復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖試驗

丁子元，郝 俊，崔寬寬，張丹娜，任涵瑋，李 灝

（1.天津市水產(chǎn)研究所，天津 300221；2.天津市農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心，天津 300193；3.天津市農(nóng)村社會事業(yè)發(fā)展服務中心，天津 300384）

復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖是基于人工濕地的設(shè)計理念，結(jié)合本地區(qū)養(yǎng)殖環(huán)境特點以及養(yǎng)殖場區(qū)現(xiàn)有環(huán)境條件，通過設(shè)置控制單元、沉淀功能區(qū)、凈化功能區(qū)、集氧功能區(qū)等形成自流控制體系[1]，利用基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用[2-3]，對養(yǎng)殖尾水進行凈化和生態(tài)循環(huán)利用[4]，遵循了低碳經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展原則，是一種集景觀、增效、提質(zhì)、生態(tài)等多方面功能于一體的現(xiàn)代綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展新模式[5]。筆者通過對復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖模式構(gòu)建的初步探索，旨在為天津地區(qū)養(yǎng)殖尾水處理提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)、為天津市多措并舉加快推進漁業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地點和養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)成

試驗在天津市濱海新區(qū)海通江洋水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社進行，該試驗地位于天津市濱海新區(qū)漢港公路西側(cè)。試驗養(yǎng)殖系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖區(qū)、沉淀功能區(qū)、凈化功能區(qū)、集氧功能區(qū)組成（圖1）。養(yǎng)殖區(qū)排出的養(yǎng)殖尾水通過控制單元進入沉淀功能區(qū)，經(jīng)生態(tài)溝過濾凈化的養(yǎng)殖尾水通過水泵提水到高位沉淀池中進行沉淀處理，利用水位差形成自流控制體系。由沉淀功能區(qū)處理的養(yǎng)殖尾水進入凈化功能區(qū)、集氧功能區(qū)，經(jīng)沉淀、凈化、集氧處理后再次進入到養(yǎng)殖區(qū)，形成復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)。

圖1 復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)示意圖

1.2 養(yǎng)殖循環(huán)模式的構(gòu)建

1.2.1 養(yǎng)殖區(qū) 養(yǎng)殖區(qū)面積為1 200 m2，由12個面積為100 m2的方形水泥池組成。養(yǎng)殖池長10 m，池高1.5 m，水深1.2 m，池底呈鍋底形，池底向中心坡度為5°，使用中央排污方式，便于污物及時排出，保持池底清潔。單獨養(yǎng)殖南美白對蝦（Litopenaeus vannamei）的養(yǎng)殖區(qū)，在池塘排水口處設(shè)置集污裝置，防止對蝦蛻殼堵塞排水管道。

1.2.2 沉淀功能區(qū) 沉淀功能區(qū)面積為300 m2，由生態(tài)溝和沉淀池組成。其中，生態(tài)溝面積150 m2，呈L形，長邊40 m，短邊13 m，寬3 m，橫斷面為梯形，呈上寬下窄形，上底3 m，下底1.5 m。生態(tài)溝種植蘆葦（Phragmites australis），覆蓋面約60%，生態(tài)溝利用蘆葦形成小型“蘆葦濕地”環(huán)境，通過“蘆葦濕地”可以攔截養(yǎng)殖區(qū)未能完全收集的對蝦蛻殼以及部分殘餌、對蝦糞便等，利用植物生長攝取養(yǎng)分的生物作用，吸收養(yǎng)殖尾水中的氮磷元素等，起到生物固定作用。生態(tài)溝進水時，延長低水位時間，直至蘆葦最大限度長出，待蘆葦長至20 cm時，開始逐步蓄水，蓄水高度不超過蘆葦頂部。

沉淀池面積150 m2，由3個圓柱形水泥池組成，直徑8 m，高2 m，內(nèi)設(shè)濾石、毛刷等，用于過濾水泵提水帶來的顆粒固體雜質(zhì)。沉淀池采用高位池設(shè)計，利用高位池產(chǎn)生的2 m水位差形成自流體系。

