基于組合濕地構(gòu)建的池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)運行效果

柳 磊，陶 玲，代梨梨，彭 亮，李 谷

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)科學(xué)研究所，武漢430223；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京100081)

池塘養(yǎng)殖是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要生產(chǎn)方式之一。據(jù)《2021中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》，2020年我國池塘養(yǎng)殖總面積303.69萬公頃，占全國水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積的43.16%，池塘養(yǎng)殖總產(chǎn)量2 537.14萬噸，占全國水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量的48.57%[1]。然而高密度、高投餌、高換水的池塘養(yǎng)殖模式對養(yǎng)殖內(nèi)外環(huán)境均產(chǎn)生不良影響，環(huán)境污染成為制約水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要因素[2]。研發(fā)適于池塘養(yǎng)殖的尾水生態(tài)處理與循環(huán)利用技術(shù)，對減少污染物排放和改善養(yǎng)殖環(huán)境都具有重要意義。人工濕地水處理技術(shù)具有低投入、高效率和易維護等特點，已有的研究結(jié)果表明，其對于水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水具有良好的凈化效果[3-5]。池塘養(yǎng)殖尾水具有污染物濃度低、排放量大的特點，而已構(gòu)建的人工濕地大多采用較低水力負荷運行，需要占用較大的土地面積，在實際建造和運行中存在一定問題[6]。因此，構(gòu)建占地面積小、水力負荷大的人工濕地，并與養(yǎng)殖池塘結(jié)合形成人工濕地-池塘復(fù)合循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，可以達到減少廢水排放、節(jié)約水資源的目的。

本研究在課題組開展的《連續(xù)柱塞流構(gòu)建濕地設(shè)計及啟動運行效果》[7]研究的基礎(chǔ)上，將該組合濕地同養(yǎng)殖池塘有機結(jié)合，構(gòu)建了組合濕地-池塘復(fù)合循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。重點開展了高水力負荷工況下組合濕地凈化回用養(yǎng)殖尾水的運行效果以及系統(tǒng)氮、磷收支平衡研究，以期對這種生態(tài)養(yǎng)殖模式的進一步研究提供可借鑒的資料。

1 材料與方法

1.1 組合濕地-池塘復(fù)合循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建

試驗系統(tǒng)位于湖北省荊州市中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所窯灣試驗基地。養(yǎng)殖池塘占地面積400 m2，池深2.20 m，實驗期間維持水深1.60～1.80 m。組合濕地占地面積56 m2，依次由進水區(qū)、上行流濕地I區(qū)、匯水區(qū)、上行流濕地Ⅱ區(qū)和出水區(qū)組成(見圖1)。每個組成單元底層及兩側(cè)鋪設(shè)土工膜防滲，濕地基質(zhì)采用頁巖陶粒，上行流濕地I區(qū)和Ⅱ區(qū)分別種植花葉蘆竹(Arundodonax)和美人蕉(Cannaindica)。池塘取水處設(shè)前置區(qū)，前置區(qū)由一臺水泵和過濾池組成，過濾池面積9 m2組合濕地基本結(jié)構(gòu)參照孫瑞萌等[7]。

圖1 組合濕地結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the constructed wetland圖中箭頭表示水流方向。

1.2 系統(tǒng)運行和管理

組合濕地中試系統(tǒng)于2020年8月建成，隨后在低水力負荷0.58 m3/(m2·d)運行條件下開展了濕地系統(tǒng)在啟動運行階段對池塘養(yǎng)殖尾水處理效果的研究。本次試驗時間為2021年5-10月，其中，2021年7-10月池塘養(yǎng)殖尾水經(jīng)水力提升后進入組合濕地處理并循環(huán)利用，濕地系統(tǒng)采用間歇進水方式運行，每天平均運行4 h，陰雨天不運行，在池塘單日水交換量為10%時，組合濕地水力負荷達到5.54 m3/(m2·d)。

養(yǎng)殖池塘主養(yǎng)品種為黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)，初始體長(13.67±3.41) cm，平均體重(27.12±19.37) g，放養(yǎng)密度264.42 g/m2；配養(yǎng)白鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)80尾，初始體長(28.13±1.40)cm，平均體重(204.61±32.54) g，放養(yǎng)密度40.93 g/m2。同時選擇規(guī)格一致的常規(guī)養(yǎng)殖池塘作為對照塘，對照塘放養(yǎng)品種和數(shù)量與循環(huán)塘完全一致。養(yǎng)殖管理按常規(guī)方式進行。

