水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水生物處理技術(shù)研究進(jìn)展

許育新

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

我國(guó)是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積為834.63萬(wàn)hm2，養(yǎng)殖總產(chǎn)量為5 142.39萬(wàn)t，占全國(guó)漁業(yè)總產(chǎn)量的74.5%[1]。水產(chǎn)集約化養(yǎng)殖過(guò)程中，由于養(yǎng)殖密度大、餌料投入量大，有70%～80%的飼料進(jìn)入水體中，殘餌和魚(yú)蝦類排泄物對(duì)水體、底泥等造成嚴(yán)重的污染，使得養(yǎng)殖水體富營(yíng)養(yǎng)化。我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖多采用大引大排的方式，不僅極大的消耗了水資源，對(duì)周邊水體生態(tài)環(huán)境也造成了嚴(yán)重的危害[2]。據(jù)報(bào)道，2014年浙江省苕溪流域水產(chǎn)養(yǎng)殖總氮、總磷、氨氮和化學(xué)需氧量排放量分別約為1 086、193、304和3 702 t，分別占流域農(nóng)業(yè)面源排放總量的17.8%、25.2%、10.9%和14.1%[3]。

水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水污染主要有以下幾種物質(zhì)：懸浮顆粒物、有機(jī)物、氨氮、亞硝酸鹽、磷[1]。水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水具有污染物含量低、一次排水量大的特點(diǎn)，給處理帶來(lái)了很大困難[4]。為了降低水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來(lái)的環(huán)境污染，確保水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，迫切需要尋求一些行之有效的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)[5]。目前養(yǎng)殖廢水凈化技術(shù)主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法。

1 物理處理法

物理方法主要包括過(guò)濾吸附法、曝氣充氧法、泡沫分離法和紫外線照射法等。水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中存在大量懸浮顆粒物，過(guò)濾吸附法是最經(jīng)濟(jì)快捷的方法[6]，機(jī)械過(guò)濾主要用于直徑為60～200 μm的懸浮顆粒物處理。泡沫分離法有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能將懸浮顆粒物通過(guò)氣泡的浮力和表面張力形成泡沫從而達(dá)到去除的目的[7]。劉長(zhǎng)發(fā)等[8]研究發(fā)現(xiàn)，泡沫分離技術(shù)對(duì)懸浮顆粒物和溶解有機(jī)物有很好的去除效果，粒徑小于30 nm的微小顆?？删奂纬膳菽?。膜過(guò)濾技術(shù)主要用于處理直徑小于20～25 μm的微小顆粒，這些微小顆粒采用常規(guī)的固/液分離技術(shù)難以去除[9]。Viadero等[10]研究表明，0.05 μm孔徑的膜對(duì)水中懸浮顆粒物和有機(jī)物的去除率分別可達(dá)94%和76%。物理處理技術(shù)主要用于去除水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的懸浮顆粒物、化學(xué)需氧量和生化耗氧量，對(duì)可溶性氮、磷等物質(zhì)的去除效果有限，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性[6]。

2 化學(xué)處理法

化學(xué)方法主要包括絮凝沉降法、臭氧消毒法、電化學(xué)法等。絮凝沉降法常用于去除水體中的懸浮顆粒物。自然水體中膠體粒子大多帶負(fù)電荷，加入鐵鹽、鋁鹽、聚丙烯酰胺、氫氧化鈣等帶正電荷的絮凝劑可以使膠體粒子聚集形成絮團(tuán)下沉，從而達(dá)到去除懸浮顆粒物的目的。臭氧處理法是水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理的常用方法之一，可去除氨氮、硝酸鹽等有害物質(zhì)，有較強(qiáng)的殺菌作用，還能增加水中的溶解氧[11]。Chen等[12]建立了臭氧催化氧化—陶瓷膜分離的工藝方法，用于處理水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水。電化學(xué)技術(shù)具有快速、高效、操作簡(jiǎn)單、設(shè)備緊湊、產(chǎn)泥少等特點(diǎn)，近年廣泛用于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理[13]。Mook等[14]對(duì)應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)去除水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的氨氮、亞硝酸鹽、有機(jī)物的研究進(jìn)行了綜述。郭迪等[15]研究了電化學(xué)氧化方法去除水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的氨氮。吳照學(xué)等[16]將電解紫外聯(lián)用處理工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，氨氮、亞硝酸鹽和懸浮顆粒物的去除率超過(guò)90%，比單獨(dú)電解效果好。

3 生物處理法

物理、化學(xué)處理法雖然效率高，但耗能大，處理成本高，而且易造成二次污染，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。而生物處理方法由于其成本低、適應(yīng)性廣、具有生態(tài)性和再生性，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，目前得到普遍關(guān)注和持續(xù)研究。生物處理方法包括微生物菌劑原位修復(fù)、生態(tài)處理技術(shù)、生物工程技術(shù)和綜合處理技術(shù)等。