1.2.3 凈化功能區(qū) 凈化功能區(qū)面積為1 435 m2，由凈化池和水生植物培育區(qū)組成。其中，凈化池面積1 375 m2，長方形，長55 m，寬25 m，池高2.4 m，水深2.0 m。凈化池中設(shè)置植物浮床、人工基質(zhì)生物膜、濾食性魚類。植物浮床總面積7.68 m2，占整個凈化池水面的0.54 %，其中每塊浮床面積為0.32 m2（長0.8 m×寬0.4 m），共24塊浮床。每塊浮床種植蕹菜（Ipomoea aquatica）96株，24塊浮床共種植2 304株，用尼龍繩將24塊浮床串聯(lián)并固定在凈化池中。凈化池中放置人工基質(zhì)生物膜18片，每片面積為4.8 m2，寬3.2 m，高1.5 m，網(wǎng)孔6目，使用浮漂、墜子、尼龍繩將生物膜固定并懸掛于凈化池中。凈化池配備葉輪式增氧機1臺，功率3.0 kW，放養(yǎng)濾食性魚類鰱（Hypophthalmichthys molitrix）共計300尾、鳙（Hypophthalmichthys nobilis）共計100尾，每尾0.1 kg。

水生植物培育區(qū)面積60 m2，呈長方形，長10 m，寬6 m，內(nèi)設(shè)培育水生植物的玻璃缸圓桶6個，每個圓桶呈圓柱形，底部直徑2 m，高1.6 m。水生植物培育區(qū)主要用于培育凈化池中栽種的蕹菜，每個玻璃缸圓桶內(nèi)移栽500株，用于人工選取植株健壯、生根分蘗好、適應水生環(huán)境的植株進行移栽，防止長勢不好的植株影響凈水效果。

1.2.4 集氧功能區(qū) 集氧功能區(qū)面積為400 m2，由4個100 m2的正方形池組成。集氧池邊長10 m，池高1.5 m，水深1.2 m，配備微孔增氧設(shè)備1套，功率3.5 kW。經(jīng)沉淀區(qū)、凈化區(qū)的養(yǎng)殖尾水通過集氧功能區(qū)進行曝氣增氧處理。

1.2.5 控制單元 基于人工濕地的設(shè)計理念，模擬表面流人工濕地處理模式，使養(yǎng)殖尾水沿一定方向流動，利用土壤、植物、人工基質(zhì)、微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用，對養(yǎng)殖尾水進行處理。控制單元將水位的高度設(shè)置為沉淀池＞凈化池＞集氧池＞養(yǎng)殖池＞生態(tài)溝，使養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖尾水通過控制單元，利用水位差形成的自流體系進入生態(tài)溝中，再由沉淀池通過提水泵將生態(tài)溝中的養(yǎng)殖尾水提入到沉淀池中，然后通過控制單元，利用水位差形成的自流體系將沉淀池中的養(yǎng)殖尾水自流經(jīng)過凈化池、集氧池，最終循環(huán)回到養(yǎng)殖區(qū)。養(yǎng)殖區(qū)排出水流量控制在3～4 m3·h-1時，可使養(yǎng)殖區(qū)1 440 m3的水體15～20 d循環(huán)1次。

1.3 養(yǎng)殖管理

1.3.1 養(yǎng)殖模式 單獨養(yǎng)殖南美白對蝦可利用復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)，選擇大規(guī)格苗種養(yǎng)殖“大蝦”。

1.3.2 苗種放養(yǎng) 2018年5月20日，選擇附肢完整、游動力強、無病、對外界刺激反應敏感的南美白對蝦苗種，經(jīng)過試水后放養(yǎng)，放養(yǎng)蝦體長3 cm，放養(yǎng)規(guī)模為150尾·m-2。

