水產養殖廢水生物處理技術研究進展

許育新

(浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

我國是世界第一水產養殖大國，據統計，2016年中國水產養殖總面積為834.63萬hm2，養殖總產量為5 142.39萬t，占全國漁業總產量的74.5%[1]。水產集約化養殖過程中，由于養殖密度大、餌料投入量大，有70%～80%的飼料進入水體中，殘餌和魚蝦類排泄物對水體、底泥等造成嚴重的污染，使得養殖水體富營養化。我國水產養殖多采用大引大排的方式，不僅極大的消耗了水資源，對周邊水體生態環境也造成了嚴重的危害[2]。據報道，2014年浙江省苕溪流域水產養殖總氮、總磷、氨氮和化學需氧量排放量分別約為1 086、193、304和3 702 t，分別占流域農業面源排放總量的17.8%、25.2%、10.9%和14.1%[3]。

水產養殖廢水污染主要有以下幾種物質：懸浮顆粒物、有機物、氨氮、亞硝酸鹽、磷[1]。水產養殖廢水具有污染物含量低、一次排水量大的特點，給處理帶來了很大困難[4]。為了降低水產養殖帶來的環境污染，確保水產養殖業健康可持續發展，迫切需要尋求一些行之有效的水產養殖廢水處理技術[5]。目前養殖廢水凈化技術主要有物理方法、化學方法和生物方法。

1 物理處理法

物理方法主要包括過濾吸附法、曝氣充氧法、泡沫分離法和紫外線照射法等。水產養殖廢水中存在大量懸浮顆粒物，過濾吸附法是最經濟快捷的方法[6]，機械過濾主要用于直徑為60～200 μm的懸浮顆粒物處理。泡沫分離法有獨特的優勢，能將懸浮顆粒物通過氣泡的浮力和表面張力形成泡沫從而達到去除的目的[7]。劉長發等[8]研究發現，泡沫分離技術對懸浮顆粒物和溶解有機物有很好的去除效果，粒徑小于30 nm的微小顆粒可聚集形成泡沫。膜過濾技術主要用于處理直徑小于20～25 μm的微小顆粒，這些微小顆粒采用常規的固/液分離技術難以去除[9]。Viadero等[10]研究表明，0.05 μm孔徑的膜對水中懸浮顆粒物和有機物的去除率分別可達94%和76%。物理處理技術主要用于去除水產養殖廢水中的懸浮顆粒物、化學需氧量和生化耗氧量，對可溶性氮、磷等物質的去除效果有限，在實際應用中具有一定的局限性[6]。

2 化學處理法

化學方法主要包括絮凝沉降法、臭氧消毒法、電化學法等。絮凝沉降法常用于去除水體中的懸浮顆粒物。自然水體中膠體粒子大多帶負電荷，加入鐵鹽、鋁鹽、聚丙烯酰胺、氫氧化鈣等帶正電荷的絮凝劑可以使膠體粒子聚集形成絮團下沉，從而達到去除懸浮顆粒物的目的。臭氧處理法是水產養殖廢水處理的常用方法之一，可去除氨氮、硝酸鹽等有害物質，有較強的殺菌作用，還能增加水中的溶解氧[11]。Chen等[12]建立了臭氧催化氧化—陶瓷膜分離的工藝方法，用于處理水產循環養殖廢水。電化學技術具有快速、高效、操作簡單、設備緊湊、產泥少等特點，近年廣泛用于水產養殖廢水處理[13]。Mook等[14]對應用電化學技術去除水產養殖廢水中的氨氮、亞硝酸鹽、有機物的研究進行了綜述。郭迪等[15]研究了電化學氧化方法去除水產養殖廢水中的氨氮。吳照學等[16]將電解紫外聯用處理工廠化水產養殖廢水，氨氮、亞硝酸鹽和懸浮顆粒物的去除率超過90%，比單獨電解效果好。

