草魚池塘養(yǎng)殖水體的懸浮物特征

陳 哲,劉興國,程翔宇,張 旺,程果鋒,肖述文

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海 200092;2上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,上海 201306 )

SS通常具有廣泛的粒徑范圍[18],養(yǎng)殖池塘中SS的粒徑范圍一般在200 μm以下。每個養(yǎng)殖系統(tǒng)的SS的粒徑分布可能都有不同,這使得針對不同類型排出的廢水中SS的懸浮顆粒物的粒徑分布(PSD)詳細(xì)研究了解更為重要[19-20]。對于固體懸浮物去除系統(tǒng),SS的PSD決定了整體去除效率[21]。養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控與尾水治理是近年來內(nèi)陸水產(chǎn)養(yǎng)殖所面臨的主要問題,國內(nèi)外針對養(yǎng)殖水體研究主要集中在對養(yǎng)殖尾水的處理技術(shù)[22]上,對養(yǎng)殖池塘水體中SS沉降規(guī)律及水質(zhì)變化情況的研究報道較少,研究草魚池塘水體靜沉降下SS及水質(zhì)變化情況有利于了解SS具體特性,以期為后續(xù)開發(fā)設(shè)計針對草魚養(yǎng)殖水體SS去除系統(tǒng)提供具體理論依據(jù),因此研究草魚池塘養(yǎng)殖水體靜沉降特性至關(guān)重要。

本研究以草魚養(yǎng)殖池塘水體為研究對象,通過對水體的靜沉降,測定不同水層、不同沉降時間下SS含量、粒度分布情況及水質(zhì)指標(biāo)變化情況,研究草魚養(yǎng)殖池塘水體的靜沉降規(guī)律及其粒徑變化情況,旨在為草魚養(yǎng)殖池塘水質(zhì)調(diào)控及新型養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗池塘

在上海市松江區(qū)三泖水產(chǎn)養(yǎng)殖場(30°57′1.89″N,121°08′52.21″E),選取典型草魚養(yǎng)殖池塘進(jìn)行試驗。池塘面積100 m×50 m,平均水深1.6 m,水面面積0.47 hm2,塘內(nèi)養(yǎng)殖草魚4 000～4 100尾。

1.2 試驗裝置及取樣

沉降裝置高約為195 mm,直徑為138 mm,使用5 L采水器對草魚養(yǎng)殖池塘水體上、中、下層水體進(jìn)行取樣,將各層水樣混勻,分裝于15個沉降裝置中,靜止放置同時開始計時。采樣時采用虹吸法吸取杯內(nèi)上層(A層)及下層(B層)水體(水層上部1 cm深度為A層,水層底部沉積物上方1 cm為B層),盡量不擾動水體,每次取3個平行,共6次取樣。采樣時間為0 min、30 min、60 min、90 min、120 min、150 min。本研究共進(jìn)行2次試驗,第一次沉降試驗進(jìn)行于2022年10月份,第二次沉降試驗進(jìn)行于2022年11月份。

1.3 測定內(nèi)容及分析方法

SS粒徑分布:BT-9300SE激光粒度儀,儀器的測定范圍為0.1～1 000 μm,測定懸浮顆粒物的體積分布及數(shù)量分布。SS粒徑體積分布的表示方法有累積體積分布和區(qū)間體積分布。

SS質(zhì)量測定:采用超微量電子天平稱重(精度至0.0001 g)。

SS質(zhì)量濃度測定:在100～105 ℃將Whatman GF/F玻璃纖維濾膜烘干(2 h以上),質(zhì)量為A1(mg),用該濾膜抽濾體積為V(L)后,在100～105 ℃烘干4 h,冷卻后質(zhì)量為A2(mg),再將濾膜在550 ℃下灼燒2 h,冷卻后稱重質(zhì)量為A3(mg),根據(jù)下式計算SS 的質(zhì)量濃度:

ρ=(A2-A1)/V

(1)

