集排污时长对底排污池塘水质特征及排污效果的影响

高 攀，李晓东，李 林，程先友，刘 晶，胡建勇，郭 江

(1.新疆维吾尔自治区水产科学研究所，农业农村部西北地区渔业资源环境科学观测实验站，乌鲁木齐 830000；2.沙湾县江丰水产养殖有限公司，新疆沙湾 832100)

池塘精养作为淡水池塘养殖的主要类型，其主要通过增加放养密度和配合饲料的投入量来提高养殖产量和效益，投入饲料中绝大部分未被利用的氮、磷在池塘中沉积与分解。由于池塘自身的封闭性，消除营养盐和有机物以净化自身的能力是有限的，一旦超过水体自净能力，易造成养殖池塘水体富营养化，最终导致鱼产力下降甚至影响水产品质量安全。精养过程中产生的残饵、粪便大部分以底泥形式沉积于池塘中，其既是异养菌的资源库，又是鱼类细菌性疾病的病原库，因而清除池塘底泥可有效改善水体环境和降低病害发生几率。

池塘底排污技术是近年来发展的现代池塘节能减排技术之一，其利用池塘内外水位差产生的水压将池塘底部的废弃物通过集污口自主排出养殖池塘，从而实现改善水质环境。目前，已在池塘底排污系统的工程建设、系统管理和运行效果等方面开展了较多的研究，张连英等分析了底排污技术要点及工程建设费用；张朝阳等对底排污系统构建及管理技术的研究显示，池塘底排污系统可将饲料转化利用率提高3%～5%，饵料系数降低0.1～0.2；蒋礼平等、罗燕对底排污池塘运行效益进行了分析，底排污池塘较传统养殖方式明显地缩短了养殖周期，降低了生产成本；郭江涛等对底排污养殖池塘水体监测发现，总氮、总磷、化学需氧量均基本达到淡水池塘养殖水二级标准；张凯等研究发现，底排污系统降低了水体中氨氮和亚硝酸盐氮水平，减少了水体中和尼罗罗非鱼()体内异味物质二甲基异莰醇和土臭素的累积。以往，池塘底排污系统主要根据排污时的污水颜色和臭味大致判断排污间隔时间和排污时长，对底排污系统排出水体缺乏监测与科学评价。本实验通过分析不同集污时间对主养草鱼()底排污池塘水质特征及排污效果的影响，科学评估底排污系统排出水体风险指标，以期为池塘底排污技术的科学规范化应用提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 实验地点

实验地点位于新疆塔城地区沙湾县柳树沟镇，对照池塘和实验池塘各1口，均为标准化养殖池塘，池塘呈长方形(长×宽×深为300 m×100 m×2.6 m)，池塘面积3 hm，池塘淤泥厚10 cm左右，池底坡度1.2%。池塘具备独立进水设施，水源为地下深井水，周围无污染源，水质符合GB 11607渔业水质标准。

1.2 实验池塘改造

实验池塘排污口位于池塘底部中心位置，为正方形(边长为80 cm×80 cm)，排污口周围呈15～30°的锅底形，用混凝土固化面积80 m。排污口覆盖拦鱼用网格板，用直径315 mm PVC排污管与安置排污出口抽插开关的排污竖井连通。池塘排污口与竖井内出污口的距离为160 m，坡度为1%。详见图1。

图1 池塘底排污结构示意图Fig.1 Schematic diagram of sewage discharge structure at the bottom sewage pond

1.3 实验鱼放养

对照池塘和实验池塘投放同一批次鱼种，投放时间为4月27日，鱼种投放前用质量浓度1.5% NaCl溶液浸泡10 min，池塘投放鱼种的规格和数量为草鱼80～96 g/尾、15 000 尾/hm，松浦镜鲤(Songpu)92～110 g/尾、750 尾/hm，异育银鲫()36～56 g/尾、1 500 尾/hm，鲢()120～156 g/尾、3 000 尾/hm，鳙()106～143 g/尾、1 000 尾/hm。鱼种下塘后逐渐加注新水，10 d内加水至池塘最深水位2.2 m。

