重庆地区淡水池塘养殖尾水处理系统净化效果

阳龙江,唐征县,韩璐璐,彭小倩,梅会清,翟旭亮,薛 洋,任朝颖,朱成科

(1 西南大学水产学院淡水鱼类资源与生殖发育教育部重点实验室,重庆 402460;2 重庆市水产技术推广总站,重庆 401121)

重庆地处中国西南,其地形多以丘陵、低山为主,全市地表水和地下水资源丰富,境内多条河流经过,其中长江、嘉陵江、乌江、涪江和渠江在重庆境内共计1 227 km,这些有利条件促进了重庆水产养殖业的发展,2010-2020年重庆渔业产量由22.43万t增长至54.17万t,其中90%以上的产量由淡水池塘养殖提供[1]。但随着集约化、高密度养殖模式的快速发展,在养殖过程中大量饲料的投入和鱼类粪便的产生,导致养殖水体氮磷营养盐大量累积,养殖水环境不断恶化,对生态环境存在潜在威胁[2-3]。据中央第四生态环境保护督察组2018年调查显示,重庆市水产养殖面积83 024 hm2,每年大约10 770万t尾水未经处理直接外排,成为次级河流污染的重要因素[4],严重制约了重庆地区水产养殖绿色健康发展。

池塘养殖尾水属低污染水,主要污染物浓度较低,但养殖过程中长期进行换水导致养殖尾水排放总量较大,如果养殖尾水不经处理直接排放,也会使得环境污染负荷加重[5-8]。因此,随着养殖和环境之间的冲突日益加剧,加强对养殖尾水的处理十分重要。相关研究发现,目前主要应用的尾水处理方法包括沉淀和过滤的物理净化法[9-10],氧化和絮凝的化学净化法[11-13],以及使用微生态制剂[14-15]、单细胞藻类[16]、水生植物[17-18]和套养滤食性鱼虾贝类[19-20]净化水体的生物法,但随着研究的进一步深入,单一的处理方法通常不能满足养殖的需要,难以对复杂的水体环境进行有效处理。尾水处理系统构建结合了多种处理方法的优势,具有物理沉淀和过滤、化学氧化、微生物膜和水生生物固定吸收等多种能力,对养殖尾水具有明显的处理效果。胡高宇等[21]通过“沉淀池、陶粒池、除磷池”对海水养殖尾水进行处理,养殖尾水水质情况得到改善;徐嘉波等[22]通过“生态沟渠、湿地、水生植物+水生动物净化池”模式对集中连片养殖池塘尾水进行处理,经处理后的排放水达到或优于养殖进水源综合水质的水平,并符合ST/C 9101-2007《淡水池塘养殖水排放要求》[23]一级排放标准。

由于目前对养殖尾水处理的迫切需要,重庆地区开展了养殖尾水处理系统的建设,本研究选取重庆市市级现代农业园区所在的养殖尾水处理系统,探究尾水处理系统对养殖尾水的处理能力,为淡水养殖尾水处理提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 养殖区概况

养殖区位于重庆市永川区何梗镇的市级现代农业园区内,该养殖场总养殖面积约13.34 hm2,水深2～3 m,主要养殖品种为草鱼,每亩(667 m2)放草鱼500～550尾(体长28.98～36.88 cm,体质量1.05～1.52 kg),搭配鲢鱼300尾(体长8.76～10.48 cm,体质量0.08～0.12 kg),鳙鱼70尾(体长8.48～10.88 cm,体质量0.07～0.09 kg),鲤鱼80尾(体长9.32～10.75 cm,体质量0.09～0.11 kg)。每天按塘鱼总质量的2%投喂配合颗粒饲料。

1.2 尾水综合处理系统简介

尾水处理系统总面积约1 200 m2,于2019年12月建成,1月开始系统24 h持续运行,平均每小时20 m3养殖尾水进入尾水处理系统。养殖尾水处理系统处理流程如图1所示。