顆粒有機物(POM)質(zhì)量濃度為:

ρPOM=(A2-A3)/V

(2)

根據(jù)SS質(zhì)量濃度的變化,根據(jù)下式計算出SS去除率:

E=(C0-C1)/C0

(3)

式中:E為懸浮顆粒物去除率,%;C1為不同時間懸浮顆粒物質(zhì)量濃度,mg/L;C0為原始水樣中懸浮顆粒物質(zhì)量濃度,mg/L。

總氮(TN)測定采用國標(biāo)法(GB 11894—1989)[23];總磷(TP)測定采用國標(biāo)法(GB 11893—1989)[23]。

2 結(jié)果

2.1 SS質(zhì)量濃度及沉降率變化

SS變化情況如圖1所示。

注:Ⅰ表示第一組沉降試驗,Ⅱ表示第二組沉降試驗;標(biāo)有不同小寫英文字母者表示同一取樣時間不同取樣深度之間有顯

為消除誤差,共進(jìn)行兩次靜沉降試驗,水體中SS的初始質(zhì)量濃度分別為113 mg/L、163.40 mg/L。結(jié)果顯示,SS的初始質(zhì)量濃度不一樣時,其沉降速率和沉降規(guī)律也存在差異。隨著靜沉降時間的延長,不同深度的水樣中SS的質(zhì)量濃度均呈整體下降趨勢, SS沉降率均隨時間延長而顯著升高,并在120 min后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。處于A層的SS的質(zhì)量濃度下降幅度較B層下降的更為明顯,SS沉降率更大,30 min時 ,A層SS的質(zhì)量濃度與B層有顯著性差異(P<0.05)。150 min后,第一次試驗中A層和B層SS的質(zhì)量濃度差異為7.63 mg/L,第二次試驗中為51.97 mg/L。沉降時間在150 min時,第一次靜沉降試驗中A層SS去除率達(dá)到60%,B層SS去除率達(dá)到50%,第二次試驗中A層SS去除率超過60%,B層水樣為33.17%。

2.2 SS的粒徑分布及變化

靜沉降試驗中的SS粒徑體積的區(qū)間百分比分布之間的比較如圖2所示。

圖2 不同深度懸浮顆粒物粒徑分布(體積分布)隨時間變化情況

雖然兩組試驗中原始水樣的SS和粒徑分布有一定的差異,但其水體在靜沉降過程中粒徑的體積分布變化具有一定規(guī)律性。隨著靜沉降時間的增加,粒徑較大的SS逐漸向底部沉積,小粒徑SS懸浮于水體中。從SS粒徑的體積分布情況來看,靜沉降時間為30 min時SS粒徑的體積分布變化情況最為明顯,水體中較大的SS(>100 μm)以泥沙的形式沉積在底部,水層中SS粒徑大多處于100 μm以下。沉降時間在60～150 min時SS粒徑體積分布的百分比變化情況并不明顯。靜沉降試驗中, A層粒徑的體積分布整體較B層偏小,SS沉降差異更為明顯。從表1、表2中可以看出,A、B層SS粒徑體積分布的百分比積累值是隨著靜沉降時間增大越來越小,同時其減小量越來越小。30 min時,A、B層SS粒徑體積分布的百分比積累值存在顯著性差異(P<0.05)。

表1 第1組沉降試驗中沉降時間0～150 min下A和B層顆粒物累計分布粒徑值

表2 第2組沉降試驗中沉降時間0～150 min下A和B層顆粒物累計分布粒徑值

兩次靜沉降試驗SS粒徑數(shù)量分布的區(qū)間百分比積累情況如圖3所示。經(jīng)150 min靜沉降時間后,SS粒徑的數(shù)量分布變化情況甚微,僅在數(shù)量峰值處有稍許變化情況。從圖3可以看出,30 μm以上的粒徑占整體粒徑數(shù)量分布的極少數(shù),甚至于數(shù)值上顯示為0%。水層中SS粒徑數(shù)量分布最集中的粒徑區(qū)間為0.517～1.115 μm,占粒徑數(shù)量分布百分比的60%以上。

