不同水力负荷对池塘养殖尾水处理系统净化效果的影响

徐嘉波，施永海，刘永士

(上海市水产研究所 上海市水产技术推广站，上海 200433)

规模化水产养殖场的池塘养殖尾水处理技术研究目前尚处于起步阶段，在我国重视水环境保护和全面推动现代渔业绿色发展的现实要求下，开展池塘养殖尾水达标排放处理技术的研究是一项十分必要和紧迫的任务。目前，对池塘养殖尾水的处理主要有池塘原位处理[1]、池塘外挂系统处理[2]、池塘循环流水处理[3]等。为探索建立改造费用投入少、运营维护成本低、净化系统有经济效益的池塘养殖尾水处理系统，本研究团队在一个规模化水产养殖场中建立了由湿地、一级净化池塘和二级净化池塘3个净化功能区组成的池塘养殖尾水处理系统[4]，并对其开展了水质净化的综合评价[5]，探明了各级沿程对主要污染物的净化机制和时空变化规律[6-7]。但是，对运行参数尚未深入研究，特别是水力负荷、水力停留时间等。水力参数的优化有利于设施工程结构的优化[8]及净化效果的提升[9-10]。已有学者针对多级净化功能区开展了不同水力参数对净化效果的研究，实现了净化系统的参数优化[11-13]。本研究在池塘养殖尾水处理系统稳定运行的条件下，开展不同水力负荷对总氮、总磷净化效果的研究，探明池塘养殖尾水处理系统整体及各级沿程在不同水力负荷条件下总氮、总磷的变化规律，分析系统运行最佳水力参数条件，旨在为改进系统运行策略提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 养殖尾水处理系统概况

养殖尾水处理系统(aquaculture wastewater treatment system，AWTS)由表面流湿地(surface flow wetland，SFW)和2个由养殖池塘改造的净化池塘(purification pond，PP)构成，对规模化池塘养殖小区内13个池塘(5 hm2)进行养殖尾水净化处理。实验养殖池塘与养殖尾水处理系统面积比为9.8∶1。养殖尾水处理系统内表面流湿地(SFW)、一级净化池塘(PP1)、二级净化池塘(PP2)面积比为1∶4.5∶3.6。

工艺流程如图1所示，通过借用水产养殖场进水渠道(占地512 m2，长640 m×宽0.8 m×高0.83 m)，将各养殖池塘尾水引入养殖尾水处理系统，养殖尾水沿程依次经SFW、PP1、PP2净化处理后排放。

构建参数如表1所示，SFW于2018年投入使用，依水流方向分3个仓(W1～W3)，各仓间用土坝(fill dam，FD)分隔，W1种植芦苇(Phragmitescommunis)，W2种植香蒲(Typhaorientalis)，W1、W2于每年3月份种植，控制初始密度15株/m2；W3于每年2月份种植菱角(Trapabispinosa)，密度1.2个/m2；PP1于每年3月份放养初始规格约50 g/尾的梭鱼(Lizahaematocheila)，配套少量青鱼(Mylopharyngodonpiceus)、鲢(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙(Hypophthalmichthysnobilis)，各种鱼类共计1 000余尾；PP2于每年5月份种植凤眼莲(Eichhorniacrassipes)25 kg、每年8月份种植蕹菜(Ipomoeaaquatica)165 kg，配套少量青鱼、鲢、鳙。SFW与PP1连接处填充碎石坝(碎石粒径2～10 cm，坝上口宽1 m、下口宽0.9 m、长5 m、高0.8 m)，PP1与PP2连接处填充同型碎石坝(坝上口宽1.65 m、下口宽1.0 m、长4.7 m、高1.16 m)。各级PP内设置1.5 kW增氧机1台。

1.2 试验方法

1.2.1 运行策略与水样采集 设计高、中、低3个水力负荷，分别在2020年9月上、中、下旬使用养殖尾水处理系统对养殖尾水进行净化处理，系统运行时间为每天下午5点至次日早上8点，运行期间开启净化池塘增氧机。系统在每个水力负荷条件下连续运行7～10 d。系统运行时，整体及各净化功能区水力负荷见表2。养殖尾水处理系统在各水力负荷条件下运行至第5 天左右时，在各级沿程4个水样采集点(图1)依据《水质 采样技术指导》(HJ 494-2009)[14]采集水样3次，每次采集3份，每份间隔为5 h，即每个水力负荷下共计9份水样。

表2 养殖尾水处理系统整体及各个净化功能区水力负荷

1.2.2 指标测定与计算 水样中总氮(TN)质量浓度测定采用碱性过硫酸消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)[15]，总磷(TP)质量浓度测定采用钼酸铵比色法(GB 11893-1989)[16]。计算沿程各段及处理系统整体TN或TP去除率。去除率=(Ci-Ce)/Ci×100%(Ci为处理前TN或TP的质量浓度，Ce为处理后TN或TP的质量浓度)。