图1 养殖尾水处理系统流程图Fig.1 Flow chart of aquaculture wastewater treatment system

养殖尾水通过池塘底部铺设的排污管道进入到沉淀池中沉淀处理,去除尾水中的大颗粒物质,再经过表层出水管道将处理水流入曝气池,经过氧化、分解和挥发等方式去除水体中的氨氮和耗氧有机物,再经过表层出水管道处理水进入生物滤池,经过过滤和微生物好氧反应进一步去除悬浮物和耗氧有机物,然后处理水进入生态池,通过水生植物光合作用吸收处理,同时为避免水生植物死亡后腐解破坏水质,每月进行修剪收割,最后处理水引回原池塘循环利用或达标排放。

沉淀池作为承接养殖尾水的第一级处理池,为长30 m、宽15 m,深2.5 m的大型水泥池,为提高水体的自净能力,在沉淀池1/3和2/3处设置两排生物毛刷,生物毛刷与水流方向垂直,进行有效吸附和絮凝。并在后1/3处设置生物浮床种植茭白和绿狐尾藻吸收水体中的氮磷。

曝气池位于尾水处理设施的第二级,为长30 m,宽15 m,水深2 m的大型水泥池,用于处理沉淀池流出的表层水,池内安装微孔增氧装置,配备一台3.0 kW罗茨鼓风机,安装曝气头,使空气中的氧气充分溶解于水中,将水中有害气体或挥发性物质放逐到空气中,加速氨氮、亚硝酸盐的氧化。同样在后1/3部位设置生物浮床种植茭白和绿狐尾藻吸收水体中的氮磷等营养盐。

生物滤池位于尾水处理设施的第三级,为长6 m,宽1.5 m,水深1.5 m的小型水泥池,用于处理曝气池的表层出水,池内使用大量陶粒等生物滤材进行填充。生物滤池面积较小,便于水体进行交换,提高池内的溶氧,有利于池内好氧细菌进行生化作用,降低处理水体中的无机营养盐。

生态池位于尾水处理设施的最后一级,为长20 m,宽15 m,水深2 m的大型水泥池,用于处理生物滤池流出的处理水,池内大量种植大薸、茭白和绿狐尾藻等水生植物,通过种植的水生植物吸收水体中污染物,处理水通过水泵流回养殖池塘循环使用。

1.3 采样与测定方法

参照SC/T 9101-2007中水质指标进行测定评价,各项水质指标的测定方法与判定标准如表1所示。

表1 测定方法与判定标准Tab.1 Determination method and determination standard

采样时间为2020年4月-2021年3月,每月中旬采样一次,共计12次,采样直接在养殖尾水出水口、沉淀池出水口、曝气池出水口、生物滤池出水口和生态池出水口进行,现场使用水质多参数测定仪(FiveGo F2,瑞士)测定水体温度和pH,对采集水样进行保存后带回实验室测定,并于48 h内完成测定。

1.4 数据处理

试验数据使用Excel 2016进行数据汇总,使用Origin 2015进行制图。

2 结果

2.1 水温、pH变化

2020年4月-2021年3月尾水处理系统水体周年水温和pH变化趋势如图2所示。

图2 系统水温(A)和pH(B)变化Fig.2 Changes of water temperature( A ) and pH ( B ) in the system from April 2020 to March 2021

其中水温从1月开始上升,到达8月达到全年水温最高点,9月水温开始回落,1月达到全年水温最低点。pH总体变化趋势不明显,但7-9月水体pH处于较高水平,全年pH处于6.91～8.50之间,符合淡水池塘养殖水排放要求(6.0～9.0)。

2.2 养殖尾水处理系统对TSS的去除

养殖尾水处理系统中各级处理单元TSS含量变化如图3所示。

图3 各处理单元TSS变化Fig.3 TSS changes of each processing unit from April 2020 to March 2021

2020年4月-2020年8月养殖尾水出水悬浮物含量均高于淡水池塘养殖水排放要求一级标准(>50 mg/L),2020年4月尾水处理系统开始运行后,每月TSS含量呈逐渐下降趋势,养殖尾水中TSS含量得到有效控制,悬浮物含量被控制到较低水平。养殖尾水通过各级处理单元时,TSS含量明显出现降低,沉淀池、曝气池、生物滤池和生态池的全年平均去除率分别为40.39%、8.93%、7.76%和10.22%,系统TSS全年总平均去除率为67.30%,养殖尾水中悬浮物主要被沉淀池去除,其他处理单元去除较少,经过处理的养殖尾水中TSS含量由8.63～68.00 mg/L降至4.63～24.00 mg/L,低于淡水池塘养殖水排放要求一级标准(≤50 mg/L)。