圖3 不同深度懸浮顆粒物粒徑分布(數(shù)量分布)隨時間變化情況

2.3 SS比表面積變化

原樣中SS粒徑的比表面積分別為165.5 m2/kg、260.5 m2/kg。從圖4可以看出隨著靜沉降時間的延長,SS粒徑的比表面積逐漸增大。當(dāng)靜沉降時間為30 min時,比表面積變化情況最為明顯且A、B層之間有顯著性差異(P<0.05);沉降90 min后,其比表面積大小趨于穩(wěn)定,且均顯著高于原樣(P<0.05)。當(dāng)靜沉降時間為150 min時,試驗一中A層SS粒徑比表面積達(dá)到359.85 m2/kg,B層達(dá)到327.30 m2/kg;試驗二中A層SS粒徑比表面積達(dá)到398.05 m2/kg,B層達(dá)到314.25 m2/kg。

圖4 不同深度懸浮顆粒物的比表面積隨時間變化情況

2.4 SS組成比例變化

原樣SS兩次試驗中POM占比分別為33.63%、48.10%。由圖5可知,隨著靜沉降時間的增加,SS中POM占比在逐步增加。隨著靜沉降時間的增加,A層SS中POM的比例較B層增加更多。試驗一中,沉降60 min后,A層POM占比超過50%;試驗二中,沉降30 min后,POM占比達(dá)到63.13%。沉降150 min后,試驗一中A層POM占比70.80%,B層POM占比61.68%;試驗二A層POM占比為79.65%,B層為67.69%。

圖5 不同深度懸浮顆粒物的有機物占比隨時間變化情況

2.5 SS沉降過程中水體中TN、TP的變化

草魚池塘養(yǎng)殖水體靜沉降過程中TN的質(zhì)量濃度隨時間變化情況如圖6。由于兩次試驗初始水體不同,初始TN質(zhì)量濃度分別為2.436 0 mg/L、6.524 2 mg/L。靜沉降過程中, TN質(zhì)量濃度隨著靜沉降時間增加逐漸減低,在30 min后顯著低于初始水樣(P<0.05)。試驗一中,在30 min后,TN質(zhì)量濃度降低程度最為明顯,60 min后,TN質(zhì)量濃度下降趨于平緩。試驗二中,30～60 min時,TN質(zhì)量濃度降低程度最為明顯,60 min后,A、B層TN質(zhì)量濃度均下降50%以上,60 min后TN質(zhì)量濃度呈現(xiàn)緩慢減低趨勢。兩次試驗中上下水層中TN質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)。

圖6 不同深度水體中總氮隨時間變化情況

池塘養(yǎng)殖水體靜沉降過程中TP的質(zhì)量濃度隨時間變化情況如圖7所示,靜沉降過程中TP與TN 的質(zhì)量濃度變化趨勢相似,兩次靜沉降試驗中TP的初始質(zhì)量濃度為0.256 5 mg/L、0.611 5 mg/L。由圖7可見,兩次試驗中TP質(zhì)量濃度均在30 min后迅速降低,試驗一A層TP的質(zhì)量濃度下降38.06%,試驗二 A層TP的質(zhì)量濃度下降22.32%。A層TP下降速率顯著高于B層,A層TP的質(zhì)量濃度顯著低于B層(P<0.05)。150 min后,兩次試驗中A層TP的質(zhì)量濃度分別為0.104 8 mg/L、0.430 8 mg/L。隨著沉降時間的增加,TP的質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定狀態(tài),且顯著低于初始質(zhì)量濃度(P<0.05)。

