海水对虾养殖尾水处理技术与发展趋势

叶麦，童家歆

河海大学环境学院/浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098

根据《2019年全国渔业统计年鉴》，2018年我国水产养殖总产量为4 991.1万t，海水养殖产量约为2 031.2万t，虾类约140.9万t，其中南美白对虾(Penaeusvannamei)占虾类养殖产量的79.3%[1]。对比中国对虾和斑节对虾等养殖品种，南美白对虾有生长速度快、生态位较宽、饵料需求宽松、可以适应淡水和海水养殖等优势，养殖规模正逐年递增[2-3]。

我国对虾海水养殖主要集中在东部沿海地区，广东省、广西壮族自治区、福建省、海南省、山东省等地区为主要产区[1]。现阶段主要采用的养殖方式有海水池塘集约化养殖、沿海网箱养殖和工厂化养殖[4]。比较成熟的产业化模式有南方的高位池精养模式和北方淡卤水精养模式。随着养殖面积的不断扩大和养殖量的提高，养殖海水污染、养殖区赤潮等现象频频发生，南美白对虾养殖业出现了苗种质量下降、养殖环境恶化、病害频发等问题[5]。绝大多数养虾海域在开发时缺少科学规划，海产养殖业的尾水处理长期不受关注。近年来，在“五水共治”的大背景下，如何解析养殖尾水对周边水域及环境造成的影响以及开发有序高效的海产养殖废水治理技术成为科学研究和工程实践关注的热点问题。

1 海水对虾养殖尾水特征及环境影响

1.1 海水对虾养殖尾水特征

2020年中华人民共和国生态环境部、国家统计局、中华人民共和国农业农村部共同发布的《第二次全国污染源普查公报》显示，水产养殖业单位水产品养殖产量的排污强度分别为：化学需氧量13.6 kg/t、氨氮0.45 kg/t、总氮2.02 kg/t、总磷0.33 kg/t。中国水产科学研究院提供的《中国渔业环境生态状况公报(2018)》显示，海水重点增养殖区的主要超标因子为无机氮和活性磷酸盐。传统的水产养殖过程中产生的残饵、残骸、排泄物等使养殖区域产生大量内源污染。研究表明，在对虾类养殖过程中，投入饲料只有25%的氮和10%的磷可被虾类吸收，其余均进入养殖池塘[6]。随着对虾养殖方式集约化和工厂化程度提升、养殖密度和投饵量大大增加，残饵量和养殖机体排泄物也相应增加[7]。

1.2 海水对虾养殖尾水造成的环境影响

水产养殖被认为是造成中国沿海地区局部水污染问题的重要因素之一，会给沿海生态系统带来富营养化、赤潮、生物多样性缺失等负面影响[11]。崔毅等[12]对黄渤海区历年氮磷营养水平和COD平均浓度与该海区海水养殖产量进行了相关性分析，发现水体中无机氮平均浓度与对虾养殖产量有显著正相关关系，海水养殖产量与赤潮次数呈较好正相关关系。Yang等[13]估算发现2015年对虾养殖业(养殖面积1 639 hm2，平均池塘水深1.4 m)向闽江河口附近海水中排放的TN和TP分别为30.45 t和2.40 t。假设以此数据估算全国的水产养殖业排污量(养殖面积2.57×106hm2、平均水深1.4 m[14])，海产养殖池塘每年将向附近海域排放4.77×104t氮和3.75×103t磷，相当于中国主要入海河流营养负荷的5%，这些污染物加剧了沿海区域富营养化程度。据估算，近年来中国沿海因赤潮灾害造成的直接经济损失超过100亿元[15]。为了有效控制养殖尾水中污染物排放对沿海生态带来的不利影响，2019年2月15日，我国农业农村部、生态环境部等发布了《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见(农渔发〔2019〕1号)》，提出要加强水产尾水监测，推动养殖尾水达标排放，加快推进水产养殖业绿色发展。系列政策的颁布对海产养殖尾水的处理处置提出了更高的要求，总结并研发适合我国近海海产养殖尾水的处理技术具有重要的环境生态意义。

2 海水对虾养殖尾水处理技术

2.1 海水对虾养殖尾水的物理和化学处理方法

针对海水对虾养殖尾水中的悬浮物和胶体等污染物，可采用机械过滤、絮凝膜分离和泡沫分离等物理方法予以去除。尾水中的溶解性有机质等污染物可通过臭氧氧化法进行去除[16]。不少专家学者针对对虾海水养殖尾水开发出了更多物理、化学处理技术，表1总结了部分海水对虾养殖尾水处理使用的物理、化学技术及案例，有一定应用潜力。由于催化剂制备困难、单一电极材料无法处理多种污染物、投资成本高等原因，催化氧化、电化学氧化法大部分仍处于实验室阶段，在大规模海水对虾养殖尾水处理过程中应用较少。实际操作过程中较少使用单一的物理或化学方法处理尾水，而常常将其与生态方法结合，以达到更好的净水效果。