1.3 樣品采集和分析方法

1.3.1 水樣采集及測定

為探討?zhàn)B殖尾水污染物濃度沿組合濕地流程的變化，水樣設(shè)置7個采樣點，分別為過濾池外側(cè)池塘區(qū)域、前置區(qū)、進水區(qū)、上行流Ⅰ區(qū)、匯水區(qū)、上行流Ⅱ區(qū)和出水口，運行期間每隔1 h采集各點水樣500 mL，測定后取平均值，每周采樣一次。同時在循環(huán)塘和對照塘各布置四個采樣點，分別位于池塘四周，循環(huán)塘采樣點避開濕地出水口，取混合水樣，重復(fù)采樣3次，采樣時間為8:30～9:30，魚苗放養(yǎng)后采集一次，系統(tǒng)運行期間采樣頻率與濕地一致?，F(xiàn)場用哈希HQ30d測定溶解氧(DO)和水溫(T)、用塞氏盤測定透明度(SD)；其它各項水質(zhì)指標的測定均按文獻[8]進行。試驗期間記錄降雨量和補水量，并測定氮、磷濃度。

1.3.2 底泥樣品采集及測定

養(yǎng)殖初始和結(jié)束分別用柱狀采泥器(d=4 cm)采集底泥樣品，采用5點采樣法，采樣深度為5 cm，取混合樣。樣品帶回實驗室風(fēng)干，過篩，參照文獻[9]用凱氏定氮法測定底泥總氮，用堿熔-鉬銻抗比色法測定底泥總磷。

1.3.3 飼料和魚樣采集及測定

準確記錄不同養(yǎng)殖時期飼料投喂量，采用凱氏定氮法(GB/T 6432-2018)和分光光度法(GB/T 6437-2018)分別測定飼料中總氮和總磷含量。在魚苗放養(yǎng)和收獲時分別采集黃顙魚魚樣，于60 ℃烘干，參照國家標準(GB/T 5009.5-2016和GB/T 5009.87-2016)測定魚體中氮、磷含量。實驗開始和結(jié)束時分別采集白鰱魚樣，按鄒清等[10]的方法計算魚體氮、磷含量。

1.4 計算方法

1.4.1 組合濕地凈化效果

采用百分比去除率和面積去除率。計算公式為：

百分比去除率=[(C0-Ci)/C0]×100%，

面積去除率(g/(m2·d))=[Q×(C0-Ci)]/A

式中：C0表示人工濕地進水污染物濃度；Ci表示人工濕地出水污染物濃度；Q為人工濕地流量；A為人工濕地面積。

1.4.2 池塘養(yǎng)殖效果

采用成活率、增重率、特定生長率和餌料系數(shù)等。計算公式為：

成活率=(St/S0)×100%，

增重率=[(Wt-W0)/W0]×100%，

特定生長率=[(lnWt-lnW0)/t]×100%，

飼料系數(shù)=FI/(Wt-W0)，

式中：St表示養(yǎng)殖t時間時成活的尾數(shù)；S0表示試驗開始時放養(yǎng)尾數(shù)；Wt表示養(yǎng)殖t時間時的體重(總重)；W0表示放養(yǎng)時的體重(總重)；FI表示投入的飼料重量。

1.4.3 氮磷收支的計算

漁獲物凈產(chǎn)量的總氮、磷量占飼料氮、磷輸入總量的比例稱作氮、磷的相對利用率，而漁獲物凈產(chǎn)量的總氮、磷量占池塘氮、磷輸入總量的比例稱作氮、磷的絕對利用率。采用物料平衡原理計算系統(tǒng)氮、磷收支。計算公式為：

氮磷相對利用率=(Fout-Fin)/FI×100%

氮磷絕對利用率=(Fout-Fin)/(Win+FI+Fin)×100%

Win+FI+Fin=Wout+Fout+S+CW+O

式中：Win表示通過池塘初始水體、補水以及雨水輸入的氮和磷；FI表示通過飼料投加輸入的氮和磷；Fin表示通過黃顙魚(白鰱)放養(yǎng)輸入的氮和磷；Wout表示通過池塘末期水體輸出的氮和磷；Fout表示通過黃顙魚(白鰱)收獲輸出的氮和磷；S表示通過沉積物蓄積輸出的氮和磷；CW表示通過人工濕地凈化輸出的氮和磷；O表示池塘通過其他形式輸出的氮和磷，主要包括氣體的揮發(fā)和水體滲漏等。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2019、SPSS 25.0和OriginPro 2021進行統(tǒng)計分析和圖表繪制，對組合濕地沿程水質(zhì)變化、組合濕地不同月份百分比去除率及養(yǎng)殖池塘水質(zhì)理化特征進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，以P<0.05為差異顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 沿組合濕地流程的主要水質(zhì)參數(shù)變化