3.1 微生物菌劑技術(shù)

微生物菌劑無(wú)毒副作用、無(wú)污染，可改善水質(zhì)，減少病害發(fā)生，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的免疫力和產(chǎn)量，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有很好的應(yīng)用前景。目前微生物菌劑主要有光合細(xì)菌、芽孢桿菌、乳桿菌、雙歧桿菌、硝化細(xì)菌等[17]，可以通過(guò)加入餌料或直接投加到水體中起到預(yù)防和減少病原菌感染的作用[18]。微生物制劑主要包括單一型制劑和復(fù)合型制劑[19]。

Wang等[20]從魚(yú)塘中分離得到光合細(xì)菌和芽孢桿菌，然后將2種菌的混合物分別以3個(gè)不同濃度投加到蝦池中，28 d后發(fā)現(xiàn)投加組產(chǎn)量明顯增加。黃鈞等[21]將5%的光合細(xì)菌添加到鱧魚(yú)飼料中，結(jié)果使鱧魚(yú)體重平均增加9.3%，飼料成本平均降低8.6%。Wang等[22]通過(guò)向蝦池中投加益生菌，發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌、氨化細(xì)菌、光合細(xì)菌等有益菌數(shù)量顯著增加，與對(duì)照相比致病菌數(shù)量減少了80%，水體中氮、磷的濃度下降，溶氧量升高，河蝦產(chǎn)量增加。Aly等[23]發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌可以抑制熒光假單胞菌，熒光假單胞菌會(huì)引起魚(yú)類內(nèi)臟敗血性壞死，最終導(dǎo)致死亡。Obbard等[24]發(fā)現(xiàn)，硝化細(xì)菌固定化方法可有效去除對(duì)蝦養(yǎng)殖廢水中的氨氮。酵母菌不僅維生素和蛋白質(zhì)含量較高，是優(yōu)良水產(chǎn)飼料添加劑，而且還有凈化水質(zhì)的作用[25]。梁前才等[26]研究了單一投放和復(fù)合菌劑投放模式下，沼澤紅假單胞菌、枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌等3種菌劑對(duì)水體亞硝酸鹽的降解效果，結(jié)果表明，復(fù)合菌劑的降解能力最強(qiáng)，72 h的降解率可達(dá)到99.7%。

3.2 生態(tài)工程技術(shù)

常用的生態(tài)工程技術(shù)主要有人工濕地、生態(tài)浮島、生態(tài)坡和生態(tài)溝渠。人工濕地的研究主要圍繞濕地結(jié)構(gòu)功能優(yōu)化、植物、微生物、基質(zhì)等方面開(kāi)展。陳家長(zhǎng)等[27]研究了水平流人工濕地對(duì)池塘養(yǎng)殖廢水的凈化作用，結(jié)果表明，出水中的氮、高錳酸鹽指數(shù)可達(dá)到地表水I類標(biāo)準(zhǔn)，總磷可達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)可從富營(yíng)養(yǎng)水平調(diào)整為中營(yíng)養(yǎng)水平。況琪軍等[28]的研究表明，濕地可以去除養(yǎng)殖廢水中80%以上的藻類。此外，水生蔬菜對(duì)氮、磷等有較強(qiáng)的吸收能力，在濕地系統(tǒng)中種植水生蔬菜，不僅能夠凈化水質(zhì)，還能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益[29-30]。

顧兆俊等[31]通過(guò)在養(yǎng)殖池塘排水渠中構(gòu)建箱式生物浮床來(lái)凈化不同水層的養(yǎng)殖廢水，總氮、總磷、氨氮和亞硝態(tài)氮的平均去除率分別達(dá)到21%、8%、17%和11%。高毛林等[32-33]分別探討了強(qiáng)化曝氣對(duì)組合濕地和垂直流濕地對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水脫氮的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)微孔曝氣增氧，能顯著提高組合濕地的脫氮效果。組合濕地中填埋深度僅為0.3 m的基質(zhì)，濕地對(duì)總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)的去除率分別為59.2%～64.5%、68.4%～73.8%和71.7%～74.4%。葛川等[34-35]以溫室甲魚(yú)和南美白對(duì)蝦為例，分別研究了人工濕地和多介質(zhì)土壤層系統(tǒng)(multi soil layer，MSL)用于海水、淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖污水處理，并取得了良好的效果，在工程應(yīng)用中2套系統(tǒng)表現(xiàn)出運(yùn)行穩(wěn)定可靠，投資和運(yùn)行費(fèi)用低，管理維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。劉佳等[36]研究了2種人工濕地對(duì)抗生素的去除作用，結(jié)果表明對(duì)恩諾沙星的去除率高于磺胺甲唑和氟甲砜霉素，當(dāng)水力停留時(shí)間為3 d時(shí)，對(duì)磺胺甲唑的去除率達(dá)50%以上。黃翔峰等[37]考察了黃菖蒲、蘆葦、千屈菜、再力花和香蒲等5種常見(jiàn)濕地植物對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的凈化能力，黃菖蒲、蘆葦對(duì)總氮、總磷、化學(xué)需氧量和抗生素均有較好去除效果。馬旻等[38]研究了在亞熱帶氣候條件下，鳳眼蓮、輪葉黑藻、香根草和水蕹菜等4種水生植物凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的效果，結(jié)果表明4種植物均能強(qiáng)化濕地對(duì)污染物的去除。馬曉娜等[39]構(gòu)建了復(fù)合濕地系統(tǒng)海水養(yǎng)殖廢水處理模式，由沉淀池—牡蠣過(guò)濾池—畢氏海蓬子人工濕地池串聯(lián)組成，研究結(jié)果表明，復(fù)合濕地系統(tǒng)可有效去除殺鮭氣單胞菌，其中牡蠣過(guò)濾單元去除率達(dá)22%～94%，人工濕地單元去除率達(dá)17%～99%，總?cè)コ士蛇_(dá)64%～99%。