1.4 养殖管理

在对照池塘和实验池塘中心位置架设风送投饵机，投饵半径15 m。养殖饲料均选用粗蛋白含量30%、粗脂肪含量5%、磷含量1%的草鱼专用配合饲料，每天投喂3次，每次45 min左右，根据鱼体生长、摄食和天气情况，及时调整投食量。养殖期间利用池塘水质智能监控系统对水体溶氧、pH值等水质参数进行动态监控管理。

在养殖周期内，对照池塘不施用水质调节剂，不排水换水，仅每次集污试验结束后补充因蒸发和渗漏损失的水以保持池塘水位稳定，每次补水1 d内完成。试验池塘正式试验开始前每天排污一次，每次排污时间15 min，排出污水沉积6 h后打开排污井阀门，将上清液排入配套水处理设施，沉积物作为农作物的有机肥。

1.5 水样采集与水质指标测定

在对照池塘和实验池塘的4个池角和池中央设采样点，分别于5月19日、6月22日、7月21日、8月25日和9月28日取采样点距水面50 cm深处的水体，混合均匀后取水样。

设计集污24、48、72、120、240 h共5个时间梯度，分别收集排污闸门打开后出污口第1、2、3、5、10、15 min和排污结束时排污井内水样，并同期采集池塘排污口正上方距水面0.5、1.8 m深处的水体。在每个集污时间梯度水样采集完成后，每天持续排污15 min连续排污5 d后开始下一集污时间梯度的试验。水样的采集、贮存、运输和处理具体参照GB/T12999-91，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-1989)，总磷采用钼酸铵分光光度法(GB11893-1989)，氨氮采用纳氏试剂比色法(GB7479-1987)，化学需氧量采用高锰酸钾法(GB/T11892-1989)，硫化物采用亚甲蓝分光光度法(SL89-1994)，浊度采用分光光度法(GB/T13200-1991)测定。

选取对水质影响较大的5个主要因子(总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、硫化物)作为评价指标，按徐祖信提出的方法，计算各水质指标单因子水质标识指数和综合水质标识指数值。按照地表水环境质量标准(GB3838-2002)和淡水池塘养殖水排放要求(SC/T 9101-2007)对池塘养殖水体和底排污系统排出水体进行水质评价。

1.6 生长性能的测定

池塘于10月15日排水，次日进行拉网捕捞与分拣，记录池塘各品种渔获物总重，打样计算平均规格，计算池塘吃食性鱼类(草鱼、松浦镜鲤和异育银鲫)饲料系数、总饲料系数。

吃食性鱼类饲料系数=/(-)

总饲料系数=/(-)

式中，为投喂饲料重量(kg)；为渔获物中草鱼、松浦镜鲤和异育银鲫的总重(kg)；为放养草鱼、松浦镜鲤和异育银鲫的总重(kg)；为渔获物总重(kg)；为放养鱼总重(kg)。

1.7 数据处理

采用SPSS 22.0软件对试验数据进行统计分析，试验结果用平均数±标准差表示，当处理之间差异显著(<0.05)时，用Duncan检验进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 生长性能

养殖鱼类收获规格及生长性能见表1。经过历时170 d养殖，实验池塘吃食性鱼类的末体重、增重率高于对照池塘，滤食性鱼类(鲢和鳙)的末体重、增重率低于对照池塘，但均无显著性差异。试验池塘与对照池塘的吃食性鱼类饲料系数分别为1.67、1.71，总饲料系数分别为1.43、1.46，试验池塘均略低于对照池塘。

表1 养殖鱼类收获规格及生长性能Tab.1 Size and growth performance of fish reared in the ponds

2.2 池塘水体水质参数动态变化、评价及营养等级

如图1所示，随着养殖时间的延长，对照池塘水体中总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、硫化物含量呈显著上升趋势，于8月25日后维持在较高水平；而实验池塘各水质参数呈缓慢上升趋势，于7月21日后维持在较低水平。实验池塘总氮、氨氮、化学需氧量、硫化物从7月21日起显著低于对照池塘，总磷含量仅8月25日显著低于对照池塘。

