集排污時長對底排污池塘水質特征及排污效果的影響

高 攀，李曉東，李 林，程先友，劉 晶，胡建勇，郭 江

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水產(chǎn)科學研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北地區(qū)漁業(yè)資源環(huán)境科學觀測實驗站，烏魯木齊 830000；2.沙灣縣江豐水產(chǎn)養(yǎng)殖有限公司，新疆沙灣 832100)

池塘精養(yǎng)作為淡水池塘養(yǎng)殖的主要類型，其主要通過增加放養(yǎng)密度和配合飼料的投入量來提高養(yǎng)殖產(chǎn)量和效益，投入飼料中絕大部分未被利用的氮、磷在池塘中沉積與分解。由于池塘自身的封閉性，消除營養(yǎng)鹽和有機物以凈化自身的能力是有限的，一旦超過水體自凈能力，易造成養(yǎng)殖池塘水體富營養(yǎng)化，最終導致魚產(chǎn)力下降甚至影響水產(chǎn)品質量安全。精養(yǎng)過程中產(chǎn)生的殘餌、糞便大部分以底泥形式沉積于池塘中，其既是異養(yǎng)菌的資源庫，又是魚類細菌性疾病的病原庫，因而清除池塘底泥可有效改善水體環(huán)境和降低病害發(fā)生幾率。

池塘底排污技術是近年來發(fā)展的現(xiàn)代池塘節(jié)能減排技術之一，其利用池塘內(nèi)外水位差產(chǎn)生的水壓將池塘底部的廢棄物通過集污口自主排出養(yǎng)殖池塘，從而實現(xiàn)改善水質環(huán)境。目前，已在池塘底排污系統(tǒng)的工程建設、系統(tǒng)管理和運行效果等方面開展了較多的研究，張連英等分析了底排污技術要點及工程建設費用；張朝陽等對底排污系統(tǒng)構建及管理技術的研究顯示，池塘底排污系統(tǒng)可將飼料轉化利用率提高3%～5%，餌料系數(shù)降低0.1～0.2；蔣禮平等、羅燕對底排污池塘運行效益進行了分析，底排污池塘較傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式明顯地縮短了養(yǎng)殖周期，降低了生產(chǎn)成本；郭江濤等對底排污養(yǎng)殖池塘水體監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，總氮、總磷、化學需氧量均基本達到淡水池塘養(yǎng)殖水二級標準；張凱等研究發(fā)現(xiàn)，底排污系統(tǒng)降低了水體中氨氮和亞硝酸鹽氮水平，減少了水體中和尼羅羅非魚()體內(nèi)異味物質二甲基異莰醇和土臭素的累積。以往，池塘底排污系統(tǒng)主要根據(jù)排污時的污水顏色和臭味大致判斷排污間隔時間和排污時長，對底排污系統(tǒng)排出水體缺乏監(jiān)測與科學評價。本實驗通過分析不同集污時間對主養(yǎng)草魚()底排污池塘水質特征及排污效果的影響，科學評估底排污系統(tǒng)排出水體風險指標，以期為池塘底排污技術的科學規(guī)范化應用提供技術依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗地點

實驗地點位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣柳樹溝鎮(zhèn)，對照池塘和實驗池塘各1口，均為標準化養(yǎng)殖池塘，池塘呈長方形(長×寬×深為300 m×100 m×2.6 m)，池塘面積3 hm，池塘淤泥厚10 cm左右，池底坡度1.2%。池塘具備獨立進水設施，水源為地下深井水，周圍無污染源，水質符合GB 11607漁業(yè)水質標準。

1.2 實驗池塘改造

實驗池塘排污口位于池塘底部中心位置，為正方形(邊長為80 cm×80 cm)，排污口周圍呈15～30°的鍋底形，用混凝土固化面積80 m。排污口覆蓋攔魚用網(wǎng)格板，用直徑315 mm PVC排污管與安置排污出口抽插開關的排污豎井連通。池塘排污口與豎井內(nèi)出污口的距離為160 m，坡度為1%。詳見圖1。

圖1 池塘底排污結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of sewage discharge structure at the bottom sewage pond

1.3 實驗魚放養(yǎng)

對照池塘和實驗池塘投放同一批次魚種，投放時間為4月27日，魚種投放前用質量濃度1.5% NaCl溶液浸泡10 min，池塘投放魚種的規(guī)格和數(shù)量為草魚80～96 g/尾、15 000 尾/hm，松浦鏡鯉(Songpu)92～110 g/尾、750 尾/hm，異育銀鯽()36～56 g/尾、1 500 尾/hm，鰱()120～156 g/尾、3 000 尾/hm，鳙()106～143 g/尾、1 000 尾/hm。魚種下塘后逐漸加注新水，10 d內(nèi)加水至池塘最深水位2.2 m。

