池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式集污系統(tǒng)效能分析

周陸 張國奇 孫真 張友良 來琦芳 周凱

(1 上海市松江區(qū)水產(chǎn)良種場，上海 201616；2 上海市松江區(qū)水產(chǎn)技術(shù)推廣站，上海 201600；3 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090)

近年來，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級日益加快，許多高效、綠色的養(yǎng)殖模式開始應(yīng)用在生產(chǎn)中。池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式自2013年被引進國內(nèi)以來，發(fā)展迅猛[1-2]，截至2020年底，全國共建池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式養(yǎng)殖池6 500余口，養(yǎng)殖面積超4.6 hm2。池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式因具有高產(chǎn)高效、資源節(jié)約、環(huán)境友好、質(zhì)量可控等優(yōu)點，已逐漸成為我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的主要推廣模式之一[3]。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)中，飼料是養(yǎng)殖水體中氮磷輸入的主要來源[4-5]，而未被魚類吸收的氮磷經(jīng)分解、溶解等方式，最終會進入養(yǎng)殖水體[6-10]，直接導(dǎo)致水體中不同形態(tài)的氮磷物質(zhì)濃度升高，進而影響魚類的生長、生活。若將高氮磷的養(yǎng)殖水體排放至周邊水域，還易造成環(huán)境污染，尤其在養(yǎng)殖高峰期投飼量加大的情況下影響更甚。池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式采用集污收集技術(shù)，可將養(yǎng)殖過程中的魚類排泄物及殘飼剩餌從養(yǎng)殖水體中分離吸除，解決了傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖模式魚類排泄物無法收集的難題，并通過池塘凈化等水質(zhì)調(diào)控方法，有效改善了養(yǎng)殖水質(zhì)，進而實現(xiàn)高產(chǎn)條件下養(yǎng)殖全程水體零排放。

魚類排泄物的有效收集是池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式區(qū)別于傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖模式的本質(zhì)特征[11]。目前對池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式的經(jīng)濟效益及工藝優(yōu)化[2，12-14]的研究較多，對于在高產(chǎn)前提下提高排泄物收集效率進而提高水質(zhì)調(diào)控效率的研究卻鮮有報道。為進一步揭示集污系統(tǒng)在水質(zhì)調(diào)控中發(fā)揮的作用，本試驗以草魚為養(yǎng)殖對象，分析比較池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式中養(yǎng)殖池上游和沉淀池區(qū)域的水質(zhì)指標，并通過分析外源性氮磷輸入情況，探索魚類排泄物收集系統(tǒng)對水質(zhì)調(diào)控的影響，為該模式水質(zhì)調(diào)控提供理論支持和實踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)域

池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖系統(tǒng)位于上海市松江區(qū)水產(chǎn)良種場五厙基地，共2套。單套由2口凈化池塘組成，每口池塘面積為10 000 m2，主要放養(yǎng)鰱、鳙等，以凈化養(yǎng)殖水體。每套養(yǎng)殖系統(tǒng)包括集聚式養(yǎng)殖池5口，每口面積110 m2，容積約為200 m3。每口養(yǎng)殖池放養(yǎng)草魚3 600尾(規(guī)格1.5 kg/尾，來自上海市松江區(qū)水產(chǎn)良種場)。2套系統(tǒng)共用1個長115 m、寬4 m，以種植水生植物為主的小型濕地。集聚式養(yǎng)殖池兩端開口，在池上游設(shè)置有曝氣推水設(shè)備，可推動水體向下游流動。集污設(shè)備區(qū)域為敞開式，含有魚類排泄物的養(yǎng)殖水經(jīng)集污設(shè)備收集后，通過暗管進入沉淀池，魚類排泄物等污物沉淀下來，上清液則流入人工濕地，經(jīng)水生植物凈化后，再由濕地出水口流回池塘，由此完成水體循環(huán)。系統(tǒng)通過集污設(shè)備和小型濕地等進行養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控(見圖1)。

