不同水力負荷對池塘養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)凈化效果的影響

徐嘉波，施永海，劉永士

(上海市水產(chǎn)研究所 上海市水產(chǎn)技術(shù)推廣站，上海 200433)

規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖場的池塘養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)研究目前尚處于起步階段，在我國重視水環(huán)境保護和全面推動現(xiàn)代漁業(yè)綠色發(fā)展的現(xiàn)實要求下，開展池塘養(yǎng)殖尾水達標排放處理技術(shù)的研究是一項十分必要和緊迫的任務(wù)。目前，對池塘養(yǎng)殖尾水的處理主要有池塘原位處理[1]、池塘外掛系統(tǒng)處理[2]、池塘循環(huán)流水處理[3]等。為探索建立改造費用投入少、運營維護成本低、凈化系統(tǒng)有經(jīng)濟效益的池塘養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)，本研究團隊在一個規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖場中建立了由濕地、一級凈化池塘和二級凈化池塘3個凈化功能區(qū)組成的池塘養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)[4]，并對其開展了水質(zhì)凈化的綜合評價[5]，探明了各級沿程對主要污染物的凈化機制和時空變化規(guī)律[6-7]。但是，對運行參數(shù)尚未深入研究，特別是水力負荷、水力停留時間等。水力參數(shù)的優(yōu)化有利于設(shè)施工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[8]及凈化效果的提升[9-10]。已有學(xué)者針對多級凈化功能區(qū)開展了不同水力參數(shù)對凈化效果的研究，實現(xiàn)了凈化系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化[11-13]。本研究在池塘養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件下，開展不同水力負荷對總氮、總磷凈化效果的研究，探明池塘養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)整體及各級沿程在不同水力負荷條件下總氮、總磷的變化規(guī)律，分析系統(tǒng)運行最佳水力參數(shù)條件，旨在為改進系統(tǒng)運行策略提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)概況

養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)(aquaculture wastewater treatment system，AWTS)由表面流濕地(surface flow wetland，SFW)和2個由養(yǎng)殖池塘改造的凈化池塘(purification pond，PP)構(gòu)成，對規(guī)?；靥琉B(yǎng)殖小區(qū)內(nèi)13個池塘(5 hm2)進行養(yǎng)殖尾水凈化處理。實驗養(yǎng)殖池塘與養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)面積比為9.8∶1。養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)內(nèi)表面流濕地(SFW)、一級凈化池塘(PP1)、二級凈化池塘(PP2)面積比為1∶4.5∶3.6。

工藝流程如圖1所示，通過借用水產(chǎn)養(yǎng)殖場進水渠道(占地512 m2，長640 m×寬0.8 m×高0.83 m)，將各養(yǎng)殖池塘尾水引入養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)，養(yǎng)殖尾水沿程依次經(jīng)SFW、PP1、PP2凈化處理后排放。

構(gòu)建參數(shù)如表1所示，SFW于2018年投入使用，依水流方向分3個倉(W1～W3)，各倉間用土壩(fill dam，F(xiàn)D)分隔，W1種植蘆葦(Phragmitescommunis)，W2種植香蒲(Typhaorientalis)，W1、W2于每年3月份種植，控制初始密度15株/m2；W3于每年2月份種植菱角(Trapabispinosa)，密度1.2個/m2；PP1于每年3月份放養(yǎng)初始規(guī)格約50 g/尾的梭魚(Lizahaematocheila)，配套少量青魚(Mylopharyngodonpiceus)、鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙(Hypophthalmichthysnobilis)，各種魚類共計1 000余尾；PP2于每年5月份種植鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)25 kg、每年8月份種植蕹菜(Ipomoeaaquatica)165 kg，配套少量青魚、鰱、鳙。SFW與PP1連接處填充碎石壩(碎石粒徑2～10 cm，壩上口寬1 m、下口寬0.9 m、長5 m、高0.8 m)，PP1與PP2連接處填充同型碎石壩(壩上口寬1.65 m、下口寬1.0 m、長4.7 m、高1.16 m)。各級PP內(nèi)設(shè)置1.5 kW增氧機1臺。

