論文：基于“三池兩壩”組合流程的池塘養(yǎng)殖尾水凈化效能

基于“三池兩壩”組合流程的池塘養(yǎng)殖尾水凈化效能

魏賓，方潔，顧雪林，菅攀陽，宋學宏

（1.蘇州市吳中區(qū)水產(chǎn)技術推廣站，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州大學基礎醫(yī)學與生物科學學院，江蘇 蘇州 215123）

池塘養(yǎng)殖是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要形式，得益于種苗人工繁殖、機械增氧、全營養(yǎng)復合飼料等技術的突破和應用，池塘養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，從20世紀50年代到2019年水產(chǎn)品產(chǎn)量增長了80多倍[1]。但是，池塘養(yǎng)殖的快速發(fā)展也帶來了新的亟待解決的水環(huán)境污染問題，對我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構成極大挑戰(zhàn)[2]。近年來，為推進水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展，養(yǎng)殖尾水生態(tài)治理的重要性日益凸顯，對養(yǎng)殖尾水的凈化、排放和再利用提出了更高的要求。“三池兩壩”是針對池塘養(yǎng)殖尾水分布及污染特點形成的養(yǎng)殖尾水多級組合處理工藝，對養(yǎng)殖尾水具有明顯的凈化效果，尾水經(jīng)凈化后能穩(wěn)定達到排放要求[3]。根據(jù)相關要求，吳中區(qū)對養(yǎng)殖區(qū)溝渠或邊角池塘適當改造，采用集物理沉淀、填料過濾、曝氣氧化以及生物同化于一體的多級組合養(yǎng)殖尾水凈化工藝，并將曝氣池與生物凈化池并為一池，實施了“三池兩壩”尾水凈化的養(yǎng)殖池塘標準化改造工程。2018年至今全區(qū)已完成了全部養(yǎng)殖區(qū)的改造，旨在通過改造工程使尾水經(jīng)處理后可循環(huán)利用或達標排放。

為了解“三池兩壩”工程對池塘養(yǎng)殖尾水的凈化效果，該研究對蘇州市吳中區(qū)5個標準化池塘養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖中后期的水源水、養(yǎng)殖水以及凈化水的水質指標進行跟蹤監(jiān)測，比較分析了不同凈化面積占比在不同時間點（夏季、秋季、冬季）對有機污染物的去除率，從而為后續(xù)進一步優(yōu)化凈化技術提供基礎數(shù)據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 養(yǎng)殖尾水凈化模式及凈化區(qū)面積

吳中區(qū)主要有“河蟹+青蝦”和“南美白對蝦+羅氏沼蝦”兩種池塘養(yǎng)殖模式，其中“河蟹+青蝦”養(yǎng)殖模式主要分布在臨近太湖的東山鎮(zhèn)、金庭鎮(zhèn)以及臨湖鎮(zhèn)，“南美白對蝦+羅氏沼蝦”養(yǎng)殖模式主要分布在距太湖10～50 km的甪直鎮(zhèn)。該區(qū)池塘養(yǎng)殖尾水處理均采用“三池兩壩”模式，即參照浙江省“養(yǎng)殖池—生態(tài)溝渠（或波紋管）—沉淀池—溢流壩—曝氣池—過濾壩—生態(tài)池—達標排放（或循環(huán)利用）”模式[3]進行改造。具體監(jiān)測點設置及凈化區(qū)的面積比例見表1。

1.2 各養(yǎng)殖試驗區(qū)的養(yǎng)殖模式

5個標準化池塘養(yǎng)殖區(qū)分別位于東山鎮(zhèn)東西大圩，臨湖鎮(zhèn)現(xiàn)代漁業(yè)園區(qū)和甪直鎮(zhèn)淞南村、澄墩村和江灣村，均采用生態(tài)化養(yǎng)殖方式，具體見表1。

表1 5個標準化養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖模式①

1.3 監(jiān)測水質指標

水樣采集時間為2020年7—12月，每月1次。分別在5個標準化池塘養(yǎng)殖區(qū)的外河（進水）、養(yǎng)殖池和末端凈化生態(tài)池采集水樣。用有機玻璃采水器于水面表層以下50 cm處采集水樣，置于聚乙烯瓶內，并對水樣進行濃硫酸固定處理，即刻運回實驗室，于4℃冰箱內保存，所有檢測分析均在取樣后3 d內完成。

根據(jù)《太湖流域池塘養(yǎng)殖水排放要求》（DB32/T 1705—2018），確定pH值、總懸浮物（TSS）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、銅離子（Cu2+）和鋅離子（Zn2+）等8個監(jiān)測指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)整理使用Excel 2016。氨氮、總氮、總磷以及有機物的去除率計算公式如下：