1.4 養(yǎng)殖管理

在對照池塘和實驗池塘中心位置架設風送投餌機，投餌半徑15 m。養(yǎng)殖飼料均選用粗蛋白含量30%、粗脂肪含量5%、磷含量1%的草魚專用配合飼料，每天投喂3次，每次45 min左右，根據(jù)魚體生長、攝食和天氣情況，及時調(diào)整投食量。養(yǎng)殖期間利用池塘水質智能監(jiān)控系統(tǒng)對水體溶氧、pH值等水質參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)控管理。

在養(yǎng)殖周期內(nèi)，對照池塘不施用水質調(diào)節(jié)劑，不排水換水，僅每次集污試驗結束后補充因蒸發(fā)和滲漏損失的水以保持池塘水位穩(wěn)定，每次補水1 d內(nèi)完成。試驗池塘正式試驗開始前每天排污一次，每次排污時間15 min，排出污水沉積6 h后打開排污井閥門，將上清液排入配套水處理設施，沉積物作為農(nóng)作物的有機肥。

1.5 水樣采集與水質指標測定

在對照池塘和實驗池塘的4個池角和池中央設采樣點，分別于5月19日、6月22日、7月21日、8月25日和9月28日取采樣點距水面50 cm深處的水體，混合均勻后取水樣。

設計集污24、48、72、120、240 h共5個時間梯度，分別收集排污閘門打開后出污口第1、2、3、5、10、15 min和排污結束時排污井內(nèi)水樣，并同期采集池塘排污口正上方距水面0.5、1.8 m深處的水體。在每個集污時間梯度水樣采集完成后，每天持續(xù)排污15 min連續(xù)排污5 d后開始下一集污時間梯度的試驗。水樣的采集、貯存、運輸和處理具體參照GB/T12999-91，總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-1989)，總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-1989)，氨氮采用納氏試劑比色法(GB7479-1987)，化學需氧量采用高錳酸鉀法(GB/T11892-1989)，硫化物采用亞甲藍分光光度法(SL89-1994)，濁度采用分光光度法(GB/T13200-1991)測定。

選取對水質影響較大的5個主要因子(總氮、總磷、氨氮、化學需氧量、硫化物)作為評價指標，按徐祖信提出的方法，計算各水質指標單因子水質標識指數(shù)和綜合水質標識指數(shù)值。按照地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)和淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求(SC/T 9101-2007)對池塘養(yǎng)殖水體和底排污系統(tǒng)排出水體進行水質評價。

1.6 生長性能的測定

池塘于10月15日排水，次日進行拉網(wǎng)捕撈與分揀，記錄池塘各品種漁獲物總重，打樣計算平均規(guī)格，計算池塘吃食性魚類(草魚、松浦鏡鯉和異育銀鯽)飼料系數(shù)、總飼料系數(shù)。

吃食性魚類飼料系數(shù)=/(-)

總飼料系數(shù)=/(-)

式中，為投喂飼料重量(kg)；為漁獲物中草魚、松浦鏡鯉和異育銀鯽的總重(kg)；為放養(yǎng)草魚、松浦鏡鯉和異育銀鯽的總重(kg)；為漁獲物總重(kg)；為放養(yǎng)魚總重(kg)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，試驗結果用平均數(shù)±標準差表示，當處理之間差異顯著(<0.05)時，用Duncan檢驗進行多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 生長性能

養(yǎng)殖魚類收獲規(guī)格及生長性能見表1。經(jīng)過歷時170 d養(yǎng)殖，實驗池塘吃食性魚類的末體重、增重率高于對照池塘，濾食性魚類(鰱和鳙)的末體重、增重率低于對照池塘，但均無顯著性差異。試驗池塘與對照池塘的吃食性魚類飼料系數(shù)分別為1.67、1.71，總飼料系數(shù)分別為1.43、1.46，試驗池塘均略低于對照池塘。

表1 養(yǎng)殖魚類收獲規(guī)格及生長性能Tab.1 Size and growth performance of fish reared in the ponds

2.2 池塘水體水質參數(shù)動態(tài)變化、評價及營養(yǎng)等級

如圖1所示，隨著養(yǎng)殖時間的延長，對照池塘水體中總氮、總磷、氨氮、化學需氧量、硫化物含量呈顯著上升趨勢，于8月25日后維持在較高水平；而實驗池塘各水質參數(shù)呈緩慢上升趨勢，于7月21日后維持在較低水平。實驗池塘總氮、氨氮、化學需氧量、硫化物從7月21日起顯著低于對照池塘，總磷含量僅8月25日顯著低于對照池塘。