沿組合濕地水流方向主要水質(zhì)參數(shù)變化見圖2。由圖2可知，溶氧(DO)平均濃度保持在(3.15±1.51) mg/L以上，經(jīng)過兩級上行流濕地后濃度均會明顯下降，但出水DO平均值達到(5.88±1.08) mg/L，較進水提高了21.24%；pH在流經(jīng)濕地過程中變化不明顯，經(jīng)過上行流濕地后pH小幅下降。

通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)(見表1)，組合濕地對TAN的百分比去除率和面積去除率分別為38.48%～78.37%和0.88～4.51 g/(m2·d)；TN的為11.17%～24.28%和1.66～2.79 g/(m2·d)；TP的為34.42%～51.37%和0.56～1.06 g/(m2·d)；COD的為22.17%～41.86%和13.53～24.43 g/(m2·d)；TSS的為53.25%～69.90%和173.01～239.61 g/(m2·d)。進一步分析可知，組合濕地對TAN的去除率呈前高后低的變化，10月份出現(xiàn)最低值，與其它月份差異顯著；TP、TSS的去除率均呈先上升后下降趨勢，最高去除率均出現(xiàn)在9月份，各月份之間無顯著性差異；TN去除率呈逐月下降趨勢，10月份出現(xiàn)最低值，與其它月份差異顯著；COD去除率在7月出現(xiàn)最大值，后續(xù)變化較為穩(wěn)定。

圖2 主要水質(zhì)參數(shù)的沿程變化Fig.2 Variations of main water quality parameters along the wetland圖中同一參數(shù)標不同字母表示在0.05水平上差異顯著

表1 組合濕地對養(yǎng)殖尾水處理效果Tab.1 Treatment performance of the constructed wetland on pond culture tail water(Mean±SD)

2.2 養(yǎng)殖期間池塘水質(zhì)動態(tài)變化及特征

由圖3和表2可知，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)運行期間，循環(huán)塘與對照塘DO、T、pH、SD、TSS等水質(zhì)參數(shù)動態(tài)變化趨勢基本一致，但循環(huán)塘SD、DO和pH的值顯著高于對照塘，TSS值明顯低于對照塘。

2.6 池塘養(yǎng)殖效果

由表3可知，對照塘黃顙魚成活率為93.56%，循環(huán)塘為99.58%，較對照塘提高6.43%；對照塘黃顙魚產(chǎn)量為358.70 kg，循環(huán)塘為391.38 kg，相較對照塘提高9.11%；對照塘黃顙魚增重率小于循環(huán)塘，特定生長率略高于循環(huán)塘，循環(huán)塘黃顙魚生長情況較好。對照塘飼料系數(shù)為1.95，循環(huán)塘為1.77，相較對照塘降低9.23%，循環(huán)塘飼料利用情況較好。

2.4 系統(tǒng)氮磷收支平衡

由表4可知，循環(huán)塘氮、磷相對利用率較對照塘分別提高10.68%、11.20%；循環(huán)塘氮、磷絕對利用率較對照塘分別提高11.06%、11.49%。

由表5可知，飼料是系統(tǒng)氮、磷輸入的主要途徑，養(yǎng)殖期間，對照塘投入飼料481.58 kg，循環(huán)塘投入飼料487.98 kg，分別占對照塘氮、磷輸入的88.07%、87.83%和循環(huán)塘氮、磷輸入的88.36%、88.09%；其次是魚苗，分別占對照塘氮、磷輸入的7.23%、6.77%和循環(huán)塘氮、磷輸入的7.15%、6.71%；養(yǎng)殖期間補水、初始水體、降水等在氮、磷輸入中占比較少。

沉積物底泥積累是氮、磷支出的主要項目，分別占對照塘氮、磷支出的59.65%、69.35%和循環(huán)塘氮、磷支出的54.92%、49.81%；其次是養(yǎng)殖生物的收獲，黃顙魚收獲分別占對照塘氮、磷支出的24.95%、18.82%和循環(huán)塘氮、磷支出的26.96%、20.33%；養(yǎng)殖末期水體分別占對照塘氮、磷支出的5.43%、3.71%和循環(huán)塘氮、磷支出的4.37%、2.64%。相較對照塘，循環(huán)塘黃顙魚在氮、磷支出中所占比例分別提高8.06%、8.02%，循環(huán)塘環(huán)境積累(水體+底泥沉積物)占氮、磷支出分別減少8.90%、28.21%。同對照塘相比，循環(huán)塘增加了組合濕地系統(tǒng)對氮、磷的支出，組合濕地在循環(huán)塘氮、磷支出中所占比例分別為7.71%、20.74%。

