陳 哲,劉興國(guó),程翔宇,張 旺,程果鋒,肖述文

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092;2上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,上海 201306 )

SS通常具有廣泛的粒徑范圍[18],養(yǎng)殖池塘中SS的粒徑范圍一般在200 μm以下。每個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)的SS的粒徑分布可能都有不同,這使得針對(duì)不同類型排出的廢水中SS的懸浮顆粒物的粒徑分布(PSD)詳細(xì)研究了解更為重要[19-20]。對(duì)于固體懸浮物去除系統(tǒng),SS的PSD決定了整體去除效率[21]。養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控與尾水治理是近年來內(nèi)陸水產(chǎn)養(yǎng)殖所面臨的主要問題,國(guó)內(nèi)外針對(duì)養(yǎng)殖水體研究主要集中在對(duì)養(yǎng)殖尾水的處理技術(shù)[22]上,對(duì)養(yǎng)殖池塘水體中SS沉降規(guī)律及水質(zhì)變化情況的研究報(bào)道較少,研究草魚池塘水體靜沉降下SS及水質(zhì)變化情況有利于了解SS具體特性,以期為后續(xù)開發(fā)設(shè)計(jì)針對(duì)草魚養(yǎng)殖水體SS去除系統(tǒng)提供具體理論依據(jù),因此研究草魚池塘養(yǎng)殖水體靜沉降特性至關(guān)重要。

本研究以草魚養(yǎng)殖池塘水體為研究對(duì)象,通過對(duì)水體的靜沉降,測(cè)定不同水層、不同沉降時(shí)間下SS含量、粒度分布情況及水質(zhì)指標(biāo)變化情況,研究草魚養(yǎng)殖池塘水體的靜沉降規(guī)律及其粒徑變化情況,旨在為草魚養(yǎng)殖池塘水質(zhì)調(diào)控及新型養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)池塘

在上海市松江區(qū)三泖水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)(30°57′1.89″N,121°08′52.21″E),選取典型草魚養(yǎng)殖池塘進(jìn)行試驗(yàn)。池塘面積100 m×50 m,平均水深1.6 m,水面面積0.47 hm2,塘內(nèi)養(yǎng)殖草魚4 000～4 100尾。

1.2 試驗(yàn)裝置及取樣

沉降裝置高約為195 mm,直徑為138 mm,使用5 L采水器對(duì)草魚養(yǎng)殖池塘水體上、中、下層水體進(jìn)行取樣,將各層水樣混勻,分裝于15個(gè)沉降裝置中,靜止放置同時(shí)開始計(jì)時(shí)。采樣時(shí)采用虹吸法吸取杯內(nèi)上層(A層)及下層(B層)水體(水層上部1 cm深度為A層,水層底部沉積物上方1 cm為B層),盡量不擾動(dòng)水體,每次取3個(gè)平行,共6次取樣。采樣時(shí)間為0 min、30 min、60 min、90 min、120 min、150 min。本研究共進(jìn)行2次試驗(yàn),第一次沉降試驗(yàn)進(jìn)行于2022年10月份,第二次沉降試驗(yàn)進(jìn)行于2022年11月份。

1.3 測(cè)定內(nèi)容及分析方法

SS粒徑分布:BT-9300SE激光粒度儀,儀器的測(cè)定范圍為0.1～1 000 μm,測(cè)定懸浮顆粒物的體積分布及數(shù)量分布。SS粒徑體積分布的表示方法有累積體積分布和區(qū)間體積分布。

SS質(zhì)量測(cè)定:采用超微量電子天平稱重(精度至0.0001 g)。

SS質(zhì)量濃度測(cè)定:在100～105 ℃將Whatman GF/F玻璃纖維濾膜烘干(2 h以上),質(zhì)量為A1(mg),用該濾膜抽濾體積為V(L)后,在100～105 ℃烘干4 h,冷卻后質(zhì)量為A2(mg),再將濾膜在550 ℃下灼燒2 h,冷卻后稱重質(zhì)量為A3(mg),根據(jù)下式計(jì)算SS 的質(zhì)量濃度:

ρ=(A2-A1)/V

(1)

顆粒有機(jī)物(POM)質(zhì)量濃度為:

ρPOM=(A2-A3)/V

(2)

