王純，袁子茜，原藝杭，李昕鈺，于本心，劉鷹

(1.北京工商大學(xué) 國(guó)家環(huán)境保護(hù)食品鏈污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100048；2.設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連海洋大學(xué))，遼寧 大連 116023；3.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310012)

海洋是地球上最大的活躍碳庫(kù)，在助力碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。實(shí)現(xiàn)碳中和主要有減排和增匯兩種途徑，其中減排是減少溫室氣體的排放量，增匯是增加對(duì)大氣中二氧化碳(CO2)的吸收[2]。減排是在減緩實(shí)體工業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上實(shí)行，有一定局限性，因而增匯就成了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。早在2015年，“海洋碳匯”就被納入中國(guó)《生態(tài)文明體制改革總體方案》[3]中。通過海水養(yǎng)殖固定的碳主要有可移除碳匯、海洋溶解碳庫(kù)、顆粒碳庫(kù)及沉積碳庫(kù)等[4]?？梢瞥紖R[5]，如漁業(yè)碳匯[6]是指海水養(yǎng)殖生物吸收海水中的CO2，通過收獲養(yǎng)殖產(chǎn)品將碳轉(zhuǎn)移再利用的過程。因此，研究漁業(yè)碳匯對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要的意義。

海水養(yǎng)殖是中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)重要的生產(chǎn)方式之一，人類充分利用海洋資源，通過技術(shù)手段高效繁殖和飼養(yǎng)具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的海洋動(dòng)植物，以創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)收益。隨著人類對(duì)海產(chǎn)品需求的日益增大，中國(guó)海水養(yǎng)殖產(chǎn)品產(chǎn)量逐年增加[7]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，1990—2018年，中國(guó)海洋產(chǎn)品產(chǎn)量長(zhǎng)期居世界第一，2018年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的15%[8]。目前，中國(guó)已成為全球最大的海水養(yǎng)殖國(guó)家，養(yǎng)殖種類數(shù)量眾多、產(chǎn)品豐富，其中，紫菜、貝類養(yǎng)殖量均位居世界首位，年平均養(yǎng)殖總量占到全球的60%左右[9]，2020年，中國(guó)海水魚類養(yǎng)殖產(chǎn)量已達(dá)174.98萬t[10]。中國(guó)已經(jīng)擁有40多種重要的海水養(yǎng)殖產(chǎn)品種類，包括貝類、藻類、魚類、甲殼類和其他類[11]。海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展在改善民生及促進(jìn)“三農(nóng)”經(jīng)濟(jì)等方面做出了卓越貢獻(xiàn)，但養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的水環(huán)境污染問題同樣不容忽視[12]，海水養(yǎng)殖尾水需經(jīng)深度處理后達(dá)標(biāo)排放。本文綜述了國(guó)內(nèi)外海水養(yǎng)殖尾水的生物處理技術(shù)研究進(jìn)展，提出了以碳減排為指導(dǎo)的海水養(yǎng)殖尾水深度處理與資源化再生利用的可能途徑，以期為海水養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)的協(xié)同發(fā)展與助力碳中和提供科學(xué)參考。

1 海水養(yǎng)殖尾水的水質(zhì)特征及危害

海水養(yǎng)殖尾水的水質(zhì)特征主要是高鹽度效應(yīng)和鹽度波動(dòng)性，且海水養(yǎng)殖尾水水量大而集中[13]。海水養(yǎng)殖主要有網(wǎng)箱養(yǎng)殖、池塘養(yǎng)殖及工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖等模式，其中，網(wǎng)箱養(yǎng)殖依靠潮水涌動(dòng)，直接實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體與海水的交換[14]。因此，采用凈化技術(shù)處理的尾水一般來自池塘養(yǎng)殖和循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。海水養(yǎng)殖尾水中污染物的主要來源及所占比例分別為過剩餌料(35%)、代謝物(50%)、生活垃圾(5%)和其他污染(10%)[15]。池塘養(yǎng)殖不間斷地放苗與捕撈模式會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖池塘內(nèi)致病菌增多，因此，除過剩餌料污染外，病蟲防治所使用的抗生素、清洗養(yǎng)殖池塘的消毒劑等有機(jī)物也成為池塘養(yǎng)殖排放尾水的主要污染物來源。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖體系中一般配備相應(yīng)的水處理設(shè)備，相比海水池塘養(yǎng)殖而言，其排放尾水中的污染物濃度較低，但仍存在有機(jī)碳、氮、磷和重金屬等溶解態(tài)污染物[16]。

