水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水生物處理技術(shù)研究

於玲蔚

（廣東中大新華水環(huán)境工程研究院 廣東東莞 523000）

引言

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2022 年7 月發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量5394.41 萬噸，同比增長3.26%。全國水產(chǎn)養(yǎng)殖面積7009.38 千公頃，同比下降了0.38%。雖然養(yǎng)殖面積有所減少，但由此產(chǎn)生的養(yǎng)殖廢水排放量依然居高不下。根據(jù)第二次全國污染源普查公報公布的數(shù)據(jù)顯示，2017 年水產(chǎn)養(yǎng)殖污染排放量總量為：化學(xué)需氧量66.6 萬噸；氨氮排放量2.3 萬噸、總氮9.91 萬噸，總磷1.61 萬噸。數(shù)據(jù)顯示，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染排放總量占農(nóng)業(yè)源水污染排放總量的6.35%左右，占全國水污染排放量的0.03%。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖集約化模式的轉(zhuǎn)型，養(yǎng)殖規(guī)模雖然有所下降，但產(chǎn)量呈現(xiàn)一定幅度的增長。在“雙碳”發(fā)展的目標(biāo)背景下，包括水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在內(nèi)的各個行業(yè)，均面臨著綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展之路，要積極發(fā)展綠色養(yǎng)殖，重視養(yǎng)殖水域生態(tài)環(huán)境保護(hù)，以積極服務(wù)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水污染物

總體來看，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水污染物成分較為復(fù)雜，大體可分為有機(jī)污染物和無機(jī)污染物兩大類。與工業(yè)廢水相比，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水具有排放量大、污染物種類少、含量低等特點(diǎn)。

1.1 成分

水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水污染物種類包括無機(jī)污染物和有機(jī)污染物。其中，無機(jī)污染物主要指養(yǎng)殖廢水中的氮、磷元素，包括氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、無機(jī)磷、有機(jī)磷等；有機(jī)污染物主要指好氧有機(jī)物，包括化學(xué)需氧量等（見表1）。其中，氮、磷等營養(yǎng)元素分別占總量的75%、98%以上，經(jīng)水產(chǎn)品新陳代謝消耗掉9%、17%左右，大部分營養(yǎng)元素以硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮形式沉淀。目前，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖主要有淡水養(yǎng)殖、池塘養(yǎng)殖、前海養(yǎng)殖，以及海洋灘涂養(yǎng)殖等[2～4]。其中，淡水養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染物為磷、氮、魚藥等；前海養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染物主要為活性磷酸鹽、無機(jī)氮；池塘養(yǎng)殖產(chǎn)生的水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物包括氮、磷及有機(jī)質(zhì)；以貝類養(yǎng)殖為主的海洋灘涂養(yǎng)殖，產(chǎn)生的廢水主要有有機(jī)物、污染物、以及硫化氫等。總體來看，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的污染物主要為氮、磷及其衍生物、有機(jī)污染物。

表1 水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水污染物組分情況

1.2 特點(diǎn)

與工業(yè)廢水以及一般生活污水相比，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水具有污染物種類少、含量變化小，以及水量大等顯著特點(diǎn)（見表2）。水產(chǎn)養(yǎng)殖有機(jī)污染物濃度較低，BOD 一般＜80mg/L；TN濃度在15mg/L-1左右；CODMn濃度在130mg/L-1左右。以有機(jī)污染物為例，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)廢水主要存在于懸浮固體、沉淀固體，以及細(xì)小且溶解的固體。其中，懸浮固體和細(xì)小且溶解固體主要指懸浮于水中的有機(jī)污染物，沉淀固體主要指堆積于底部的有機(jī)污染物。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水易生化降解，水質(zhì)穩(wěn)定。此外，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理主要是滿足回用要求，因此，應(yīng)選擇更為安全高效處理模式[3～6]。

表2 水產(chǎn)養(yǎng)殖典型種類養(yǎng)殖期間排放廢水水質(zhì) mg/L

1.3 來源

一方面，為了提高水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量和養(yǎng)殖效率，在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖戶會投加大量藥物，這些藥物在水體中長期存在，難以通過其自身消解而去除，會導(dǎo)致周邊水體污染。另一方面，養(yǎng)殖戶還會投喂各種飼料，過量飼料的投加，在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程若未能及時被消化，也會在水體中形成污染物，加劇水體污染，影響水環(huán)境透明度，降低水體溶解氧濃度，直接影響pH 值，影響水生物的正常生長，打破水生態(tài)環(huán)境平衡。可見，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的污染來源主要為藥物及飼料的過量使用[7]。