根據(jù)SS質(zhì)量濃度的變化,根據(jù)下式計(jì)算出SS去除率:

E=(C0-C1)/C0

(3)

式中:E為懸浮顆粒物去除率,%;C1為不同時(shí)間懸浮顆粒物質(zhì)量濃度,mg/L;C0為原始水樣中懸浮顆粒物質(zhì)量濃度,mg/L。

總氮(TN)測(cè)定采用國(guó)標(biāo)法(GB 11894—1989)[23];總磷(TP)測(cè)定采用國(guó)標(biāo)法(GB 11893—1989)[23]。

2 結(jié)果

2.1 SS質(zhì)量濃度及沉降率變化

SS變化情況如圖1所示。

注:Ⅰ表示第一組沉降試驗(yàn),Ⅱ表示第二組沉降試驗(yàn);標(biāo)有不同小寫英文字母者表示同一取樣時(shí)間不同取樣深度之間有顯

為消除誤差,共進(jìn)行兩次靜沉降試驗(yàn),水體中SS的初始質(zhì)量濃度分別為113 mg/L、163.40 mg/L。結(jié)果顯示,SS的初始質(zhì)量濃度不一樣時(shí),其沉降速率和沉降規(guī)律也存在差異。隨著靜沉降時(shí)間的延長(zhǎng),不同深度的水樣中SS的質(zhì)量濃度均呈整體下降趨勢(shì), SS沉降率均隨時(shí)間延長(zhǎng)而顯著升高,并在120 min后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。處于A層的SS的質(zhì)量濃度下降幅度較B層下降的更為明顯,SS沉降率更大,30 min時(shí) ,A層SS的質(zhì)量濃度與B層有顯著性差異(P<0.05)。150 min后,第一次試驗(yàn)中A層和B層SS的質(zhì)量濃度差異為7.63 mg/L,第二次試驗(yàn)中為51.97 mg/L。沉降時(shí)間在150 min時(shí),第一次靜沉降試驗(yàn)中A層SS去除率達(dá)到60%,B層SS去除率達(dá)到50%,第二次試驗(yàn)中A層SS去除率超過60%,B層水樣為33.17%。

2.2 SS的粒徑分布及變化

靜沉降試驗(yàn)中的SS粒徑體積的區(qū)間百分比分布之間的比較如圖2所示。

圖2 不同深度懸浮顆粒物粒徑分布(體積分布)隨時(shí)間變化情況

雖然兩組試驗(yàn)中原始水樣的SS和粒徑分布有一定的差異,但其水體在靜沉降過程中粒徑的體積分布變化具有一定規(guī)律性。隨著靜沉降時(shí)間的增加,粒徑較大的SS逐漸向底部沉積,小粒徑SS懸浮于水體中。從SS粒徑的體積分布情況來看,靜沉降時(shí)間為30 min時(shí)SS粒徑的體積分布變化情況最為明顯,水體中較大的SS(>100 μm)以泥沙的形式沉積在底部,水層中SS粒徑大多處于100 μm以下。沉降時(shí)間在60～150 min時(shí)SS粒徑體積分布的百分比變化情況并不明顯。靜沉降試驗(yàn)中, A層粒徑的體積分布整體較B層偏小,SS沉降差異更為明顯。從表1、表2中可以看出,A、B層SS粒徑體積分布的百分比積累值是隨著靜沉降時(shí)間增大越來越小,同時(shí)其減小量越來越小。30 min時(shí),A、B層SS粒徑體積分布的百分比積累值存在顯著性差異(P<0.05)。

表1 第1組沉降試驗(yàn)中沉降時(shí)間0～150 min下A和B層顆粒物累計(jì)分布粒徑值

表2 第2組沉降試驗(yàn)中沉降時(shí)間0～150 min下A和B層顆粒物累計(jì)分布粒徑值

兩次靜沉降試驗(yàn)SS粒徑數(shù)量分布的區(qū)間百分比積累情況如圖3所示。經(jīng)150 min靜沉降時(shí)間后,SS粒徑的數(shù)量分布變化情況甚微,僅在數(shù)量峰值處有稍許變化情況。從圖3可以看出,30 μm以上的粒徑占整體粒徑數(shù)量分布的極少數(shù),甚至于數(shù)值上顯示為0%。水層中SS粒徑數(shù)量分布最集中的粒徑區(qū)間為0.517～1.115 μm,占粒徑數(shù)量分布百分比的60%以上。

