淡水池塘不同养殖品种养殖尾水排放周期内的水质动态变化

徐嘉波，刘永士，施永海，袁新程，王建军，刘建忠，贾垂攀

(上海市水产研究所，上海市水产技术推广站，上海 200433)

中国是水产养殖大国，养殖产量占全国水产品总产量的80%[1]。养殖尾水是导致水环境富营养污染的重要因素，与人们对优美水域生态环境的要求之间的矛盾日渐突出[2]。2020年中央1号文件作出的“推进水产绿色健康养殖”重要部署，农业农村部自2020年起实施水产绿色健康养殖“五大行动”，其中提出了集中连片池塘养殖尾水处理技术模式的推广。近年来，多种养殖尾水处理技术得到应用[3-5]，养殖尾水处理领域的基础研究日益深入，主要集中在应用技术研究[6-9]、养殖尾水处理系统水质净化效果[10]、影响因子[11]和净化水质评价[12]等方面。不同养殖品种池塘排放养殖尾水水质状况存在差异性[13]，同时在养殖尾水排放周期内，受养殖品种活动[14]、池塘底质泥水交换[15]等因素影响，不同排放时段的水质状况也存在差异性。因此，在养殖尾水排放时间内单一时间点采集水样所测得水质指标无法准确反映整个排水周期内的水质状况；而且因养殖尾水排放、池塘水位下降，引起短期内水质指标的较大波动，对养殖品种生长也会造成不利影响[16]。

本研究对集中连片池塘中暗纹东方鲀(Takifuguobscurus)、罗氏沼虾(Macrobrachiumrosenbergii)、中华绒螯蟹(EriocheirSinensis)3种类型养殖池塘产生的养殖尾水，在多个排放周期内重复开展多时点的水质监测，监测主要污染物指标包括：总固体悬浮物(TSS)、有机物(CODMn)、总氮(TN)、总磷(TP)。以期探明不同养殖品种在养殖尾水排放周期内的主要污染物排放强度、水质变化特征，并通过水质变化特征分析，获取养殖尾水排放周期内接近总排水量水质指标平均质量浓度的适宜采样时段，为完善集中连片池塘的养殖尾水处理和指导养殖尾水水样采集时间点提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验池塘

池塘均为泥沙底质，水深1.5 m；暗纹东方鲀、罗氏沼虾养殖池塘面积0.3 hm2，每个池塘配备1.5 kW叶轮式增氧机2台；中华绒螯蟹养殖池塘面积为0.66 hm2，每个池塘配备2.2 kW底充氧增氧机1台。

1.1.2 试验品种

不同品种养殖池塘养殖模式均为单养，养殖基本情况如表1所示。

表1 不同品种养殖基本情况

1.2 试验方法

8～9月期间，水温范围28～33℃，在集中连片池塘的换水期内，随机选取暗纹东方鲀、罗氏沼虾、中华绒螯蟹养殖池塘进行养殖尾水水质监测，每个养殖品种的养殖尾水水质监测各重复开展6次。养殖尾水采用4寸水泵排水，水泵固定放置在池塘中层水深的塘坡上，每次池塘排水固定排放周期为15 h，起止时间为当日下午16:30至次日7:30，排水期间保持增氧机开启状态。暗纹东方鲀、罗氏沼虾池塘分别设置1个水泵排水，中华绒螯蟹池塘并排设置2个水泵排水，单个水泵排水流量为60 m3/h，每次池塘排水约占养殖池塘总水量25%。每个品种、每次养殖尾水排放周期内从排水0 h开始，每3 h采集水样1次，至15 h共采集6次水样，采样点为水泵排水口。

1.3 水样测定与计算

1.3.1 采集与测定

水样采集依据《水质采样技术指导》[17]实施。采集水样按照国标中对水体主要污染物指标的测定方法检测，其中TSS采用悬浮物的测定重量法[18]，CODMn采用高锰酸钾法[19]，TN测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[20]；TP测定采用钼酸铵比色法[21]。

1.3.2 排放强度计算

主要污染物排放强度计算[22]如下:

MX=∑(CXi×Vi/1 000)

(1)

(2)

式(1)中：MX表示实际排放强度，X分别代表TSS、CODMn、TN、TP；CXi为3、6、9、12、15 h各主要污染物质量浓度，g/m3；Vi分别为3、6、9、12、15 h时每hm2养殖池塘的排水量，m3。

