件下的2.1倍[21]，还有随着水温升高而导致的低饱和溶氧条件，低溶氧或缺氧状态下底泥释放氮强度大[21]；此外，反硝化作用受到活性磷升高的抑制，脱氮效果降低[22]，本研究虽未测定有效磷，但TP在6～9月不断上升，TP可能与有效磷呈正相关。

生态沟渠夏秋季削减效果差异，主要与生态沟渠内碳氮比有关，夏季水生植物生长对碳的需求量远大于氮，导致水体碳氮比下降，低碳氮比造成生态沟渠中碳源缺乏，抑制了微生物的反硝化反应，降低脱氮效果[23]；进入秋季，随着养殖饲料投入量逐渐增加，大量有机物排放进入生态沟渠，碳氮比的升高有利于脱氮作用降低水体无机氮[24]，此外，池塘排水中以残饲、粪便、碎屑为有机氮载体的大颗粒物或大分子在生态沟渠物理沉降，使得有机氮含量明显下降。这两个因素致使生态沟渠秋季TN削减效果显著。

TN在6月的削减率明显低于其他月份，一是该阶段池塘出水TN本底值偏低，研究表明各种细菌群落结构分布、丰度与TN中各形态的氮均有正相关性[15]，二是水生植物处于生长期，生物量不足，根系不够发达，生物同化作用在整个养殖期内最弱。7～10月随着生态沟渠水生植物生物量的增加，对氮的积累增加[25]，以及生物同化作用的增强，TN削减率呈线性增加。8月湿地+净化池塘组合内削减率明显较低，这与高水温影响梭鱼摄食有关。总体而言，由图2各月各位点的显著性差异可知，从池塘出水各月的显著性增加至养殖小区排放水仅分为6～7月与8～10月的阶段差异，说明养殖小区排放水经净化处理后TN稳定维持在较低质量浓度区间。8～10月TN削减率反而呈增长势，这与吴华山等[26]研究结果不同，通常水生植物主导的处理系统，随着温度的降低，系统对TN的削减呈下降势，这与所选水生植物的生长受环境因素影响有关，本研究所选水生动植物组合的尾水处理系统有较长的功能发挥期，不仅弥补水生植物受环境影响较大的缺点，且以生长特性与食性符合生物位脱氮要求的水生动物作为净化功能区养殖品种，其脱氮功能可最大程度地与池塘主养对象在养殖周期上保持同步性。

3.2 养殖小区TP夏秋季与沿程交互作用

池塘中磷的输入主要是饲料，占97%～98%，磷的输出中沉积于底泥的磷占72%～89%[5,27]，因此底泥磷的释放是养殖池塘TP变化的主要因素。随着养殖月份的增加，投入饲料累计量增加，产生的残饲、粪便增加，这些含磷物质沉积于底泥，其分解会向上覆水释放大量的磷[28]，且厌氧环境会促使底泥释放[29]，6～8月随水温升高，水体氧饱和度逐渐下降，溶氧降低，底泥水界面易呈厌氧环境而促使底泥释放磷，导致TP升高，至9～10月，随着水温回落，水体氧饱和度上升，溶氧升高，底泥磷释放减弱。

生态沟渠对TP的削减作用显著，这一研究结果与张树楠等[30]、朱金格等[31]一致。对TP的削减依靠生态沟渠中颗粒态磷的沉淀、底泥吸附作用和水生植物的吸收同化作用。其中，沉淀吸附作用在本养殖小区生态沟渠中具有特异性，表现为在生态沟渠内各沿程间隔一定距离有池塘排水口，底泥在沿程呈峰谷状，尾水排放时对底泥冲击大，使得底泥沉积的磷呈现沉淀吸附—冲击释放—沉淀吸附的动态性，对TP的削减具有动态的影响，尽管如此，水生植物的吸收同化作用在生态沟渠中随生物量的增加对TP的削减增加[20]，如图5所示，生态沟渠削减率表现为25.16%～46.47%间波动。

湿地+净化池塘组合对TP的削减在6、8、9月出现负值，与净化池塘内养殖梭鱼有关，梭鱼有啃底泥的食性，因其啃食底泥导致底泥磷释放，由于尾水截至流经湿地对TP的削减尚处于正向通道，因此TP在湿地+净化池塘组合的不显著升高(削减率-9.26%)，主要由净化池塘底泥释放造成，后期采用梭鱼网箱养殖的方式，可解决这一负面影响。尽管如此，养殖小区排放水TP较池塘出水仍可显著削减30.39%。

4 结论

生态沟渠和湿地+净化池塘组合构成的养殖尾水处理系统，6～10月间，对养殖尾水TN显著削减43.02%，TP显著削减30.39%。养殖小区排放水TN、TP符合SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》一级排放标准。夏秋季与沿程的时空交互作用对TN有显著影响，秋季对TN的削减优于夏季，湿地+净化池塘组合对TN的净化效果优于生态沟渠。夏秋季与沿程的时空对TP不存在交互效应，夏秋季对TP的主效应不具有统计学意义，生态沟渠是TP的主要净化功能单元。建议优化净化池塘水生动植物组合，减少水生动物对氮磷去除的负面影响。建议优化湿地构造与水生植物组合，提高氮磷净化效果，使其成为一个独立的净化功能区，进而提高养殖尾水处理系统净化效能。

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