2.3 养殖尾水处理系统对BOD5和CODMn的去除

养殖尾水处理系统中各级处理单元BOD5和CODMn变化如图4、5所示。

图4 各处理单元BOD5变化Fig.4 BOD5 changes of each processing unit from April 2020 to March 2021

图5 各处理单元CODMn变化Fig.5 Change of CODMn in each treatment unit from April 2020 to March 2021

尾水处理系统开始运行后,养殖尾水中BOD5和CODMn出现明显下降。养殖尾水通过各级处理单元时,BOD5和CODMn明显出现降低,沉淀池、曝气池、生物滤池和生态池的BOD5全年平均去除率分别为53.37%、7.77%、7.75%和8.23%,系统BOD5全年总平均去除率为77.13%;沉淀池、曝气池、生物滤池和生态池CODMn的全年平均去除率分别为29.93%、2.43%、2.11%和4.84%,系统CODMn全年总平均去除率为39.31%,养殖尾水中BOD5和CODMn主要在沉淀池中被处理,其他处理单元处理贡献较小。

经过处理的养殖尾水中BOD5由5.61～20.48 mg/L降至0.36～6.47 mg/L,CODMn由8.22～15.68 mg/L降至4.92～8.11 mg/L,均低于淡水池塘养殖水排放要求一级标准(BOD5≤10 mg/L,CODMn≤15 mg/L)。

2.4 养殖尾水处理系统对TN的去除

养殖尾水处理系统中各级处理单元TN含量变化如图6所示。

图6 各处理单元TN变化Fig.6 TN changes of each processing unit from April 2020 to March 2021

尾水处理系统开始运行后,养殖尾水中TN含量出现明显下降。养殖尾水通过各级处理单元时,TN含量明显降低,沉淀池、曝气池、生物滤池和生态池的全年平均去除率分别为32.94%、3.63%、3.45%和8.37%,系统TN全年总去除率为48.39%,养殖尾水中TN主要在沉淀池中被处理,其他处理单元处理贡献较小。经过处理的养殖尾水中TN含量由2.42～4.89 mg/L降至1.08～2.58 mg/L,低于淡水池塘养殖水排放要求一级标准(≤3.0 mg/L)。

2.5 养殖尾水处理系统对TP的去除

养殖尾水处理系统中各级处理单元TP含量的变化如图7所示。

图7 各处理单元TP变化Fig.7 TP changes of each processing unit from April 2020 to March 2021

尾水处理系统开始运行后,养殖尾水中TP含量均降低到较低水平。养殖尾水通过各级处理单元时,TP含量明显出现降低,沉淀池、曝气池、生物滤池和生态池的全年平均去除率分别为39.76%、2.42%、4.71%和5.73%,系统TP全年总平均去除率为52.62%,经过处理的养殖尾水中TP含量由0.20～0.52 mg/L降至0.09～0.32 mg/L,低于淡水池塘养殖水排放要求一级标准(≤0.5 mg/L)。

