袁新程，施永海，劉永士

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池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降及其三態(tài)氮、總氮和總磷含量變化

袁新程，施永海，劉永士

（上海市水產(chǎn)研究所，上海市水產(chǎn)技術推廣站，上海 200433）

養(yǎng)殖廢水；自由沉降；懸浮物；三態(tài)氮；總氮；總磷

目前，池塘養(yǎng)殖是我國最傳統(tǒng)和普遍的養(yǎng)殖方式之一，而在養(yǎng)殖過程中，水產(chǎn)動物大量的排泄物和剩余餌料排入水體中，導致養(yǎng)殖水環(huán)境富營養(yǎng)化或富集大量顆粒物和營養(yǎng)鹽[1]。趙文等[2]研究發(fā)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖1 kg鯉魚每天要產(chǎn)生300 mg氨和100 kg含有大量氮肥的養(yǎng)殖廢水。Schneider等[3]發(fā)現(xiàn)飼料中只有20% ~ 50%的氮和15% ~ 65%的磷被魚體吸收，其他的均隨殘餌進入到養(yǎng)殖水體中。馮東岳[4]也發(fā)現(xiàn)每生產(chǎn)1 t蝦，池塘水體中會增加0.20 t 氮元素和0.05 t 磷元素。當前生產(chǎn)上改善池塘養(yǎng)殖水環(huán)境的主要方法是采用周期性換水，但這會產(chǎn)生大量的養(yǎng)殖廢水，大部分廢水未經(jīng)處理向周圍環(huán)境中排放，會導致附近河流、湖泊和水庫等水體富營養(yǎng)化程度升高，生態(tài)水環(huán)境問題突出[5]。

近幾年國內外圍繞處理養(yǎng)殖廢水上的研究報道主要集中在養(yǎng)殖廢水的處理技術上[6-10]，而對其自身沉降規(guī)律及水質變化情況的研究報道較少，因此研究池塘養(yǎng)殖廢水的自由沉降及其水質參數(shù)的變化情況顯得尤為重要。本研究以上海地區(qū)暗紋東方鲀（）養(yǎng)殖池塘的養(yǎng)殖廢水為研究對象，通過靜置沉降，測定其不同水深、不同時間下的懸浮物含量、總氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、總氮、總磷的變化情況，研究池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降規(guī)律及其三態(tài)氮和總氮、總磷變化情況，以期為池塘養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)的設計及構建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用水為上海市水產(chǎn)研究所奉賢科研基地內暗紋東方鲀養(yǎng)殖池塘的養(yǎng)殖廢水，取樣后隨即準備試驗。試驗容器為高190 cm，直徑30 cm，容積130 L的透明PVC白桶3個（圖1）。

1.2 儀器

真空泵；自由沉降柱（內徑30 cm，高度190 cm，容積130 L）；遠紅外鼓風干燥箱；722型可見光分光光度計；723型紫外分光光度計；分析天平（精確至0.000 1 g）。

圖1 沉降柱規(guī)格及取樣位置

1.3 方法

本實驗在上海市水產(chǎn)研究所奉賢科研基地內進行，池塘面積約為1 200 m2，深度約1.5 m，養(yǎng)殖魚種為暗紋東方鲀（），初始平均體質量為5.56 g，共4 488尾，養(yǎng)殖周期70 d，養(yǎng)殖結束時暗紋東方鲀的平均體質量為34.84 g。每天投喂一次，所喂飼料為鰻魚粉狀配合飼料，飼料加工成團塊狀，現(xiàn)喂現(xiàn)做。

=（-0）×1 000/，=/，

式中：為廢水中懸浮物含量，mg/L；為懸浮物沉降率，mg?L-1?min-1；0為定量濾紙的質量，g；是懸浮物和定量濾紙的質量，g；為水樣體積，L；為沉降時間，min。