圖7 不同深度水體中總磷隨時間變化情況

3 討論

3.1 靜沉降過程中SS變化

靜沉降過程中,草魚池塘養(yǎng)殖水體SS質(zhì)量濃度隨靜沉降時間增加而減少, SS沉降率與其濃度相關(guān),濃度越大,其沉降速率越大,隨著靜沉降時間的增加,沉降率逐漸減少。在靜沉降過程中,PIM沉積速度大于POM,150 min后水體中SS的主要成分為POM。近幾年國內(nèi)外針對SS去除技術(shù)的研究較為豐富, Kim等[5]發(fā)現(xiàn),臭氧與泡沫分離聯(lián)用能夠顯著降低總BOD5(75%)、濁度(79%)、顆粒數(shù)量(89%)及細(xì)菌活性(90%)。本試驗中,水體懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度隨著沉降時間下降,最終沉降率為60.09%,這與袁新程等[24]研究池塘養(yǎng)殖廢水靜沉降試驗最終沉降率相似。此外,結(jié)果表明A層與B層懸浮顆粒物的沉降率變化速率存在差異。兩次試驗中各取樣點TSS的質(zhì)量濃度隨時間均呈現(xiàn)下降趨勢,但B層下降速率慢于A層,該結(jié)果與桂福坤等[25]在研究舟山近海海域養(yǎng)殖水體懸浮物沉降特性試驗中得到的結(jié)果相同,主要原因是A層水層高于B層,沉降過程中,A層水體經(jīng)過B層,導(dǎo)致B層水體變化較為緩慢。養(yǎng)殖水體中懸浮顆粒物包括有機和無機兩種成分,其中有機物質(zhì)會溶解析出導(dǎo)致溶氧的消耗[26]及腐敗問題,因此了解顆粒物有機物質(zhì)占比情況有利于針對SS成分決定其去除方法。從試驗結(jié)果可以看出,原樣SS中以PIM為主,而在自然沉降過程中,SS中的PIM占比是在不斷降低的,POM占比不斷增加,表明其沉降過程中向底部遷移的SS大多以無機物質(zhì)為主,有機物質(zhì)大多處于懸浮水體中。向軍等[27]研究淺水湖泊水體中顆粒懸浮物的靜沉降規(guī)律時也表明在太湖底泥懸浮沉降中顆粒無機物沉速比顆粒有機物大得多,本試驗SS沉降規(guī)律與其相似。

3.2 靜沉降過程中PSD變化

靜沉降時,草魚養(yǎng)殖池塘水體中的大顆粒SS(>100 μm)向底部沉積,水體整體粒徑范圍向小顆粒趨近。國內(nèi)外目前針對SS的PSD研究大多與其去除同步進(jìn)行,張成林等[22]研發(fā)了多向重力沉淀裝置,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中粒徑小于 20 μm的微顆粒去除率達(dá)到 19.5%,粒徑大于 60 μm的微顆粒去除率達(dá)到90.3%;季明東等[28]使用泡沫分離針對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中細(xì)微顆粒物的去除,泡沫分離對粒徑 ≤90 μm的顆粒物有較好的去除作用。第一次靜沉降試驗中原樣SS在100～1000 μm有較多的分布,這與池塘的SS分布規(guī)律有較大不同,但沉降30 min后,顆粒物粒徑體積分布范圍迅速下降,這可能是因為采集池塘下層水樣時混入較多底部泥沙,或者水體中存在大顆粒藻類,導(dǎo)致原樣中存在較多大粒徑顆粒,整體粒徑范圍變大。從顆粒物粒徑的體積分布上看,隨沉降時間增加,顆粒物粒徑的體積分布變化最為明顯時是沉降時間為30 min時,這與SS沉降類型有關(guān)。一般來說,水體中懸浮顆粒物的靜沉降方式分為兩種情況,一種是粒徑范圍較大的SS會采用單顆粒的形式沉積下層,此種沉降方式速度較快;一種是粒徑范圍較小的SS,沉降速度慢,并且在沉降過程中會與其他有機質(zhì)結(jié)合形成絮凝體以絮凝的方式沉降[29]。本試驗沉降規(guī)律與此一致。從SS粒徑的數(shù)量分布來看,隨著靜沉降時間增加,SS粒徑數(shù)量分布的變化情況并不明顯,這與養(yǎng)殖系統(tǒng)中SS數(shù)量分布規(guī)律有關(guān)。段姍杉等[30]研究表示養(yǎng)殖系統(tǒng)中粒徑在1～3 μm的顆粒占總顆粒數(shù)的 98.36%,3～15 μm 的占 1.63%,15～30 μm 的僅占 0.01%。Paulo等[31]研究表明養(yǎng)殖水體中的SS以微粒為主,小于20 μm的微粒占所有PSD的94%。本試驗中粒徑的數(shù)量分布規(guī)律也符合此規(guī)律,懸浮顆粒物數(shù)量主要集中在1 μm左右,因此在靜沉降過程中,SS粒徑的數(shù)量分布變化情況并不明顯。比表面積是指單位質(zhì)量物料所具有的總面積,SS粒徑越小,比表面積越大。本試驗中隨著靜沉降時間增加,SS的比表面積增加,說明在沉降過程中,水體中SS粒徑整體趨向于小粒徑顆粒。這可能是因為粒徑偏大的SS在靜沉降過程中會由于重力作用向底部沉積,停留水體中的SS較先前整體粒徑變小。這也與懸浮顆粒物粒徑的體積分布變化情況相呼應(yīng)。