2.2 海水对虾养殖尾水的生物处理方法

1)水生植物法。 水生植物法主要利用部分水生植物可高效吸收有机物和营养盐、吸附悬浮物、富集重金属的特点，实现养殖尾水中污染物的有效去除。水生植物法生态兼容性较强，成本低廉，操作简单；但同时存在修复过程缓慢，对高污染负荷水体修复效果不佳等缺点[24]。叶聪等[25]选取水蕹菜、羽衣甘蓝、生菜3种水培蔬菜浮植于规模化养虾池塘，结果发现水蕹菜在3种蔬菜中对污染物去除效果最佳，对TN、TP、CODMn的去除率分别为72.2%、67.9%、34.6%，浮植方式对水蕹菜生长情况影响较小；以绳结式将水蕹菜等间距固定于尼龙绳上，以20 kg/667 m2的量种植于养虾池塘(覆盖塘面积10%，虾密度为5万尾/667 m2)，培养50 d后虾塘中的TN和TP的去除率分别为5.86%和3.73%，且对虾成活率和饵料系数显著优于对照塘。

表1 海水养殖尾水处理中使用的物理、化学技术 Table 1 Physical and chemical techniques used in mariculture wastewater treatment

微生态制剂和生物絮团常用于循环水养殖系统(recirculating aquaculture system，RAS)以改良养殖系统水质。RAS的特点是系统封闭并对养殖用水进行循环，与传统养殖模式相比，在实现高密度养殖的同时高效率节水节地节能，是未来水产养殖的发展趋势[48]。目前RAS系统在实验室水平和鱼类养殖生产中已经基本实现应用，但RAS设备投入和运行成本较高的特点限制了其在对虾工业化养殖的大规模推广[49]。

2.3 养殖尾水资源化利用技术

然而目前要利用养殖尾水实现大规模栽培微藻还存在许多技术瓶颈，国内对于藻-菌共生在水产养殖系统应用中的研究也还处于初级阶段[70]。微藻生物膜系统是一种在固体表面附着培养微藻的创新技术，对水和能源的需求较少，可以解决传统栽培技术中如生物质产量低、生物质回收率低等问题，相比于传统的悬浮栽培系统更具优势。科研人员已在实验室内开展了技术和生态两方面的研究，微藻生物膜技术在水产养殖和废水处理等领域的应用已经得到了科学界的关注[71]。研发以藻-菌共生体系等在内的生态技术实现对海产养殖尾水的资源化利用及生态处理符合社会发展的主流趋势，具有良好前景。

2.4 海水对虾养殖尾水集成技术及应用潜势分析

经过对上述文献的归纳与分析，结合处理效率、经济成本、资源化利用程度、技术操作难易度等因素，提出以下适宜在我国沿海区域进行海水对虾养殖尾水处理的原位处理技术、异位处理技术和资源化利用技术，如表2所示。

表2 优选的对虾养殖尾水生物处理技术 Table 2 Preferred biological treatment technologies for shrimp culture wastewater

3 海水对虾养殖尾水综合治理和排放管理展望

根据生态环境部颁布的《2019年中国海洋生态环境状况公报》，我国海域夏季呈富营养化状态的海域面积共42 710 km2，近岸海域局部污染仍比较严重，水产增养殖区等重要渔业区域水质仍待提高。对海水养殖尾水进行有效处理处置能有效降低养殖尾水的污染负荷，削减污染排放量，实现对养殖尾水排放的有效管控。展望我国海水养殖业的发展方向，很多渔业发达国家的政策和经验值得参考。例如日本在海水养殖产量上保持循序渐进的态势，自20世纪70年代开始严格按照养殖空间和水域环境控制海水养殖产量，管理上政府与行业协会共同治理；美国政府在20世纪80年代成立了由科学家、渔民、政府官员及其他海洋渔业从业人员参加的渔业协会，共同参与渔业管理；挪威在水产养殖、品质控制方面建立了完善的法律体系，制定了养殖许可制度，并针对执照设定养殖产量上限，分配饲料投喂额度以控制产量[72-73]。我国可根据本国国情，完善法律条文以适应海水养殖产业复杂多变的新情况，建立渔业协会与政府的合作关系，引导海洋环境非政府组织(NGOs)相互协作，共同发展。

在多年的海水养殖尾水治理过程中，我国广西、江苏、山东等地已总结出多套适合我国国情的海水养殖尾水治理方案，体现治理实效的先进案例也可供其他地区借鉴推广。广西是我国对虾海水养殖的主要地区[1]，以防城港市为例，当前最普遍使用的养殖方式是海水池塘高密度养殖。集中连片海水池塘高密度养殖区的尾水综合治理模式通常为：生态渠道+水生动植物混养+曝气增氧+生物膜+定期施用微生态制剂，另配设尾水水质监测监控系统使尾水外排达标[74]。江苏南通如东县长沙镇采用生物处理与生态沟塘结合的尾水处理模式，充分利用水生植物、微生物、微生态制剂的净化优势对养殖尾水进行原位修复；大豫镇采用四级逐级过滤的尾水处理模式，结合物理方法与生物修复，适合大规模养殖企业，处理效率高，占地较少[75]。山东东营现代农业示范区的牧渔归陆上海洋牧场项目实现了养殖尾水的回用，并投放益生菌及进行生物抑菌处理减少虾病害与抗生素污染[76]。综上所述，我国可通过典型案例示范引领，推广海水养殖尾水治理的先进技术和生态养殖理念，走生态循环经济发展的道路，因地制宜地采用原位处理技术、异位处理技术、资源化利用技术等尾水处理集成技术，利用低营养级、非投饵型海产的碳汇效应，降低碳排放，实现海水养殖绿色发展。