1.4 危害

水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的危害是多方面的，歸納起來，主要是危害水產(chǎn)品及破壞水環(huán)境。具體來說，一是危害水產(chǎn)品。投加餌料、藥物，其中部分毒素在水生生物體內(nèi)聚集，經(jīng)食物鏈傳播，最終會危害到人體健康。有研究表明，過量使用藥物及飼料，水產(chǎn)品體內(nèi)的鎘、汞、鉛等重金屬污染物超標(biāo)，存在重金屬污染的風(fēng)險。二是危害生態(tài)環(huán)境。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)?；l(fā)展，為了增加單位產(chǎn)量，不斷增加水產(chǎn)品養(yǎng)殖密度，大量水生動物在新陳代謝過程中會排放出糞尿，加劇水體中氨氮、生化需氧量含量。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖時間的增加，氮、磷等污染物在水體中的濃度不斷增加，若未對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，這些氮、磷污染物會降低水生態(tài)環(huán)境溶解氧，導(dǎo)致細(xì)菌、微生物滋生，最終致使水體富營養(yǎng)化，污染周邊生態(tài)環(huán)境。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水生物處理技術(shù)應(yīng)用

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的飛速發(fā)展，以及由此產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境污染問題日益受到關(guān)注，物理、化學(xué)及生物處理技術(shù)紛紛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水治理，有效緩解了生態(tài)環(huán)境污染問題。生物法處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，主要利用微生物及藻類、水生植物等自養(yǎng)性植物改良水質(zhì)，解決殘余餌料及水生動物代謝產(chǎn)物，從而達(dá)到去污效果。與物理、化學(xué)工藝技術(shù)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水易造成二次污染、能耗大、處理成本高相比，生物處理技術(shù)在處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中，具有成本低、工藝技術(shù)適應(yīng)廣、不會產(chǎn)生二次污染、可再生性和生態(tài)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 活性污泥法

（1）原理

活性污泥法處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，其原理是利用水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中懸浮活性污泥，在有利于微生物生長且能大面積接觸污水的條件下，通過污泥中的真菌、細(xì)菌、原生動物等微生物，以及金屬氫氧化物污泥狀褐色絮凝物，將污水中的有機(jī)物進(jìn)行吸附、氧化分解，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化達(dá)標(biāo)效果（見圖1）。

圖1 工廠化高密度養(yǎng)殖廢水活性污泥處理工藝技術(shù)

（2）類別

在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理過程中，利用活性污泥法處理養(yǎng)殖廢水，將廢水中的有機(jī)物作為培養(yǎng)基，在充氧條件下，連續(xù)培養(yǎng)各種微生物群體。其工藝類別又可分為懸鏈?zhǔn)交钚晕勰喾?、周期循環(huán)式活性污泥法、間歇活性污泥法等[8]。

（3）特點(diǎn)

活性污泥法處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，其工藝原理、方法及技術(shù)均非常成熟，對于養(yǎng)殖廢水中氮磷的去除效果較好。但該工藝技術(shù)處理具有占地大，易產(chǎn)生污泥，造成環(huán)境二次污染，運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)，且活性污泥法處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，主要適用于鹽度較低的情況，不適用于海水養(yǎng)殖廢水等高鹽度情況。

2.2 人工濕地法

（1）原理

人工濕地法處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，主要通過設(shè)計(jì)利用植被、土壤以及微生物群落處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水。

（2）類別

人工濕地主要包括水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地、混合（或復(fù)合）人工濕地。

（3）特點(diǎn)

處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，不同類型的人工濕地工藝技術(shù)在其處理過程中獲得的效果也存在較大差異。例如，水平潛流人工濕地處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，其反硝化效果較好，但對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中氨的去 除效果有限。垂直流人工濕地處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，通常與氧結(jié)合，尤其在除氨氮及有機(jī)物方面效果良好，但垂直流人工濕地反硝效果有限[9]?；旌匣驈?fù)合人工濕地，主要通過營造不同氧化還原環(huán)境，進(jìn)一步推動硝化、反硝化作用，提升處理效果。

