多级生物净化在封闭循环水养殖系统中的水质调控效果

孙成渤，李建国，赵冬艳，李崇文，武君君，危立坤

( 1.天津农学院，国家实验教学示范中心水产生态与养殖重点实验室，天津 300384；2.天津市天祥水产有限公司，天津 301500； 3.上海四鳃鲈水产科技发展有限公司，上海 200433；4.上海海洋大学 水产与生命学院，上海201306 )

多级生物净化在封闭循环水养殖系统中的水质调控效果

孙成渤1，李建国1，赵冬艳1，李崇文2，武君君3，危立坤4

( 1.天津农学院，国家实验教学示范中心水产生态与养殖重点实验室，天津 300384；2.天津市天祥水产有限公司，天津 301500； 3.上海四鳃鲈水产科技发展有限公司，上海 200433；4.上海海洋大学 水产与生命学院，上海201306 )

采用逐月采样的方法研究了多级生物净化措施，即在封闭循环水养殖系统的动力水渠浮床培植多种水生经济植物、构建固定微生物膜和养殖贝类，在沉淀池和净化池放养滤食性鱼类，建立芦苇人工湿地，对养殖系统中无机营养盐和有机质含量与分布的影响。试验结果表明，养殖水体经多级生物净化处理后能够循环使用，水体碱度和硬度轻微降低，除磷酸盐含量上升5.4%外，硝态氮、亚硝态氮、氨氮、总氮和总磷的去除率分别为27.7%、44.0%、26.0%、42.0%和15.7%；浮游植物和浮游动物生物量分别下降31.4%和20.1%；浮游植物生物多样性指数增加，种类组成明显好转，蓝藻生物量和优势度指数明显降低，硅藻和绿藻继而成为优势种群，凡纳滨对虾平均产量达11 250 kg/hm2，最高产量达15 000 kg/hm2，提高了经济效益和生态效益。

封闭循环水养殖系统；多级生物净化；营养盐；浮游生物；水生植物

水体污染制约了水产养殖业向生态型、集约化、规模化方向发展[1]。在集约化养殖中，放养密度和饲料投喂量的增加，提高了养殖动物的产量和养殖水域的利用率。但是，大量残饵、粪便、肥料和药物使养殖水环境日益恶化，负面环境效应非常突出，水产动物疫病肆虐横行。滥用防治疾病的消毒剂和药物不仅增加了养殖成本，也给水域生态环境带来了沉重的负担，降低了水产品质量，影响人类健康。因此，发展无公害生态养殖，推动养殖废水的循环利用，制定合适的养殖水环境修复技术非常必要。

两年两次试验期间，笔者在总水面45.3 hm2池塘中，采用多级生物净化工艺调控封闭循环水养殖系统的水质，实现了水体循环使用的零交换。多级综合生物净化水体技术主要包括：微藻和微生物固定化、水生植物去除氮磷和化感抑藻、滤食性鱼贝类净化水质，水流控藻、自然沉淀和池塘底质吸附等。试验期间，调查了封闭循环水养殖系统内的主要营养盐指标、浮游生物群落结构以及主要水生经济植物和滤食性鱼贝类的投入和产出，分析了多级生物净化措施实施前后系统内各采样点的主要营养盐指标变化趋势，浮游生物的群落结构特征及生物量变化，为更好地改善该养殖模式的水质条件，改进水环境修复技术和养殖系统提供参考。

1 材料与方法

1.1 养殖系统的组成与构建

试验在天津市宁河县天祥水产养殖基地进行，封闭循环水养殖系统由多级生物净化系统和养殖区组成(图1)，分别占总水面面积的23.3%和76.7%，总水面面积45.3 hm2。