2 海水養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)概況

海水養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)主要分為物理、化學(xué)和生物3類[20]。物理處理技術(shù)是應(yīng)用沉降分離、機(jī)械過濾等技術(shù)去除水體中的懸浮顆粒物，但該技術(shù)對(duì)于溶解性污染物(如氮、磷和有機(jī)物等)的去除效果不佳[21]；化學(xué)處理技術(shù)包括化學(xué)氧化、混凝沉淀、電化學(xué)及紫外輻射技術(shù)等，化學(xué)處理技術(shù)的成本和能耗較高[22]，臭氧消毒的殘余物還具有生物毒性[23]；生物處理技術(shù)主要通過植物、動(dòng)物和微生物的生長(zhǎng)代謝作用，吸收降解養(yǎng)殖尾水中的污染物，對(duì)養(yǎng)殖過程中生產(chǎn)的懸浮物、氮、磷、有機(jī)物等去除效果良好，生物處理技術(shù)因其具有生態(tài)、高效和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[14]。目前，根據(jù)養(yǎng)殖尾水修復(fù)實(shí)施場(chǎng)所的不同，可將海水養(yǎng)殖尾水生物處理技術(shù)分為原位生物修復(fù)技術(shù)和異位生物修復(fù)技術(shù)兩類。

3 海水養(yǎng)殖尾水的原位生物修復(fù)技術(shù)

海水養(yǎng)殖尾水的原位生物修復(fù)是指在不改變尾水所在位置的前提下，通過分解、轉(zhuǎn)化和富集等生物過程，使尾水中污染物濃度降低或總量減少的過程[24]，養(yǎng)殖尾水的原位處理常見于循環(huán)式或半循環(huán)式工廠化海水養(yǎng)殖體系。

3.1 貝類凈化技術(shù)

近年來，隨著科技的發(fā)展，更多的水生動(dòng)物被應(yīng)用于海水養(yǎng)殖尾水的治理。目前，已知廣泛應(yīng)用于海水養(yǎng)殖尾水處理的水生動(dòng)物主要有扇貝、牡蠣等。趙志東等[25]研究發(fā)現(xiàn)，將貝類和南美白對(duì)蝦Litopenaeusvabbamei混合飼養(yǎng)，可顯著降低養(yǎng)殖系統(tǒng)中的COD、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨氮、磷酸鹽及懸浮物等水環(huán)境因子含量，從而達(dá)到原位修復(fù)的目的。究其原因，貝類通過濾食浮游植物、纖毛蟲和小型橈足類等浮游生物攝取水環(huán)境中的有機(jī)碎屑，從而間接消耗水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽和CO2。由此可見，在海水養(yǎng)殖池中養(yǎng)殖貝類有凈化水質(zhì)、提高餌料利用率等優(yōu)點(diǎn)[26]。但貝類與養(yǎng)殖對(duì)象間可能存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，從而對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響，因此，要依據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象對(duì)貝類進(jìn)行合理選擇。

3.2 微生物凈化技術(shù)

3.2.1 活性污泥法 活性污泥法是通過持續(xù)向污水中通入空氣的方式，促使好氧微生物增殖，產(chǎn)生了以菌膠團(tuán)形式存在的微生物群，這些微生物群構(gòu)成的污泥狀絮結(jié)物對(duì)吸收和氧化分解有機(jī)物質(zhì)具有良好的效果，可以有效去除污水中的各類污染物[27]。利用活性污泥法處理污水已有較長(zhǎng)的歷史，其原理、方法和工藝技術(shù)比較成熟，具有良好的脫氮除磷效果。但該方法具有占地面積大、運(yùn)行過程中產(chǎn)生的污泥發(fā)生二次污染及運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)。值得注意的是，為提升凈化效果，在選用活性污泥法處理海水養(yǎng)殖尾水之前，需要篩選培養(yǎng)能夠高效凈化尾水的耐鹽微生物?；钚晕勰喾ㄌ幚眇B(yǎng)殖尾水的常見工藝流程如圖1所示。

3.2.2 生物膜法 生物膜法是在裝有填料的生物濾器內(nèi)，使用生長(zhǎng)在填料表面的微生物進(jìn)行污水處理的方法，該方法具有高效、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中最常用的生物處理方法[28]。膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，MBR)技術(shù)是近年來環(huán)境工程領(lǐng)域應(yīng)用和開發(fā)最迅速的技術(shù)之一[29]。MBR技術(shù)中，用膜分離工藝代替了傳統(tǒng)污水處理過程中依靠重力作用的泥水分離方法，可以更加高效地截留細(xì)菌等微生物，隨著MBR技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，生物處理單元與膜分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)融合，其工藝流程如圖2所示。