养殖池塘水质评价及污染等级见表2。随着养殖时间的延长，池塘水体单因子水质标识指数(总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、硫化物)、综合水质标识指数均呈上升趋势，对照池塘高于实验池塘。综合分析显示，对照池塘和实验池塘的单因子水质标识指数均为硫化物最低、其次为氨氮，总磷最高。

2.3 不同集污时间下底排污系统排出水体水质的动态监测

不同集污时间对底排污系统排出水体水质的影响见表3。实验池塘表层、底层水体总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、硫化物、浊度的变化趋势存在一致性，即水体的底层显著高于表层。随着集污时间的延长，各项水质指标浓度逐渐升高，其中总氮、总磷、硫化物、浊度在集污240 h时显著高于集污24 h，氨氮、化学需氧量在集污72 h后显著高于24 h。

表3 不同集污时间对底排污系统排出水体水质的影响Tab.3 Influence of different collection time on water quality of bottom sewage system

随着排污时间的延长，各集污时间组底排污水体的总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、硫化物、浊度均呈下降趋势，其中集污24～72、120、240 h的总氮含量在排污5、10、15 min时低于底层水体；各集污时间组总磷含量在排污15 min时均下降至与底层水体无显著性差异；集污24～72 h和120～240 h的氨氮含量分别在排污3、5 min时下降至介于表层和底层之间；集污24、48～120、240 h的化学需氧量含量分别在排污5、10、15 min时下降至与底层水体无显著性差异；集污24～48、72、120 h的硫化物含量分别在排污5、10、15 min时降至底层水体以下，集污240 h在排污15 min时仍高于底层水体，但无显著性差异；集污24～48、72、120～240 h的浊度分别在排污3、10、15 min时优于底层水体。

图2 养殖池塘水体水质参数动态变化Fig.2 Dynamic changes of water quality parameters in aquaculture ponds图中标有不同小写字母表示同处理组不同时期差异显著(P<0.05)，大写字母表示同时期不同处理组差异显著(P<0.05)。

水质指标日期05-1906-2207-2108-2509-28总氮3.104.305.916.726.52单因子水质标识指数总磷6.126.827.427.727.42氨氮1.502.603.203.603.60对照池塘化学需氧量1.904.205.716.226.12硫化物1.401.601.801.901.90综合水质标识指数2.8013.9014.8035.2035.103综合营养类型II类III类IV类V类V类总氮3.104.104.204.504.80单因子水质标识指数总磷6.126.927.027.027.22氨氮1.402.502.903.003.00试验池塘化学需氧量1.904.405.115.315.41硫化物1.301.601.601.601.70综合水质标识指数2.8013.9014.2024.3024.402综合营养类型II类III类IV类IV类IV类

2.4 不同集污时间下底排污系统排出水体的水质评价

底排污系统排出水体的水质评价见表4。随着集污时间的延长，各集污时间下底排污系统运行15 min内排出混合水体的总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、硫化物、浊度的平均值呈升高趋势，其中集污时间24 h较240 h分别低40.14%、30.91%、46.91%、72.83%、67.58%、78.19%。

表4 底排污系统排出水体的水质评价Tab.4 Water quality evaluation of bottom drainage system

以地表水环境质量标准评价，底排污系统集污24～120 h后排出水体综合污染指数达到V类水标准，集污240 h后排出水体综合污染指数劣于V类水标准；各集污时间组排出水体的单因子水质标识指数中氨氮、硫化物介于地表水环境质量标准II～III类；除集污24 h实验组的总氮外，其余各组总氮、总磷、化学需氧量均劣于地表水环境质量标准V类水。以《淡水池塘养殖水排放要求》评价，底排污系统集污24～72 h后排出水体综合污染指数达到二级标准，集污120～240 h后劣于二级标准，主要超标因子为总磷、化学需氧量。