多级生物净化系统(图1a)利用不同生物的生理习性及其间的协同作用，有效调控和净化养殖池塘水质，提高净化效率，实现养殖排放水重复循环利用[2]。该系统主要由动力水渠、沉淀池和净化池组成(图1b)。养殖区(34.7 hm2，深2～2.5 m)的废水排入动力水渠(长1500 m，宽15～20 m，深1.5～3 m，流速20 cm/s)，经两台流量为900 m3/h的水泵提升后相继进入沉淀池和净化池(两池共8.7 hm2，均深5 m)以及自流水渠(长300 m，流速1 m/s)，最后回流至养殖区。周换水10%～20%。多级生物措施包括：构建人工基质固定化微生物膜、浮床培植水生经济植物、建造芦苇湿地以及养殖底栖软体动物和滤食性鱼类。具体实施方法如下：

图1 封闭循环水养殖生态系统组成

人工基质固定化微生物膜在动力水渠布置8道聚乙烯网片，其网线直径0.2 mm，网孔6目，网片用绳子固定，用以形成固定化微生物膜。每片与动力水渠的横截面吻合，高1.5 m，宽10～17 m，总面积180 m2。

水生经济植物浮床和芦苇湿地在动力水渠设置水生经济植物浮床，第一次试验设置40 m2水蕹菜(Ipomoeaaquatica)浮床，每块浮床(2 m2)培植63株；第二次试验设置混作浮床，其中水蕹菜100 m2，紫背天葵(Begoniafimbristipula)4 m2，薄荷(Menthahaplocalyx)10 m2，美人蕉(Cannaindica)4 m2，韭菜(Alliumtuberosum)4 m2。此外，在动力水渠以及沉淀池和净化池的边沿培植挺水植物芦苇(Phragmitesaustralis)，首先保持水体低水位1.5 m约50 d，待芦苇长至一定高度后继续蓄水，形成芦苇湿地12 000 m2，面积占整个养殖区的15%。

1.2 浮游植物定性、定量和水化因子测定

对浮游植物进行定性(种类鉴定)、定量(数量和生物量)，据此推算多样性指数和水体渔产力。浮游生物的采样、定性、定量方法参照《内陆水域渔业自然资源调查手册》[4]；水化因子(碱度、硬度、硝态氮、亚硝态氮、氨氮、磷酸盐、总氮、总磷)分析参照《水化学实验指导》[5]。

表1 沉淀池和净化池中滤食性鱼类的放养情况

第一次试验采样3次(5、9月和10月)，第二次试验采样5次(5、6、7、9月和10月)，其中5月为多级生物净化系统运行前的水环境，其他月份为该净化系统运行养殖期。共设4个采样点(图1b)：养殖区养殖废水排放至动力水渠始端1#，然后至动力水渠末端2#，再经沉淀池进入净化池3#，最后经自流水渠进入养殖区前的4#。采样时，在采样点四边和中心分别取表层和底层水，混合后用于测定。

去除率/%=(C1#—C3#)/C1#×100%

式中，C1#和C3#表示1#和3#采样点的氮、磷营养盐含量。

1.3 数据分析

根据Mcnaughton优势度指数(Y)、香农—威纳多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)分析评价浮游植物的生态学特征[3]。各项指数的计算公式如下：

式中，ni为某采样点i种的数量；N为某采样点浮游植物总数量；Ni为某采样点i种的总数量；fi为i种在各采样点出现的频率；S为某采样点浮游植物总种类数。当指数H′为0～1时为重污染，1～2时为中污染，2～3时为轻污染，大于3时为无污染；指数J为0～0.3时为重污染，0.3～0.5时为中污染，0.5～0.8时为轻污染或无污染[6]。

试验中所有样品测定均作3次平行。采用Excel和SPSS 18.0进行数据统计和单因素方差分析，分析所得数据P<0.01表示差异极显著，P<0.05表示差异显著。

2 结 果

2.1 净化前、后营养盐含量的变化

碱度和硬度两次试验期间，养殖池水净化前(1#)碱度的平均值分别为8.52、7.97 mmol/L，净化后(3#)分别为7.41、7.42 mmol/L；同样，净化前(1#)硬度的平均值分别为12.45、10.70 mmol/L，净化后(3#)分别为11.10、9.88 mmol/L(表2)。可见，两次试验中净化后碱度和硬度略低于净化前。