式中：λ為各指標去除率，%；C1為養(yǎng)殖水有機物濃度，mg/L；C2為凈化水有機物濃度，mg/L。

2 結果與分析

2.1 “河蟹+青蝦”養(yǎng)殖區(qū)的凈化效果

經(jīng)過統(tǒng)計，養(yǎng)殖模式為“河蟹+青蝦”的東山鎮(zhèn)東西大圩養(yǎng)殖區(qū)產(chǎn)量為1 500 kg/hm2，臨湖鎮(zhèn)現(xiàn)代漁業(yè)園區(qū)養(yǎng)殖區(qū)產(chǎn)量為1 425 kg/hm2。

凈化區(qū)水面平均占比為34.3%的東西大圩和占比為11.4%的臨湖鎮(zhèn)現(xiàn)代漁業(yè)園區(qū)是“河蟹+青蝦”模式養(yǎng)殖試驗區(qū)。7—12月，外河水源水、養(yǎng)殖水、凈化水的pH值、TSS、NH4+-N、TN、TP、CODMn的變化見圖1（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）（j）（k）（l）。Cu2+、Zn2+的測定結果全部達標，數(shù)據(jù)未列出。距太湖5 km以內的東西大圩、臨湖鎮(zhèn)現(xiàn)代漁業(yè)園區(qū)的水源水、凈化水的TSS、CODMn、pH值、TN、NH4+-N、TP、Cu2+、Zn2+等8個指標均符合《太湖流域池塘養(yǎng)殖水排放要求》（DB32/T1705—2018）的一級保護區(qū)排放要求。此外，這兩個區(qū)域的池塘養(yǎng)殖水除了9月份的CODMn平均值約為10 mg/L，略超過一級指標，其他指標在各監(jiān)測時間點均達到一級保護區(qū)排放標準。

圖1 凈化面積占比不同的“河蟹+青蝦”養(yǎng)殖區(qū)水質指標變化

“河蟹+青蝦”的低密度養(yǎng)殖模式本身污染物排放量很低，絕大多數(shù)池塘養(yǎng)殖水均達到一級保護區(qū)排放標準。河蟹收獲后的并塘、清塘期間，養(yǎng)殖水與凈化水的水質也都在一級保護區(qū)排放指標值內，完全達到太湖流域的養(yǎng)殖污染控制目標。因此，在凈化面積占比為34.3%、11.4%的“三池兩壩”模式下，養(yǎng)殖尾水被凈化后，完全可以恢復甚至優(yōu)于作為養(yǎng)殖水源的外河水質，說明該模式取得較好的凈化效果。值得注意的是，7、8月份外河水的NH4+-N、TN高于養(yǎng)殖水與凈化水，這給養(yǎng)殖與凈化都帶來一定的壓力。

“河蟹+青蝦”養(yǎng)殖區(qū)的尾水凈化都能達到一級保護區(qū)排放標準，但不同時間點的凈化效果有所差異。在“河蟹+青蝦”低密度養(yǎng)殖模式下，測得的夏季（7—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月）對TSS、NH4+-N、TN、TP、CODMn的去除率的結果如圖2（a）（b）（c）（d）（e）所示。

圖2 凈化面積占比不同的“河蟹+青蝦”養(yǎng)殖區(qū)純化后尾水中主要污染物的去除率

東西大圩養(yǎng)殖區(qū)凈化面積大，占整個養(yǎng)殖區(qū)面積的比例為34.3%，遠大于通常要求的8%。NH4+-N、TN、TP、CODMn的去除率在秋季河蟹性成熟及收獲季節(jié)去除率最高，冬季去除率幾乎為零，TN去除率為負數(shù)，這是由于冬季養(yǎng)殖動物都已捕撈完畢，水體有機物承載量快速下降，池塘本身的水質較好，各種指標也快速下降；另一方面，清塘時，底泥中的有機物排放到了凈化區(qū)，加上冬天浮游植物、高等水生植物的代謝快速下降，凈化效率低。綜上，冬季尾水中相關物質的凈化空間縮小，TSS去除率也同樣隨著時間推移逐漸下降。此外，不斷地將凈化水少量引入清過塘的養(yǎng)殖池，因此，冬季池塘比凈化區(qū)水質更好，出現(xiàn)去除率呈負數(shù)的現(xiàn)象[4-5]。