圖1 活性污泥法處理工廠化高密度養(yǎng)殖尾水工藝流程[27]Fig.1 Activated sludge treatment process of wastewater in an industrial high density aquaculture[27]

圖2 膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝流程Fig.2 Membrane bioreactor (MBR) process flow

3.2.3 微生物強(qiáng)化技術(shù)

1)微生物菌劑強(qiáng)化技術(shù)。高效微生物菌劑是通過技術(shù)手段將菌種從自然界中分離純化，人工選育出針對(duì)不同污染物具有高效降解能力的菌種(株)，并將具有不同降解功能、協(xié)同共生的微生物按一定比例配制而成[30]。利用高效微生物菌劑處理污廢水，具有經(jīng)濟(jì)高效、低能耗和不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，可以提高污水中復(fù)雜污染物的去除效率[31]，該技術(shù)在處理海水養(yǎng)殖尾水中具有良好的應(yīng)用前景。此外，水處理微生物菌劑加入餌料或直接投加到養(yǎng)殖水體中，還能夠預(yù)防和減少病原菌感染，從而減少病害發(fā)生，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物免疫力和水產(chǎn)品產(chǎn)量。Zhang等[32]從海水養(yǎng)殖尾水中分離出一種新型聚磷微生物Arthrobactersp.(HHEP 5)，該微生物在28 ℃條件下，24 h內(nèi)對(duì)磷的去除率達(dá)到99.6%，同時(shí)，這種新型聚磷微生物對(duì)污水中的氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽有較好的去除效果。

2)固定化微生物技術(shù)。固定化微生物工藝技術(shù)是利用物理或生化的技術(shù)手段，將游離菌和酶固定于有限的環(huán)境范圍內(nèi)，使其長(zhǎng)期保持生物活性以便重復(fù)使用，該技術(shù)具有效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、反應(yīng)過程易于掌握及對(duì)環(huán)境條件耐受性強(qiáng)等特點(diǎn)[33]。目前，普遍采用的生物固定方式主要分為吸附法、包埋法、交聯(lián)法和共價(jià)結(jié)合法[34]。PVA凝膠被認(rèn)為是目前最有效的固定化載體之一，Kim等[35]以PVA-硼酸法制備凝膠固定硝化細(xì)菌處理海水養(yǎng)殖尾水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)具有良好的脫氮效果。

3.3 生物共生修復(fù)技術(shù)

3.3.2 多營(yíng)養(yǎng)層級(jí)海水養(yǎng)殖模式(IMTA) 在動(dòng)物-植物混合養(yǎng)殖修復(fù)污染水體中，貝-藻、魚-貝-藻、貝-藻-參和牡蠣-海帶-海參等混養(yǎng)是較為成熟的綜合養(yǎng)殖模式。如牡蠣-海帶-海參混養(yǎng)模式中，牡蠣是濾食性動(dòng)物，其主要營(yíng)養(yǎng)來源為海水中的顆粒物、海帶碎屑和浮游生物；海帶可以吸收牡蠣呼吸產(chǎn)生的CO2及代謝物中含有的氮、磷元素，并用于光合作用，而海帶光合作用產(chǎn)生的O2又可用于牡蠣和海參呼吸；海參主要以沉入海底的牡蠣糞便、海帶碎屑等為食，養(yǎng)殖水體中的微生物能夠?qū)⒑⒌募S便降解成氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽，以供海帶生長(zhǎng)所需。如此，牡蠣、海帶和海參間形成了良性的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，三者互利共生各取所需，不僅能去除養(yǎng)殖系統(tǒng)中的污染物質(zhì)、緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，還能使單位水體的養(yǎng)殖效益得到大幅度提高[38]。

3.4 原位綜合處理技術(shù)

海水養(yǎng)殖尾水原位綜合處理技術(shù)是將養(yǎng)殖尾水經(jīng)過物理、化學(xué)和生物等處理技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖尾水的深度處理。綜合處理技術(shù)多見于工廠化養(yǎng)殖體系，而工廠化養(yǎng)殖模式又分為循環(huán)水養(yǎng)殖和半循環(huán)式養(yǎng)殖。半循環(huán)式養(yǎng)殖是將養(yǎng)殖尾水引入尾水處理池，進(jìn)行生物處理后，經(jīng)沙濾輸送到配水池中與海水混合重新進(jìn)入養(yǎng)殖池。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是將養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的所有廢水通過系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)水處理單元凈化處理后再次循環(huán)利用，已知基于原位綜合處理的循環(huán)水養(yǎng)殖模式可實(shí)現(xiàn)水體回用率達(dá)96%以上，能夠保障水資源再生利用的最大化[39]。