氮营养盐第一次试验养殖池水净化前(1#)，氨氮、亚硝态氮和硝态氮的平均值分别为47.29、4.35 μmol/L和9.82 μmol/L，净化后(3#)分别为33.34、2.48 μmol/L和6.42 μmol/L，去除率分别为29.49%、42.98%和34.62%(表2、表3)。第二次试验养殖池水净化前(1#)，氨氮、亚硝态氮、硝态氮和总氮的平均值分别为54.21、9.12、14.52 μmol/L和2.86 mg/L，净化后(3#)分别为46.72、6.21、10.33 μmol/L和1.66 mg/L，去除率分别为13.81%、31.94%、28.83%和41.91%(表2、表3)。试验期间养殖池塘排放水氮营养盐含量基本正常，经净化后，所有氮营养盐指标得到有效改善，变动幅度均明显减小。

磷营养盐两次试验期间，养殖池水净化前(1#)磷酸盐的平均值分别为11.20、10.36 μmol/L，净化后(3#)分别为11.70、13.23 μmol/L，去除率分别为-4.46%、-17.70%(表2、表3)。第二次试验养殖池水净化前(1#)，总磷的平均值为1.27 mg/L，净化后(3#)为1.07 mg/L，去除率为15.74%(表2、表3)。

净化系统构建前、后的方差分析以第一次试验多级生物净化系统运行前(5月)、后(9—10月)为例，对主要营养盐指标进行了方差分析(表3)。结果表明，多级生物净化系统运行后养殖场水体的主要氮、磷营养盐含量与系统运行前之间存在显著差异，系统运行后，有效去除了部分氮、磷营养盐，水质得到净化。

2.2 净化前、后浮游植物种类和生物量的变化

浮游植物两次试验分别获得浮游植物6个门类，共计42、46个种属，其中绿藻种类最多，分别有18、16种；硅藻分别有7、11种；蓝藻分别有9、10种；裸藻、隐藻、金藻种类均较少(此部分数据已在另一篇文章中刊出[7])。

两次试验期间，封闭循环水养殖系统内浮游植物的生物量主要为硅藻、绿藻和裸藻，多数时间和采样点中硅藻占据绝对优势(表4)；运行后与运行前相比，以及系统运行后3#净化池(多级生物净化系统末端)与1#养殖区总排水口相比，藻类组成变化趋势相似：蓝藻和裸藻的生物量比例显著降低，而硅藻和隐藻的比例则明显增加，其中硅藻比例增加10%～34%，而绿藻比例基本在20%以内波动。硅藻和绿藻的Mcnaughton优势度指数基本占据前两甲席位；蓝藻在净化系统运行前的整个养殖系统以及运行后的1#养殖区总排水口也占有较大优势，但因其个体通常较其他藻类小，生物量很小，而且经多级生物净化系统处理后，蓝藻的优势度指数明显降低。

浮游动物养殖系统的浮游动物主要为轮虫，其次为桡足类和原生动物(表4)。从百分比角度看，多级生物净化系统运行后与运行前相比，轮虫和枝角类的生物量增加，而桡足类减少；第一次试验，原生动物比例增加，且拥有最大的Mcnaughton优势度指数，而第二次试验期间原生动物比例微乎极微，浮游动物生物量一直控制在较低水平(表4、表5)。系统运行后，3#净化池与1#养殖区总排水口相比，轮虫生物量百分比和Mcnaughton优势度指数大幅降低，枝角类和桡足类百分比增加，但轮虫的Mcnaughton优势度指数仍然最高。

多样性指数多级生物净化系统运行后，浮游植物和浮游动物种类比运行前有不同程度增加(表5)。系统运行后，3#沉淀池(净化系统末端)与1#养殖区总排水口相比，浮游植物种类、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数均有不同程度的增加，而浮游植物生物量和浮游动物生物量均有不同程度减少，其中浮游植物生物量平均减少31.4%。浮游植物的多样性指数越大，表示组成群落的生物种类越多，说明群落结构越稳定[3]。试验过程中Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数，进一步证明了多级生物净化系统提高了浮游植物多样性，使养殖生境复杂多样，水质相对清洁。

表2 多级生物净化系统各月份不同测试点水中氮、磷营养盐的含量

注：“—”表示第一次试验未检测项.下表同.