式(2)中：AX表示估算排放强度，X分别代表TSS、CODMn、TN、TP；Cx为0 h时各主要污染物质量浓度，g/m3；V为养殖池塘排水总体积，m3；S为养殖池塘面积，hm2。

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2010进行数据归纳和图表处理，SPSS 19.0软件进行数据分析，Origin 2021软件对养殖尾水排放周期内主要污染物相关指标数据拟合并计算曲线下面积。各水质指标质量浓度数据以均数±标准差的形式表示。采用双因素重复测量方差分析(P=0.05)，分析不同养殖品种、不同检测时间点对各水质指标质量浓度的显著性差异与交互作用。

2 结果

2.1 养殖尾水排放周期内主要污染物质量浓度变化

2.1.1 TSS

养殖尾水排放周期内TSS质量浓度变化如表2所示。由表2可知，不同养殖品种、不同检测时间点的TSS质量浓度均有极显著差异(P<0.01)，且养殖品种与检测时间点不存在交互作用(P>0.05)。不同品种养殖池塘排放的养殖尾水TSS质量浓度在排放周期内均总体表现为在0～3 h期间下降，在3～15 h期间呈上升趋势。

表2 养殖尾水排放周期内TSS质量浓度变化

2.1.2 CODMn

由表3可知，不同养殖品种的CODMn质量浓度有显著性差异(P<0.05)，中华绒螯蟹养殖池塘显著低于暗纹东方鲀、罗氏沼虾养殖池塘；不同检测时间点的CODMn质量浓度无显著差异(P>0.05)；养殖品种与检测时间点不存在交互作用(P>0.05)。不同品种的养殖尾水排放周期内CODMn质量浓度均表现为小幅波动。

表3 养殖尾水排放周期内CODMn质量浓度变化

2.1.3 TN

由表4可知，不同养殖品种的TN质量浓度有极显著差异(P<0.01)，同一品种不同检测时间点的TN质量浓度无显著差异(P>0.05)，且养殖品种与检测时间点不存在交互作用(P>0.05)。不同品种的养殖尾水排放周期内TN质量浓度均表现为小幅波动。

表4 养殖尾水排放周期内TN质量浓度变化

2.1.4 TP

养殖尾水排放周期内TP质量浓度变化如表5所示。

表5 养殖尾水排放周期内TP质量浓度变化

由表5可知，不同养殖品种、不同检测时间点的TP质量浓度均有极显著差异(P<0.01)，且养殖品种与检测时间点存在交互作用(P<0.05)。暗纹东方鲀、罗氏沼虾的养殖尾水排放周期内TP质量浓度总体呈上升趋势，中华绒螯蟹养殖尾水的TP质量浓度则表现为小幅下降。

2.2 养殖尾水主要污染物排放强度

不同养殖品种在养殖尾水排放周期内主要污染物排放强度如表6所示。

表6 各养殖品种主要污染物排放强度

暗纹东方鲀、罗氏沼虾养殖池塘TSS、CODMn、TP的实际排放强度均高于估算排放强度，其中暗纹东方鲀养殖池塘的TSS实际排放强度显著高于估算排放强度(P<0.05)，暗纹东方鲀和罗氏沼虾养殖池塘的TP实际排放强度显著高于估算排放强度(P<0.05)。中华绒螯蟹养殖池塘主要污染物的实际排放强度均低于估算排放强度(P>0.05)。

2.3 不同养殖品种的养殖尾水排放特征

暗纹东方鲀、罗氏沼虾、中华绒螯蟹养殖池塘养殖尾水主要污染物质量浓度与排水体积占比的拟合曲线如图1所示。以水质指标TSS/TP质量浓度为Y轴，采样时间点对应的排水体积占排水总体积的比为X轴绘制散点图，拟合曲线，计算曲线下面积，求得总排水量平均质量浓度，该平均质量浓度在图中与拟合曲线相交所对应的坐标轴X值为平均质量浓度所对应的排水体积占比。由此可知，当达到该排水体积占比时，采集水样可测得接近理论值的总排水量水质指标平均质量浓度，用于计算水质指标排放总质量理论值。