1.4 水樣測定方法

2 結果與分析

2.1 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降懸浮物（TSS）濃度變化及其沉降率變化

實驗開始時初始廢水的TSS質量濃度為821.33 mg/L，不同深度TSS沉降率隨時間的變化情況如圖2所示。不同深度的TSS沉降率均隨時間延長具有不同的變化趨勢，在90 min內，2#、3#、4#、5#取樣位置的TSS沉降率均隨時間延長而顯著降低（< 0.05），并具有趨于穩(wěn)定的變化趨勢；而1#的沉降率隨時間延長呈先升高后降低的趨勢，并趨于穩(wěn)定（圖2）。150 min內，取樣位置越淺，TSS沉降率越大，4#、5#的沉降率均顯著大于其他取樣位置（< 0.05）；1#在30 min時的TSS沉降率為負值，在90 min時沉降率最大，而其他取樣位置的TSS沉降率均在30min時最大，在150 min時各取樣位置的TSS濃度沉降均達到59%以上。

2.2 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降的銨態(tài)氮（TAN）、亞硝酸鹽（NO-N）和硝酸鹽（NO-N）變化

在養(yǎng)殖廢水自由沉淀過程中三態(tài)氮均呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化，在0～30 min，1#、2#取樣位置廢水的TAN濃度略有升高，其他取樣位置的TAN濃度略有降低，30 min后各取樣位置TAN濃度均逐漸降低，并在120 min時均顯著低于初始水樣（< 0.05）（圖3a）。在150 min時，各取樣位置廢水中總銨氮含量大小順序為1#> 2#> 3#> 4#> 5#，4#和5#均顯著低于1#（< 0.05）。表明廢水中總銨氮含量隨時間自由沉降后有降低趨勢，沉降深度越淺其含量越低。

標有不同小寫字母者表示同一取樣時間不同取樣深度之間有顯著性差異（＜0. 05），標有不同大寫字母者表示同一深度取樣位置不同取樣時間之間有顯著性差異（＜0. 05）

The Signs with different lowercase letters within the same sampling time are significantly different in different sampling depths at the 0.05 probability level, and signs with different uppercase letters within the same depths are significantly different in different sampling time at the 0.05 probability level

圖2 不同深度取樣位置懸浮物沉降率隨時間的變化情況

Fig. 2 Changing pattern of the sedimentation rate of suspended solids at different depths with time

標有不同小寫字母者表示同一取樣時間不同取樣深度之間有顯著性差異（＜0. 05），標有不同大寫字母者表示同一深度取樣位置不同取樣時間之間有顯著性差異（＜0. 05）

The Signs with different lowercase letters within the same sampling time are significantly different in different sampling depths at the 0.05 probability level, and signs with different uppercase letters within the same depths are significantly different in different sampling time at the 0.05 probability level

2.3 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降的總氮（TN）、總磷（TP）變化

池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降過程中TN和TP隨時間變化情況如圖4，不同深度取樣位置的TN和TP的變化趨勢相似，在150 min內，1#的TN含量隨時間延長先升高后迅速降低，于90 min時趨于平衡，并顯著低于初始水樣（< 0.05）；而其他取樣位置的TN含量均在0~30 min內迅速減小，之后隨時間延長趨于穩(wěn)定，均顯著低于初始水樣（< 0.05）。而在150 min內，1#的TP含量隨時間延長先升高后逐漸降低，而其他取樣位置的TP含量均隨時間延長而逐漸降低，均于120 min時趨于穩(wěn)定，且均顯著低于初始水樣（< 0.05）。最終150 min后TN含量大小順序為1#> 4#> 3#> 2#> 5#，各取樣位置TN去除率均達到50%以上（圖4a）；最終150 min后TP含量大小順序為1#> 2#> 4#> 3#> 5#，各取樣位置TP去除率均達到28%以上（圖4b）。表明養(yǎng)殖廢水通過自身自由沉降作用也能去除部分TN和TP含量。

標有不同小寫字母者表示同一取樣時間不同取樣深度之間有顯著性差異（＜0. 05），標有不同大寫字母者表示同一深度取樣位置不同取樣時間之間有顯著性差異（＜0. 05）

The Signs with different lowercase letters within the same sampling time are significantly different in different sampling depths at the 0.05 probability level, and signs with different uppercase letters within the same depths are significantly different in different sampling time at the 0.05 probability level