2.3 生物膜法

（1）原理

生物膜工藝處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，主要通過富含營養(yǎng)物質(zhì)并接種微生物菌群的養(yǎng)殖廢水在填料表面流動，流動一段時間后，微生物附著于填料表面生長，形成生物膜。利用生物膜凈化處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，即生物膜法（見圖2）。

圖2 水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水生物膜處理工藝流程

（2）類別

生物膜法處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，主要包括生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化設(shè)備，以及生物流化床。其中，生物濾池是將碎石、卵石、煤渣、焦炭以及人工合成填料等，作為生物濾池載體。根據(jù)不同運(yùn)行模式，生物濾池又分為降流式生物濾池、升流式生物濾池、平流式生物濾池。生物轉(zhuǎn)盤是將圓盤固定于軸上，將盤片一半放置于水中，一半露出水面。水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水與空氣中微生物附著于盤片表面，形成生物膜。當(dāng)生物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，原本浸沒于水中的盤片露出養(yǎng)殖水面，盤片因自重而沿著表面流下，空氣中氧氣經(jīng)混合、滲透、吸收、擴(kuò)散等作用而被轉(zhuǎn)盤帶入水體中，增加治理區(qū)域水的溶解氧，從而實(shí)現(xiàn)凈化效果。生物轉(zhuǎn)筒作為生物膜發(fā)展變型的產(chǎn)物，廣泛在德國、丹麥等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用。目前，生物轉(zhuǎn)筒類型主要有：硬聚乙烯塑料制成外殼，聚氯乙烯波紋圓盤片內(nèi)置；鋼制筒體外殼，筒內(nèi)固定于硬聚乙烯波紋軸，外接3m 直徑圓；轉(zhuǎn)筒內(nèi)置小容器。生物流化床作為一種高負(fù)荷生物膜法，生物流化床利用好氧硝化滴濾、缺氧反硝化流化床，將二者結(jié)合起來構(gòu)建反應(yīng)器，并將硝酸鹽、有機(jī)物等懸浮于表面物體送到流化床，進(jìn)行處理[10]。

（3）特點(diǎn)

生物膜法處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，具有易管理、處理高效等特點(diǎn)，尤其是去除養(yǎng)殖廢水中的氨氮、有機(jī)物，也是水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中氨氮、COD 處理效果最經(jīng)濟(jì)、成本低的工藝技術(shù)。

2.4 生態(tài)浮床

生態(tài)浮床工藝處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，其原理是利用水生生物處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水。其中，水生植物主要是利用其根、莖、葉等吸收、吸附微生物，分解去除水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水種的氮、有機(jī)物，以及通過吸收、吸附、沉淀，以及微生物固定等，直接或間接地去除污水中的污染物磷。生態(tài)浮床工藝技術(shù)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的重點(diǎn)是植物選型，選擇親水植物，如菖蒲、常綠鳶尾具有良好脫氮除磷效果。構(gòu)筑生態(tài)浮床系統(tǒng)時，應(yīng)選擇廢水凈化能力強(qiáng)的水生植物，了解不同水生植物的功能特性，并與微曝氣技術(shù)、不同基質(zhì)搭配，以及其他污水凈化技術(shù)結(jié)合，提升生態(tài)浮床的凈化處理功能。

此外，生物技術(shù)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水還包括生物修復(fù)技術(shù)、微生物制劑技術(shù)、微生物菌劑技術(shù)等[11]。

3 水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水生物處理技術(shù)優(yōu)化

生物技術(shù)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，在選擇適宜的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)處理技術(shù)、自動化控制技術(shù)，以及生物強(qiáng)化技術(shù)，從而進(jìn)一步提升水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水生物處理的效率和效果。

3.1 預(yù)處理

（1）沉淀、泡沫分離

水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中需要投加餌料，會產(chǎn)生部分尚未食用的餌料，同時隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖密度的增加，也會產(chǎn)生大量水產(chǎn)動物排泄物。為了提升生物工藝處理效果，需要對尚未食用的餌料以及水產(chǎn)動物排泄物進(jìn)行預(yù)處理。通常，選用沉降法處理，可有效去除全部可沉淀固體物，大部分的懸浮物和揮發(fā)性物質(zhì)等等。