图1 池塘养殖尾水TSS、TP质量浓度与排水体积比拟合曲线

不同品种养殖池塘养殖尾水主要污染物质量浓度与排水体积占比拟合曲线、计算平均质量浓度、对应采样时间如表7所示。

表7 主要污染物质量浓度与排水体积占比拟合曲线

3 讨论

3.1 不同养殖品种养殖尾水的排放特征

3个养殖品种在养殖尾水排放周期内主要污染物指标(TSS、CODMn、TN、TP)质量浓度均有显著或极显著差异，其中氮磷的研究结果与孙振中等[23]一致，淡水鱼、凡纳滨对虾、中华绒螯蟹池塘水体中氮磷的年均分布存在显著差异。各品种养殖尾水的主要污染物指标质量浓度差异与养殖模式、养殖技术参数有关。综合评价3个养殖品种的养殖尾水水质状况，中华绒螯蟹最佳，暗纹东方鲀次之，罗氏沼虾较差。江浙地区每年以3～11月为养殖周期，通常池塘主要污染物质量浓度高峰期在9～10月[24]，本研究养殖尾水主要污染物质量浓度处于养殖周期内接近高峰期的阶段，暗纹东方鲀TSS平均质量浓度接近《淡水池塘养殖水排放要求》[25]二级标准上限，罗氏沼虾TSS平均质量浓度超二级排放标准、TN平均质量浓度接近一级标准上限，说明暗纹东方鲀，罗氏沼虾TSS是排放养殖尾水中需重点关注的主要污染物指标，池塘中TSS质量浓度较高主要与进水源中TSS质量浓度较高有关，单养池塘由于缺乏原位池的净化能力，加之高温季节蓝绿藻繁殖较快，养殖动物搅动与增氧机搅动使得养殖池塘TSS质量浓度居高不下，而中华绒螯蟹池塘由于养殖负荷低，同时池塘内还栽种空心菜、水葫芦等水生植物，池塘原位池净化能力较好，表现出较高的生态效益。

综上所述，养殖尾水排放特征因养殖品种而异，不同养殖品种排放的养殖尾水水质状况与养殖模式、养殖容量、养殖品种生物学特性等因素相关，在养殖尾水处理系统运营方案优化方面具有参考价值，例如可建立养殖尾水层级净化甚至循环使用的水处理技术，赋予生态效益良好的中华绒螯蟹生态养殖池塘养殖尾水净化的功能，净化处理鱼虾类池塘养殖尾水，若中华绒螯蟹生态养殖池塘排放水质达标亦可作为水源循环使用至鱼虾类养殖池塘。

暗纹东方鲀和罗氏沼虾池塘的养殖尾水随排放时间的延长，TSS、TP显著增加，TN、CODMn变化不明显，说明因养殖尾水排放导致的水体空间减少，增氧机的机械搅动加剧，底泥中TN、CODMn释放不明显，但TP释放明显，张玉平等[26]研究表明，上海地区池塘沉积物中氮和有机物质的累积量较低，磷累积量相对较高。中华绒螯蟹池塘TSS在12 ～15 h(次日4:30～7:30)期间，较排放早期增加明显，主要与夜～昼变化致池塘藻类上浮有关。此外，排放时段、养殖对象密度和活动规律等因素也与主要污染物质量浓度随排放时间的变化有一定相关性。以底泥中释放较多的磷为例，在夜至昼的养殖尾水排放过程中，暗纹东方鲀、罗氏沼虾9 h(次日1:30)较0 h(当日16:30)的TP质量浓度分别增加12.5%、29.1%，15 h(次日7:30)较0 h(当日16:30)的TP质量浓度分别增加31.6%、46.1%，暗纹东方鲀主要于水体中下层活动，且夜间活动较少，当处于夜间且水体较多时，活动造成的底泥释放强度较小，随夜～昼更替且水体体积减小时，活动造成底泥中TP释放强度逐渐增加；罗氏沼虾底栖爬行，具有领地属性，全天活动，且养殖密度较暗纹东方鲀高，底泥搅动造成TP释放强度较暗纹东方鲀高。中华绒螯蟹夜间活动频繁，喜在水草中觅食，且养殖密度最低，其活动对底泥磷释放作用影响最小，养殖尾水排放期间TP质量浓度无显著变化。

养殖尾水主要污染物的估算与实际排放强度的差异不仅影响池塘实际水质状况的评价，同时养殖尾水作为尾水处理系统的进水源，其估算与实际排放强度的差异也对养殖尾水处理效果有影响。本研究中，暗纹东方鲀、罗氏沼虾池塘4项主要污染物的实际排放强度均高于估算排放强度，养殖池塘中各污染物实际高于估算排放强度的结果较为常见[27]，主要与尾水排放导致池塘水位下降，加剧养殖动物活动与机械搅动，加速底泥营养盐的释放有关[28]，池塘底泥中氮、磷和有机物的含量显著高于周围水体[29]。中华绒螯蟹池塘4项主要污染物实际低于估算排放强度，这与刘金金等[30]研究结果一致，表明中华绒螯蟹生态养殖池塘具有可开发利用作为尾水处理系统组成部分的可行性。值得注意的是，水力负荷对养殖尾水处理系统的净化效果具有显著影响[31]，排水流速越大又会导致底泥中污染物释放增加造成排放强度增加[32]，在本研究中暗纹东方鲀TSS实际排放强度显著高于估算排放强度，暗纹东方鲀和罗氏沼虾的TP实际排放强度显著高于估算排放强度，此类排放强度显著性差异叠加水力运行参数因素对养殖尾水处理系统的净化效果产生的影响有待进一步研究。