圖1 池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖系統(tǒng)平面示意圖

1.2 水質(zhì)檢測采樣點及采樣時間

水質(zhì)采樣點分別設(shè)在池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖系統(tǒng)的沉淀池、養(yǎng)殖池上游及水源，依次記為1號、2號和3號采樣點。采樣時間為2020年，其中4、5、10、11、12月每月各1次，6、7、8、9月每月各2次。

1.3 相關(guān)指標及檢測方法

相關(guān)指標及檢測方法如表1所示。

表1 相關(guān)指標及檢測方法

1.4 氮磷去除率及沉淀池水質(zhì)變化

根據(jù)全年投飼總量(WFeed)和表觀消化率(Ad)計算排泄物濕物質(zhì)理論排放量(WEc-w)。根據(jù)飼料總氮質(zhì)量濃度(PFeed-TN)、總磷質(zhì)量濃度(PFeed-TP)、排泄物濕物質(zhì)理論排放量(WEc-w)、干濕比(PD/W)、排泄物總氮質(zhì)量濃度(PEc-TN)及排泄物總磷質(zhì)量濃度(PEc-TP)計算總氮去除率(RR-TN)和總磷去除率(RR-TP)。根據(jù)沉淀池水質(zhì)指標(NTS)和養(yǎng)殖池上游水質(zhì)指標(NCP-up)計算沉淀池較養(yǎng)殖池上游水質(zhì)增減百分比(Pft)。相關(guān)計算公式如下：

RR-TN=WFeed×PFeed-TN/(WEc-w×PD/W×PEc-TN)×100%

(1)

RR-TP=WFeed×PFeed-TP/(WEc-w×PD/W×PEc-TP)×100%

(2)

Pft=(NTS-NCP-up)/NCP-up×100%

(3)

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用EXCEL軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析比較。運用SPSS 22.0軟件對各采樣點的水質(zhì)指標進行統(tǒng)計學(xué)分析，其中SS、pH、CODMn、TN滿足正態(tài)分布，采用單因素方差one-way ANOVA進行分析[15]，TP和NO3--N指標呈非正態(tài)分布，采用非參數(shù)檢驗Kruskal-Wallis進行分析[16]，設(shè)P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異極顯著。

2 結(jié)果

2.1 懸浮物SS的比較

全年的懸浮物(SS)變化情況見圖2。養(yǎng)殖池上游水體的年度SS范圍為24～90 mg/L，其中9月初最低，6月初最高。沉淀池水體的年度SS范圍為40～123 mg/L，其中11月最低，8月底最高。對比達標值參考標準，全年均達標。水源的年度SS范圍為10.0～68.5 mg/L，全年呈波動趨勢。全年養(yǎng)殖池上游SS指標除11—12月外均高于沉淀池，且差值較大，表明養(yǎng)殖高峰期時，SS總量較大，集污設(shè)備對SS的凈化作用較好。

圖2 全年懸浮物(SS)的變化情況

2.2 pH的比較

全年pH的變化情況見圖3。養(yǎng)殖池上游年度pH變化范圍為7.35～8.58，沉淀池年度pH在6.64～7.73，水源的年度pH在7.24～8.52。對比達標值參考標準，3組樣本全年的pH指標均符合水質(zhì)標準，且差值較小，表明系統(tǒng)對pH影響較小。

圖3 全年pH的變化情況

2.3 CODMn的比較

全年CODMn的變化情況見圖4。養(yǎng)殖池上游年度CODMn范圍為4.21～21.59 mg/L，其中12月最低，8月底達到最高值。沉淀池年度CODMn范圍為4.46～33.35 mg/L，其中12月最低，8月底達到最高值，對比達標值參考標準，8月底CODMn超標33.80%。水源的年度CODMn范圍為2.07～18.19 mg/L。全年養(yǎng)殖池上游的CODMn指標除4月底稍高于沉淀池外，其他時期均低于沉淀池，二者全年變化趨勢相似。