臨湖鎮(zhèn)現(xiàn)代漁業(yè)園區(qū)凈化面積占比為11.4%，與東西大圩養(yǎng)殖區(qū)的34.3%相比少的多。TSS、CODMn凈化效果隨時間推移與東西大圩變化趨勢一致。由于凈化面積相對較小，在生物量、投餌量、代謝產(chǎn)物量最高的秋季，池塘的生物量、污染物負荷高，凈化效果受到影響，污染物去除率低[6-7]；捕撈操作時，水體擾動強度大，NH4+-N、TP釋放量較高，導致秋季的去除率最低。冬季，池塘內無養(yǎng)殖動物擾動，也無有機物投入，水體污染物負荷較低，NH4+-N、TP去除率最高。

綜上可見，在“河蟹+青蝦”低密度養(yǎng)殖模式中采取“三池兩壩”凈化模式，凈化面積占比為11.4%～34.3%，凈化效果較好，凈化后的養(yǎng)殖尾水完全能達到《太湖流域池塘養(yǎng)殖水排放要求》（DB32/T 1705—2018）的一級保護區(qū)排放標準。另外，凈化效果與凈化面積在養(yǎng)殖區(qū)的占比呈正相關。

2.2 “南美白對蝦+羅氏沼蝦”養(yǎng)殖區(qū)的凈化效果

經(jīng)過統(tǒng)計計算，甪直鎮(zhèn)淞南村養(yǎng)殖區(qū)南美白對蝦與羅氏沼蝦的產(chǎn)量為5 200 kg/hm2，甪直鎮(zhèn)澄墩村養(yǎng)殖區(qū)的產(chǎn)量為5 100 kg/hm2，甪直鎮(zhèn)江灣村養(yǎng)殖區(qū)的產(chǎn)量為6 000 kg/hm2。

吳中區(qū)“南美白對蝦+羅氏沼蝦”高密度養(yǎng)殖區(qū)處于入太湖河道上溯10～50 km以及沿岸兩側各1 km范圍的二級保護區(qū)。改造成典型的“三池兩壩”凈化模式改造后，凈化面積占比分別為11.7%，13.1%和15.9%的養(yǎng)殖小區(qū)水化學指標中Cu2+、Zn2+均達標（結果未顯示）。其他指標的變化結果顯示，外源水、池塘水、凈化水的TSS、pH值等2個指標均達一級保護區(qū)排放標準，見圖3（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）（j）（k）（l）（m）（n）（o）（p）（q）（r）。NH4+-N指標除了10月份凈化面積占比為11.7%和13.1%的養(yǎng)殖水不達標外［ρ（NH4+-N）分別為3.33和2.46 mg/L］，其余均達到一級保護區(qū)排放標準；水源水中有11%的TN數(shù)據(jù)超過二級保護區(qū)標準值，養(yǎng)殖水中有22%的TN數(shù)據(jù)超過二級保護區(qū)標準值，但經(jīng)凈化后全部達到二級保護區(qū)排放標準；TP指標除了12月份凈化面積占比為15.9%的凈化區(qū)超過二級排放標準外，其余數(shù)值均低于一級保護區(qū)排放標準；CODMn除了9月份凈化面積占比為13.1%的養(yǎng)殖池以外，均小于二級排放標準。

圖3 凈化面積占比不同的“南美白對蝦+羅氏沼蝦”養(yǎng)殖區(qū)水質指標變化

以7—8月為夏季、9—11月為秋季、12月為冬季作為時間劃分標準，“南美白對蝦+羅氏沼蝦”養(yǎng)殖模式下，在“三池兩壩”凈化工藝處理后的尾水中，TSS、NH4+-N、TN、TP、CODMn等污染物指標的去除率見圖4（a）（b）（c）（d）（e）。結果顯示，養(yǎng)殖后期水源水、養(yǎng)殖水、凈化水中TSS均有所增加，而且凈化區(qū)域TSS含量有時甚至還高于養(yǎng)殖區(qū)與水源水。在凈化區(qū)面積占比為11.7%～15.9%時，TSS去除率很低，秋季對蝦收獲季節(jié)去除率甚至為負數(shù)，說明對于“南美白對蝦+羅氏沼蝦”的高密度養(yǎng)殖模式，11.7%～15.9%的凈化面積不足以消納TSS。

圖4 凈化面積占比不同的“南美白對蝦+羅氏沼蝦”養(yǎng)殖區(qū)純化后尾水中主要污染物的去除率

凈化面積占比為15.9%的甪直鎮(zhèn)江灣村池塘，從5月蝦苗放養(yǎng)到8月養(yǎng)殖高峰期，有機物負荷量較高，NH4+-N在8月達到峰值。凈化面積占比13.1%的澄墩村和占比11.7%的淞南村標準池塘中，由于第一批苗未養(yǎng)成，在7月進行第二次投放，直到10月載蝦量達到最大值，有機污染負荷與NH4+-N含量也達最高值，分別為2.46和3.33 mg/L。經(jīng)過凈化，這3個養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖尾水中NH4+-N含量均低于一級保護區(qū)氨氮排放標準ρ（NH4+-N）≤1.5 mg/L；凈化面積占比15.9%時，凈化后的尾水中NH4+-N低于水源水；隨著時間的推移，NH4+-N去除率基本保持上升趨勢，說明對NH4+-N的凈化效果明顯。