尾水原位綜合處理運(yùn)用機(jī)械、化學(xué)、生物、自動(dòng)化等先進(jìn)技術(shù)和工業(yè)化手段，實(shí)現(xiàn)海水養(yǎng)殖尾水循環(huán)回用，以改善水生態(tài)和養(yǎng)殖環(huán)境?？傮w而言，工廠化循環(huán)水綜合水處理系統(tǒng)大體分為固體顆粒物分離、生物凈化、消毒殺菌、脫氣和增氧控溫等5部分。常見的工廠化循環(huán)水綜合水處理工藝流程如圖3所示。

圖3 工廠化循環(huán)水綜合水處理工藝流程圖Fig.3 Comprehensive water treatment process of industrialized circulating water

4 海水養(yǎng)殖尾水的異位生物修復(fù)技術(shù)

海水養(yǎng)殖尾水的異位生物修復(fù)是將尾水引出養(yǎng)殖系統(tǒng)，利用各種生物凈化技術(shù)處理尾水。該技術(shù)主要以水生植物為核心，結(jié)合物理過濾和微生物作用對(duì)養(yǎng)殖尾水中過剩的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行再利用，以凈化水質(zhì)、減輕受納水體污染負(fù)荷。其中，基于異位修復(fù)的生態(tài)工程技術(shù)主要包括生態(tài)浮島、生態(tài)溝渠、人工濕地和生態(tài)凈化塘等。

4.1 異位修復(fù)主要植物類型

4.1.1 大型水生植物 海水養(yǎng)殖尾水的鹽度較高，其中，所含有害污染物的成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特殊，而多數(shù)對(duì)污廢水體具有良好修復(fù)效果的水生植物耐鹽性較差，無法在海水養(yǎng)殖尾水中生長(zhǎng)。因此，在凈化海水養(yǎng)殖尾水中鹽生植物起到了較為重要的作用。目前，常見的鹽生植物有堿蓬Suaedaglauca、海蓬子Salicorniaeuropaea、堿菀Tripoliumvulgare、海馬齒Sesuviumportulacastrum和濱藜Atriplexpatens等[40-41]。為了適應(yīng)高鹽度的生長(zhǎng)環(huán)境，鹽生植物進(jìn)化出了非常發(fā)達(dá)的根系，以吸收養(yǎng)殖尾水中過剩的營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)物。鹽生植物充分利用尾水中的物質(zhì)，滿足自身的生長(zhǎng)需求[42]。鹽生植物修復(fù)污染水體的機(jī)理主要有植物自身吸收、植物生化作用、根際微生物生化作用和耐鹽調(diào)節(jié)作用等[43-45]。

王趁義等[46]以水培堿蓬的方法，通過對(duì)比試驗(yàn)前后海水養(yǎng)殖尾水中COD、BOD5、TN和TP含量與堿蓬植株體內(nèi)TP、TN含量的變化，證明堿蓬對(duì)該海水養(yǎng)殖尾水具有較強(qiáng)的修復(fù)能力。曾碧健等[47]以鹽生植物海馬齒作為生態(tài)浮床，采用原位修復(fù)池塘海水養(yǎng)殖尾水的方法，證明海馬齒對(duì)于該尾水的處理具有一定的成效。此外，海水養(yǎng)殖尾水還可用作鹽生經(jīng)濟(jì)植物的灌溉用水，尾水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以有效促進(jìn)耐鹽作物的生長(zhǎng)，與此同時(shí)，養(yǎng)殖尾水也得到了凈化。趙耕毛等[48]的田間微區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明，海水引水灌溉不僅可以大幅提高作物產(chǎn)量，還可有效改善濱海鹽堿地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和海洋環(huán)境。

4.1.2 微藻 微藻細(xì)胞可以吸收廢水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并將水體中的污染物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能成分，如蛋白質(zhì)、碳水化合物和遺傳物質(zhì)等。微藻對(duì)于水中重金屬、抗生素和有機(jī)污染物具有一定的去除能力。不同微藻種處理廢水的能力差異較大，其中，球等鞭金藻Isochrysisgalbana和海洋小球藻Chlorellasp.兩種微藻均可快速吸收利用海水養(yǎng)殖尾水中的氮、磷元素[49]。Aquilino等[23]利用線形硬毛藻Chaetomorphalinum去除海水養(yǎng)殖尾水中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽，結(jié)果表明，質(zhì)量濃度為20 g/L的線形硬毛藻在24 h內(nèi)幾乎可完全去除水體中的氨氮，在48 h內(nèi)幾乎可完全分解海水中的磷酸鹽。Li等[24]通過將生物濾器和藻類反應(yīng)器聯(lián)用，發(fā)現(xiàn)其對(duì)TN和TP的平均去除率分別為42.8%±5.5%和83.7%±7.7%。