圖3 池塘水質(zhì)參數(shù)動態(tài)變化Fig.3 Variations of water quality parameters in the fishponds

表2 養(yǎng)殖期間池塘主要水質(zhì)理化特征Tab.2 Physical-chemical characteristics of water quality in the fishponds (Mean±SD)

表3 不同組別池塘魚類收獲情況Tab.3 Harvest information in different fishponds (Mean±SD)

表4 不同組別池塘黃顙魚氮、磷利用情況Tab.4 The nitrogen and phosphorus utilization rate of animals in different fishponds

表5 不同養(yǎng)殖池塘氮、磷收支估算Tab.5 Budgets of nitrogen and phosphorous in two systems

3 討論

3.1 組合濕地對養(yǎng)殖尾水凈化及調(diào)控池塘水質(zhì)分析

在此次試驗中，組合濕地對TAN、TN、TP、COD和TSS的面積去除率分別為0.88～4.51 g/(m2·d)、1.66～2.79 g/(m2·d)、0.56～1.06 g/(m2·d)、13.53～24.43 g/(m2·d)和173.01～239.61 g/(m2·d)。在李懷正等[6]的研究中，人工濕地對養(yǎng)殖尾水中TN、TP和TSS的面積去除率分別為1.80 g/(m2·d)、0.39 g/(m2·d)和117.58 g/(m2·d)。類似研究[14]表明人工濕地對TAN、COD、TP的最高面積去除率為0.22 g/(m2·d)、9.91 g/(m2·d)、0.63 g/(m2·d)。相較上述研究結(jié)果，本次構(gòu)建的組合濕地表現(xiàn)出良好的養(yǎng)殖尾水凈化效果。組合濕地出水DO平均值達到5.00 mg/L以上，其它各項水質(zhì)參數(shù)也都滿足漁業(yè)用水水質(zhì)標準。

3.2 復(fù)合循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)氮磷利用效率

養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)氮、磷收支及氮、磷的利用率常作為評價養(yǎng)殖模式優(yōu)劣的重要指標，并且氮磷收支可以量化養(yǎng)殖水體和底泥的潛在污染水平[15]。已有的研究表明，不同養(yǎng)殖種類和養(yǎng)殖模式下，氮、磷輸入的來源比例會有所差異，但飼料和肥料通常是氮、磷輸入的主要來源[16]。在孫云飛等[17]研究中，飼料分別占氮、磷輸入的85.54%～93.38%、82.60%～84.26%，與本次試驗差異較小。養(yǎng)殖生物也是氮、磷輸入的重要項目，在孫云飛等[17]的結(jié)果中，分別占氮、磷輸入的3.37%～9.07%、3.64%～5.63%，而在劉梅等[18]的研究中，分別占常規(guī)養(yǎng)殖模式氮、磷輸入的(0.50±0.04)%、(0.46±0.03)%，后者與本試驗差異較大，這主要是由于放養(yǎng)魚苗的種類和放養(yǎng)規(guī)格不同會使占比產(chǎn)生差異。循環(huán)塘和對照塘氮、磷輸入占比總體上比較一致，氮的輸入依次為：飼料>養(yǎng)殖生物>初水體>降水>補水，磷的輸入依次為：飼料>養(yǎng)殖生物>初水體>補水>降水。底泥沉積是池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)氮、磷支出的主要途徑，通常占總輸入量的50%以上，其次是收獲的養(yǎng)殖生物，一般占比也在20%左右[19]。本次試驗中，對照塘采取常規(guī)養(yǎng)殖模式，底泥和養(yǎng)殖生物分別占氮、磷支出的59.65%、69.35%和28.39%、24.35%，與以上結(jié)論較為一致。在循環(huán)水養(yǎng)殖模式中，組合濕地是系統(tǒng)新的氮、磷支出項目，同時，通過濕地系統(tǒng)凈化改善養(yǎng)殖環(huán)境，提高了養(yǎng)殖生物對氮、磷利用率，因此循環(huán)塘水體和底泥在氮、磷支出中所占比例低于對照池塘，減少了氮、磷在養(yǎng)殖池塘內(nèi)的積累，降低了內(nèi)源性污染水平，可進一步降低養(yǎng)殖尾水排放對外界水環(huán)境產(chǎn)生的負面影響。

4 結(jié)論

(3)組合濕地-池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)能提高氮、磷利用效率，氮、磷相對利用率分別提高10.68%、11.20%，絕對利用率分別提高11.06%、11.49%，減少了氮、磷在養(yǎng)殖環(huán)境中的積累，降低了尾水排放對受納水體的不利影響。