1.2.3 分析方法 数据归纳和图表绘制采用Excel 2010，数据分析采用SPSS 19.0软件。TN和TP质量浓度数据以“平均值±标准差”的形式表示。采用双因素重复测量方差分析法，分析各水力负荷条件下各级沿程TN、TP质量浓度的显著性差异(即进出水的差异)，水力负荷与养殖尾水处理系统沿程2个因素的交互作用。采用Bonferroni检验进行各水力负荷下各净化功能区对应进出水水样采集点TN、TP质量浓度的多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水力负荷条件下沿程TN、TP质量浓度变化

不同水力负荷条件下养殖尾水处理系统沿程TN、TP质量浓度变化见表3。由表4的双因素重复测量方差分析结果可知，系统沿程、水力负荷对TN、TP质量浓度均有极显著影响(P<0.01)，且系统沿程与水力负荷存在交互作用(P<0.05)。

表3 不同水力负荷条件下养殖尾水处理系统沿程TN、TP质量浓度变化

表4 不同水力负荷条件下养殖尾水处理系统沿程TN、TP质量浓度的双因素重复测量方差分析

由表5可知，低水力负荷下，养殖尾水经过SFW和PP1的TN质量浓度均有极显著差异(P<0.01)，经过PP2的TN质量浓度有显著差异(P<0.05)，系统整体进水与排水TN质量浓度差异极显著(P<0.01)；中水力负荷时，经过SFW和PP1的TN质量浓度差异均不显著(P>0.05)，经过PP2的TN质量浓度差异极显著(P<0.01)，系统整体进水与排水TN质量浓度差异显著(P<0.05)；高水力负荷时，经过SFW和PP1的TN质量浓度差异均不显著(P>0.05)，经过PP2的TN质量浓度差异极显著(P<0.01)，系统整体进水与排水TN质量浓度差异不显著(P>0.05)。经过SFW和PP1的TN质量浓度均值差值随水力负荷增加呈线性下降，低水力负荷时，经过SFW和PP1的TN质量浓度均值差值大于经过PP2。随着水力负荷提高，PP2成为TN质量浓度下降的主要单元，其在低、中、高水力负荷下对TN质量浓度下降的贡献度依次为22%，72%和93%。

由表5可以看出，在3个水力负荷条件下，养殖尾水处理系统进水与排水TP质量浓度均有显著或极显著差异。中、低水力负荷时，养殖尾水经过各级沿程TP质量浓度均有显著或极显著差异;但高水力负荷时，仅经过PP2尾水的TP质量浓度有显著差异(P<0.05)。低水力负荷时，各级沿程TP质量浓度均值差值随沿程增加呈线性下降，SFW对TP质量浓度下降的贡献度最高，为50%；中水力负荷时，TP质量浓度均值差值呈波动变化，PP2对TP质量浓度下降的贡献度最高，为40%；高水力负荷时，各级沿程TP质量浓度均值差值已无明显差别。

表5 不同水力负荷条件下养殖尾水处理系统沿程TN、TP质量浓度的Bonferroni检验

2.2 养殖尾水处理系统整体净化效果

由图2可见，养殖尾水处理系统整体对养殖尾水TN去除率随水力负荷的增加呈线性下降，SFW和PP1表现出相同的规律。低水力负荷下的主要去除单元是SFW和PP1，随着水力负荷的增加，SFW和PP1的TN净化效果变差，高水力负荷时PP1的TN去除率为负值。PP2有较稳定的TN去除表现，在试验水力负荷范围内，TN去除率为21%～31%。当养殖尾水处理系统以不同水力负荷运行时，TN去除总量最大的是中水力负荷，其次是低水力负荷。

图2 不同水力负荷下养殖尾水处理系统整体和各级沿程的TN净化效果

由图3可见，养殖尾水处理系统整体对养殖尾水TP去除率随水力负荷的增加呈线性下降，SFW表现出相同的规律，PP的TP去除率呈波动性变化。不同水力负荷下，在各个净化功能区内TP去除较TN去除更为均衡，养殖尾水处理系统整体对养殖尾水TP去除的贡献度在各级沿程较为平均。当养殖尾水处理系统以不同水力负荷运行时，TP去除总量最大的是高水力负荷，其次是中水力负荷。

2.3 养殖尾水处理系统功能区优化

由于PP2对TN、TP的净化效果较好，故对PP2的试验结果进行函数回归处理[17]，得到TN、TP去除率(ηTN、ηTP)与水力负荷(X)的函数关系：

ηTN=-107.222X2+12.572X-0.055，R2=1.000。

(1)