1.3.3 餌料投喂 蝦苗入池后開始投喂蛋白含量在40 %以上的人工配合飼料，并添加保肝藥物、多糖類、益生菌。養(yǎng)殖前期投喂2次·d-1，分別在8：00、20：00進行投喂；養(yǎng)殖中期投喂3次·d-1，分別在8：00、20：00、24：00進行投喂；養(yǎng)殖后期投喂4次·d-1，分別在8：00、12：00、20：00、24：00進行投喂。每個養(yǎng)殖池設(shè)2個餌料臺觀察對蝦攝食情況，對蝦體長小于5 cm時，投喂量占體質(zhì)量的8%～10%；對蝦體長5～8 cm時，投喂量占體質(zhì)量的6%～8%；對蝦體長8 cm以上時，投喂量占體質(zhì)量的4%～6%。白天少量投喂，占日投喂量的20%～30%；早晚多量投喂，占日投喂量的70%～80%。

1.3.4 水質(zhì)調(diào)控 利用復合人工凈水生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)進行水質(zhì)調(diào)控，定期使用本地區(qū)池塘分離擴培的光合細菌、乳酸菌、芽孢桿菌等有益菌進行水質(zhì)調(diào)節(jié)。

1.3.5 日常管理 養(yǎng)殖前期控制水流速度3 m3·h-1左右，使養(yǎng)殖區(qū)1 440 m3的水體在20 d左右可以循環(huán)1次。養(yǎng)殖中后期隨著投喂量的增加，殘餌、對蝦糞便增多，水質(zhì)變差，控制水流速度4 m3·h-1左右，使養(yǎng)殖區(qū)1 440 m3的水體15 d左右可以循環(huán)1次。每天定時巡查系統(tǒng)運行狀況，尤其在對蝦蛻殼期間，重點檢查排水管道，以防對蝦的蛻殼堵塞管道影響系統(tǒng)運行。

1.3.6 病害防治 堅持以“預防為主，防重于治”的原則，定期使用光合細菌、乳酸菌、芽孢桿菌等有益微生物菌進行水質(zhì)調(diào)節(jié)，一方面可以改善水質(zhì)，另一方面還可以達到生物防控病害的目的。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)變化情況

2.1.1 氨氮 養(yǎng)殖區(qū)出水口的氨氮濃度變化范圍為0.084 1～0.151 8 mg·L-1（圖2），隨著養(yǎng)殖時間的延長呈顯著上升趨勢，養(yǎng)殖前期的氨氮濃度與養(yǎng)殖后期差異極顯著（P＜0.01）。生態(tài)溝的氨氮濃度變化范圍為0.071 3～0.121 3mg·L-1，隨著養(yǎng)殖時間的延長呈波浪式上升趨勢，與養(yǎng)殖區(qū)出水口差異顯著（P＜0.05）。沉淀池的氨氮濃度變化范圍為0.064 4～0.129 3 mg·L-1，養(yǎng)殖前期呈波浪式上升趨勢，養(yǎng)殖中后期呈顯著上升趨勢且略高于同時期生態(tài)溝的氨氮濃度，與養(yǎng)殖區(qū)出水口的氨氮濃度差異不顯著（P＞0.05）。凈化池的氨氮濃度變化范圍為0.041 9～0.074 5 mg·L-1，隨著養(yǎng)殖時間的延長基本趨于穩(wěn)定，在養(yǎng)殖后期略有上升，與養(yǎng)殖出水口的氨氮濃度差異極顯著（P＜0.01）。

