王龍燕，閔文武

（1.貴州省生物研究所，貴州貴陽 500009；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所，貴州貴陽 550025）

集裝箱循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是應(yīng)用工業(yè)技術(shù)控制養(yǎng)殖環(huán)境和養(yǎng)殖過程，從而實(shí)現(xiàn)分區(qū)養(yǎng)殖、易位處理和循環(huán)利用，是一種節(jié)地、節(jié)水和高產(chǎn)的技術(shù)模式[1]?！凹b箱+生態(tài)池塘”循環(huán)水養(yǎng)殖模式作為2018—2020 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部主推的技術(shù)模式之一并在全國各地得到不斷推廣和完善[2-3]。目前，應(yīng)用該系統(tǒng)養(yǎng)殖大口黑鱸（Micropterus salmoides）、斑點(diǎn)叉尾鮰（Ictalurus punctatus）、羅非魚（Oreochromis mossambicus）、黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）、大鱗鲃（Barbus capito）、鯉（Cyprinus carpio）、草魚（Ctenopharyngodon idella）等種類取得了較好的收益[4-8]。

集裝箱循環(huán)水養(yǎng)殖是高度集約化且高密度的養(yǎng)殖模式，高容量的養(yǎng)殖生產(chǎn)必然產(chǎn)生大量污染物。目前，識別系統(tǒng)排放尾水中的主要污染物及提高污染物的處理效率是當(dāng)前尾水處理研究的熱點(diǎn)[9-10]。本研究以貴州省遵義市某集裝箱養(yǎng)殖基地為研究對象，測定排放尾水中理化指標(biāo)，分析系統(tǒng)尾水水質(zhì)健康狀況，旨在為科學(xué)管理并調(diào)節(jié)系統(tǒng)水質(zhì)質(zhì)量和提高系統(tǒng)養(yǎng)殖效益提供理論指導(dǎo)，為尾水處理技術(shù)模式提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查地點(diǎn)和時間

監(jiān)測點(diǎn)位于貴州省遵義市某集裝箱養(yǎng)殖基地，于2020 年1 月至12 月（2 月除外）每月中旬進(jìn)行采樣，共計(jì)11次。該基地有規(guī)格為6.1 m×2.8 m×2.4 m的集裝箱共20 個，每個集裝箱養(yǎng)殖容積為25 m3·個-1，養(yǎng)殖魚種類有鯉、大口黑鱸、黃顙魚、草魚和斑點(diǎn)叉尾鮰。系統(tǒng)水流方向?yàn)榧b箱養(yǎng)殖區(qū)→物理過濾池→生態(tài)池塘→集裝箱養(yǎng)殖區(qū)的循環(huán)（見圖1），物理過濾池中配備有2臺轉(zhuǎn)鼓微濾機(jī)；生態(tài)池塘面積(5.2×667)m2，平均水深1.5 m，水生植物有粉綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）和豆瓣菜（Nasturtium officinale），分別占生態(tài)池塘面積的20%和5%，水生動物有鰱（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Hypophthalmichthys nobilis）和鯉，放養(yǎng)密度為：鰱（規(guī) 格300 g·尾-1）100 尾/667 m2，鳙（200 g·尾-1）100尾/667 m2，鯉（100 g·尾-1）300尾/667 m2。

圖1 集裝箱循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水流方向及采樣點(diǎn)示意圖

1.2 監(jiān)測指標(biāo)和方法

水環(huán)境因子測定采用現(xiàn)場測定和實(shí)驗(yàn)室測定相結(jié)合，現(xiàn)場用水質(zhì)分析儀（Hachi Hq30d）測定水體水溫（water temperature，WT）、溶解氧含量（DO）和pH值，用聚乙烯樣本瓶采集水樣24 h 內(nèi)送到實(shí)驗(yàn)室，參照文獻(xiàn)[11]測定總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和懸浮物（SS）。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用單因子污染物指數(shù)（Pij）和總污染指數(shù)（S）識別尾水中主要污染物和污染程度[12]，計(jì)算公式如下：

（1）（2）式中：Pij為污染物i 的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，Cij為污染物i 在監(jiān)測點(diǎn)j 的實(shí)測濃度，Csi為水質(zhì)參數(shù)i 的地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)河段水功能區(qū)劃分，本文依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[13]Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。S為總污染物指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 尾水理化指標(biāo)變化