圖3 不同深度懸浮顆粒物粒徑分布(數(shù)量分布)隨時(shí)間變化情況

2.3 SS比表面積變化

原樣中SS粒徑的比表面積分別為165.5 m2/kg、260.5 m2/kg。從圖4可以看出隨著靜沉降時(shí)間的延長(zhǎng),SS粒徑的比表面積逐漸增大。當(dāng)靜沉降時(shí)間為30 min時(shí),比表面積變化情況最為明顯且A、B層之間有顯著性差異(P<0.05);沉降90 min后,其比表面積大小趨于穩(wěn)定,且均顯著高于原樣(P<0.05)。當(dāng)靜沉降時(shí)間為150 min時(shí),試驗(yàn)一中A層SS粒徑比表面積達(dá)到359.85 m2/kg,B層達(dá)到327.30 m2/kg;試驗(yàn)二中A層SS粒徑比表面積達(dá)到398.05 m2/kg,B層達(dá)到314.25 m2/kg。

圖4 不同深度懸浮顆粒物的比表面積隨時(shí)間變化情況

2.4 SS組成比例變化

原樣SS兩次試驗(yàn)中POM占比分別為33.63%、48.10%。由圖5可知,隨著靜沉降時(shí)間的增加,SS中POM占比在逐步增加。隨著靜沉降時(shí)間的增加,A層SS中POM的比例較B層增加更多。試驗(yàn)一中,沉降60 min后,A層POM占比超過50%;試驗(yàn)二中,沉降30 min后,POM占比達(dá)到63.13%。沉降150 min后,試驗(yàn)一中A層POM占比70.80%,B層POM占比61.68%;試驗(yàn)二A層POM占比為79.65%,B層為67.69%。

圖5 不同深度懸浮顆粒物的有機(jī)物占比隨時(shí)間變化情況

2.5 SS沉降過程中水體中TN、TP的變化

草魚池塘養(yǎng)殖水體靜沉降過程中TN的質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化情況如圖6。由于兩次試驗(yàn)初始水體不同,初始TN質(zhì)量濃度分別為2.436 0 mg/L、6.524 2 mg/L。靜沉降過程中, TN質(zhì)量濃度隨著靜沉降時(shí)間增加逐漸減低,在30 min后顯著低于初始水樣(P<0.05)。試驗(yàn)一中,在30 min后,TN質(zhì)量濃度降低程度最為明顯,60 min后,TN質(zhì)量濃度下降趨于平緩。試驗(yàn)二中,30～60 min時(shí),TN質(zhì)量濃度降低程度最為明顯,60 min后,A、B層TN質(zhì)量濃度均下降50%以上,60 min后TN質(zhì)量濃度呈現(xiàn)緩慢減低趨勢(shì)。兩次試驗(yàn)中上下水層中TN質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)。

圖6 不同深度水體中總氮隨時(shí)間變化情況

池塘養(yǎng)殖水體靜沉降過程中TP的質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化情況如圖7所示,靜沉降過程中TP與TN 的質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)相似,兩次靜沉降試驗(yàn)中TP的初始質(zhì)量濃度為0.256 5 mg/L、0.611 5 mg/L。由圖7可見,兩次試驗(yàn)中TP質(zhì)量濃度均在30 min后迅速降低,試驗(yàn)一A層TP的質(zhì)量濃度下降38.06%,試驗(yàn)二 A層TP的質(zhì)量濃度下降22.32%。A層TP下降速率顯著高于B層,A層TP的質(zhì)量濃度顯著低于B層(P<0.05)。150 min后,兩次試驗(yàn)中A層TP的質(zhì)量濃度分別為0.104 8 mg/L、0.430 8 mg/L。隨著沉降時(shí)間的增加,TP的質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定狀態(tài),且顯著低于初始質(zhì)量濃度(P<0.05)。