圖4 全年CODMn的變化情況

2.4 DO的比較

全年DO的變化情況見圖5。養(yǎng)殖池上游的年度DO變化范圍為4.27～13.69 mg/L，其中8月初最低，4月底最高。沉淀池的年度DO變化范圍為0.26～11.48 mg/L，其中8月初最低，12月最高。水源的年度DO變化范圍為3.20～12.01 mg/L。養(yǎng)殖池上游除5月份低于沉淀池外，其余時期均高于沉淀池。養(yǎng)殖池和沉淀池DO的全年變化趨勢相似，均在5—8月養(yǎng)殖高峰期較低。

圖5 全年DO的變化情況

2.5 總磷(TP)的比較

全年總磷(TP)的變化情況見圖6。養(yǎng)殖池上游年度TP范圍為0.23～2.64 mg/L，其中12月為最低值，8月底達到最高值，超過達標值參考標準，是標準的1.64倍。沉淀池年度TP變化范圍為0.34～7.25 mg/L，其中12月底最低，8月底達到最高值。水源的年度TP變化范圍為0.20～1.12 mg/L。由結(jié)果可見，養(yǎng)殖池上游的TP指標始終低于沉淀池的，沉淀池的TP最高時為養(yǎng)殖池上游TP的242.86%。養(yǎng)殖池上游全年除11月和12月，沉淀池除12月以外，TP指標均超過達標值參考標準。

圖6 全年TP的變化情況

2.6 總氮(TN)的比較

全年TN的變化情況見圖7。養(yǎng)殖池上游年度TN范圍為2.52～5.41 mg/L，其中4月為最低值，8月底和11月為最高值，并超過達標值參考標準。沉淀池年度TN范圍為2.66～7.02 mg/L，其中12月為最低值，10月底達最高值，并超過達標值參考標準。水源的年度TN在0.13～4.72 mg/L。養(yǎng)殖池上游的TN指標在7月、8月底、11月和12月高于沉淀池，其余時期均低于沉淀池，但二者全年差值均較小。

圖7 全年TN的變化情況

2.7 NH4+-N的比較

全年NH4+-N的變化情況見圖8。養(yǎng)殖池上游的年度NH4+-N變化在0.06～3.07 mg/L，其中6月底為最低，9月底達到最高值。沉淀池的年度NH4+-N在0～2.00 mg/L，其中6月底最低，9月底最高。水源的年度NH4+-N在0.20～1.82 mg/L。養(yǎng)殖池上游的NH4+-N指標除4月、7月底、10月和11月低于沉淀池外，其余時期均高于沉淀池。二者全年變化趨勢相似，且差值較小。

圖8 全年NH4+-N的變化情況

2.8 NO2--N的比較

全年NO2--N的變化情況見圖9。養(yǎng)殖池上游年度NO2--N變化范圍為0～0.67 mg/L，其中4月份最低，6月底最高。沉淀池年度NO2--N變化范圍在0～0.34 mg/L，全年中有多次未檢出或趨于0 mg/L，7月底時NO2--N達到最高值。水源的年度NO2--N變化范圍為0.03～0.90 mg/L。養(yǎng)殖池上游NO2--N指標全年幾乎均高于沉淀池，但差值較小，二者全年變化趨勢相似。

圖9 全年NO2--N的變化情況

2.9 NO3--N的比較

全年NO3--N的變化情況見圖10。養(yǎng)殖池上游年度NO3--N變化范圍為0.10～0.92 mg/L，其中4月份最低，10月底最高。沉淀池年度NO3--N的變化范圍為0～0.99 mg/L，12月達到最高值。水源的年度NO3--N變化范圍為0.38～1.57 mg/L。養(yǎng)殖池上游NO3--N指標在全年中除6月初、8月底至10月外，其余時期均低于沉淀池，二者全年變化趨勢相似。