3 生物處理法

物理、化學處理法雖然效率高，但耗能大，處理成本高，而且易造成二次污染，在實際應用中受到一定的限制。而生物處理方法由于其成本低、適應性廣、具有生態性和再生性，不會對環境造成二次污染，目前得到普遍關注和持續研究。生物處理方法包括微生物菌劑原位修復、生態處理技術、生物工程技術和綜合處理技術等。

3.1 微生物菌劑技術

微生物菌劑無毒副作用、無污染，可改善水質，減少病害發生，提高水產養殖動物的免疫力和產量，在水產養殖中具有很好的應用前景。目前微生物菌劑主要有光合細菌、芽孢桿菌、乳桿菌、雙歧桿菌、硝化細菌等[17]，可以通過加入餌料或直接投加到水體中起到預防和減少病原菌感染的作用[18]。微生物制劑主要包括單一型制劑和復合型制劑[19]。

Wang等[20]從魚塘中分離得到光合細菌和芽孢桿菌，然后將2種菌的混合物分別以3個不同濃度投加到蝦池中，28 d后發現投加組產量明顯增加。黃鈞等[21]將5%的光合細菌添加到鱧魚飼料中，結果使鱧魚體重平均增加9.3%，飼料成本平均降低8.6%。Wang等[22]通過向蝦池中投加益生菌，發現芽孢桿菌、氨化細菌、光合細菌等有益菌數量顯著增加，與對照相比致病菌數量減少了80%，水體中氮、磷的濃度下降，溶氧量升高，河蝦產量增加。Aly等[23]發現，枯草芽孢桿菌可以抑制熒光假單胞菌，熒光假單胞菌會引起魚類內臟敗血性壞死，最終導致死亡。Obbard等[24]發現，硝化細菌固定化方法可有效去除對蝦養殖廢水中的氨氮。酵母菌不僅維生素和蛋白質含量較高，是優良水產飼料添加劑，而且還有凈化水質的作用[25]。梁前才等[26]研究了單一投放和復合菌劑投放模式下，沼澤紅假單胞菌、枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌等3種菌劑對水體亞硝酸鹽的降解效果，結果表明，復合菌劑的降解能力最強，72 h的降解率可達到99.7%。

3.2 生態工程技術

常用的生態工程技術主要有人工濕地、生態浮島、生態坡和生態溝渠。人工濕地的研究主要圍繞濕地結構功能優化、植物、微生物、基質等方面開展。陳家長等[27]研究了水平流人工濕地對池塘養殖廢水的凈化作用，結果表明，出水中的氮、高錳酸鹽指數可達到地表水I類標準，總磷可達到地表水Ⅱ類標準，水質可從富營養水平調整為中營養水平。況琪軍等[28]的研究表明，濕地可以去除養殖廢水中80%以上的藻類。此外，水生蔬菜對氮、磷等有較強的吸收能力，在濕地系統中種植水生蔬菜，不僅能夠凈化水質，還能產生經濟效益[29-30]。