圖7 不同深度水體中總磷隨時(shí)間變化情況

3 討論

3.1 靜沉降過程中SS變化

靜沉降過程中,草魚池塘養(yǎng)殖水體SS質(zhì)量濃度隨靜沉降時(shí)間增加而減少, SS沉降率與其濃度相關(guān),濃度越大,其沉降速率越大,隨著靜沉降時(shí)間的增加,沉降率逐漸減少。在靜沉降過程中,PIM沉積速度大于POM,150 min后水體中SS的主要成分為POM。近幾年國(guó)內(nèi)外針對(duì)SS去除技術(shù)的研究較為豐富, Kim等[5]發(fā)現(xiàn),臭氧與泡沫分離聯(lián)用能夠顯著降低總BOD5(75%)、濁度(79%)、顆粒數(shù)量(89%)及細(xì)菌活性(90%)。本試驗(yàn)中,水體懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度隨著沉降時(shí)間下降,最終沉降率為60.09%,這與袁新程等[24]研究池塘養(yǎng)殖廢水靜沉降試驗(yàn)最終沉降率相似。此外,結(jié)果表明A層與B層懸浮顆粒物的沉降率變化速率存在差異。兩次試驗(yàn)中各取樣點(diǎn)TSS的質(zhì)量濃度隨時(shí)間均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但B層下降速率慢于A層,該結(jié)果與桂福坤等[25]在研究舟山近海海域養(yǎng)殖水體懸浮物沉降特性試驗(yàn)中得到的結(jié)果相同,主要原因是A層水層高于B層,沉降過程中,A層水體經(jīng)過B層,導(dǎo)致B層水體變化較為緩慢。養(yǎng)殖水體中懸浮顆粒物包括有機(jī)和無機(jī)兩種成分,其中有機(jī)物質(zhì)會(huì)溶解析出導(dǎo)致溶氧的消耗[26]及腐敗問題,因此了解顆粒物有機(jī)物質(zhì)占比情況有利于針對(duì)SS成分決定其去除方法。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,原樣SS中以PIM為主,而在自然沉降過程中,SS中的PIM占比是在不斷降低的,POM占比不斷增加,表明其沉降過程中向底部遷移的SS大多以無機(jī)物質(zhì)為主,有機(jī)物質(zhì)大多處于懸浮水體中。向軍等[27]研究淺水湖泊水體中顆粒懸浮物的靜沉降規(guī)律時(shí)也表明在太湖底泥懸浮沉降中顆粒無機(jī)物沉速比顆粒有機(jī)物大得多,本試驗(yàn)SS沉降規(guī)律與其相似。

3.2 靜沉降過程中PSD變化

靜沉降時(shí),草魚養(yǎng)殖池塘水體中的大顆粒SS(>100 μm)向底部沉積,水體整體粒徑范圍向小顆粒趨近。國(guó)內(nèi)外目前針對(duì)SS的PSD研究大多與其去除同步進(jìn)行,張成林等[22]研發(fā)了多向重力沉淀裝置,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中粒徑小于 20 μm的微顆粒去除率達(dá)到 19.5%,粒徑大于 60 μm的微顆粒去除率達(dá)到90.3%;季明東等[28]使用泡沫分離針對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中細(xì)微顆粒物的去除,泡沫分離對(duì)粒徑 ≤90 μm的顆粒物有較好的去除作用。第一次靜沉降試驗(yàn)中原樣SS在100～1000 μm有較多的分布,這與池塘的SS分布規(guī)律有較大不同,但沉降30 min后,顆粒物粒徑體積分布范圍迅速下降,這可能是因?yàn)椴杉靥料聦铀畼訒r(shí)混入較多底部泥沙,或者水體中存在大顆粒藻類,導(dǎo)致原樣中存在較多大粒徑顆粒,整體粒徑范圍變大。從顆粒物粒徑的體積分布上看,隨沉降時(shí)間增加,顆粒物粒徑的體積分布變化最為明顯時(shí)是沉降時(shí)間為30 min時(shí),這與SS沉降類型有關(guān)。一般來說,水體中懸浮顆粒物的靜沉降方式分為兩種情況,一種是粒徑范圍較大的SS會(huì)采用單顆粒的形式沉積下層,此種沉降方式速度較快;一種是粒徑范圍較小的SS,沉降速度慢,并且在沉降過程中會(huì)與其他有機(jī)質(zhì)結(jié)合形成絮凝體以絮凝的方式沉降[29]。本試驗(yàn)沉降規(guī)律與此一致。從SS粒徑的數(shù)量分布來看,隨著靜沉降時(shí)間增加,SS粒徑數(shù)量分布的變化情況并不明顯,這與養(yǎng)殖系統(tǒng)中SS數(shù)量分布規(guī)律有關(guān)。段姍杉等[30]研究表示養(yǎng)殖系統(tǒng)中粒徑在1～3 μm的顆粒占總顆粒數(shù)的 98.36%,3～15 μm 的占 1.63%,15～30 μm 的僅占 0.01%。Paulo等[31]研究表明養(yǎng)殖水體中的SS以微粒為主,小于20 μm的微粒占所有PSD的94%。本試驗(yàn)中粒徑的數(shù)量分布規(guī)律也符合此規(guī)律,懸浮顆粒物數(shù)量主要集中在1 μm左右,因此在靜沉降過程中,SS粒徑的數(shù)量分布變化情況并不明顯。比表面積是指單位質(zhì)量物料所具有的總面積,SS粒徑越小,比表面積越大。本試驗(yàn)中隨著靜沉降時(shí)間增加,SS的比表面積增加,說明在沉降過程中,水體中SS粒徑整體趨向于小粒徑顆粒。這可能是因?yàn)榱狡蟮腟S在靜沉降過程中會(huì)由于重力作用向底部沉積,停留水體中的SS較先前整體粒徑變小。這也與懸浮顆粒物粒徑的體積分布變化情況相呼應(yīng)。