（2）選擇適宜的溫度和溶解氧濃度

生物處理工藝技術(shù)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，硝化細(xì)菌硝化作用的效果受到溫度、溶解氧等因素影響。為此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象條件，在選擇相應(yīng)的生物工藝技術(shù)后，還需要進(jìn)一步優(yōu)化溫度以及水體含氧量。為此，需配備高效增氧裝備，并進(jìn)行合理布局，選擇適宜增氧方式，提高處理效率。

（3）利用水生維管束植物

選擇適宜的水生維管束植物，可以有效提升水質(zhì)凈化效果。如鳳眼蓮處理養(yǎng)螺廢水、茄子處理養(yǎng)鱉廢水、番茄處理養(yǎng)甲魚廢水等等。通過利用水生微管束植物，發(fā)揮植物濾器效果，且植物濾器成本低，可有效降低養(yǎng)殖廢水中的營養(yǎng)物[12]。

3.2 水質(zhì)自動化控制

為了獲得更大經(jīng)濟(jì)效益，高密度養(yǎng)殖成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的方向。為了進(jìn)一步做好高密度養(yǎng)殖廢水處理工作，可考慮引進(jìn)自動化控制，以及污水處理、監(jiān)測技術(shù)，將其應(yīng)用于廢水處理，發(fā)揮其輔助功能，可提升廢水的處理質(zhì)量和效率。

3.3 生物強(qiáng)化

水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中也可考慮應(yīng)用固定化微生物技術(shù)，目前該技術(shù)主要應(yīng)用于污水處理以及工廠化養(yǎng)殖循環(huán)廢水處理室內(nèi)模擬中。將聚乙烯醇作為包埋載體，將粉末活性炭作為無機(jī)載體，并加入相應(yīng)的馴化污泥，用以處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，氨氮以及生化需氧量去除率可達(dá)到75%以上。此外，以聚乙烯醇作為包埋骨架，并添加二氧化硅、碳酸鈣等載體，用于固定菌藻系統(tǒng)，從而達(dá)到去除養(yǎng)殖廢水中的氨氮的效果，去除率可達(dá)95%以上。

3.4 高效菌

無論是生物強(qiáng)化技術(shù)、預(yù)處理技術(shù)，還是水質(zhì)自動化控制系統(tǒng)，都存在一些缺陷和不足。因此，在水產(chǎn)養(yǎng)殖場地投加有益微生物，讓這些有益微生物參與到養(yǎng)殖場地的生態(tài)循環(huán)體系中，可有效改善養(yǎng)殖場水質(zhì)，去除水產(chǎn)養(yǎng)殖場中的有機(jī)污染物。此外，投加高效菌還可以有效抑制水體中的病原微生物的繁殖生長，防止病原微生物過度生長，也可以有效實(shí)現(xiàn)防治病害的效果。在水產(chǎn)養(yǎng)殖場投加微生態(tài)制劑或高效菌，能夠有效凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，是一項(xiàng)十分成熟的工藝，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛推廣。目前，在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的微生態(tài)制劑包括枯草芽孢桿菌、硝化細(xì)菌、腸道菌群、假單胞菌等。這些微生態(tài)制劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖中可有效發(fā)揮其硝化、反硝化、氧化、硫化、固氮作用等功能，并且將水產(chǎn)養(yǎng)殖場地內(nèi)的殘存飼料、餌料，以及動物排泄物、浮游生物殘體、化學(xué)藥物等分解成二氧化碳、硫酸鹽、硝酸鹽等，從而實(shí)現(xiàn)去除養(yǎng)殖廢水中的污染物效果。

結(jié)語

傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下，集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖模式，加劇了養(yǎng)殖場水質(zhì)污染，威脅水產(chǎn)品安全，以及市民的身體健康。重視水產(chǎn)品養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染防治，選擇合適的工藝技術(shù)，其中，生物技術(shù)處理水產(chǎn)品養(yǎng)殖具有效率高、投入少、易管理等特點(diǎn)和優(yōu)勢，將生物處理技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水治理，進(jìn)一步推動養(yǎng)殖方式由粗放向節(jié)能環(huán)保轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益雙贏。