顧兆俊等[31]通過在養殖池塘排水渠中構建箱式生物浮床來凈化不同水層的養殖廢水，總氮、總磷、氨氮和亞硝態氮的平均去除率分別達到21%、8%、17%和11%。高毛林等[32-33]分別探討了強化曝氣對組合濕地和垂直流濕地對水產養殖廢水脫氮的影響，發現通過微孔曝氣增氧，能顯著提高組合濕地的脫氮效果。組合濕地中填埋深度僅為0.3 m的基質，濕地對總氮、總磷和高錳酸鹽指數的去除率分別為59.2%～64.5%、68.4%～73.8%和71.7%～74.4%。葛川等[34-35]以溫室甲魚和南美白對蝦為例，分別研究了人工濕地和多介質土壤層系統(multi soil layer，MSL)用于海水、淡水水產養殖污水處理，并取得了良好的效果，在工程應用中2套系統表現出運行穩定可靠，投資和運行費用低，管理維護方便等優點。劉佳等[36]研究了2種人工濕地對抗生素的去除作用，結果表明對恩諾沙星的去除率高于磺胺甲唑和氟甲砜霉素，當水力停留時間為3 d時，對磺胺甲唑的去除率達50%以上。黃翔峰等[37]考察了黃菖蒲、蘆葦、千屈菜、再力花和香蒲等5種常見濕地植物對水產養殖廢水的凈化能力，黃菖蒲、蘆葦對總氮、總磷、化學需氧量和抗生素均有較好去除效果。馬旻等[38]研究了在亞熱帶氣候條件下，鳳眼蓮、輪葉黑藻、香根草和水蕹菜等4種水生植物凈化水產養殖廢水的效果，結果表明4種植物均能強化濕地對污染物的去除。馬曉娜等[39]構建了復合濕地系統海水養殖廢水處理模式，由沉淀池—牡蠣過濾池—畢氏海蓬子人工濕地池串聯組成，研究結果表明，復合濕地系統可有效去除殺鮭氣單胞菌，其中牡蠣過濾單元去除率達22%～94%，人工濕地單元去除率達17%～99%，總去除率可達64%～99%。

3.3 生物工程技術

生物工程技術主要有生物濾池、生物轉盤、生物流化床、生物膜反應器等。高濃度氨氮和硝酸鹽氮不僅對水產養殖動物有巨大危害，也是自然環境水體富營養化的重要原因之一，因而去除水產養殖系統中的氨氮和硝酸鹽氮是廢水處理的主要目標。同步硝化反硝化脫氮和好氧反硝化技術是目前生物工程技術中的主要脫氮技術，在同一反應器內可實現同時硝化和反硝化，降低了動能消耗和處理費用，提高了脫氮效率，已成為水產廢水脫氮處理的重要途徑之一[40]。影響好氧反硝化反應的因素有碳氮比、溶氧、碳源、溫度、pH等，但不同的菌種、好氧反硝化反應器結構及環境調控措施會影響好養反硝化反應的脫氮效果[41]。

蔣軼鋒等[42]采用上流式沸石濾料曝氣生物濾池處理水產養殖廢水。沸石的高效吸附作用可使系統快速啟動，在水力負荷0.25 m·h-1及氣水比20∶1工藝條件下，系統運行性能最佳，化學需要量和游離態氨去除率分別穩定達到85%和70%。鄒俊良等[43]采用移動床生物膜反應器凈化模擬水產養殖廢水，在停留時間為8 h，溶氧為2.0～3.0 mg·L-1的條件下，反應器快速啟動、穩定運行，化學需要量去除率達到80%以上，總磷去除率達到50%，總氮及氨氮去除率分別達到71.7%和98.4%。諶莉莎等[44]以生態碳纖維材料作為接觸氧化池內填料處理集約化水產養殖廢水，生態碳纖維填料具有生物相容性好、易掛膜的優點，在溶氧為3 mg·L-1，pH在7.0～8.5，停留時間為10 h 時，化學需氧量、游離態氨、總磷、濁度去除率分別為80%、60%、30%和80%，亞硝態氮、硝態氮濃度分別低于0.1、0.5 mg·L-1。李偉博等[45]研究了動態膜生物反應器(dynamic membrane bioreactor，DMBR)和膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)2種處理工藝對水產養殖廢水的處理效果和運行條件，不同溶氧條件下，DMBR和MBR對高錳酸鹽指數的去除率可達95%以上，DMBR和MBR的總氮平均去除率分別達到71.4%和75.8%，2種工藝均能達到較好的污染物去除效果。

4 循環水養殖技術

隨著養殖規模的不斷擴大、水資源的日益短缺，傳統水產養殖方式帶來的水資源衰竭、環境污染、水產品質量下降等問題，已成為今后長期制約我國水產業可持續發展的主要因素。工廠化循環水養殖系統與傳統養殖模式相比，可實現高密度養殖，節水90%以上，節地99%，節能70%以上。通過生物凈化水處理可實現水循環利用，是資源節約型和環境友好型生產方式，是未來水產養殖的發展趨勢[46]。

