淡水池塘4種生態溝渠凈化效果研究

顧兆俊 劉興國 程果鋒 朱浩

摘要：針對淡水養殖池塘的養殖廢水排放溝渠，通過運用2種生物操縱（水生植物和鰱魚、鳙魚）技術，以及生物浮床技術、生物填料技術等4種技術模式，以溝渠自凈能力作為參照對比，研究出一種修復效果全面的池塘排水溝渠生態構建模式，為解決池塘排放水污染和調控池塘養殖水質提供技術支持。結果表明，（1）池塘排水溝渠具有一定的自凈能力，在35 d內養殖廢水中的總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠色a等的含量及CODCr的平均去除率分別為2.73%、11.85%、17.98%、12.95%、4.52%、43.35%;（2）生物浮床技術對養殖廢水的綜合凈化效果最理想，在35 d內對養殖廢水中的總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠色a等的含量及CODCr的平均去除率分別為26.91%、58.97%、75.92%、42.83%、32.73%、85.62%;（3）生物填料技術對養殖廢水的綜合凈化效果較理想，在35 d內對養殖廢水中的總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠色a等的含量及CODCr的平均去除率分別為11.64%、14.89%、58.59%、75.66%、47.92%、67.36%;（4）水生植物操縱技術對養殖廢水的綜合凈化效果一般，在35 d內對養殖廢水中的總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠色a等的含量及CODCr的平均去除率分別為35.81%、23.40%、66.61%、33.07%、34.18%、41.21%;（5）鰱魚、鳙魚生物操縱技術對養殖廢水的綜合凈化效果相對較弱，在35 d內對養殖廢水中的總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠色a等的含量及CODCr的平均去除率分別為14.19%、23.71%、32.75%、43.15%、21.70%、68.72%。

關鍵詞：養殖污染;生態溝渠;生物操縱;生物浮床;生物填料

中圖分類號： X714文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2020）13-0285-07

收稿日期：2019-08-02

基金項目：現代農業產業技術體系建設專項（編號：CARS-45）。

作者簡介：顧兆俊（1983—），男，上海人，碩士，助理研究員，研究方向為池塘生態工程。E-mail：guzhaojun@fmiri.ac.cn。我國是世界上最大的水產養殖國。淡水池塘養殖是我國水產養殖的主要方式，《中國漁業統計年鑒2016》顯示，2015年我國淡水池塘養殖面積為270.122萬hm2，占淡水養殖總面積的43.94%，占全國水產養殖面積的31.91%;池塘養殖產量為 2 195.69萬t，占淡水養殖產量的71.70%，占全國水產品總產量的44.47%[1]。池塘養殖已成為漁業發展中不可或缺的一種模式。但池塘養殖中存在的一些問題也越來越突出，尤其是水資源大量浪費與水域環境污染等問題。

為了增加水產品的產量，向養殖水體中大量投放人工餌料，造成了嚴重的水體污染。水環境污染不僅制約了我國水產養殖業的健康發展，也對養殖區及其毗鄰水域的生態環境產生了重要影響[2]。目前，我國淡水養殖用水多數來自大大小小的河流、湖泊，養殖排放水體對周圍環境的負面影響日益加重[3]，養殖產生的廢水如果及時治理，極易污染周圍的水環境，破壞水域生態平衡并限制農村經濟可持續發展[4]。

生態溝渠是把排水溝渠構建成具有自身獨特結構并發揮相應生態功能的溝渠系統。近年來，對水產養殖水質的調控已成為業內關注的焦點問題之一。而我國養殖場多修建于20世紀80、90年代，沒有預留關鍵人工濕地的場地，因此，可以將現有排灌溝渠改造成具有水質凈化作用的生態溝渠可作為一種可操作性較強的水質修復技術[5]。本研究構建4種不同模式的溝渠：針對性種植水生植物調控水質的生態溝渠、布置生態（物）浮床調控水質的生態溝渠、針對性放養濾食性魚類和貝類調控水質的生態溝渠、利用立體彈性填料調控水質的生態溝渠。同時以溝渠自然凈化效果作為參照，以期研究出一種具有全面修復效果的生態構建模式，為解決池塘排放水污染和調控池塘養殖水質提供技術支持。

1池塘生態溝渠（試驗系統）的構建

1.1試驗環境

為了保證試驗運行的穩定性，所選的排水溝渠對應的池塘組相互串聯在一起，只開啟末端養殖池塘的排水口（圖1）。試驗排水溝渠全長為 142 m，寬5.4 m，水深0.9 m;池塘養殖品種為大口黑鱸（Micropterus salmoides），試驗期間池塘載魚量為0.96～1.08 kg/m3。