3 讨论

3.1 池塘水质变化、评价及营养等级

随着养殖周期的增加，淡水精养池塘内残饵和鱼类排泄物大量积累，极易导致水体中营养盐质量浓度升高，甚至超过《淡水池塘养殖水排放要求》二级标准。本实验结果也显示，养殖中后期(6月22日～9月28日)，池塘水体的总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、硫化物含量较养殖初期显著性升高；至试验结束(9月28日)，对照池塘和实验池塘的水质参数较养殖初期分别升高126%～465%、96%～146%，其中，化学需氧量超过《淡水池塘养殖水排放要求》二级标准，超标倍数分别为0.73倍、0.37倍。

目前，现有的综合水质评价方法主要用于对河流、湖泊等水体水质的营养类型和营养状态评价，尚无公认的针对养殖池塘水质的评价标准与方法，也没有统一的养殖池塘氮、磷营养水平限定标准。本实验采用单因子水质标识指数和综合污染指数法，以地表水环境质量标准为判定值，评价一个养殖周期内池塘水质富营养化状况。综合分析发现，对照池塘和实验池塘的营养类型由养殖初期的Ⅱ类上升至养殖中后期的Ⅳ～Ⅴ类，其中总氮、总磷是导致水体富营养化的主要影响因子。此外，水体化学需氧量的水质标识指数也偏高，表明池塘水体中存在较多的还原性有机质，需加强监测因有机质氧化可能导致的水体溶氧变化。本实验采用地表水环境质量标准来评价池塘水质，忽略了池塘养殖水体和地表水体功能的差异，因为与河流、湖泊等自然水域的功能不同，养殖池塘水体中氮、磷及悬浮物等物质是浮游动植物、鱼类生长必需的营养物质，可能导致高估氮、磷对池塘水质的污染程度。

分析对照池塘的水质变化规律，各水质参数均在8月25日达最高值后略有下降，不同于珠江三角洲基塘高密度混养池塘和上海市淡水养殖池塘水质变化情况，这可能与养殖后期(8月25日～9月26日)池塘水温降低，鱼类摄食强度下降和活动量减少，池塘底泥的吸附沉淀作用大于扩散作用有关。

3.2 底排污系统排出水体水质的动态监测

传统池塘养殖过程中产生的残饵、粪便是养殖环境中氮、磷及有机质污染负荷的主要存在形式，是影响池塘水体中氮、磷含量变化的主要因素，这类有机物大部分以底泥形式沉积于池塘中，因而清除池塘底泥可有效减少池塘水体水质调控压力。通过对底排污系统运行排水水体水质的动态监测分析，底排污系统排出水体中含高浓度有机物、还原性物质等成分，排污峰值浓度达到池塘底层水体的2～5倍水平，表明通过排污可降低池塘有机物和还原性物质含量。

由于水体中光照度、浮游植物丰度、光合作用产氧速率、呼吸作用耗氧速率的垂直差异及底泥营养盐释放等综合作用所致，池塘里水质指标呈垂直变化规律，底层水体的营养盐、有机质浓度往往高于表层水体。本实验池塘水体中总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、硫化物的变化趋势也表现出相似特点。池塘底排污系统排出的为残饵、粪便与底层水体的混合物，因而，通过池塘水质变化情况及排污口水质与池塘底层水体是否无显著差异来决定集污时间和单次排污时长更为准确。本实验研究显示，在不同的集污时长下，排污的污染物浓度等存在较大差异，本实验系统每隔1～3 d排污1次，每次排污10 min，可有效改善池塘养殖水体水质环境。

3.3 底排污系统排出水体对周边环境的影响

水产养殖对周围水环境的主要污染物是排出废水中的磷、氮营养盐和悬浮颗粒物。本实验中，虽然集污24～120 h时底排污系统排出水体的水质综合污染指数达到地表水环境质量V类水标准，但除集污24 h组的总氮外，其余各集污时间组的总氮、总磷、化学需氧量均劣于V类水标准；集污120～240 h时水体劣于《淡水池塘养殖水排放要求》二级标准，总磷、化学需氧量为主要超标因子，这与太湖流域、环杭州湾的精养池塘水质情况相类似。因此，池塘底排污系统应建设污水收集、处理配套设施，以避免直接排放对周边环境造成不良影响。