ηTP=-72.353X2+6.584X+0.185，R2=1.000。

(2)

运用最优化原理，采用水力负荷和去除率的乘积建立优化函数如下：

S=C·X·η。

(3)

式中：S为单位面积净化功能区每天的污染物去除量，g/(m2·d)；C为污染物进水体积质量，g/m3；X为水力负荷，m/d；η为去除率。

将式(1)、(2)代入式(3)，对S求导，结果为0。

由此可得到净化功能区最佳水力负荷，将最佳X值代入式(1)、(2)，得到TN、TP最佳去除率。

经TN去除率拟合方程计算PP2最佳水力负荷为0.076 m/d，对应最佳去除率为28%；据TP去除率拟合方程计算最佳水力负荷为0.073 m/d，对应最佳去除率为28%。拟合计算结果表明基于目前净化功能区结构，水力负荷对TN、TP去除率影响效果趋同，同时PP2水力负荷在目前0.060 m/d基础上，尚可提高约30%。

3 讨 论

3.1 不同水力负荷对TN净化效果的影响

SFW脱氮主要依靠微生物作用、土壤吸收以及植物吸收[18]， 高水力负荷导致湿地脱氮细菌随水流带出，影响湿地微生物作用[19-20]，还可导致湿地水深较常态水平大，影响湿地植物吸收、吸附污染物质的效果[21]，从而使得湿地对TN净化效果变差。本研究中，TN去除率降低幅度明显快于水力负荷增加幅度，高水力负荷时，SFW对TN的去除率仅为2.7%，几乎无脱氮能力，在3个净化功能区中SFW抗负荷冲击能力最弱。多项研究表明,降低水力负荷有利于提升湿地净化效果[22-23]，本研究中低水力负荷下，SFW的TN去除率可达19.69%，远低于王宇娜等[24]总结的“表面流湿地TN浓度平均去除率水平”，表明表面流湿地的运行水力负荷仍有进一步优化的空间。

PP1脱氮主要依靠水生动物(梭鱼)对有机氮的摄取，当水力负荷较大时，养殖尾水中的残饵、粪便等有机氮载体颗粒物质不利于沉降与均匀分布，影响水生动物的摄食效率，降低有机氮的净化效果；同时水力负荷较大时，本应在湿地沉降、截留的含氮大颗粒物质直接进入PP1，两种因素叠加使得PP1对TN的去除随着水力负荷增加呈现急剧下降趋势。本研究中，中水力负荷时，TN去除率较低水力负荷时下降88%。

PP2脱氮主要依靠微生物作用、植物吸收等，其中微生物脱氮是主要途径[25]。本研究中，不同水力负荷条件下，PP2对TN的净化效果始终优于SFW，这与王全金等[13]的研究结果一致，同时该区域TN净化效果较其他2个净化功能区更稳定，在养殖尾水处理系统中PP2发挥主要的TN净化功能，其受水力负荷变化的影响最小，其随水力负荷的变化规律可能原因为：低水力负荷时前置净化功能区净化效果较好，PP2的TN本底值较小，影响净化效果；中水力负荷时前置净化功能区净化效果差，PP2不仅TN本底值上升，同时因水力负荷增加导致随水流带入的脱氮细菌附着于水生植物根系，PP2植物覆盖度高，根系发达，反硝化作用增强，有利于NO3--N的去除[26]；高水力负荷时，由于水交换加快，植物根系附近溶氧水平提升，不利于反硝化细菌脱氮，同时也可能造成脱氮细菌脱落。

与单一净化功能区不同，本研究建立的养殖尾水处理系统不同水力负荷间、不同功能区之间净化效果存在交互作用。高水力负荷时，虽然具有较好的TN净化效果，但长期高水力负荷运行会造成TN在某一净化功能区的蓄积，反而降低了3个净化功能区协同作用的效果，同时使得系统在应对较高TN质量浓度的养殖尾水排放时缺乏缓冲能力。从净化效果考虑，养殖尾水处理系统较理想的是中水力负荷。

3.2 不同水力负荷对TP净化效果的影响

SFW对磷的去除主要通过物理沉降、基质吸附和植物吸收。本研究中，低水力负荷时，水力停留时间较长，有利于植物对磷的吸收；中、高水力负荷对磷的去除差异不明显，但两者较低水力负荷差异较大，这可能与湿地筑坝分仓有关，微地形可使流速、流向、流深发生变化[27]。当水力负荷较低时，坝体导致的水力分布改变有利于磷的沉降，水力负荷升高后，水力停留时间变短，微地形影响因素减弱，中、高水力负荷时，TP去除率表现与Persson等[28]的研究结果相似，在一定范围内的水力负荷变化对TP去除率影响较小。