4.2 生態(tài)浮島

生態(tài)浮島又被稱為人工浮床、生態(tài)浮床，其主要特點(diǎn)是以高分子材料作為基質(zhì)，應(yīng)用無土栽培技術(shù)，以富營(yíng)養(yǎng)化的海水養(yǎng)殖尾水為營(yíng)養(yǎng)液，培植耐鹽水生植物，該技術(shù)在凈化尾水的同時(shí)也增加了景觀美感[50]。生態(tài)浮島在物種間共生關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了高效人工生態(tài)系統(tǒng)。植物的根系吸收作用能夠有效削減尾水中的COD、TN和TP等污染負(fù)荷，減輕水體腥臭現(xiàn)象。同時(shí)，生態(tài)浮島技術(shù)能提高水體透明度與溶解氧含量，有效控制水質(zhì)指標(biāo)，抑制藻類過度生長(zhǎng)。吳英杰等[51]通過測(cè)定設(shè)置生態(tài)浮床前后南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖尾水中氨氮、COD、TN和TP濃度變化，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可顯著改善水質(zhì)。岳曉彩等[52]證明，以海馬齒作為植株布設(shè)生態(tài)浮島，對(duì)COD、TN、TP和底泥有機(jī)碳均具有良好的去除效果。

4.3 生態(tài)溝渠

生態(tài)溝渠又名溝渠濕地生態(tài)系統(tǒng)，主要是通過溝渠結(jié)構(gòu)的阻滯攔截作用減緩水流速度，從而促進(jìn)尾水中懸浮物的沉降。該攔截型溝渠系統(tǒng)由水、土壤、動(dòng)物、植物和微生物組成，動(dòng)植物吸收溝壁、水體和溝底中過剩的養(yǎng)分以維持自身的生長(zhǎng)與生命活動(dòng)，溝渠底泥中的微生物具有吸附和分解污染物的作用[53]。同時(shí)，鹽生植物的存在可以加速海水養(yǎng)殖尾水氮、磷界面的交換和傳遞，促進(jìn)尾水中TN、TP濃度的削減，具有良好的凈化效果。生態(tài)溝渠具有占地面積小、建造方便、節(jié)約能耗及運(yùn)行維護(hù)成本低等特點(diǎn)，因此，受到了越來越多的關(guān)注。

4.4 人工濕地

人工濕地是一種綜合性的多功能生態(tài)系統(tǒng)，主要由土壤、植物和微生物組成(圖4)。該生態(tài)系統(tǒng)通過結(jié)合物理過濾、化學(xué)吸附及微生物降解等方法，充分利用生態(tài)空間，使共生物種互惠互利，將尾水中的污染物變廢為寶，使系統(tǒng)中的資源得以循環(huán)利用。人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的建造秉承結(jié)構(gòu)與功能相協(xié)調(diào)的原則，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境二次污染，以獲得污水處理與資源化的最佳效益[54]。人工濕地是大規(guī)模海水養(yǎng)殖區(qū)域處理尾水的有效方法，凈化海水養(yǎng)殖尾水中COD、TN和TP等有機(jī)污染物效果明顯，尤其對(duì)硝酸鹽的去除具有較大潛力。齊丹等[55]發(fā)現(xiàn)，紅樹林植物秋茄Kandeliaobovata等濕地植物對(duì)TN、TP、COD和抗生素均有較好的去除效果。還有研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地對(duì)養(yǎng)殖尾水中多種抗生素有良好的凈化效果[56]。