表3 各月份多级生物净化系统对氮、磷营养盐的去除率 %

注：“*”代表第一次试验多级生物净化系统运行前(5月)和运行后(9—10月)水体中营养盐含量之间存在显著差异，“**”代表差异极显著.

表4 多级生物净化前后各门类浮游生物生物量百分比及其优势度指数

注：生物量百分比为各门类浮游生物鲜质量占所属浮游植物或浮游动物总鲜质量的百分比.括号内Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ……Ⅸ、Ⅹ分别指各门类浮游生物的Mcnaughton优势度指数介于0～0.01、0.01～0.05、0.05～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3……0.6～0.7、0.7～1.0.

表5 多级生物净化系统浮游生物种类数、生物量及浮游植物多样性指数

2.3 净化系统中多级生物的投入和产出

水蕹菜等水生经济植物的生长吸收了大量的氮、磷、钾等营养元素，减轻了水体富营养化程度，使水质得到净化。第一次试验，褶纹冠蚌净增长17.5 kg，即相当于175 kg的浮游植物、有机腐屑等被褶纹冠蚌同化吸收，转化成自身组织(表6)。

第二次试验，鲢鱼生长期间浮游植物生物量为60.43 mg/L，P/B系数按80计，鲢鱼对浮游植物的利用率取20%，饵料系数为30～50；鳙鱼生长期间浮游动物生物量为1.22 mg/L，P/B系数按30计，鳙鱼对浮游动物的利用率取80%，饵料系数取10。依据上述参数估算，第二次试验沉淀池和净化池的浮游植物生产量为24 t/(hm2·年)，鲢鱼渔产力为1.2 t/(hm2·年)，实际鲢鱼产量900 kg/(hm2·年)。浮游动物生产量为1.8 t/(hm2·年)，鳙鱼渔产力为150 kg/(hm2·年)，实际鳙鱼产量450 kg/(hm2·年)。一般浮游植物体内氮磷比为16∶1，估算浮游植物吸收水体中氮216 t/(hm2·年)，磷13.5 t/(hm2·年)。

以水生经济植物和滤食性水产动物改善水质的措施，发挥养殖动植物之间的互利作用，合理利用水体和饵料，改善养殖池塘环境，促使主副产品双丰收(表6)，提高了经济效益和生态效益。

表6 净化系统中主要经济种类的投入和产出情况 kg

注：“—”表示未投入或未产出.

3 讨 论

3.1 净化前后水化因子的变化

试验地点濒临渤海，地势低洼，多为盐碱地，养殖水为高碱度、高硬度、富营养化的水体。高碱度、高硬度使水体具备足够大的缓冲能力，保持养殖水体相对稳定的pH；充足的碱度可促进有机物和胶体物质的絮凝[8]。7—9月水体的碱度大于4—6月，这与高温季节浮游植物光合作用增强，CO2消耗增加有关。经多级生物净化后，两次试验的碱度、硬度平均值均有所降低，但变幅较小(表2)。硬度参与了某些生物生化过程，养殖区有机物的矿化降解而使其值增大；对于多级生物净化系统，因有机物消耗、沉淀而使其值减小。

养殖系统中氨氮是总氮的主要组分，其变化决定着总氮的变化(表2)。在水温较低的5月，生物活动量低，底质向水体释放的营养盐不能及时转化，因而含量较高，之后进入高温养殖季，尽管有饵料等外源性营养物质注入，但因水生生物的活动加剧，大量营养物质很快转化为生物有机体。10月水温开始下降，水生生物对营养盐的利用降低，而外源性营养物质的继续持续注入和矿化降解，导致水体营养盐含量回升。