尾水水體理化指標(biāo)月變化情況如表1 所示。集裝箱養(yǎng)殖排放尾水水溫平均值WT 為18.41 ℃，8 月份最高，為27.67 ℃，其次是7月為26.43 ℃，12月水溫最低，僅為6.21 ℃，隨著時間的變化，水溫呈現(xiàn)明顯的季節(jié)演替規(guī)律。各月份尾水pH 呈弱堿性，平均值為7.62。DO 濃度較低，平均值為6.19 mg·L-1。氨氮平均值為2.64 mg·L-1，變化范圍為0.06～12.01 mg·L-1，最大值為5月，最小值為10月。硝酸鹽氮平均值為1.23 mg·L-1，變化范圍為0.23～3.57 mg·L-1。亞硝酸鹽氮平均值為0.18 mg·L-1，變化范圍為0.002～1.11 mg·L-1，1 月最高，12月最低。TN平均值為5.03 mg·L-1，變化范圍為1.84～15.33 mg·L-1，5月最高，8月最低，一年內(nèi)未表現(xiàn)出明顯的月變化規(guī)律。TP 平均值為0.68 mg·L-1，變化范圍為0.09～2.81 mg·L-1，5月最高11月最低。SS平均值為29.57 mg·L-1，變化范圍為9.67～79.67 mg·L-1，4月最高12月最低，月變化規(guī)律不明顯。

表1 尾水中理化指標(biāo)變化情況（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）

2.2 水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)判定

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》判定（見圖2），所測定的指標(biāo)中，水體DO 為Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。氨氮平均值為低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中1月、4月、5月、6月和7月均低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，3月為Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，8 月為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，9 月、11 月和12 月為Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，10 月為Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。TN 除8 月為Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其他月份均為低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。TP 平均值為低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中1—6 月均為低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，7 月為Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，8 月、10 月和12 月為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，9 月和11 月為Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 尾水中DO、氨氮、TN和TP濃度變化及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)判定

根據(jù)《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求（SC/T 9101-2007）》判定（見表2），尾水中pH 值達(dá)到尾水排放標(biāo)準(zhǔn)，TN 平 均值超標(biāo)，其中1 月、4 月、5 月和6 月均低于二級排放標(biāo)準(zhǔn)。TP平均值達(dá)到二級排放標(biāo)準(zhǔn)，但4月和5 月超標(biāo)，7 月至12 月為一級排放標(biāo)準(zhǔn)。SS 除4 月為二級排放標(biāo)準(zhǔn)外，其他月份均達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

表2 淡水養(yǎng)殖廢水排放標(biāo)準(zhǔn)值

2.3 尾水污染評價

氨氮、TN 和TP 的污染指數(shù)結(jié)果如表3 所示，由表可知，氨氮污染指數(shù)平均值為2.64，變化范圍為0.28～12.00，5月最高11月最低；TN 污染指數(shù)平均值為5.03，變化范圍為1.84～15.33，5 月最高8 月最低；TP 污染指數(shù)平均值為3.41，變化范圍為0.42～14.07，5 月最高9 月最低。5 月總污染指數(shù)最高，達(dá)到41.40，其次是4 月（17.75），第三為6 月（15.06），9 月總污染指數(shù)最低，為3.07。

表3 尾水中氨氮、TN和TP污染指數(shù)

3 結(jié)論與討論

3.1 尾水污染特征與去除途徑

從分析結(jié)果可知，該集裝箱養(yǎng)殖基地排放尾水中氮、磷及懸浮物的污染負(fù)荷較大，特別是TN，整體低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且總污染指數(shù)較高，按照影響河段水功能區(qū)劃分（Ⅲ類），超標(biāo)率為100%。尾水中氮、磷等有機(jī)污染物主要來源于殘餌和魚體的排泄物[14]；有研究顯示，氮失衡對養(yǎng)殖水體的影響主要集中在氨氮和亞硝酸鹽氮，一般在9、10 月濃度會達(dá)到養(yǎng)殖周期的高峰值[15]。水體中過高的氨對魚體內(nèi)酶的催化作用和細(xì)胞膜的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并破壞排泄系統(tǒng)和滲透平衡，導(dǎo)致魚類極度活躍或抽搐，從而造成魚類生病并死亡[16]。