圖4 人工濕地示意圖Fig. 4 Schematic diagram of constructed wetland

4.5 生態(tài)凈化塘

人工濕地凈化后的水體若不能滿足排放要求，可設(shè)置生態(tài)凈化塘進(jìn)一步深度凈化修復(fù)。生態(tài)凈化塘外圍使用高密度聚乙烯(HDPE)封閉，內(nèi)部由深水區(qū)和淺水區(qū)組成，根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)在塘內(nèi)合理搭配可種植根系發(fā)達(dá)的水生景觀植物[57]。在海水養(yǎng)殖尾水的深度凈化過程中，深水區(qū)可通過人工浮床、微生物附著基、固化微生物技術(shù)促進(jìn)水體自凈和水體溶氧的提高[58]。為了更高效地吸收尾水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，在生態(tài)凈化塘淺水區(qū)種植互花米草Spartinaalterniflora和鹽角草Salicorniaeuropaea等耐鹽的水生植物，生態(tài)凈化塘是在植物富集、微生物降解和底部基質(zhì)過濾沉降的共同作用下，達(dá)到水質(zhì)凈化的目的[59]。在適當(dāng)水域搭配種植對(duì)不同污染物具有吸收富集能力的水生植物，有助于快速修復(fù)受污水體的生態(tài)系統(tǒng)。與此同時(shí)，尾水的水質(zhì)指標(biāo)恢復(fù)到一定程度后，采取人工手段重建尾水中的食物鏈與食物網(wǎng)，如向凈化塘中放置水生植物、動(dòng)物和微生物等以建設(shè)新的“水下森林”生態(tài)系統(tǒng)，這對(duì)生態(tài)塘的可持續(xù)性發(fā)展十分重要。

5 養(yǎng)殖尾水生物處理過程中的碳減排實(shí)踐

養(yǎng)殖尾水高效生物處理技術(shù)是在自然界水體自凈的理論基礎(chǔ)上，人為地予以強(qiáng)化和改進(jìn)，形成更為高效、環(huán)保和可持續(xù)的技術(shù)手段，生物處理技術(shù)不僅能夠在海水養(yǎng)殖尾水的深度凈化與資源能源循環(huán)利用中充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，更對(duì)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施及藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建大有裨益。

5.1 微藻凈化與碳減排

以微藻凈化為例，微藻不僅能利用生物方法有效凈化海水養(yǎng)殖尾水，還具有極強(qiáng)的固碳能力，其對(duì)CO2的吸收同化效率是陸生植物的10～50倍[60]。微藻通過光合作用固定CO2，吸收尾水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，該過程產(chǎn)生的微藻生物量含有大量的蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)，可以作為生產(chǎn)生物燃料的前體。目前，生物燃料已經(jīng)成為減少溫室氣體排放和替代化石燃料的重要對(duì)象[61]。綜上，將藻類養(yǎng)殖與尾水凈化相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)高附加值微藻產(chǎn)品獲取的同時(shí)，可切實(shí)增強(qiáng)海水養(yǎng)殖過程碳減排，包括：1)吸收大氣中的CO2，增加微藻對(duì)CO2生物固定量；2)有效吸收海水養(yǎng)殖尾水中的氮、磷元素，減少用物理、化學(xué)方法凈化尾水過程中的碳排放，降低凈化成本；3)以微藻生物量為基礎(chǔ)生產(chǎn)生物燃料，在一定程度上減少化石燃料的使用，減少溫室氣體排放。

5.2 藍(lán)碳系統(tǒng)與碳中和

狹義上，固定并儲(chǔ)存在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的CO2被稱為藍(lán)碳，藍(lán)碳的研究和開發(fā)主要涉及沿海濕地，如紅樹林、海草和鹽沼等[62]。其中，固碳量最大的為海草生態(tài)系統(tǒng)，據(jù)估計(jì)，該系統(tǒng)每年累積176～411 Tg CO2當(dāng)量，這些以藍(lán)碳形式存儲(chǔ)在海洋及其沿海生態(tài)系統(tǒng)中的碳可以保存數(shù)千年[63]。人工濕地作為生態(tài)工程凈化海水養(yǎng)殖尾水的技術(shù)之一，以紅樹林為主的沿海植物群落在凈化尾水的同時(shí)，利用光合作用吸附并固定大氣中的CO2。在全球范圍內(nèi)，潮汐沼澤和紅樹林每年固定CO2量達(dá)到196.72 Tg，是海底沉積有機(jī)碳總量的30%[64]，為增強(qiáng)海洋碳匯做出了卓越貢獻(xiàn)。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，海水養(yǎng)殖系統(tǒng)(尤其是海洋貝類和大型藻類養(yǎng)殖)對(duì)增強(qiáng)海洋的碳固定與碳轉(zhuǎn)移有較大的影響，因此，海水養(yǎng)殖也被納入到了廣義的藍(lán)碳范疇[65]。養(yǎng)殖尾水生物處理過程中的大型藻類、植物等在生長(zhǎng)過程中吸收營(yíng)養(yǎng)鹽，并通過光合作用吸收CO2，這些過程可有效降低海水中的CO2分壓，加速大氣CO2向海水中擴(kuò)散，對(duì)增大海洋碳匯有積極的影響。與此同時(shí)，貝類主要通過鈣化和濾食有機(jī)碳增加生物體碳含量，再作為可移除碳匯從海洋中脫離[66]。但最終貝、藻類是否能夠?qū)υ黾雍Ｑ筇紖R產(chǎn)生正向作用,還需要通過繼續(xù)探究碳增匯過程機(jī)制、完善計(jì)量方法等才能進(jìn)一步評(píng)判。因?yàn)樨?、藻類呼吸作用產(chǎn)出的CO2與 貝類鈣化的雙向復(fù)雜性過程難以精準(zhǔn)計(jì)算。再者，養(yǎng)殖生物移出海洋后成為食物進(jìn)入人體，還會(huì)再經(jīng)歷更加復(fù)雜的碳循環(huán)過程回歸大氣，目前也尚無科學(xué)統(tǒng)一的考量方法[67]。但毋庸置疑的是，貝、藻類可以吸收海水養(yǎng)殖尾水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，避免尾水直排，以減輕海水富營(yíng)養(yǎng)化及減少赤潮的發(fā)生，該過程從尾水生物處理角度對(duì)實(shí)現(xiàn)碳減排、助力碳中和具有不可忽視的作用。