值得注意的是，经过多级生物净化后(3#)，由于固定化微生物膜，水生植物的吸收降解以及自然沉淀、底泥吸附等作用，降低了水体中部分氮、磷含量，氮营养盐含量明显下降，但是磷营养盐含量不降反升。投饵、施肥给养殖水体带入大量含磷化合物，而且部分池塘覆膜，相当多的磷不能沉积，导致两次试验期间养殖池塘排放水的磷酸盐含量始终保持较高水平。研究表明，饵料和肥料分别占对虾养殖池中磷总输入的30.0%～34.7%和65.1%～69.9%[9]。水底沉积物也是表层水中有效磷的重要来源。动力水渠的水体流动，使底层溶解磷向表层水迁移，因此净化系统末端磷酸盐含量不降反升。

3.2 净化前后浮游生物的变化

多级生物净化系统不仅能有效降低水体氮、磷营养盐含量，还能减少浮游生物的生物量，提高养殖系统生物多样性。多级生物净化系统运行后(即6—10月)，正值水温最高，投饵量加大，但水质仍明显改善：从排水点1#经动力水渠至净化池3#，营养盐含量显著下降(除磷酸盐含量上升外)，浮游植物生物量大幅减少，平均减少31.6%，尤其是蓝藻生物量平均减少63%，浮游动物生物量也随之减少。其原因可能是固定化微生物膜对营养盐的吸收，有机物的矿化降解，水蕹菜等水生经济植物浮床和芦苇湿地对营养盐、光照和空间的竞争及其化感抑藻效应，加之褶纹冠蚌、鲢鱼、鳙鱼的滤食，还有水体的流动等。不同月份各点浮游植物的优势种群均为硅藻、绿藻、裸藻及蓝藻。在净化池3#，硅藻为绝对优势种群，种类组成明显好转，生物多样性指数增加。

浮游生物总生物量和各门类生物量变化具有一定的规律性。水体的营养盐水平与浮游植物生物量密切相关，即在净化过程中，浮游植物的总生物量随水体营养盐水平的降低而逐渐降低，浮游动物的生物量也随之减少。封闭循环水养殖系统的浮游动物组成中，未出现大量原生动物，其生物量百分比小于轮虫和桡足类，也未见摄食细菌的纤毛虫类。各点浮游动物平均生物量都不大，表明水质良好。

一般认为，富营养化的主要原因是适宜的水温、缓慢或停滞的水流和过高的营养盐等[10]。研究表明，水流速度明显影响浮游植物的种类组成。在水库中，当水流速超过360 m/h时，蓝藻的生长受抑制，在浮游植物中的占比很低[7, 11]。动力水渠内形成的水流能抑制蓝藻生长，促进硅藻繁殖，改善浮游生物群落结构。李飞鹏等[12]的相关试验也表明，持续的水流可使浮游植物种类减少以及群落结构发生变化，一定流速的水流可使蓝藻迅速消失，而硅藻和绿藻成为优势种群。

3.3 净化系统中多级生物的水质净化作用

在动力水渠放置固定聚乙烯网片，在流水下可逐渐形成微生物膜，扩大了有益菌和底栖藻类的作用面积。有益微生物被固定后不会随排水外流，可降解养殖环境中过剩的营养物质(如水体溶解有机物)以及氨氮、硫化氢等有害物质。研究表明，硝化和反硝化作用是去除氨氮(约40%～92%)的主要机制[13]。固定化微生物处理技术可使养殖池塘水体微生物的数量提高1倍以上，对水体氮、磷、化学需氧量等的去除率可达11%～90%，池塘叶绿素a含量下降37%～57%[14]。