圖4 不同深度取樣位置TN和TP濃度隨時間的變化情況

Fig. 4 Changing pattern of concentration of TN and TP at different height with time

3 討論

3.1 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降的總懸浮物濃度及沉降率變化情況

按照傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式，大量的水產(chǎn)動物排泄物和剩余餌料進入養(yǎng)殖水體，導致養(yǎng)殖水環(huán)境富含有機物和營養(yǎng)鹽，對周圍生態(tài)環(huán)境可能引起嚴重富營養(yǎng)化威脅，而含有高濃度懸浮物養(yǎng)殖廢水的直接排放是養(yǎng)殖廢水超標的一個重要原因。并且池塘水體中懸浮顆粒中有機物質的溶解和析出，易導致水質快速惡化，致使病毒細菌大量繁衍，導致養(yǎng)殖環(huán)境被破壞[14-15]。因此去除廢水中總懸浮物對控制養(yǎng)殖水體水質及保障養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境至關重要[16]。近幾年有關懸浮物去除技術也在不斷研究發(fā)展中，Barrut等[17]通過改進舊式泡沫分離器獲得真空泡沫分離器，可以每小時20%的去除率將水體中懸浮物進行去除；鄭瑞東等[18]研究發(fā)現(xiàn)，運用泡沫分離法可至少清除廢水中60%的懸浮物。本研究通過研究池塘養(yǎng)殖廢水的自由沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水中懸浮物濃度均時間延長有逐漸降低趨勢，最終沉降率達到59%，并在不同深度水層中總懸浮物含量的降低速度也不同。本研究中，在30 min時，1#取樣位置的懸浮物濃度升高；其他取樣位置均降低，但隨水體深度的增加沉降率減小，深度越深沉降率越小。這主要是因為較高水層的水樣沉降下來的總懸浮物會經(jīng)過低水層處，所以水層越低水樣的懸浮物含量變化越慢，因此，在本研究中會出現(xiàn)1#處的水樣懸浮物含量呈先增大后變小的變化趨勢，以及取樣水層深度越深，其總懸浮物濃度變化越慢的情況。此研究結果與關山月等[19]研究的低濃度生活污水中懸浮物自由沉降的變化情況相似。

3.2 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降的水質變化情況

池塘養(yǎng)殖廢水含有大量的殘餌和糞便等含氮有機物，其中主要的有害物質為氨氮和亞硝酸鹽[20]。氨氮是水產(chǎn)動物排泄物及殘餌等含氮有機物的終產(chǎn)物，對水產(chǎn)動物有毒害作用，排放到外界環(huán)境后極易造成水體污染。亞硝基可氧化水產(chǎn)動物血液中含有的亞鐵血紅蛋白為高鐵血紅蛋白，從而降低了血液的載氧含量，導致機體組織缺氧，對水產(chǎn)動物有很強毒害作用[1]。池塘養(yǎng)殖廢水中有機物包括水產(chǎn)動物和浮游動物排泄物、剩余餌料等經(jīng)過分解而產(chǎn)生的有機物，相互聚集或附著于微小的泥沙上形成大顆粒狀懸浮物，所以隨著懸浮物顆粒的沉降對廢水中三態(tài)氮含量的變化有一定影響。另外，由于水體中存在的微生物氨化、硝化和反硝化作用[21]，從而導致水體中硝基氮含量也會發(fā)生一定的變化。本研究中，各深度的取樣位置廢水中總氨氮含量隨時間延長下降的變化，在30 min內降低較快，之后降低緩慢，于120 min時趨于穩(wěn)定，并且在穩(wěn)定之后氨氮含量隨取樣位置深度增大而降低。主要原因可能是因為隨著懸浮物顆粒的沉降，附著于其中還未來得及分解的有機物質也隨之沉降到底部，從而導致濃度的降低，另一方面也可能是微生物的氨化作用轉化為亞硝基[22]。試驗中亞硝基變化情況與氨氮變化很相似，均隨時間延長增大和深度減小呈降低的趨勢。可能是在本實驗條件下，養(yǎng)殖廢水中懸浮物的沉降作用和微生物自身的硝化作用大于其反硝化作用而產(chǎn)生的結果[22]。