3 讨论

3.1 尾水处理系统对悬浮物的去除

水体中悬浮物的常见处理方法为沉淀和过滤,本研究通过建设沉淀池和生物滤池来对养殖尾水中悬浮物进行处理,沉淀池中生物毛刷有效拦截和物理沉淀是去除悬浮物的主要途径,沉淀池通常可以有效去除大小为60 μm以上的颗粒物[10],而养殖尾水中60 μm以上的固体颗粒物占总悬浮物的80%以上[30],本研究中沉淀池对养殖尾水中悬浮物的去除率为40.39%,处理效果较为明显。曝气池通常在悬浮物的去除效果并不明显,这主要是由于曝气池中的有机质往往通过曝气被分解为细微悬浮物,从而导致悬浮物含量的增加[11],本研究中的尾水处理系统由于在曝气池后1/3处种植了大量水生植物,从而对悬浮物具有较好的去除效率。生物滤池通过滤材的过滤作用将养殖尾水中的大颗粒悬浮物拦截在生物滤池内,通过微生物反应进行分解,但生物滤池的处理效果往往并不明显,这是因为生物滤池中的填料孔径不一,填料之间缝隙过大所导致的,与胡高宇等[18]的研究结果一致。与此同时,本研究中沉淀池去除了大部分的悬浮物,流出水体中悬浮物含量较低,生物滤池不能有效处理。生态池内由于种植了大量水生植物,水生植物在水体中的根系十分发达,可以有效地对悬浮物进行阻挡,然后进行分解吸收,所以生态池对悬浮物具有一定的去除作用。

3.2 尾水处理系统对BOD5和CODMn的去除

生化需氧量是在规定条件下,微生物分解水中某些可氧化的物质,特别是有机物的生物化学过程消耗的溶氧[31],而化学需氧量是反应水体中有机及无机可氧化物质污染的指标,指一定条件下氧化水体中某些有机物及还原性无机物质所消耗的溶氧的量[32],均能够反映水体受污染程度。本研究中尾水处理系统对BOD5的去除效率远高于CODMn,这是由于养殖尾水中含有些难氧化有机物不能通过养殖尾水处理系统进行有效处理。尾水处理系统对养殖尾水中BOD5和CODMn的去除主要通过沉淀池对耗氧有机物的吸附沉淀和生态池中的水生植物根部对小颗粒有机物的分解吸收。通过对比发现,生物滤池对BOD5和CODMn的去除效率最低,这是由于水流经过生物滤池后导致生物膜脱落,带走了附着在基质上的微生物[6]。相比其他研究[12,14]中曝气池对BOD5和CODMn的去除,本研究中曝气池的去除效率较低,这是由于大部分有机物在沉淀池中被处理,进入曝气池中的有机物含量较低,曝气池不能进行有效处理。

3.3 尾水处理系统对TN的去除

氮源是养殖尾水中的重要污染物之一,其中氨氮和亚硝酸盐氮含量过高会引起养殖生物中毒导致死亡,造成较大的经济损失,直接排放也会对外界水体环境造成污染,因此养殖尾水中的氮源污染物的处理十分重要。整个试验期间,综合性尾水处理系统对养殖尾水中总氮的去除效率为48.39%,其中沉淀池的去除效率最高,之后依次是生态池、曝气池和生物滤池。沉淀池对总氮的处理包括固体悬浮颗粒有机氮的沉降吸附、生物毛刷的拦截和水生植物根部的营养吸收作用;曝气池通过化学氧化作用将沉淀池中未沉淀的小颗粒有机氮转化为无机氮,在经过曝气池后1/3种植的水生植物的去除;生物滤池中的生物滤材不仅具有物理过滤功能,在其上还附着生物滤膜,它能进行各种生物反应,在生物滤池溶氧充足的前半部分,水体中酸碱度较高,好氧的硝化细菌通过硝化作用将有机氮化物和无机氨氮、亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮,在生物滤池溶氧不足的后半部分,水体中酸碱度较低,厌氧的反硝化细菌通过反硝化作用将无机氮转化为氮气逸散到空气中;生态池中种植大量的水生植物通过根部的营养吸收水体中的含氮物质。

尾水处理系统开始运行时,底排污管道中积聚了大量的含氮有机物,经过尾水处理系统的长期运行,养殖尾水中含氮有机物得到明显处理,总氮含量明显降低。在养殖高峰期的7-10月,养殖生物的运动和摄食加强,养殖尾水中总氮含量有所上升,但与4月相比,水体中总氮含量明显得到控制,说明尾水处理系统对养殖尾水中的总氮具有较好处理效果。徐嘉波等[5]通过湿地+净化池塘组合和生态沟渠对养殖尾水进行处理,处理后养殖尾水中总氮含量分别降低26.74%和22.22%,总共降低总氮含量48.96%,与本研究总氮去除效率类似;刘梅等[33]使用“三池两坝”多级组合工艺对低、中、高淡水池塘养殖尾水进行处理,养殖尾水中总氮去除率为52.5%～59.2%,与本研究相比,该尾水处理系统中养殖尾水中总氮含量处于较高水平,所以对总氮的去除率更高,根据该研究结果表示,尾水处理系统的去除率随总氮含量降低呈下降趋势。