在动力水渠培植大型水生维管束植物是加速降低养殖环境中过剩营养盐的有效途径，可保持池塘水质清、爽、活，实现养殖废水资源化[2, 7, 15-20]。水生维管束植物容易栽培,通常有惊人的生长速度；可以吸收和降解某些有机污染物，或富集某些重金属；可以影响池塘不同层面中氮循环细菌和真菌的数量，使不同类群的微生物共存于同一水层；促进了物质循环，提高了系统的净化能力[21]。操家顺等[15]研究表明，在重污染水体中浮床培植的水蕹菜对总氮、总磷、氨氮的去除率均为92%～94%。胡绵好等[16]发现，在不同氮水平的富营养化水体中，水蕹菜对总氮、总磷、生化需氧量和化学需氧量的去除能力最佳，其次为水芹(Oenanthejavanica)、黄花菜(Hemerocalliscitrina)和芹菜(Celerysp.)，韭菜最差。有资料报道，芦苇[17]、紫背天葵[22]、美人蕉[20]、薄荷[18]控制不同水体富营养化均取得了较好的效果。

近年来，水生植物化感作用抑藻已成为引人瞩目的一种绿色有效的克藻方法。大量研究表明，一些水生植物产生的次生代谢物(即化感物质)可以有效控制水华藻类的生长[23-25]。化感物质能持续释放、迅速降解，对藻类的抑制作用具有明显的种类选择性[26]。研究发现，水蕹菜[15, 26]、芦苇[27]、美人蕉[28-29]和韭菜[30]的种植水或浸提液对常见蓝藻[铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)]和绿藻[小球藻(Chlorellasp.)]等水华具有显著的化感抑制效应，其抑藻机理可能在于化感物质的胁迫抑制了藻细胞内抗氧化酶体系，活性氧自由基过量堆积等，使藻细胞受伤害，影响正常的光合作用[29]。

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RegulatingEffectofMulti-stageBiologicalPurificationonWaterQualityinaClosedRecirculatingAquacultureSystem

SUN Chengbo1，LI Jianguo1，ZHAO Dongyan1， LI Chongwen2，WU Junjun3，WEI Likun4

( 1.Key Lab of Aquatic Ecology and Aquaculture， Tianjin Agricultural College, Tianjin 300384， China; 2.Tianxiang Aquatic Co., Ltd. Tianjin, Tianjin 301500， China； 3.Shanghai Sisailu Aquatic Sience & Technology Development Co., Ltd， Shanghai 200433， China； 4.College of Fisheries and Life Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China )

Various aquatic economic plant floating beds, placing immobilized microorganism membrane and cultivating shellfish in a power canal, culture filter-feeding fish in the sedimentation and purification ponds, and buildingPhragmitesaustraliswetland were established in a closed recirculating aquaculture system (CRAS). The monthly monitoring revealed that the multi-stage biological purification above played an important role in the distribution, variation and biological cycle of inorganic nutrients and organic matter in the CRAS. The aquaculture water was shown to be recycled via the multi-stage biological purification processing with low alkalinity and hardness in aquaculture water. The removal rates were found to be 27.7% of NO3-N, 44.0% NO2-N, 26.0% NH3-N, 42.0% TN and 15.7% TP, except for PO4-P content increased by 5.4%. The biomass was decreased by 31.4% in phytoplankton and 20.1% in zooplankton. Biodiversity index of phytoplankton was increased and species the composition of phytoplankton was improved obviously. The biomass and dominance index of Cyanophyta species were reduced markedly, and then the species of Bacillariophyta and Chlorophyta became dominant populations. The economically aquatic plants and filter-feeding fish and shellfish not only properly utilized aquaculture water and feeds, and developed the role of mutual benefit among aquatic animals and plants, but also improved aquaculture pond environment, promoting the good yields of both main and by-products. The Pacific white leg shrimpLitopenausvannameihad average yield of 11 250 kg/hm2, with the maximal yield of 15 000 kg/hm2,and with high economic performances and ecological benefits.

closed recirculating aquaculture system; multi-stage biological purification; nutrient; phytoplankton; aquatic plant

10.16378/j.cnki.1003-1111.2017.05.006

2016-09-18；

2016-11-28.

国家星火计划项目(S2011A100020).

孙成渤(1957-)，男，教授；研究方向：水生生物学和养殖水域环境修复．E-mail：sunchengbo2003@sohu.com.

S959

A

1003-1111(2017)05-0577-08