1.2構建模式

從構建成本和生產管理便捷度等方面考慮，構建4種可應用于池塘養殖排放水處理與調控的生態溝渠，包括2種生物（水生植物和水生動物）操縱模式，以及生物浮床技術和生物填料技術模式。

從實際應用性和可推廣性出發，水生植物操縱模式應選擇具有本地優勢的大型挺水植物，水生動物操縱模式選擇濾食性魚類，生物浮床調控模式選擇種植生物量較大的漂浮性或其他小型水生植物，生物填料選擇立體彈性填料。

1.3構建工藝

把排水溝渠并聯分隔成5條渠道（每條渠道寬度為1 m，分隔墻厚度為0.1 m），其中1條為自然狀態溝渠，另外4條通過水生植物操縱技術、水生動物操縱技術、生物浮床調控技術、生物填料調控技術等構建4種生態溝渠（圖2）。以自然溝渠作為對照，分析自然狀態下排水溝渠對池塘養殖污染的自凈能力;4種生態溝渠主要分析對不同養殖污染元素的凈化效果，以及對相應水化學指標的調控效果。

2材料與方法

2.1自然溝渠

試驗正式運行前，把對照用的排水溝渠完全清整1次，使其處于自然狀態下，且不含有任何干擾因子。

2.2水生植物溝渠

水生植物選擇再力花（Thalia dealbata），再力花競爭力強，繁殖速度快，耐富營養水質，具有較好的凈化水質功能，加上人們對異國花卉的審美偏好，使其兼具一定的觀賞價值[6]。再力花的最適生長溫度為20～30 ℃，與一般池塘淡水魚類養殖的最適生長溫度范圍相同;同時，其對氮的吸收能力高于相同功能類型的美人蕉（Canna indica）和千屈菜（Lythrum salicaria）等[7]。

試驗正式運行前移植二齡的再力花成株至試驗溝渠內。移栽植株128株，帶根（濕質量）總質量為588.8 kg，平均每立方水體質量為4.6 kg。

2.3水生動物溝渠

水生動物選擇鰱魚（Hypophthalmichthys molitrix）和鳙魚（Aristichthys nobilis）。試驗正式運行前放養二齡鰱魚、鳙魚種于試驗溝渠，放養量為鰱

魚20尾（均質量為300 g/尾），鳙魚10尾（均質量為 250 g/尾），放養魚類平均密度為42 g/m3。

2.4生物浮床溝渠

浮床植物選擇蕹菜（Ipomoea aquatica Forsk）。諸多研究表明，蕹菜是一種凈水能力較強的水生植物[8-12]，其被收割后可以作為蔬菜食用，兼具一定的經濟效益，且每次收割都能促進蕹菜的生長，加快對水體營養鹽的吸收。蕹菜對浮床系統比較理想的覆蓋率為45%左右[13]。

試驗正式運行前移植已發苗的蕹菜到浮床上，試驗期間每隔5不d收割1次，使蕹菜對浮床的覆蓋率保持在50%左右。

2.5生物填料溝渠

根據排水溝渠的結構，選擇立體彈性填料作為生物填料。試驗正式運行前放置直徑為120 mm，單位有效長度為1.0 m，比表面積為300 m2/m3的填料，沿溝渠等距離布置，上端與水體表面平齊，下端墜重物使其能在水中完全伸展開。溝渠內填料的總體積為水體的28.72%。

2.6采樣與檢測

試驗運行時間為35 d，試驗開始當天排放1次養殖廢水，直到試驗結束，其間不再排放。試驗當天池塘排水口取樣1次作為初始樣品，之后每間隔5 d從5條溝渠末端分別取水樣1次。每次取樣時間為07：00，并在取樣結束后12 h內完成水質指標的測定。測定指標為總氮、總磷、氨氮、亞硝態氮、葉綠素a等的含量以及重鐵鉻酸鹽指數（CODCr），測定方法參考《水和廢水監測分析方法》[14]。試驗數據用SPSS 13.0軟件統計，每次取樣時測1次各個指標與試驗開始時相比的去除率，然后求平均值作為平均去除率。

3結果與分析

3.1自然溝渠

如表1所示，隨著時間的延長，養殖水體中的總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠素a等的含量及CODCr大體上均呈下降趨勢，平均去除率分別為2.73%、11.85%、17.98%、12.95%、43.35%、4.52%。結果表明，排水溝渠在自然狀態下有一定的自凈能力，但效率不高。

3.2水生植物溝渠

如表2所示，種植再力花的排水溝渠對養殖廢水中的營養鹽均有良好的凈化作用，總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠素a等的含量及CODCr的平均去除率分別為35.81%、23.40%、66.61%、33.07%、41.21%、34.18%。