1.2 試驗方法

1.2.1 運行策略與水樣采集 設(shè)計高、中、低3個水力負荷，分別在2020年9月上、中、下旬使用養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水進行凈化處理，系統(tǒng)運行時間為每天下午5點至次日早上8點，運行期間開啟凈化池塘增氧機。系統(tǒng)在每個水力負荷條件下連續(xù)運行7～10 d。系統(tǒng)運行時，整體及各凈化功能區(qū)水力負荷見表2。養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)在各水力負荷條件下運行至第5 天左右時，在各級沿程4個水樣采集點(圖1)依據(jù)《水質(zhì) 采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494-2009)[14]采集水樣3次，每次采集3份，每份間隔為5 h，即每個水力負荷下共計9份水樣。

表2 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)整體及各個凈化功能區(qū)水力負荷

1.2.2 指標測定與計算 水樣中總氮(TN)質(zhì)量濃度測定采用堿性過硫酸消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)[15]，總磷(TP)質(zhì)量濃度測定采用鉬酸銨比色法(GB 11893-1989)[16]。計算沿程各段及處理系統(tǒng)整體TN或TP去除率。去除率=(Ci-Ce)/Ci×100%(Ci為處理前TN或TP的質(zhì)量濃度，Ce為處理后TN或TP的質(zhì)量濃度)。

1.2.3 分析方法 數(shù)據(jù)歸納和圖表繪制采用Excel 2010，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0軟件。TN和TP質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)以“平均值±標準差”的形式表示。采用雙因素重復(fù)測量方差分析法，分析各水力負荷條件下各級沿程TN、TP質(zhì)量濃度的顯著性差異(即進出水的差異)，水力負荷與養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)沿程2個因素的交互作用。采用Bonferroni檢驗進行各水力負荷下各凈化功能區(qū)對應(yīng)進出水水樣采集點TN、TP質(zhì)量濃度的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水力負荷條件下沿程TN、TP質(zhì)量濃度變化

不同水力負荷條件下養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)沿程TN、TP質(zhì)量濃度變化見表3。由表4的雙因素重復(fù)測量方差分析結(jié)果可知，系統(tǒng)沿程、水力負荷對TN、TP質(zhì)量濃度均有極顯著影響(P<0.01)，且系統(tǒng)沿程與水力負荷存在交互作用(P<0.05)。

表3 不同水力負荷條件下養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)沿程TN、TP質(zhì)量濃度變化

表4 不同水力負荷條件下養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)沿程TN、TP質(zhì)量濃度的雙因素重復(fù)測量方差分析

由表5可知，低水力負荷下，養(yǎng)殖尾水經(jīng)過SFW和PP1的TN質(zhì)量濃度均有極顯著差異(P<0.01)，經(jīng)過PP2的TN質(zhì)量濃度有顯著差異(P<0.05)，系統(tǒng)整體進水與排水TN質(zhì)量濃度差異極顯著(P<0.01)；中水力負荷時，經(jīng)過SFW和PP1的TN質(zhì)量濃度差異均不顯著(P>0.05)，經(jīng)過PP2的TN質(zhì)量濃度差異極顯著(P<0.01)，系統(tǒng)整體進水與排水TN質(zhì)量濃度差異顯著(P<0.05)；高水力負荷時，經(jīng)過SFW和PP1的TN質(zhì)量濃度差異均不顯著(P>0.05)，經(jīng)過PP2的TN質(zhì)量濃度差異極顯著(P<0.01)，系統(tǒng)整體進水與排水TN質(zhì)量濃度差異不顯著(P>0.05)。經(jīng)過SFW和PP1的TN質(zhì)量濃度均值差值隨水力負荷增加呈線性下降，低水力負荷時，經(jīng)過SFW和PP1的TN質(zhì)量濃度均值差值大于經(jīng)過PP2。隨著水力負荷提高，PP2成為TN質(zhì)量濃度下降的主要單元，其在低、中、高水力負荷下對TN質(zhì)量濃度下降的貢獻度依次為22%，72%和93%。

由表5可以看出，在3個水力負荷條件下，養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)進水與排水TP質(zhì)量濃度均有顯著或極顯著差異。中、低水力負荷時，養(yǎng)殖尾水經(jīng)過各級沿程TP質(zhì)量濃度均有顯著或極顯著差異;但高水力負荷時，僅經(jīng)過PP2尾水的TP質(zhì)量濃度有顯著差異(P<0.05)。低水力負荷時，各級沿程TP質(zhì)量濃度均值差值隨沿程增加呈線性下降，SFW對TP質(zhì)量濃度下降的貢獻度最高，為50%；中水力負荷時，TP質(zhì)量濃度均值差值呈波動變化，PP2對TP質(zhì)量濃度下降的貢獻度最高，為40%；高水力負荷時，各級沿程TP質(zhì)量濃度均值差值已無明顯差別。