養(yǎng)殖容量和投餌量是影響尾水中污染物濃度的重要因素，有研究表明，羅非魚養(yǎng)殖產(chǎn)量與排污量具有高度的同步變化趨勢，羅非魚養(yǎng)殖產(chǎn)量增長率快于同期排污量增長率0.45%，羅非魚養(yǎng)殖產(chǎn)量每增加1%，污染物排放量將增加0.077%[17]。王怡梅的研究顯示，在池塘養(yǎng)殖中，草魚和鳙養(yǎng)殖模式產(chǎn)、排污量最高，鱘和鮰魚其次，鱒最低。鮰魚、草魚和鳙養(yǎng)殖水體的產(chǎn)排污量差值較大，約65%的污染物還存留于池塘內(nèi)和底泥中，因而在養(yǎng)殖周期結(jié)束后，養(yǎng)殖水不應(yīng)直接排入環(huán)境水體中，如不存在其他污染，建議將養(yǎng)殖水作為農(nóng)田灌溉水排放，將底泥堆漚后作為肥料使用[18]。本研究結(jié)果中，氨氮、硝酸鹽氮、TN、TP 和懸浮物均表現(xiàn)為上半年濃度高于下半年，主要是因?yàn)樵擆B(yǎng)殖系統(tǒng)為2019 年初建成投產(chǎn)，試驗(yàn)期（2020 年）上半年大部分魚類處于快速攝食生長階段，因此投餌量較大，以至于殘餌和排泄物較多。到下半年，隨著魚類的不斷上市，養(yǎng)殖密度和容量逐漸減少，到8月底，50%的魚類已上市銷售，隨投餌量和容量的急劇下降，污染物濃度明顯下降。因此，應(yīng)適當(dāng)控制淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量，調(diào)整養(yǎng)殖方式，推進(jìn)健康生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的開發(fā)和相關(guān)制度的研究，推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

集裝箱循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)尾水處理模式主要為異位處理，通過物理過濾、生物處理和化學(xué)消毒等一系列處理流程，達(dá)到凈化水質(zhì)實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。硝化作用和浮游生物吸收是去除水體中含氮有機(jī)物的重要途徑，通過池塘水體氮循環(huán)過程（見圖3）可知[19]，去除水體中含氮有機(jī)物，主要可以通過提高硝化作用速率和生物吸收效率來實(shí)現(xiàn)。

圖3 水體中氮循環(huán)示意圖

采用物理過濾或泡沫分離主要可以去除未溶解的顆粒污染物，降低顆粒污染物進(jìn)一步分解成為可溶性污染物的概率，達(dá)到預(yù)處理效果。溶解性含氮有機(jī)物是尾水處理過程中最重要也是最難以去除的物質(zhì)，通過大量的研究實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，生物處理方法是最重要的尾水處理方式，可利用動植物及微生物的吸收、濾食、富集、吸附和固定等作用消耗水體中的有機(jī)營養(yǎng)鹽，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。主要技術(shù)模式有魚菜共生、生物絮團(tuán)、人工濕地等[20-23]。

3.2 不同養(yǎng)殖模式尾水污染現(xiàn)狀

利用集裝箱、PE材料和帆布等工業(yè)制品制作而成的養(yǎng)殖載體是目前設(shè)施漁業(yè)主要發(fā)展方向，相對于傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖，設(shè)施漁業(yè)具有技術(shù)可控、高密度養(yǎng)殖和節(jié)約土地和水資源的良好優(yōu)勢，但其水循環(huán)和尾水處理等問題也是限制其發(fā)展的主要因素。傳統(tǒng)養(yǎng)殖池塘對水體污染物具有一定的原位自凈能力，與此相比，集裝箱循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是一個全自動化機(jī)械化的過程，箱內(nèi)無底泥無生物有機(jī)質(zhì)，其污染物的產(chǎn)出量和排放量是相等的，水體污染物的凈化全靠后期異位處理。

楊坤等分析了巢湖流域水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的污染狀況，結(jié)果顯示pH 值、TN 和TP 因子均符合《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》的二級標(biāo)準(zhǔn)，DO、NH+4-N 和CODMn因子存在超標(biāo)。內(nèi)梅羅污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，75%的監(jiān)測位點(diǎn)處于輕度至中度污染等級。巢湖流域水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水主要污染物為CODMn，污染較為嚴(yán)重[24]。按水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源普查結(jié)果，草魚的產(chǎn)排污系數(shù)為10 g·kg-1，以水生植物的吸收量等于養(yǎng)殖魚類所產(chǎn)生的污染物的量為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，則1 m2凈化池塘可以凈化27.5 m2養(yǎng)殖池塘。本研究按照每天換水量為500 m3計(jì)算，養(yǎng)殖區(qū)每天將會產(chǎn)生14.79 kg 的SS 和2.52 kg 的TN。因此在生態(tài)凈化池塘的規(guī)劃和設(shè)計(jì)的時候，要綜合考慮污染物的產(chǎn)生量和處理效率，合理布置物理過濾和生物處理各項(xiàng)設(shè)施設(shè)備，使處理效果達(dá)到最大化。

水產(chǎn)養(yǎng)殖水體污染物綜合治理是一個必須實(shí)施且長期的環(huán)保問題，需要在養(yǎng)殖生產(chǎn)中采取較為全面的解決措施，科學(xué)規(guī)劃、優(yōu)化養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，建立完善的養(yǎng)殖管理體系，通過制定標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制尾水污染物的排放指標(biāo)，全面提高養(yǎng)殖從業(yè)者的綜合素質(zhì)，加大污染物治理和利用的力度，保障水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)更為健康的高質(zhì)量發(fā)展。