3.3 生物工程技術(shù)

生物工程技術(shù)主要有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床、生物膜反應(yīng)器等。高濃度氨氮和硝酸鹽氮不僅對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物有巨大危害，也是自然環(huán)境水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因之一，因而去除水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的氨氮和硝酸鹽氮是廢水處理的主要目標(biāo)。同步硝化反硝化脫氮和好氧反硝化技術(shù)是目前生物工程技術(shù)中的主要脫氮技術(shù)，在同一反應(yīng)器內(nèi)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化和反硝化，降低了動(dòng)能消耗和處理費(fèi)用，提高了脫氮效率，已成為水產(chǎn)廢水脫氮處理的重要途徑之一[40]。影響好氧反硝化反應(yīng)的因素有碳氮比、溶氧、碳源、溫度、pH等，但不同的菌種、好氧反硝化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及環(huán)境調(diào)控措施會(huì)影響好養(yǎng)反硝化反應(yīng)的脫氮效果[41]。

蔣軼鋒等[42]采用上流式沸石濾料曝氣生物濾池處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水。沸石的高效吸附作用可使系統(tǒng)快速啟動(dòng)，在水力負(fù)荷0.25 m·h-1及氣水比20∶1工藝條件下，系統(tǒng)運(yùn)行性能最佳，化學(xué)需要量和游離態(tài)氨去除率分別穩(wěn)定達(dá)到85%和70%。鄒俊良等[43]采用移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器凈化模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，在停留時(shí)間為8 h，溶氧為2.0～3.0 mg·L-1的條件下，反應(yīng)器快速啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行，化學(xué)需要量去除率達(dá)到80%以上，總磷去除率達(dá)到50%，總氮及氨氮去除率分別達(dá)到71.7%和98.4%。諶莉莎等[44]以生態(tài)碳纖維材料作為接觸氧化池內(nèi)填料處理集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，生態(tài)碳纖維填料具有生物相容性好、易掛膜的優(yōu)點(diǎn)，在溶氧為3 mg·L-1，pH在7.0～8.5，停留時(shí)間為10 h 時(shí)，化學(xué)需氧量、游離態(tài)氨、總磷、濁度去除率分別為80%、60%、30%和80%，亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度分別低于0.1、0.5 mg·L-1。李偉博等[45]研究了動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器(dynamic membrane bioreactor，DMBR)和膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，MBR)2種處理工藝對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的處理效果和運(yùn)行條件，不同溶氧條件下，DMBR和MBR對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率可達(dá)95%以上，DMBR和MBR的總氮平均去除率分別達(dá)到71.4%和75.8%，2種工藝均能達(dá)到較好的污染物去除效果。

4 循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)

隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大、水資源的日益短缺，傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖方式帶來(lái)的水資源衰竭、環(huán)境污染、水產(chǎn)品質(zhì)量下降等問(wèn)題，已成為今后長(zhǎng)期制約我國(guó)水產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)與傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式相比，可實(shí)現(xiàn)高密度養(yǎng)殖，節(jié)水90%以上，節(jié)地99%，節(jié)能70%以上。通過(guò)生物凈化水處理可實(shí)現(xiàn)水循環(huán)利用，是資源節(jié)約型和環(huán)境友好型生產(chǎn)方式，是未來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢(shì)[46]。