表5 不同水力負荷條件下養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)沿程TN、TP質(zhì)量濃度的Bonferroni檢驗

2.2 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)整體凈化效果

由圖2可見，養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)整體對養(yǎng)殖尾水TN去除率隨水力負荷的增加呈線性下降，SFW和PP1表現(xiàn)出相同的規(guī)律。低水力負荷下的主要去除單元是SFW和PP1，隨著水力負荷的增加，SFW和PP1的TN凈化效果變差，高水力負荷時PP1的TN去除率為負值。PP2有較穩(wěn)定的TN去除表現(xiàn)，在試驗水力負荷范圍內(nèi)，TN去除率為21%～31%。當養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)以不同水力負荷運行時，TN去除總量最大的是中水力負荷，其次是低水力負荷。

圖2 不同水力負荷下養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)整體和各級沿程的TN凈化效果

由圖3可見，養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)整體對養(yǎng)殖尾水TP去除率隨水力負荷的增加呈線性下降，SFW表現(xiàn)出相同的規(guī)律，PP的TP去除率呈波動性變化。不同水力負荷下，在各個凈化功能區(qū)內(nèi)TP去除較TN去除更為均衡，養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)整體對養(yǎng)殖尾水TP去除的貢獻度在各級沿程較為平均。當養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)以不同水力負荷運行時，TP去除總量最大的是高水力負荷，其次是中水力負荷。

2.3 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)功能區(qū)優(yōu)化

由于PP2對TN、TP的凈化效果較好，故對PP2的試驗結(jié)果進行函數(shù)回歸處理[17]，得到TN、TP去除率(ηTN、ηTP)與水力負荷(X)的函數(shù)關(guān)系：

ηTN=-107.222X2+12.572X-0.055，R2=1.000。

(1)

ηTP=-72.353X2+6.584X+0.185，R2=1.000。

(2)

運用最優(yōu)化原理，采用水力負荷和去除率的乘積建立優(yōu)化函數(shù)如下：

S=C·X·η。

(3)

式中：S為單位面積凈化功能區(qū)每天的污染物去除量，g/(m2·d)；C為污染物進水體積質(zhì)量，g/m3；X為水力負荷，m/d；η為去除率。

將式(1)、(2)代入式(3)，對S求導(dǎo)，結(jié)果為0。

由此可得到凈化功能區(qū)最佳水力負荷，將最佳X值代入式(1)、(2)，得到TN、TP最佳去除率。

經(jīng)TN去除率擬合方程計算PP2最佳水力負荷為0.076 m/d，對應(yīng)最佳去除率為28%；據(jù)TP去除率擬合方程計算最佳水力負荷為0.073 m/d，對應(yīng)最佳去除率為28%。擬合計算結(jié)果表明基于目前凈化功能區(qū)結(jié)構(gòu)，水力負荷對TN、TP去除率影響效果趨同，同時PP2水力負荷在目前0.060 m/d基礎(chǔ)上，尚可提高約30%。

3 討 論

3.1 不同水力負荷對TN凈化效果的影響

SFW脫氮主要依靠微生物作用、土壤吸收以及植物吸收[18]， 高水力負荷導(dǎo)致濕地脫氮細菌隨水流帶出，影響濕地微生物作用[19-20]，還可導(dǎo)致濕地水深較常態(tài)水平大，影響濕地植物吸收、吸附污染物質(zhì)的效果[21]，從而使得濕地對TN凈化效果變差。本研究中，TN去除率降低幅度明顯快于水力負荷增加幅度，高水力負荷時，SFW對TN的去除率僅為2.7%，幾乎無脫氮能力，在3個凈化功能區(qū)中SFW抗負荷沖擊能力最弱。多項研究表明,降低水力負荷有利于提升濕地凈化效果[22-23]，本研究中低水力負荷下，SFW的TN去除率可達19.69%，遠低于王宇娜等[24]總結(jié)的“表面流濕地TN濃度平均去除率水平”，表明表面流濕地的運行水力負荷仍有進一步優(yōu)化的空間。