3.4 尾水处理系统对TP的去除

总磷含量是水产养殖中的重要指标之一,也是造成水体富营养化的主要因子,随着养殖过程中饲料的大量投入产生的残饲和粪便,水体中的含磷物质沉积在池塘底部,而随着养殖尾水的排出,含磷物质也随之排出。在尾水处理系统开始运行之后,养殖尾水中总磷含量得到较好控制,养殖尾水中总磷含量均在0.5 mg/L以下,试验期间,尾水处理系统对养殖尾水中总磷的去除效率为52.62%,其中沉淀池去除效率最高,其次是生态池和生物滤池,曝气池去除效率最低。当养殖尾水进入尾水处理系统后,首先大颗粒磷通过沉淀池的沉淀吸附到底泥中,再经过尾部种植的水生植物根部及其附着的聚磷菌进行营养吸收和后,进入曝气池,在曝气池中小颗粒磷进行氧化作用转化为无机磷酸盐,然后经过尾部种植的水生植物根部的吸收后进入生物滤池,在生物滤池中,未被处理的小颗粒磷被过滤去除,无机磷酸盐被微生物的生长同化去除,最后进入生态池中再进行一次水生植物根部的吸收,养殖尾水中总磷大部分被去除。

尾水处理系统作为一个复合系统,可利用植物的吸收、底质的吸附与截留及根系微生物的降解等功能对磷富集水体具有较好的净化潜能。本研究中养殖尾水中总磷的去除主要依靠沉淀和植物吸收,与刘梅等[33]的研究结果类似,其中沉淀池和生态池对养殖尾水中总磷的去除贡献率最大,曝气池对总磷的去除贡献较小;徐嘉波等[5]使用“湿地、水生动物净化塘、水生植物净化塘”组合的养殖尾水处理系统对池塘养殖尾水进行处理,发现总磷平均去除率为32.89%,其中水生植物净化塘总磷去除率为20.01%,表明水生植物对总磷的净化作用在该尾水处理系统中起主导作用。

3.5 尾水处理系统综合评价

常见池塘养殖尾水处理模式有池塘容纳量控制处理模式、原位处理模式和异位处理模式[34-35]。与其他模式相比,“三池两坝”尾水处理系统作为异位处理模式的重要方法之一,其应用广泛,处理效果好,但在实际应用中,构建传统的“三池两坝”尾水处理系统面临着占地面积大,缺乏反应塘等问题,通常难以达到预期效果。本研究中尾水处理系统在传统“三池两坝”尾水处理系统的基础上采取“沉淀池+曝气池+生物滤池+生态池”模式,并且在各级处理池末端种植水生植物发挥拦截、吸收作用,更好地对养殖尾水中各种污染物进行净化,有效地提高了养殖尾水处理系统的净化效率,使养殖尾水水质达到渔业用水标准及淡水池塘养殖水排放一级标准。在本研究中尾水处理系统减少了系统占地面积,对养殖者的经济压力变小,系统维护成本同样降低。但由于水生植物种植面积增大,需要对种植水生植物进行及时采收,以免植物腐败导致水质进一步恶化。

4 结论

本研究系统的尾水处理系统对养殖尾水中具有较高的去除效率,全年平均TSS、BOD5、CODMn、TN、TP去除效率为67.30%、77.13%、39.31%、48.39%、52.62%。对比各级处理单元处理效果,沉淀池的处理贡献最高,生态池次之,其他处理单元贡献较小,说明沉淀池中种植水生植物能有效对各种污染物进行去除。养殖尾水通过尾水处理系统处理后,水质得到明显改善,所监测的各项水质指标均符合淡水池塘养殖水排放要求(SC/T 9101-2007)一级标准,处理水可达标排放或循环使用。