養(yǎng)殖后期池塘TN含量高于水源水，在成蝦收獲前達最高值，超過二級保護區(qū)的TN限值（≤3 mg/L）；尾水經(jīng)過凈化后，TN指標迅速下降，除了江灣村的1個數(shù)據(jù)在一級與二級排放值之間外，其余數(shù)據(jù)均低于一級排放標準，甚至低于水源水。此外，從夏季到冬季，TN的去除率總體上持續(xù)升高，說明“三池兩壩”凈化工藝可顯著去除TN。

養(yǎng)殖池中ρ（TP）均不高于0.3 mg/L的一級保護區(qū)排放標準，但均高于水源水（低于0.1 mg/L）。尾水凈化區(qū)2次出現(xiàn)0.4 mg/L，超過二級保護區(qū)的排放標準，凈化效果不穩(wěn)定，這與當時因蝦發(fā)病而緊急排水及冬天干塘時池水一次性排放有關，還與凈化區(qū)水生植物的管理不到位有一定關系。蝦生長正常且未發(fā)病的甪直鎮(zhèn)澄墩村養(yǎng)殖區(qū)，其尾水處理的TP凈化效果比較明顯，凈化后TP含量恢復到水源水水平，但冬天的凈化效果大幅下降，去除率出現(xiàn)負數(shù)。

水源水的CODMn均低于一級保護區(qū)排放標準（8 mg/L），凈化面積占比11.7%的淞南村養(yǎng)蝦池CODMn含量除有1個數(shù)值較高外，其他均低于一級排放標準，而凈化后的尾水中有2次數(shù)值超過8 mg/L，與養(yǎng)殖池水基本一致或高于養(yǎng)殖池，凈化效果不好，秋季后CODMn去除率有所上升。凈化面積占比13.1%的澄墩村在8月養(yǎng)殖高峰期間以及11—12月清塘時，無凈化效果，而在9月養(yǎng)殖高峰期的凈化效果較明顯，后期的CODMn去除率快速下降。凈化面積占比15.9%的江灣村在養(yǎng)殖高峰期，尾水凈化后的CODMn指標反而高于養(yǎng)殖水，去除率為負數(shù)，說明尾水處理區(qū)凈化效果很差。

綜上所述，吳中區(qū)“南美白對蝦+羅氏沼蝦”養(yǎng)殖區(qū)，經(jīng)過凈化后的養(yǎng)殖尾水均能達到《太湖流域池塘養(yǎng)殖水排放要求》規(guī)定的二級保護區(qū)排放標準。尾水凈化面積占比為11.7%～15.9%，去除率從高到低依次為NH4+-N>TN>TP，對CODMn以及TSS的去除率較差。這與南美白對蝦發(fā)病與否、凈化區(qū)面積占比大小以及尾水處理區(qū)管理的規(guī)范程度有直接關聯(lián)。凈化效果不穩(wěn)定，表明現(xiàn)有的“三池兩壩”凈化工藝中凈化面積占比11.7%～15.9%，不能完全消納“南美白對蝦+羅氏沼蝦”高密度養(yǎng)殖產(chǎn)生的有機物，其凈化工藝有待完善。

3 結論

3.1 “河蟹+青蝦”低密度養(yǎng)殖區(qū)凈化效果

對于“河蟹+青蝦”低密度養(yǎng)殖區(qū)，尾水凈化面積占比為11.4%～34.3%的“三池兩壩”凈化工藝均可產(chǎn)生良好的凈化效果，養(yǎng)殖尾水經(jīng)凈化可達到一級保護區(qū)排放標準，且凈化效果與凈化面積占比呈正相關。

3.2 “南美白對蝦+羅氏沼蝦”高密度養(yǎng)殖區(qū)凈化效果

對于“南美白對蝦+羅氏沼蝦”高密度養(yǎng)殖區(qū)，采取“三池兩壩”凈化工藝，尾水凈化面積占比為11.7%～15.9%，去除率從高到低依次為NH4+-N>TN>TP，對CODMn以及TSS的去除率較差。雖然經(jīng)凈化后的養(yǎng)殖尾水均能達到二級保護區(qū)排放標準，但“三池兩壩”凈化工藝仍有待進一步優(yōu)化。