5.3 尾水綜合生物處理技術(shù)支撐碳減排

在海水養(yǎng)殖尾水的綜合處理系統(tǒng)中，生物處理技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)在有效提高尾水處理能力的同時(shí)，還能減少藥劑和碳源的投加并節(jié)約能耗，因此，生物技術(shù)已成為海水養(yǎng)殖尾水綜合處理系統(tǒng)中碳減排工作的重要組成部分。如目前正廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖尾水深度處理的同步硝化反硝化及厭氧氨氧化技術(shù)。

養(yǎng)殖尾水處理同步硝化反硝化是在有氧條件下，同一生物反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)發(fā)生硝化和反硝化的過程，該過程直接把硝化反應(yīng)控制在亞硝酸階段，然后進(jìn)行反硝化，將水體中的含氮化合物以氮氧化物或氮?dú)獾男问脚懦鋈68]。厭氧氨氧化技術(shù)利用亞硝酸鹽與氨氮反應(yīng)直接生成氮?dú)?，與傳統(tǒng)生物處理工藝相比，可節(jié)約能耗30%以上，節(jié)約藥劑90%以上，全過程碳排放減少50%以上，該技術(shù)為海水養(yǎng)殖尾水的綜合處理系統(tǒng)優(yōu)化與碳減排提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐[69]。

6 存在問題及展望

6.1 海水養(yǎng)殖尾水生物處理技術(shù)研究中存在的問題

隨著技術(shù)的不斷革新，海水養(yǎng)殖尾水生物處理技術(shù)的發(fā)展與推廣將進(jìn)一步合理優(yōu)化化學(xué)藥劑、電力及人力成本的投入，從而減少碳排放及二次污染。但海水養(yǎng)殖尾水的生物處理還存在一些問題。

1)部分生物處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本仍相對(duì)較高，如微藻，雖然凈化效果較好，但其收獲成本過高，難以全面推廣應(yīng)用。

2)生物凈化技術(shù)中參與水質(zhì)凈化的動(dòng)物、植物和微生物間的最佳配置參數(shù)(生物種類、數(shù)量等)尚不明確，有待進(jìn)一步研究。

3)尾水凈化與資源化利用相結(jié)合的綜合處理技術(shù)有待進(jìn)一步研究，其工藝流程有待簡(jiǎn)化，以提高凈化效果與資源綜合利用效率。

4)目前海水養(yǎng)殖尾水的生物凈化技術(shù)趨向于系統(tǒng)化、集成化，但由于海水養(yǎng)殖存在養(yǎng)殖區(qū)域、養(yǎng)殖品類和養(yǎng)殖模式等差異，應(yīng)用相同凈化技術(shù)得到的效果參差不一，因而尾水生物凈化技術(shù)的適用性與功能冗余性需要得到更廣泛的關(guān)注。

5)迄今為止，國(guó)內(nèi)外尚無對(duì)海洋碳匯進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控、統(tǒng)一化計(jì)量的技術(shù)操作規(guī)范與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，這將成為中國(guó)實(shí)施碳中和戰(zhàn)略過程中亟待完成的一個(gè)重要任務(wù)。