圖2 氨氮變化情況

2.1.2 亞硝酸鹽氮 養(yǎng)殖區(qū)出水口的亞硝酸鹽氮濃度變化范圍為0.008 9～0.015 8 mg·L-1（圖3），隨著養(yǎng)殖時間的延長呈逐漸上升趨勢，養(yǎng)殖前期的亞硝酸鹽氮濃度與養(yǎng)殖后期差異不顯著（P＞0.05）。生態(tài)溝的亞硝酸鹽氮濃度變化范圍為0.009 0～0.013 6 mg·L-1，隨著養(yǎng)殖時間的延長呈逐漸上升趨勢，與養(yǎng)殖區(qū)出水口的亞硝酸鹽氮濃度差異不顯著（P＞0.05）。沉淀池的亞硝酸鹽氮濃度變化范圍為0.016 3～0.052 9 mg·L-1，養(yǎng)殖前期基本趨于穩(wěn)定，養(yǎng)殖后期呈顯著上升趨勢，與養(yǎng)殖區(qū)出水口的亞硝酸鹽氮濃度差異極顯著（P＜0.01）。凈化池的亞硝酸鹽氮濃度變化范圍為0.004 3～0.011 7 mg·L-1，隨著養(yǎng)殖時間的延長呈逐漸上升趨勢，與養(yǎng)殖區(qū)出水口的亞硝酸鹽氮濃度差異顯著（P＜0.05）。

圖3 亞硝酸鹽氮變化情況

2.1.3 溶氧 養(yǎng)殖區(qū)出水口的溶氧濃度變化范圍為4.28～5.01 mg·L-1（圖4），隨著養(yǎng)殖時間的延長呈顯著下降趨勢，養(yǎng)殖前期的溶氧濃度與養(yǎng)殖后期差異顯著（P＜0.05）。生態(tài)溝的溶氧濃度變化范圍為4.76～4.96 mg·L-1，隨著養(yǎng)殖時間的延長基本趨于穩(wěn)定，在養(yǎng)殖后期略有上升，與養(yǎng)殖區(qū)出水口的溶氧濃度差異不顯著（P＞0.05）。沉淀池的溶氧濃度變化范圍為3.47～4.67 mg·L-1，隨著養(yǎng)殖時間的延長呈顯著下降趨勢，與養(yǎng)殖區(qū)出水口的溶氧濃度差異極顯著（P＜0.01）。凈化池的溶氧濃度變化范圍為4.98～5.35 mg·L-1，隨著養(yǎng)殖時間的延長基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，在養(yǎng)殖后期略有上升，與養(yǎng)殖區(qū)出水口的溶氧濃度差異極顯著（P＜0.01）。養(yǎng)殖區(qū)進水口的溶氧濃度變化范圍為8.04～9.66 mg·L-1，隨著養(yǎng)殖時間的延長呈顯著上升趨勢，與養(yǎng)殖區(qū)出水口的溶氧濃度差異極顯著（P＜0.01）。在養(yǎng)殖中后期耗氧量增大的情況下，通過延長曝氣時間，增加集氧功能區(qū)的曝氣增氧量，以確保養(yǎng)殖區(qū)溶氧濃度相對穩(wěn)定。

圖4 溶氧變化情況

2.2 氨氮與亞硝酸鹽氮去除率

氨氮去除率變化情況（圖5），7個不同養(yǎng)殖時期凈化池的氨氮去除率分別為養(yǎng)殖區(qū)出水口的50.16%、46.78%、53.21%、59.54%、59.38%、52.98%、50.95%，在養(yǎng)殖中期（7月份）達到最高值。

圖5 氨氮與亞硝酸鹽氮去除率（R）變化情況

亞硝酸鹽氮去除率變化情況（圖5），7個不同養(yǎng)殖時期凈化池的亞硝酸鹽氮去除率分別為養(yǎng)殖區(qū)出水口的51.69%、44.88%、42.02%、49.32%、34.68%、25.99%、25.79%，呈波浪式下降趨勢，在養(yǎng)殖后期（8月份）達到最低值。