養(yǎng)殖池塘水質評價及污染等級見表2。隨著養(yǎng)殖時間的延長，池塘水體單因子水質標識指數(shù)(總氮、總磷、氨氮、化學需氧量、硫化物)、綜合水質標識指數(shù)均呈上升趨勢，對照池塘高于實驗池塘。綜合分析顯示，對照池塘和實驗池塘的單因子水質標識指數(shù)均為硫化物最低、其次為氨氮，總磷最高。

2.3 不同集污時間下底排污系統(tǒng)排出水體水質的動態(tài)監(jiān)測

不同集污時間對底排污系統(tǒng)排出水體水質的影響見表3。實驗池塘表層、底層水體總氮、總磷、氨氮、化學需氧量、硫化物、濁度的變化趨勢存在一致性，即水體的底層顯著高于表層。隨著集污時間的延長，各項水質指標濃度逐漸升高，其中總氮、總磷、硫化物、濁度在集污240 h時顯著高于集污24 h，氨氮、化學需氧量在集污72 h后顯著高于24 h。

表3 不同集污時間對底排污系統(tǒng)排出水體水質的影響Tab.3 Influence of different collection time on water quality of bottom sewage system

隨著排污時間的延長，各集污時間組底排污水體的總氮、總磷、氨氮、化學需氧量、硫化物、濁度均呈下降趨勢，其中集污24～72、120、240 h的總氮含量在排污5、10、15 min時低于底層水體；各集污時間組總磷含量在排污15 min時均下降至與底層水體無顯著性差異；集污24～72 h和120～240 h的氨氮含量分別在排污3、5 min時下降至介于表層和底層之間；集污24、48～120、240 h的化學需氧量含量分別在排污5、10、15 min時下降至與底層水體無顯著性差異；集污24～48、72、120 h的硫化物含量分別在排污5、10、15 min時降至底層水體以下，集污240 h在排污15 min時仍高于底層水體，但無顯著性差異；集污24～48、72、120～240 h的濁度分別在排污3、10、15 min時優(yōu)于底層水體。

圖2 養(yǎng)殖池塘水體水質參數(shù)動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of water quality parameters in aquaculture ponds圖中標有不同小寫字母表示同處理組不同時期差異顯著(P<0.05)，大寫字母表示同時期不同處理組差異顯著(P<0.05)。

水質指標日期05-1906-2207-2108-2509-28總氮3.104.305.916.726.52單因子水質標識指數(shù)總磷6.126.827.427.727.42氨氮1.502.603.203.603.60對照池塘化學需氧量1.904.205.716.226.12硫化物1.401.601.801.901.90綜合水質標識指數(shù)2.8013.9014.8035.2035.103綜合營養(yǎng)類型II類III類IV類V類V類總氮3.104.104.204.504.80單因子水質標識指數(shù)總磷6.126.927.027.027.22氨氮1.402.502.903.003.00試驗池塘化學需氧量1.904.405.115.315.41硫化物1.301.601.601.601.70綜合水質標識指數(shù)2.8013.9014.2024.3024.402綜合營養(yǎng)類型II類III類IV類IV類IV類

2.4 不同集污時間下底排污系統(tǒng)排出水體的水質評價

底排污系統(tǒng)排出水體的水質評價見表4。隨著集污時間的延長，各集污時間下底排污系統(tǒng)運行15 min內(nèi)排出混合水體的總氮、總磷、氨氮、化學需氧量、硫化物、濁度的平均值呈升高趨勢，其中集污時間24 h較240 h分別低40.14%、30.91%、46.91%、72.83%、67.58%、78.19%。

表4 底排污系統(tǒng)排出水體的水質評價Tab.4 Water quality evaluation of bottom drainage system

以地表水環(huán)境質量標準評價，底排污系統(tǒng)集污24～120 h后排出水體綜合污染指數(shù)達到V類水標準，集污240 h后排出水體綜合污染指數(shù)劣于V類水標準；各集污時間組排出水體的單因子水質標識指數(shù)中氨氮、硫化物介于地表水環(huán)境質量標準II～III類；除集污24 h實驗組的總氮外，其余各組總氮、總磷、化學需氧量均劣于地表水環(huán)境質量標準V類水。以《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》評價，底排污系統(tǒng)集污24～72 h后排出水體綜合污染指數(shù)達到二級標準，集污120～240 h后劣于二級標準，主要超標因子為總磷、化學需氧量。

3 討論

3.1 池塘水質變化、評價及營養(yǎng)等級

隨著養(yǎng)殖周期的增加，淡水精養(yǎng)池塘內(nèi)殘餌和魚類排泄物大量積累，極易導致水體中營養(yǎng)鹽質量濃度升高，甚至超過《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》二級標準。本實驗結果也顯示，養(yǎng)殖中后期(6月22日～9月28日)，池塘水體的總氮、總磷、氨氮、化學需氧量、硫化物含量較養(yǎng)殖初期顯著性升高；至試驗結束(9月28日)，對照池塘和實驗池塘的水質參數(shù)較養(yǎng)殖初期分別升高126%～465%、96%～146%，其中，化學需氧量超過《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》二級標準，超標倍數(shù)分別為0.73倍、0.37倍。