3.2 养殖尾水排放周期内适宜采样时间

在养殖尾水处理的研究和生产运行过程中，通常采集1次水样用于多指标的水质检测，对标《淡水池塘养殖水排放要求》[25]，主要检测TSS、CODMn、TN、TP这4项水质指标。然而，由于养殖尾水TSS和TP质量浓度随排水体积比的增加存在显著性差异，且具有特定变化规律，因此在排水周期内某一特定时间测得的质量浓度，或多时间点测得质量浓度的均值都不能准确反映整个排水周期内的平均质量浓度，进而影响排放水主要污染物去除总量评价的准确性。为获取排水周期内的平均质量浓度，优化养殖尾水处理效果的评估方式，结合本研究结果提出2种方案。方案一是拟合标准曲线，修正实测质量浓度的方案，主要应用场景的特点是养殖尾水排放期间多项水质指标与排放水体积比拟合曲线结果表明所得养殖尾水水质指标平均质量浓度分别对应的采样时间较为分散。基于不同养殖品种养殖尾水主要污染物排放特征具有良好的曲线拟合度前提，采用固定时间点的方式采集水样，并定期开展多时间点的水样采集，通过数据拟合，修正养殖尾水排放主要污染物的接近理论值的平均质量浓度，如本研究中的中华绒螯蟹池塘适用该方案。方案二是在适宜时间点进行水样采集检测，主要应用场景的特点是多项水质指标与排放水体积比拟合曲线结果表明所得平均质量浓度对应的排水体积比较为集中，如本研究中暗纹东方鲀和罗氏沼虾池塘，由于排放周期内不同时间点的CODMn、TN质量浓度无显著差异，结合经拟合曲线计算所得TSS、TP水样采集时间点的结果，暗纹东方鲀、罗氏沼虾池塘分别在养殖尾水排水周期的7～9 h、7～8 h期间采集水样检测，4项水质指标质量浓度检测结果接近理论平均质量浓度。此外，影响适宜采样时间点的因素还有养殖尾水起始排水时间，养殖对象的活动规律等，因此，在确定适宜采样时间的问题上，需开展更深入的研究。

4 结论

养殖尾水排放特征因养殖品种而异，不同养殖品种之间，TSS、CODMn、TN、TP质量浓度均有显著或极显著差异，综合评价3个养殖品种的养殖尾水水质状况，中华绒螯蟹最佳，暗纹东方鲀次之，罗氏沼虾较差。

养殖尾水排放周期内，暗纹东方鲀、罗氏沼虾、中华绒螯蟹养殖池塘TSS和TP质量浓度在不同检测时间均有极显著差异(P<0.01)，CODMn和TN质量浓度在不同检测时间均无显著性差异(P>0.05)。暗纹东方鲀养殖池塘的TSS实际排放强度显著高于估算排放强度(P<0.05)，暗纹东方鲀和罗氏沼虾养殖池塘的TP实际排放强度显著高于估算排放强度(P<0.05)，中华绒螯蟹养殖池塘4项水质指标的实际排放强度均低于估算排放强度(P>0.05)。在养殖尾水处理系统运营方案优化方面具有参考价值，可建立养殖尾水层级净化甚至循环使用的水处理技术，赋予生态效益良好的中华绒螯蟹生态养殖池塘养殖尾水净化的功能。

养殖尾水排放周期内多项水质指标质量浓度与排放水体积比可拟合曲线，用于计算养殖尾水水质指标接近理论值的平均质量浓度和对应采样时间。本研究中，中华绒螯蟹池塘可采用拟合标准曲线，修正实测质量浓度的方式获取各项水质指标的平均质量浓度；暗纹东方鲀和罗氏沼虾池塘分别在养殖尾水排放周期的7～9 h和7～8 h采集水样可获取各水质指标接近理论值的平均质量浓度。

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