3.3水生動物溝渠

根據表3可知，放養鰱魚、鳙魚的排水溝渠對養殖廢水中的營養鹽均有一定的凈化效果，總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠素a等的含量及CODCr的平均去除率分別為14.19%、23.71%、32.75%、43.15%、68.72%、21.70%。

3.4生物浮床溝渠

根據表4可知，采用生物浮床技術的排水溝渠對養殖廢水中的營養鹽均有良好的凈化作用，總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠素a等的含量及CODCr的平均去除率分別為26.91%、58.97%、75.92%、42.83%、85.62%、32.73%。

3.5生物填料溝渠

根據表5可知，采用生物填料模式的生態溝渠，對養殖廢水中的營養鹽均有一定的凈化效果，總磷、總氮、氨氮、亞硝態氮、葉綠素a等的含量及CODCr的平均去除率分別為11.64%、14.89%、58.59%、75.66%、67.36%、47.92%。

3.6不同類型溝渠的調控效果

由表6可知，與自然排水溝渠相比，4種生態溝渠對營養鹽的凈化效果均有明顯提升（除水生植物對葉綠素a的凈化效果外）。其中，對總磷凈化效果最佳的是水生植物操縱模式，對總氮、氨氮和藻類凈化效果最佳的是生物浮床調控模式，對亞硝態氮和有機污染物的凈化效果最佳的是生物填料調控模式。

4討論與結論

4.1池塘排水溝渠的自凈能力

水體自凈是指水體受污染后，水域生態系統通過自然生態過程及物質循環作用，將水體中的污染物吸收、轉化、再分配，使水體凈化，恢復到受污染前的狀態的自然過程[15-16]。水體自凈是水生生態系統的一種生態修復手段[17]，它是一個包括物理、化學和生物作用的復雜過程[18-19]，受季節變化影響顯著[17，20-21]。本試驗所用溝渠的水體自凈能力受水溫、水中溶解氧含量、水力停留時間等的影響較大，但可能由于試驗期間正值秋季養殖生產的高峰季節，魚類的代謝產物以及飼料等的投入量的加大，大幅提高了養殖水體的富營養化程度，使得養殖廢水中的污染物超出了排水溝渠水環境容量（水體的納污能力）[22-23]的允許負荷量。因此，排水溝渠在自然狀態下，雖然有一定的自我修復功能，但效果不明顯，未達到相關標準的要求[24]，須要加入人為的設施或技術手段，提高處理效率來達到養殖廢水的環保排放或循環利用，實現節能、減排的養殖目標。

4.2水生植物對養殖廢水的調控效果

水生植物操縱模式的生態溝渠對氮、磷等營養鹽以及化學需氧量（COD）、藻類的凈化效果均較明顯。水生植物生長所需的氮源主要來自水體中可溶性氮，主要包括氨氮和硝態氮，因而水生植物能夠有效去除水體中的氨態氮，植物生長所需的磷元素可通過吸收水體中的正磷酸鹽獲得[25]。總體上，水生植物生態系統對磷的去除效果比氮的去除效果好，去除速率也比氮快，本試驗中總磷和總氮的平均去除率也證實了這點。從氮類營養鹽的凈化效果來看，水生植物生態系統對氨氮的去除率最高（66.61%），對總氮的去除率最低（23.40%），這可能是由于大型挺水植物可利用的氮元素主要為離子態的氮[26-27]，而對有機氮等并沒有表現出良好的去除能力。水生植物生態系統對有機物的凈化效果在前期不明顯，植物生態系統對有機物的去除主要是通過植物、微生物的吸收利用與代謝來完成的，試驗前期可能由于植物和微生物的生物合成作用產生了部分有機物，從而導致水體中有機物含量上升，而后期COD明顯下降可能是由于植物吸收了水體中的有機物。

4.3鰱魚、鳙魚操縱技術對養殖廢水的調控效果

鰱魚、鳙魚水生動物操縱模式的生態溝渠，對氮、磷等營養鹽以及有機物和藻類均有一定的凈化效果，對葉綠素a的凈化效果最好，平均去除率為68.72%;對總磷的凈化效果最低，去除率僅為14.19%。

鰱魚、鳙魚可通過自身捕食而獲取有機碎屑、懸浮顆粒、部分藻類，將其轉化為魚類蛋白等物質，從而引起水體中有機質含量減少;尤其是喜食浮游藻類的鰱魚可通過對藻類的捕食，限制藻類光合作用的水平，以此來有效控制水體中有機物質的補充[28]。鰱魚、鳙魚引入微型生態系統后，通過消化作用將一部分濾取的食物轉變成魚蛋白和魚體磷，其余以糞便的形式排出體外，經微生物分解后重新進入循環環節，最終被鰱魚、鳙魚重新利用。這就造成營養元素“短路”的現象，加快了它們的轉化速率[29-30]，并最終以魚產品的形式脫離水體，導致水體中營養元素濃度的降低[31]。本試驗中，總磷的去除率較低，這可能與鰱魚、鳙魚的生物量有關;氮類營養鹽的去除效果相對較好，這反映了鰱魚、鳙魚對藻類的生物抑制作用。