PP1对磷的去除主要通过物理沉降。本研究中，水力负荷较低时，磷的沉降较明显，当水力负荷升高到一定程度，磷的去除率表现较为稳定。

本研究中，PP2对磷的去除主要分2个阶段，第一是养殖尾水进入PP2时，颗粒态磷吸附沉降使TP下降，这一阶段受水力负荷影响较大，较低的水力负荷有利于磷的吸附沉降；第二是经过PP2沿程后端1/2面积的水葫芦、空心菜种植区，水葫芦，空心菜对TP有明显的净化效果，该阶段磷的去除主要通过植物吸收和微生物同化作用[29-30]。中、低水力负荷范围内，TP去除率相对稳定，高水力负荷时TP去除率下降明显，说明中、低水力负荷时，PP2中2个阶段磷的去除能较好地协同，但高水力负荷对2个阶段磷的去除均有明显的负面影响。

本研究中，随水力负荷的变化，各净化功能区对TP的净化效果与TN略有差异，水力负荷的变化并未导致某一净化功能区TP净化效果明显下降并影响下一级净化功能区。仅就TP的净化效果考虑，养殖尾水处理系统可以中、高水力负荷运行。

3.3 养殖尾水处理系统运行策略优化

本研究中，不同水力负荷下PP2对TN、TP的净化效果，与凌祯等[17]和梁康等[31]的研究结果相似。由于PP2对TN、TP的净化效果显著，在运行策略上，提出2种设想有待今后深入研究。(1)现有净化功能区结构不改变的前提下，提高养殖池塘尾水排放流量，并在原净化流程不变的基础上，将池塘养殖尾水适当分流直接进入PP2，在维持SFW和PP2水力负荷不变、保证这2个净化功能区净化效果的基础上，提高PP2的水力负荷，使其匹配理论最佳的水力负荷与去除率水平。(2)在养殖尾水处理系统总面积不变的基础上，优化内部功能区结构，调整SFW、PP1、PP2面积比为1∶6∶3。即减少PP2面积，提高水力负荷，使其适配理论最佳水力负荷和最佳TN、TP去除率；增加PP1面积可以降低其中的水力负荷，有利于提高TN、TP在PP1的去除效果，同时该区域中放养经济型水生动物数量可适当增加，进而提高经济效益。

本研究建立的池塘养殖尾水处理系统虽然各个净化功能区的抗负荷能力不同，但整体的抗负荷能力和净化效果稳定性尚可。与单一净化功能区可选择最佳水力负荷运行不同，多净化功能区适合在综合评价各净化功能区水力参数影响净化效果的基础上，建立适宜的系统运行策略。规模化水产养殖场池塘养殖尾水的水质因养殖阶段、养殖品种表现出较大的差异性，综合考虑多种因素，养殖尾水处理系统保守型运行策略为中水力负荷(0.023 m/d)运行，以最佳性能发挥各净化功能区的净化能力。优化型运行策略为在监测掌握池塘养殖尾水水质变化规律的基础上，选择个性化策略的运行水力负荷，如针对池塘低浓度污染物尾水，采用高水力负荷运行，针对高浓度污染物尾水，采用低水力负荷运行，以此实现污染物总量去除的最优化。

4 结 论

养殖尾水处理系统中TN、TP质量浓度在各级沿程、不同水力负荷间存在显著性差异，且沿程与水力负荷存在交互作用，TN、TP质量浓度随各级沿程的变化趋势受水力负荷的影响。

随水力负荷的增加，系统整体对TN和TP的去除率均呈线性下降(TN去除率由低水力负荷时的57%下降为高水力负荷时的23%，TP去除率由低水力负荷时的70%下降为高水力负荷时的46%)。随水力负荷的增加，二级净化池塘PP2在系统各净化功能区中对养殖尾水TN净化效果的贡献度由低水力负荷时的22%逐渐增大至高水力负荷时的93%。

二级净化池塘PP2可优化获得最佳水力负荷(约0.075 m/d)，对应TN、TP质量浓度最佳去除率均为28%，现行二级净化池塘水力负荷可提高约30%。

当养殖尾水处理系统以不同水力负荷运行时，TN去除总量最大的是中水力负荷，其次是低水力负荷;TP去除总量最大的是高水力负荷，其次是中水力负荷。

多净化功能区组合的养殖尾水处理系统宜建立基于优化水力参数的运行策略。就本养殖尾水处理系统而言，若发挥各净化功能区最佳净化性能，宜采用中水力负荷(0.023 m/d)运行；若以污染物去除总量最优化为目的，需根据养殖池塘排放尾水的水质状况建立个性化运行策略。

DOI：10.12024/jsou.20200402987.

DOI：10.12024/jsou.20200402987.

DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2021-097.

DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2021-097.

DOI：10.13254/j.jare.2020.0499.

DOI：10.13254/j.jare.2020.0499.