在工廠化循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖中，需要集成各種處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，形成高效的綜合處理工藝。例如可以應(yīng)用臭氧進(jìn)行消毒、去除有機(jī)質(zhì)、沉淀懸浮顆粒物；氣泡浮選的技術(shù)可用于增氧、加快懸浮顆粒物的分離，加強(qiáng)有機(jī)質(zhì)、氮、磷的去除；生物濾池和高效硝化反硝化細(xì)菌的組合可以在過(guò)濾懸浮顆粒物的同時(shí)更高效的去除氨氮和硝酸鹽氮。集成技術(shù)研究的宗旨是提高處理效率、降低成本、擴(kuò)大使用范圍，為工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖提供高效、便捷、自動(dòng)化程度高的工藝、設(shè)施和設(shè)備[47]。

5 展望

到2030年，我國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量將增加近2 000萬(wàn)t。如果不考慮科技進(jìn)步因素，為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積需要比2010年增加至少約133萬(wàn)hm2[48]。面對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)和環(huán)境壓力，應(yīng)以水環(huán)境保護(hù)和水資源利用為出發(fā)點(diǎn)，從源頭開(kāi)展水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)凈化和綠色養(yǎng)殖技術(shù)研究，綜合各種處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，重點(diǎn)開(kāi)展生物處理技術(shù)為主的水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水凈化方法研究[4]。

將環(huán)境容量理念引入水產(chǎn)養(yǎng)殖，根據(jù)養(yǎng)殖水域的最大環(huán)境容納量確定養(yǎng)殖規(guī)模[49]。綜合利用藻類、微生物、不同水產(chǎn)種類、水生植物等互補(bǔ)互利特點(diǎn)，構(gòu)建水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)。通過(guò)多營(yíng)養(yǎng)層次養(yǎng)殖系統(tǒng)中能量和物質(zhì)的循環(huán)利用，降低規(guī)?；B(yǎng)殖對(duì)水域環(huán)境所產(chǎn)生的負(fù)面影響，優(yōu)化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水排放方式，改變傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的大引大排水量大、污染大的模式，采用小引小排、常引常排，促進(jìn)養(yǎng)殖水體的合理循環(huán)，努力實(shí)現(xiàn)零排放。

篩選高效優(yōu)勢(shì)菌種，研究固定化技術(shù)，通過(guò)新材料和新工藝研究，集成物理、化學(xué)和生物技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用數(shù)字化和智能化技術(shù)，開(kāi)發(fā)新型生物反應(yīng)器，提升水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水凈化效率，降低處理成本，減少排污量，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

應(yīng)加強(qiáng)沉積物處理利用研究，實(shí)現(xiàn)底泥的資源化利用。同時(shí)，加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)與飼料學(xué)研究，優(yōu)化飼料結(jié)構(gòu)及投喂方式，減小餌料系數(shù)，增大飼料利用率，改變單一的精養(yǎng)模式，采用有效的混養(yǎng)模式等，減少沉積物污染。

優(yōu)化抗生素的品種和投放方式，開(kāi)發(fā)微生態(tài)抗菌劑等替代產(chǎn)品，完善抗生素殘留的檢測(cè)方法，深入研究抗生素在水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及消除抗生素殘留的技術(shù)，減少其在生態(tài)系統(tǒng)中的累積[4]。

建立健全水產(chǎn)養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)體系和法律體系，如漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的修訂、重要養(yǎng)殖品種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善，各種魚(yú)藥及環(huán)境改良劑生產(chǎn)的市場(chǎng)準(zhǔn)入制度、《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》和《海水養(yǎng)殖水排放要求》等制度的完善和實(shí)施，建立水產(chǎn)養(yǎng)殖清潔生產(chǎn)技術(shù)操作規(guī)程和監(jiān)測(cè)體系[50]。

工業(yè)化養(yǎng)殖方式要求對(duì)養(yǎng)殖全過(guò)程進(jìn)行控制，統(tǒng)一監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)引入HACCP質(zhì)量控制體系，充分利用數(shù)字化和智能化技術(shù)，進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖的全標(biāo)準(zhǔn)化流程和全程可監(jiān)控，全面提升水產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力[51]。今后的水產(chǎn)養(yǎng)殖凈化技術(shù)研究應(yīng)開(kāi)展信息化技術(shù)集成研究，構(gòu)建養(yǎng)殖全程物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，研發(fā)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，主要開(kāi)展精準(zhǔn)投喂技術(shù)、生態(tài)因子數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)、池塘循環(huán)養(yǎng)殖技術(shù)集成、循環(huán)水凈化等技術(shù)研究[52]。

養(yǎng)殖水體凈化技術(shù)的特點(diǎn)是既有水體凈化的普遍性又有水產(chǎn)養(yǎng)殖的特殊性，養(yǎng)殖水體凈化技術(shù)將逐漸成為水產(chǎn)行業(yè)的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，需要依靠現(xiàn)代科技，通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和集成創(chuàng)新，促進(jìn)中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[53]。