池塘養(yǎng)殖廢水中有機氮和無機氮含量的增加會消耗水體中的氧氣，導致水質惡化，而水中磷類物質過量極易造成藻類過度繁衍，降低了水質透明度，導致水質變壞，所以總氮和總磷作為水質檢測的重要參數(shù)，對養(yǎng)殖廢水排放起著重要作用[23]。水體中氮元素的去除，除了氨自身揮發(fā)、硝化和反硝化作用等途徑外，還主要依靠水體中懸浮顆粒的沉降作用[24-25]。本實驗中廢水經(jīng)過自由沉降后，總氮濃度隨時間延長增加而逐漸降低。其中1#取樣位置的總氮含量在30 min內升高，之后又隨時間延長而降低，主要原因是在離沉降柱底部較高位置的含氮有機物質懸浮顆粒隨時間延長沉降到較低位置時，懸浮顆粒濃度增加，導致1#取樣位置的總氮含量增加，之后較高位置的懸浮顆粒沉降完畢后，低取樣位置的懸浮顆粒濃度開始逐漸降低，從而導致1#取樣位置總氮含量呈先升高后降低得變化趨勢。而其他深度的取樣位置具有不同的變化趨勢，均隨時間延長而降低，在30 min內降低較快，并于90 min時趨于穩(wěn)定，較高取樣水層總氮含量較低，但各取樣位置之間無顯著差異。本實驗養(yǎng)殖廢水中TP的去除主要依靠沉降作用等途徑去除[26-28]，因此廢水中大量的含磷有機物隨懸浮物顆粒自由沉降而降低，1#取樣位置的總磷變化和總氮變化相似，均先增加后降低，其他深度取樣位置均逐漸降低，并于120 min后趨于平衡。本研究表明養(yǎng)殖廢水自由沉降后對上層水樣中總氮和總磷有一定程度的沉降作用，這與傳統(tǒng)處理方式中直接對排出養(yǎng)殖廢水進行凈化處理相比，增加了自由沉降步驟，提高凈化效率的同時降低了勞動成本，為今后池塘養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)的設計及構建提供理論依據(jù)，也對中國目前大面積、集約化的池塘養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)水環(huán)境的保護具有積極意義。

4 結論

1）池塘養(yǎng)殖廢水經(jīng)自由沉降后，TSS含量明顯減少，較深水層TSS濃度會隨時間變化先增大后逐漸減小，較淺水層的TSS濃度隨時間延長逐漸減小。水層越淺，廢水TSS沉降速度越快，水層越深，則沉降越慢，同一深度水層中總懸浮物沉降率會隨時間延長而增大，同一時間內隨深度增大沉降率減小。沉降150 min后，中上層養(yǎng)殖廢水中TSS含量會顯著降低，沉降率均在59%以上。

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Study on the Pattern of Free Sedimentation of Pond Wastewater and the Change of Three-State Nitrogen, Total Nitrogen and Total Phosphorus

YUAN Xin-cheng, SHI Yong-hai, LIU Yong-shi

（，，200433,）

wastewater from aquaculture; free sedimentation; suspended solids; three-state nitrogen; total nitrogen；total phosphorus

S967.4；X503.225

A

1673-9159（2019）04-0056-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.04.009

2019-04-21

2018年度上海市市級農(nóng)口系統(tǒng)青年人才成長計劃項目[滬農(nóng)青字(2018)第3-1號]；上海市科技興農(nóng)項目(2019-02-08-00-07-F01130)

袁新程（1989－），碩士，助理工程師，研究方向為水環(huán)境檢測與調控、水產(chǎn)動物遺傳育種及繁殖生物學。E-mail：xcyuan2016@163.com

施永海，教授級高級工程師，研究方向為水產(chǎn)繁育、水環(huán)境監(jiān)測及養(yǎng)殖技術研究。E-mail: yonghais@163.com

袁新程，施永海，劉永士. 池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降及其三態(tài)氮、總氮和總磷含量變化[J]. 廣東海洋大學學報，2019，39（4）：56-62.

（責任編輯：劉朏）