4.4生物浮床技術對養殖廢水的調控效果

生物浮床上的植物根系擁有巨大的表面積，這為水中微生物的生長提供了良好的固著載體，起到了生物膜載體的作用;同時浮床植物增大了水體接觸氧化的面積，并能分泌大量的酶，加速污染物質的分解。生物浮床還能夠阻擋水面上的陽光直射，降低藻類進行光合作用的光照強度，有效抑制藻類的生長繁殖。本試驗中，生物浮床操縱模式的生態溝渠，對氮、磷等營養鹽以及有機物、藻類均有良好的凈化效果，這反映了植物與微生物間的互生協同效應[32]。植物發達的根系為硝化菌、反硝化菌等微生物的附著生長提供了巨大的表面積，且水生植物可將氧氣輸送至根區，使根區形成了氧化態的微環境，這種有氧區域和缺氧區域的共存為根系好氧、兼性厭氧和厭氧微生物提供了不同的適宜的小生境。同時微生物可以把一些植物不能直接吸收的有機物降解成植物能吸收的營養鹽類。其中，對葉綠素a的去除率尤為明顯，這可能是由于蕹菜在試驗期間的生長速率較快，使整個溝渠直接被覆蓋，形成了厭氧環境，從而完全抑制了藻類的生長。

4.5生物填料技術對池塘養殖廢水的調控效果

4.5.1對有機物的調控效果生物膜法對有機物的去除機制主要包括微生物好氧降解、胞外酶對大分子有機物的分解和生物吸附絮凝作用等方面[33]。彈性立體填料在排水溝渠中具有適合微生物附著生長的表面微環境，因此對養殖廢水中的有機物有良好的凈化效果，平均去除率為47.92%。

4.5.2對無機氮的調控效果生物填料技術對養殖廢水中的氨氮和亞硝態氮具有較好的凈化效果，平均去除率分別為58.59%、75.66%，但對總氮凈化效果一般，平均去除率為14.89%。由于在生物脫氮過程中，總氮的去除包括氨化、硝化、反硝化等3個階段[34]，因此對氨氮和亞硝態氮的去除效果明顯高于對總氮的去除效果。

4.5.3對總磷的調控效果本試驗中，生物填料技術對總磷的凈化效果不夠理想，平均去除率僅為11.64%。這可能是由于彈性立體填料在池塘排水溝渠構建的結構不適合除磷菌的生長。

4.6結論

4.6.1自然溝渠自然狀態下的排水溝渠在35 d內，對載魚量不大于1.08 kg/m3的養殖模式所產生的養殖廢水，具備一定的自凈能力。但對總磷、總氮、無機氮類和有機物的凈化效果均不夠理想，須要加入人工技術手段來提高池塘排水溝渠的凈化效率。

4.6.2生物浮床技術采用生物浮床技術構建了排水溝渠，養殖廢水在溝渠內停留時間超過15 d，能達到淡水池塘養殖水排放要求;在35 d內，綜合凈化效果相對較好，同時具有一定的經濟價值和美觀價值，以及環境生態修復功能。一般情況下，生物浮床技術模式可作為構建淡水池塘生態溝渠的優先選擇。

4.6.3生物填料技術采用生物填料技術構建生態（排水）溝渠，在35 d內對總磷的凈化效果未達到淡水池塘養殖水的排放要求，對總氮的凈化效率未達到淡水池塘養殖水排放的一級要求。其綜合凈化效果僅次于生物浮床，但對部分主要水質指標的凈化效率最理想。因此，生物填料技術模式可作為構建淡水池塘生態溝渠的主要選擇之一。

4.6.4水生植物操縱技術采用水生植物操縱技術構建生態溝渠，養殖廢水在溝渠內停留15 d后，可達到淡水池塘養殖水排放要求;在35 d內對部分主要水質指標的凈化效率不夠理想，因而綜合凈化效果低于生物浮床和生物填料，但其相對比較美觀。因此，水生植物操縱模式可作為構建淡水池塘生態溝渠的次要選擇。

4.6.5水生動物操縱技術采用鰱魚、鳙魚生物操縱技術構建生態溝渠，在35 d內對總磷的凈化效果不夠理想，無法達到淡水池塘養殖水的排放要求;對其他水質指標的凈化效率均一般，因而綜合凈化效果相對較低。因此一般情況下，鰱魚、鳙魚生物操縱技術不適合作為單一模式用于構建淡水池塘生態溝渠。

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