3.3 靜沉降過程中TN、TP變化

靜沉降過程中SS質(zhì)量濃度的降低會(huì)影響TN、TP的質(zhì)量濃度,TN、TP質(zhì)量濃度隨沉降時(shí)間增加而逐漸減少,沉降120 min后水體中TN、TP質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定。草魚池塘養(yǎng)殖水體中含有大量未食用完的飼料及水生動(dòng)物糞便等,經(jīng)過溶解析出產(chǎn)生有機(jī)物,并與水體中微小的泥沙顆粒物附著聚集形成大顆粒懸浮物,因此SS的靜沉降會(huì)對(duì)水體中氮磷含量產(chǎn)生一定影響。TN、TP作為水體排放時(shí)的重要指標(biāo),監(jiān)測(cè)其含量變化情況極其重要。本試驗(yàn)中A層中TN、TP質(zhì)量濃度隨靜沉降時(shí)間增加而減少,主要原因可能是因?yàn)镾S在下沉過程中攜帶尚未分解的有機(jī)物質(zhì),其中包含一部分氮磷物質(zhì),導(dǎo)致A層中TN、TP質(zhì)量濃度的降低;30 min后,TN、TP下降率最高,120 min后趨于穩(wěn)定。與30 min后水體中SS質(zhì)量濃度顯著降低(P<0.05),120 min后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律相似。兩次靜沉降試驗(yàn)中,最終TN質(zhì)量濃度在3 mg/L以下,TP質(zhì)量濃度在0.6 mg/L以下,表明養(yǎng)殖水體的靜沉降對(duì)池塘上層水體TN、TP有一定程度的去除效果。這與袁新程等[23]研究池塘養(yǎng)殖廢水TN、TP變化情況一致。

4 結(jié)論

草魚池塘養(yǎng)殖水體在靜沉降過程中,SS質(zhì)量濃度隨沉降時(shí)間增加而減少,且SS質(zhì)量濃度越大時(shí)減少越明顯;SS沉降率與其質(zhì)量濃度相關(guān),質(zhì)量濃度越大,其沉降速率越大,并且隨著沉降時(shí)間的增加,沉降率逐漸減少;草魚養(yǎng)殖池塘水體在沉降過程中,SS中大顆粒(>100 μm)向底部沉積,水體整體粒徑范圍向小顆粒趨近;在靜沉降過程中,顆粒無機(jī)物(PIM)沉積速度大于顆粒有機(jī)物(POM);草魚養(yǎng)殖池塘水體在靜沉降中,TN、TP質(zhì)量濃度隨沉降時(shí)間增加而逐漸減少,且當(dāng)沉降時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)TN、TP質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定。

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