2.3 效益分析

2.3.1 經(jīng)濟效益 試驗于2018年9月份開始出蝦，共收獲南美白對蝦3 950.08 kg，平均規(guī)格29.77尾·kg-1，平均銷售單價72元·kg-1，總產(chǎn)值28.44萬元，總投入金額17.80萬元，總利潤10.64萬元。按養(yǎng)殖面積1 200 m2計算，單位對蝦產(chǎn)量3.29 kg·m-2，利潤88.67元·m-2；按照整個復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)面積3 335 m2計算，單位對蝦產(chǎn)量1.18 kg·m-2，利潤31.90元·m-2。復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)與普通養(yǎng)殖池塘比較（普通養(yǎng)殖池塘按單產(chǎn)300 kg·667 m-2、利潤7 000元·667 m-2計算，即單位產(chǎn)量0.45 kg·m-2，利潤10.50元·m-2），單位面積新增對蝦產(chǎn)量0.73 kg·m-2，新增效益21.40元·m-2。

2.3.2 社會效益與生態(tài)效益 本次復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖試驗對氨氮和亞硝酸鹽氮凈化效果顯著，養(yǎng)殖中期（7月份）凈化池的氨氮去除率為養(yǎng)殖區(qū)出水口的59.54%；養(yǎng)殖前期（5月份）凈化池的亞硝酸鹽氮去除率為養(yǎng)殖區(qū)出水口的51.69%。復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)的建立可充分利用水域資源，有效改善養(yǎng)殖水質(zhì)，提高水體的自凈能力，實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水的循環(huán)利用，消除或減輕養(yǎng)殖尾水對水域環(huán)境造成的負面影響。復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖模式的應用，對天津市漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、解決制約天津市漁業(yè)養(yǎng)殖尾水凈化的瓶頸問題，提出了一種集景觀、增效、提質(zhì)、生態(tài)等多功能于一體的現(xiàn)代綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展新模式，具有顯著的社會效益與生態(tài)效益。

3 結(jié)論與討論

天津地區(qū)池塘養(yǎng)殖用水分為3種方式：一是進排水不分開。這種方式一般在春季一次性將池塘注水至養(yǎng)殖水位，養(yǎng)殖過程中不進水也不排水，采用有益細菌等進行調(diào)水，每年換水1次。這種方式因水質(zhì)條件所限，養(yǎng)殖單產(chǎn)較低。二是進排水分開。這種方式具備環(huán)溝，能夠進行簡單的水循環(huán)，溝渠內(nèi)一般栽植凈水植物，并套養(yǎng)一些貝類及凈水魚類。這種方式因具備一定的水處理功能，所以養(yǎng)殖單產(chǎn)有所提高。三是生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖。這種模式擁有循環(huán)水處理設(shè)備，一般被大型養(yǎng)殖企業(yè)或合作社采用。這種方式因具有較完善的水處理能力，所以養(yǎng)殖單產(chǎn)較高，但在商品魚市場價格低迷的情況下，使用循環(huán)水處理設(shè)備所提高的養(yǎng)殖產(chǎn)量不足以彌補設(shè)備運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的成本，故這種模式實際收效不佳。

復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖技術(shù)是基于人工濕地的設(shè)計理念，可根據(jù)場區(qū)養(yǎng)殖環(huán)境特點及場區(qū)現(xiàn)有環(huán)境條件，因地制宜構(gòu)建生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)，使更多普通養(yǎng)殖戶也可以掌握這種生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)。本次復合人工凈水生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖試驗取得成功，有效地改善了池塘水域環(huán)境，提高了養(yǎng)殖效益，從生態(tài)和經(jīng)濟角度為池塘生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖提供了發(fā)展思路。但本試驗從各個設(shè)施環(huán)節(jié)水質(zhì)變化的情況來看，沉淀池凈化氨氮及亞硝酸鹽氮的效果不佳，因此應定期清理沉淀池內(nèi)的沉淀物，適時檢查并更替附著的微生物，以防進入沉積池的殘餌、對蝦糞便等超出沉淀池的處理能力，造成氨氮和亞硝酸鹽氮含量升高，影響?zhàn)B殖系統(tǒng)凈水效果。