PP1脫氮主要依靠水生動物(梭魚)對有機氮的攝取，當水力負荷較大時，養(yǎng)殖尾水中的殘餌、糞便等有機氮載體顆粒物質(zhì)不利于沉降與均勻分布，影響水生動物的攝食效率，降低有機氮的凈化效果；同時水力負荷較大時，本應(yīng)在濕地沉降、截留的含氮大顆粒物質(zhì)直接進入PP1，兩種因素疊加使得PP1對TN的去除隨著水力負荷增加呈現(xiàn)急劇下降趨勢。本研究中，中水力負荷時，TN去除率較低水力負荷時下降88%。

PP2脫氮主要依靠微生物作用、植物吸收等，其中微生物脫氮是主要途徑[25]。本研究中，不同水力負荷條件下，PP2對TN的凈化效果始終優(yōu)于SFW，這與王全金等[13]的研究結(jié)果一致，同時該區(qū)域TN凈化效果較其他2個凈化功能區(qū)更穩(wěn)定，在養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)中PP2發(fā)揮主要的TN凈化功能，其受水力負荷變化的影響最小，其隨水力負荷的變化規(guī)律可能原因為：低水力負荷時前置凈化功能區(qū)凈化效果較好，PP2的TN本底值較小，影響凈化效果；中水力負荷時前置凈化功能區(qū)凈化效果差，PP2不僅TN本底值上升，同時因水力負荷增加導(dǎo)致隨水流帶入的脫氮細菌附著于水生植物根系，PP2植物覆蓋度高，根系發(fā)達，反硝化作用增強，有利于NO3--N的去除[26]；高水力負荷時，由于水交換加快，植物根系附近溶氧水平提升，不利于反硝化細菌脫氮，同時也可能造成脫氮細菌脫落。

與單一凈化功能區(qū)不同，本研究建立的養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)不同水力負荷間、不同功能區(qū)之間凈化效果存在交互作用。高水力負荷時，雖然具有較好的TN凈化效果，但長期高水力負荷運行會造成TN在某一凈化功能區(qū)的蓄積，反而降低了3個凈化功能區(qū)協(xié)同作用的效果，同時使得系統(tǒng)在應(yīng)對較高TN質(zhì)量濃度的養(yǎng)殖尾水排放時缺乏緩沖能力。從凈化效果考慮，養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)較理想的是中水力負荷。

3.2 不同水力負荷對TP凈化效果的影響

SFW對磷的去除主要通過物理沉降、基質(zhì)吸附和植物吸收。本研究中，低水力負荷時，水力停留時間較長，有利于植物對磷的吸收；中、高水力負荷對磷的去除差異不明顯，但兩者較低水力負荷差異較大，這可能與濕地筑壩分倉有關(guān)，微地形可使流速、流向、流深發(fā)生變化[27]。當水力負荷較低時，壩體導(dǎo)致的水力分布改變有利于磷的沉降，水力負荷升高后，水力停留時間變短，微地形影響因素減弱，中、高水力負荷時，TP去除率表現(xiàn)與Persson等[28]的研究結(jié)果相似，在一定范圍內(nèi)的水力負荷變化對TP去除率影響較小。

PP1對磷的去除主要通過物理沉降。本研究中，水力負荷較低時，磷的沉降較明顯，當水力負荷升高到一定程度，磷的去除率表現(xiàn)較為穩(wěn)定。

本研究中，PP2對磷的去除主要分2個階段，第一是養(yǎng)殖尾水進入PP2時，顆粒態(tài)磷吸附沉降使TP下降，這一階段受水力負荷影響較大，較低的水力負荷有利于磷的吸附沉降；第二是經(jīng)過PP2沿程后端1/2面積的水葫蘆、空心菜種植區(qū)，水葫蘆，空心菜對TP有明顯的凈化效果，該階段磷的去除主要通過植物吸收和微生物同化作用[29-30]。中、低水力負荷范圍內(nèi)，TP去除率相對穩(wěn)定，高水力負荷時TP去除率下降明顯，說明中、低水力負荷時，PP2中2個階段磷的去除能較好地協(xié)同，但高水力負荷對2個階段磷的去除均有明顯的負面影響。

本研究中，隨水力負荷的變化，各凈化功能區(qū)對TP的凈化效果與TN略有差異，水力負荷的變化并未導(dǎo)致某一凈化功能區(qū)TP凈化效果明顯下降并影響下一級凈化功能區(qū)。僅就TP的凈化效果考慮，養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)可以中、高水力負荷運行。