3.3 靜沉降過程中TN、TP變化

靜沉降過程中SS質(zhì)量濃度的降低會影響TN、TP的質(zhì)量濃度,TN、TP質(zhì)量濃度隨沉降時間增加而逐漸減少,沉降120 min后水體中TN、TP質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定。草魚池塘養(yǎng)殖水體中含有大量未食用完的飼料及水生動物糞便等,經(jīng)過溶解析出產(chǎn)生有機物,并與水體中微小的泥沙顆粒物附著聚集形成大顆粒懸浮物,因此SS的靜沉降會對水體中氮磷含量產(chǎn)生一定影響。TN、TP作為水體排放時的重要指標(biāo),監(jiān)測其含量變化情況極其重要。本試驗中A層中TN、TP質(zhì)量濃度隨靜沉降時間增加而減少,主要原因可能是因為SS在下沉過程中攜帶尚未分解的有機物質(zhì),其中包含一部分氮磷物質(zhì),導(dǎo)致A層中TN、TP質(zhì)量濃度的降低;30 min后,TN、TP下降率最高,120 min后趨于穩(wěn)定。與30 min后水體中SS質(zhì)量濃度顯著降低(P<0.05),120 min后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律相似。兩次靜沉降試驗中,最終TN質(zhì)量濃度在3 mg/L以下,TP質(zhì)量濃度在0.6 mg/L以下,表明養(yǎng)殖水體的靜沉降對池塘上層水體TN、TP有一定程度的去除效果。這與袁新程等[23]研究池塘養(yǎng)殖廢水TN、TP變化情況一致。

4 結(jié)論

草魚池塘養(yǎng)殖水體在靜沉降過程中,SS質(zhì)量濃度隨沉降時間增加而減少,且SS質(zhì)量濃度越大時減少越明顯;SS沉降率與其質(zhì)量濃度相關(guān),質(zhì)量濃度越大,其沉降速率越大,并且隨著沉降時間的增加,沉降率逐漸減少;草魚養(yǎng)殖池塘水體在沉降過程中,SS中大顆粒(>100 μm)向底部沉積,水體整體粒徑范圍向小顆粒趨近;在靜沉降過程中,顆粒無機物(PIM)沉積速度大于顆粒有機物(POM);草魚養(yǎng)殖池塘水體在靜沉降中,TN、TP質(zhì)量濃度隨沉降時間增加而逐漸減少,且當(dāng)沉降時間足夠長時TN、TP質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定。

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