目前，現(xiàn)有的綜合水質評價方法主要用于對河流、湖泊等水體水質的營養(yǎng)類型和營養(yǎng)狀態(tài)評價，尚無公認的針對養(yǎng)殖池塘水質的評價標準與方法，也沒有統(tǒng)一的養(yǎng)殖池塘氮、磷營養(yǎng)水平限定標準。本實驗采用單因子水質標識指數(shù)和綜合污染指數(shù)法，以地表水環(huán)境質量標準為判定值，評價一個養(yǎng)殖周期內(nèi)池塘水質富營養(yǎng)化狀況。綜合分析發(fā)現(xiàn)，對照池塘和實驗池塘的營養(yǎng)類型由養(yǎng)殖初期的Ⅱ類上升至養(yǎng)殖中后期的Ⅳ～Ⅴ類，其中總氮、總磷是導致水體富營養(yǎng)化的主要影響因子。此外，水體化學需氧量的水質標識指數(shù)也偏高，表明池塘水體中存在較多的還原性有機質，需加強監(jiān)測因有機質氧化可能導致的水體溶氧變化。本實驗采用地表水環(huán)境質量標準來評價池塘水質，忽略了池塘養(yǎng)殖水體和地表水體功能的差異，因為與河流、湖泊等自然水域的功能不同，養(yǎng)殖池塘水體中氮、磷及懸浮物等物質是浮游動植物、魚類生長必需的營養(yǎng)物質，可能導致高估氮、磷對池塘水質的污染程度。

分析對照池塘的水質變化規(guī)律，各水質參數(shù)均在8月25日達最高值后略有下降，不同于珠江三角洲基塘高密度混養(yǎng)池塘和上海市淡水養(yǎng)殖池塘水質變化情況，這可能與養(yǎng)殖后期(8月25日～9月26日)池塘水溫降低，魚類攝食強度下降和活動量減少，池塘底泥的吸附沉淀作用大于擴散作用有關。

3.2 底排污系統(tǒng)排出水體水質的動態(tài)監(jiān)測

傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的殘餌、糞便是養(yǎng)殖環(huán)境中氮、磷及有機質污染負荷的主要存在形式，是影響池塘水體中氮、磷含量變化的主要因素，這類有機物大部分以底泥形式沉積于池塘中，因而清除池塘底泥可有效減少池塘水體水質調(diào)控壓力。通過對底排污系統(tǒng)運行排水水體水質的動態(tài)監(jiān)測分析，底排污系統(tǒng)排出水體中含高濃度有機物、還原性物質等成分，排污峰值濃度達到池塘底層水體的2～5倍水平，表明通過排污可降低池塘有機物和還原性物質含量。

由于水體中光照度、浮游植物豐度、光合作用產(chǎn)氧速率、呼吸作用耗氧速率的垂直差異及底泥營養(yǎng)鹽釋放等綜合作用所致，池塘里水質指標呈垂直變化規(guī)律，底層水體的營養(yǎng)鹽、有機質濃度往往高于表層水體。本實驗池塘水體中總氮、總磷、氨氮、化學需氧量、硫化物的變化趨勢也表現(xiàn)出相似特點。池塘底排污系統(tǒng)排出的為殘餌、糞便與底層水體的混合物，因而，通過池塘水質變化情況及排污口水質與池塘底層水體是否無顯著差異來決定集污時間和單次排污時長更為準確。本實驗研究顯示，在不同的集污時長下，排污的污染物濃度等存在較大差異，本實驗系統(tǒng)每隔1～3 d排污1次，每次排污10 min，可有效改善池塘養(yǎng)殖水體水質環(huán)境。

3.3 底排污系統(tǒng)排出水體對周邊環(huán)境的影響

水產(chǎn)養(yǎng)殖對周圍水環(huán)境的主要污染物是排出廢水中的磷、氮營養(yǎng)鹽和懸浮顆粒物。本實驗中，雖然集污24～120 h時底排污系統(tǒng)排出水體的水質綜合污染指數(shù)達到地表水環(huán)境質量V類水標準，但除集污24 h組的總氮外，其余各集污時間組的總氮、總磷、化學需氧量均劣于V類水標準；集污120～240 h時水體劣于《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》二級標準，總磷、化學需氧量為主要超標因子，這與太湖流域、環(huán)杭州灣的精養(yǎng)池塘水質情況相類似。因此，池塘底排污系統(tǒng)應建設污水收集、處理配套設施，以避免直接排放對周邊環(huán)境造成不良影響。