3.3 養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)運行策略優(yōu)化

本研究中，不同水力負荷下PP2對TN、TP的凈化效果，與凌禎等[17]和梁康等[31]的研究結(jié)果相似。由于PP2對TN、TP的凈化效果顯著，在運行策略上，提出2種設(shè)想有待今后深入研究。(1)現(xiàn)有凈化功能區(qū)結(jié)構(gòu)不改變的前提下，提高養(yǎng)殖池塘尾水排放流量，并在原凈化流程不變的基礎(chǔ)上，將池塘養(yǎng)殖尾水適當分流直接進入PP2，在維持SFW和PP2水力負荷不變、保證這2個凈化功能區(qū)凈化效果的基礎(chǔ)上，提高PP2的水力負荷，使其匹配理論最佳的水力負荷與去除率水平。(2)在養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)總面積不變的基礎(chǔ)上，優(yōu)化內(nèi)部功能區(qū)結(jié)構(gòu)，調(diào)整SFW、PP1、PP2面積比為1∶6∶3。即減少PP2面積，提高水力負荷，使其適配理論最佳水力負荷和最佳TN、TP去除率；增加PP1面積可以降低其中的水力負荷，有利于提高TN、TP在PP1的去除效果，同時該區(qū)域中放養(yǎng)經(jīng)濟型水生動物數(shù)量可適當增加，進而提高經(jīng)濟效益。

本研究建立的池塘養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)雖然各個凈化功能區(qū)的抗負荷能力不同，但整體的抗負荷能力和凈化效果穩(wěn)定性尚可。與單一凈化功能區(qū)可選擇最佳水力負荷運行不同，多凈化功能區(qū)適合在綜合評價各凈化功能區(qū)水力參數(shù)影響凈化效果的基礎(chǔ)上，建立適宜的系統(tǒng)運行策略。規(guī)模化水產(chǎn)養(yǎng)殖場池塘養(yǎng)殖尾水的水質(zhì)因養(yǎng)殖階段、養(yǎng)殖品種表現(xiàn)出較大的差異性，綜合考慮多種因素，養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)保守型運行策略為中水力負荷(0.023 m/d)運行，以最佳性能發(fā)揮各凈化功能區(qū)的凈化能力。優(yōu)化型運行策略為在監(jiān)測掌握池塘養(yǎng)殖尾水水質(zhì)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，選擇個性化策略的運行水力負荷，如針對池塘低濃度污染物尾水，采用高水力負荷運行，針對高濃度污染物尾水，采用低水力負荷運行，以此實現(xiàn)污染物總量去除的最優(yōu)化。

4 結(jié) 論

養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)中TN、TP質(zhì)量濃度在各級沿程、不同水力負荷間存在顯著性差異，且沿程與水力負荷存在交互作用，TN、TP質(zhì)量濃度隨各級沿程的變化趨勢受水力負荷的影響。

隨水力負荷的增加，系統(tǒng)整體對TN和TP的去除率均呈線性下降(TN去除率由低水力負荷時的57%下降為高水力負荷時的23%，TP去除率由低水力負荷時的70%下降為高水力負荷時的46%)。隨水力負荷的增加，二級凈化池塘PP2在系統(tǒng)各凈化功能區(qū)中對養(yǎng)殖尾水TN凈化效果的貢獻度由低水力負荷時的22%逐漸增大至高水力負荷時的93%。

二級凈化池塘PP2可優(yōu)化獲得最佳水力負荷(約0.075 m/d)，對應(yīng)TN、TP質(zhì)量濃度最佳去除率均為28%，現(xiàn)行二級凈化池塘水力負荷可提高約30%。

當養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)以不同水力負荷運行時，TN去除總量最大的是中水力負荷，其次是低水力負荷;TP去除總量最大的是高水力負荷，其次是中水力負荷。

多凈化功能區(qū)組合的養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)宜建立基于優(yōu)化水力參數(shù)的運行策略。就本養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)而言，若發(fā)揮各凈化功能區(qū)最佳凈化性能，宜采用中水力負荷(0.023 m/d)運行；若以污染物去除總量最優(yōu)化為目的，需根據(jù)養(yǎng)殖池塘排放尾水的水質(zhì)狀況建立個性化運行策略。

DOI：10.12024/jsou.20200402987.

DOI：10.12024/jsou.20200402987.

DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2021-097.

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DOI：10.13254/j.jare.2020.0499.

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