圖10 全年NO3--N的變化情況

2.10 沉淀池和養(yǎng)殖池上游水質(zhì)指標比較

沉淀池與養(yǎng)殖池上游的各項水質(zhì)指標增減情況詳見表2。沉淀池全年pH指標均低于養(yǎng)殖池上游；溶解氧、NO2--N僅有1次高于養(yǎng)殖上游，其他時間均低于養(yǎng)殖池上游；SS、CODMn僅有1次低于養(yǎng)殖池上游，其他時間均高于養(yǎng)殖池上游，且最高分別高出241.67%和102.18%；TN、NH4+-N、NO3--N均呈波動趨勢，沉淀池和養(yǎng)殖池上游時高時低；沉淀池的TP則全年高于養(yǎng)殖池上游，且最高達221.85%。

表2 2020年度沉淀池與養(yǎng)殖池上游指標比較(增減百分比) 單位：%

2.11 三處采樣點水質(zhì)指標的統(tǒng)計學(xué)分析

3處采樣點水質(zhì)指標的統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果見表3。從分析結(jié)果看，水源、養(yǎng)殖池上游、沉淀池水體中SS、pH、CODMn、TP、TN、NO3--N有顯著性差異(P<0.05)，DO、NH4+-N和NO2--N則沒有顯著差異(P>0.05)。

表3 三處采樣點水質(zhì)指標的比較分析

如表4所示，水源的SS、CODMn、TN、TP顯著低于養(yǎng)殖池上游(P<0.05)，pH和NO3--N無顯著性差異(P>0.05)，3組樣本的TN和CODMn均值低于淡水養(yǎng)殖池塘排放標準。水源SS、CODMn、TN、TP極顯著低于沉淀池，而NO3--N極顯著高于沉淀池(P<0.01)。沉淀池SS顯著高于養(yǎng)殖池上游，pH和NO3--N則顯著低于養(yǎng)殖池上游(P<0.05)。沉淀池的DO與其他2組樣本無顯著性差異，但在3組樣本中均值最低，為(5.16±3.44)mg/L，同時，沉淀池NO3--N極顯著低于其他兩組(P<0.01)。

表4 三處采樣點水質(zhì)指標的顯著性分析

2.12 氮磷去除率

2020年度氮磷去除率見表5。飼料中的TN和TP含量分別為5.09%和1.13%，排泄物的TN和TP含量分別為1.25%和3.09%。草魚表觀消化率為72.44%，排泄物在濕物質(zhì)中占比為41.00%。經(jīng)計算，通過收集魚類排泄物，TN去除率為5.69%，TP去除率為63.42%。

表5 2020年度氮磷去除率

3 討論

3.1 氮磷去除效率

磷是魚類生長、發(fā)育和繁殖所必需的營養(yǎng)元素，餌料中磷的平衡供給可以防止磷缺乏癥的發(fā)生，同時可以降低糞和尿中磷的排出。水產(chǎn)養(yǎng)殖中，為使飼料中的營養(yǎng)元素更易于被養(yǎng)殖對象吸收，一般會在飼料中添加一定比例的氮和磷[17]。然而，外源性的輸入會導(dǎo)致養(yǎng)殖環(huán)境中氮、磷含量升高，對養(yǎng)殖水體的水質(zhì)調(diào)控形成較大壓力，同時養(yǎng)殖水體外排亦會對周邊水域環(huán)境造成一定影響[4-5],尤其是在水溫適合魚類生長的養(yǎng)殖高峰期，投飼量增大，氮磷輸入更多，水質(zhì)調(diào)控的壓力就會更大。在傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式中，魚類排泄物通常無法被收集，會長期積累在池塘底部，持續(xù)向養(yǎng)殖水體中釋放氮磷等元素，是影響水質(zhì)的重要因素。池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式利用集污系統(tǒng)，通過吸取和沉淀等方式有效地收集魚類排泄物，并將其分離出池塘，大幅降低其對養(yǎng)殖水體的影響。池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式中，排泄物收集量為魚類排泄量的80%以上[11]。結(jié)果顯示，經(jīng)飼料輸入的TN和TP全年總量分別為5 376 kg和1 193 kg，通過集污系統(tǒng)去除的TN和TP分別為306.06 kg和756.59 kg，TN和TP去除率分別為5.69%和63.42%，表明通過集污系統(tǒng)可去除池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式中的大部分TP，降低其對養(yǎng)殖水質(zhì)的影響。但TN的去除率較低，這可能是由于TN的去除途徑包含但不僅限于排泄物的收集，如崔奕波等[18]提出的氮收支方程:CN=FN+GN+UN所述，TN部分轉(zhuǎn)化為魚肉，部分溶解于養(yǎng)殖水體中，同時也受到池塘生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、溫度變化、天氣變化等因素的影響。