在工廠化循環水水產養殖中，需要集成各種處理技術的優點，形成高效的綜合處理工藝。例如可以應用臭氧進行消毒、去除有機質、沉淀懸浮顆粒物；氣泡浮選的技術可用于增氧、加快懸浮顆粒物的分離，加強有機質、氮、磷的去除；生物濾池和高效硝化反硝化細菌的組合可以在過濾懸浮顆粒物的同時更高效的去除氨氮和硝酸鹽氮。集成技術研究的宗旨是提高處理效率、降低成本、擴大使用范圍，為工廠化水產養殖提供高效、便捷、自動化程度高的工藝、設施和設備[47]。

5 展望

到2030年，我國水產品總產量將增加近2 000萬t。如果不考慮科技進步因素，為實現此目標，水產養殖面積需要比2010年增加至少約133萬hm2[48]。面對水產養殖產業快速增長的趨勢和環境壓力，應以水環境保護和水資源利用為出發點，從源頭開展水產養殖水質凈化和綠色養殖技術研究，綜合各種處理技術的優點，取長補短，重點開展生物處理技術為主的水產養殖尾水凈化方法研究[4]。

將環境容量理念引入水產養殖，根據養殖水域的最大環境容納量確定養殖規模[49]。綜合利用藻類、微生物、不同水產種類、水生植物等互補互利特點，構建水產養殖生態系統。通過多營養層次養殖系統中能量和物質的循環利用，降低規模化養殖對水域環境所產生的負面影響，優化水產養殖廢水排放方式，改變傳統水產養殖業的大引大排水量大、污染大的模式，采用小引小排、常引常排，促進養殖水體的合理循環，努力實現零排放。

篩選高效優勢菌種，研究固定化技術，通過新材料和新工藝研究，集成物理、化學和生物技術的優勢，利用數字化和智能化技術，開發新型生物反應器，提升水產養殖尾水凈化效率，降低處理成本，減少排污量，實現循環利用。

應加強沉積物處理利用研究，實現底泥的資源化利用。同時，加強營養與飼料學研究，優化飼料結構及投喂方式，減小餌料系數，增大飼料利用率，改變單一的精養模式，采用有效的混養模式等，減少沉積物污染。

優化抗生素的品種和投放方式，開發微生態抗菌劑等替代產品，完善抗生素殘留的檢測方法，深入研究抗生素在水產養殖生態系統中的遷移轉化規律，以及消除抗生素殘留的技術，減少其在生態系統中的累積[4]。

建立健全水產養殖標準體系和法律體系，如漁業水質標準的修訂、重要養殖品種行業標準的完善，各種魚藥及環境改良劑生產的市場準入制度、《淡水池塘養殖水排放要求》和《海水養殖水排放要求》等制度的完善和實施，建立水產養殖清潔生產技術操作規程和監測體系[50]。

工業化養殖方式要求對養殖全過程進行控制，統一監管標準，保證產品質量。在生產過程中，應引入HACCP質量控制體系，充分利用數字化和智能化技術，進行水產養殖的全標準化流程和全程可監控，全面提升水產品競爭力[51]。今后的水產養殖凈化技術研究應開展信息化技術集成研究，構建養殖全程物聯網技術體系，研發精準控制系統，主要開展精準投喂技術、生態因子數字化監控系統、池塘循環養殖技術集成、循環水凈化等技術研究[52]。

養殖水體凈化技術的特點是既有水體凈化的普遍性又有水產養殖的特殊性，養殖水體凈化技術將逐漸成為水產行業的研究熱點領域，需要依靠現代科技，通過關鍵技術攻關和集成創新，促進中國水產養殖業的健康可持續發展[53]。