6.2 未來重點(diǎn)研究方向

海水養(yǎng)殖尾水的生物處理可從根本上有效減輕海水養(yǎng)殖業(yè)對(duì)海洋環(huán)境的污染，增強(qiáng)海水資源的循環(huán)回用效率，減輕水資源短缺的壓力。海水養(yǎng)殖與尾水處理產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展與完善，在增加海洋碳匯方面做出了突出貢獻(xiàn)，這將助力實(shí)現(xiàn)“碳中和”宏偉目標(biāo)。此外，高密度循環(huán)水養(yǎng)殖模式將成為未來中國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而該宏偉愿景的實(shí)現(xiàn)，離不開對(duì)海水養(yǎng)殖尾水的高效深度處理與資源化再生利用。養(yǎng)殖再生水將逐漸成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)量大質(zhì)穩(wěn)、就近可取和增效顯著的第二水源，變養(yǎng)殖污廢水為“水資源”，是實(shí)現(xiàn)污水資源化、能源化利用與碳減排的綜合考量，因此，未來應(yīng)在以下方面重點(diǎn)開展研究。

1)開展基于養(yǎng)殖尾水水質(zhì)分析與水征評(píng)價(jià)的適宜性技術(shù)優(yōu)選。養(yǎng)殖尾水的水質(zhì)分析與水征評(píng)價(jià)尤為重要，應(yīng)根據(jù)不同的養(yǎng)殖區(qū)域、養(yǎng)殖品類和養(yǎng)殖模式開展各類型養(yǎng)殖尾水的水質(zhì)特征解析與研究，綜合選擇更加高效、適用的凈化技術(shù)，以減少重復(fù)處理與二次環(huán)境污染導(dǎo)致的碳排放。

2)強(qiáng)化海水養(yǎng)殖尾水的集約化處理與一體化裝備研發(fā)。海水養(yǎng)殖尾水生物處理應(yīng)走向生態(tài)化、聯(lián)合處理，與此同時(shí)，要加強(qiáng)與物理處理方法、化學(xué)處理方法的有機(jī)結(jié)合，有效集成生物、物理和化學(xué)處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，研發(fā)形成一體化的處理技術(shù)裝備與長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行方案。因地制宜，建設(shè)更適合中國(guó)國(guó)情發(fā)展的大體量、高效率和高標(biāo)準(zhǔn)海水養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)。

3)以減少能源消耗、助力碳減排為目標(biāo)開展養(yǎng)殖工藝優(yōu)化。結(jié)合多學(xué)科前沿技術(shù)的發(fā)展情況，綜合運(yùn)用水利學(xué)、生態(tài)環(huán)境學(xué)及自動(dòng)化控制等學(xué)科領(lǐng)域的先進(jìn)理論與技術(shù)成果，使養(yǎng)殖尾水的綜合處理工藝流程得到最大程度的簡(jiǎn)化，精準(zhǔn)控制，有效減少電能與物耗，進(jìn)而從能源開發(fā)、物料制造等源頭減少碳排放。

4)大力推進(jìn)綠色海水養(yǎng)殖耦合高效資源能源循環(huán)利用技術(shù)的發(fā)展。在繼續(xù)深化海水養(yǎng)殖尾水高標(biāo)準(zhǔn)處理的同時(shí)，從源頭減少污染物的產(chǎn)生，應(yīng)用前端預(yù)防與末端治理相結(jié)合的清潔生產(chǎn)模式，強(qiáng)化尾水深度處理后的水資源循環(huán)回用技術(shù)，從根本上解決海水養(yǎng)殖尾水污染問題，在達(dá)到資源高效利用、養(yǎng)殖產(chǎn)品增質(zhì)增產(chǎn)的同時(shí)，促進(jìn)海水養(yǎng)殖綠色發(fā)展與尾水近零排放，強(qiáng)力支撐碳減排。

5)構(gòu)建評(píng)估海洋碳匯的標(biāo)準(zhǔn)體系。通過整合多學(xué)科研發(fā)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建并完善海洋碳中和智能監(jiān)測(cè)體系，同時(shí)在理論上注重海洋碳中和的核算機(jī)制與方法學(xué)研究，以期建立科學(xué)、完善的海洋碳匯計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，為海洋碳中和的評(píng)判提供方案支撐。

綜上所述，未來通過對(duì)海洋碳匯計(jì)量方法的研究，能夠得到增大海洋碳匯的最佳養(yǎng)殖產(chǎn)品。與此同時(shí)，著力研究海水養(yǎng)殖技術(shù)，創(chuàng)新養(yǎng)殖模式，提高海水養(yǎng)殖效益，提升可移除碳匯水產(chǎn)品產(chǎn)量，將海洋中藍(lán)碳最大限度地轉(zhuǎn)化為可移除碳匯，在獲得經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)，增大海洋碳存儲(chǔ)量，加快大氣與海洋的碳交換，為碳中和蓄力。