3.2 水質(zhì)調(diào)控效果

水質(zhì)調(diào)控是水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要環(huán)節(jié)，水質(zhì)優(yōu)劣會直接影響魚類的攝食、生長和行為活動等[19]，探索高效綠色的生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)和模式一直是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的長期目標[20-21]。傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式一般是通過大量換水進行水質(zhì)調(diào)控，使養(yǎng)殖水體能夠符合養(yǎng)殖要求。與傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式相比，池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式的養(yǎng)殖產(chǎn)量較高[11]，全年氮磷外源性輸入因投飼量增加而增加，但通過魚類排泄物收集等手段進行水質(zhì)調(diào)控，可實現(xiàn)養(yǎng)殖水體零排放[1]?？傮w而言，在較傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式養(yǎng)殖產(chǎn)量翻倍、全程養(yǎng)殖水體零排放的條件下，養(yǎng)殖池上游的SS、CODMn、TP指標均明顯優(yōu)于沉淀池，這一結(jié)果除了池塘的自凈功能以外，主要得益于集污系統(tǒng)對氮磷的去除。根據(jù)3處采樣點的水質(zhì)指標全年對比結(jié)果，沉淀池TP、SS、CODMn含量高于養(yǎng)殖池上游的最大百分比值分別為221.85%、241.67%、102.18%。但養(yǎng)殖池上游的TN、NH4+-N含量與沉淀池差別較小，NO2--N和NO3--N含量指標甚至頻繁高于沉淀池，主要原因可能是養(yǎng)殖池水體在魚類排泄物被移除之后流經(jīng)凈化池塘的大面積區(qū)域，氮元素受到硝化、反硝化、溶解等作用影響較大。3處樣本的顯著性分析結(jié)果表明，養(yǎng)殖魚類和投喂飼料會引起水質(zhì)惡化，需在養(yǎng)殖管理過程中重點關(guān)注總磷輸入的問題。綜合而言，集污系統(tǒng)對污染物的降解和水質(zhì)調(diào)控具有較為積極有效的作用，但基于養(yǎng)殖水體體量較大和負載較重的現(xiàn)實情況，還需進一步研究提升系統(tǒng)對CODMn、TN、TP的降解效率。

3.3 存在的問題

池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖模式中，通過集污系統(tǒng)進行魚類排泄物收集是去除氮磷和有效調(diào)控水質(zhì)的可行方法。但由于外源性輸入壓力過大，僅通過此種方法仍不能確保全年各項指標在每階段均達到標準參考范圍，需提高集污系統(tǒng)的效能。特別是在養(yǎng)殖高峰期時，適當提高集污系統(tǒng)運行頻次可能有益于降低水質(zhì)調(diào)控壓力。在集污收集基礎(chǔ)上，應(yīng)進一步優(yōu)化水質(zhì)調(diào)控方法，如在凈化池塘中適當開展生態(tài)工程化調(diào)控和魚菜綜合種養(yǎng)，以及研究更易收集排泄物的飼料配方等。另外，本試驗中，集污系統(tǒng)曾因故障停運3次，累計時長8 d，也對水質(zhì)調(diào)控產(chǎn)生了較大影響。因此，完善集污設(shè)備，降低集污系統(tǒng)故障頻次，確保其在養(yǎng)殖周期內(nèi)工作正常是需要重視的問題。