水產養殖場抗生素類新型污染物減排示范工程研究成果

徐后濤，鄭小燕，王麗卿，楊 青，郭春霞，胡雙慶，沈根祥

(1.上海水生環境工程有限公司，上海 200090；2. 上海市環境科學研究院，上海 200233)

1 研究背景與目標

抗生素是目前環境科學研究領域中的一個熱點問題。抗生素廣泛應用于人和動物體疾病的防治以及動物飼養中的生長促進劑。大部分抗生素經使用后，并不能被機體所吸收，而是以原形或活性代謝產物的形式隨糞便或尿液排出體外，最終直接或間接進入受納環境[1]，對人體健康和生態安全造成潛在的威脅[2]；而且，抗生素在環境中的殘留會對細菌產生選擇性壓力，驅動細菌的變異和水平基因轉移，從而導致耐藥菌和耐藥基因問題的加劇[3]。

我國淡水養殖產量從1990年起一直位于世界第一，居民食品中約1/3的動物性蛋白來自水產品，漁業的發展滿足了人們生活質量提高的需求[4]。水產養殖過程中，部分水產養殖戶為預防和治療水產動物疾病，大量甚至過量使用抗生素。水產養殖業抗生素主要集中在2個環節，一是飼料生產環節，企業向飼料中添加抗生素；二是養殖戶在養殖過程中，向飼料中添加抗生素和向水體中潑灑抗生素[5]。水產養殖過程中使用的抗生素70%～80%最終進入水環境和底泥中，與其他養殖業不同的是，水產養殖業抗生素是直接進入水體的，并對水生態產生影響。研究表明，我國已經成為抗生素生產量和使用量最大的國家[6]，2007年的抗生素年生產量達21萬t，其中有46.1%應用于畜牧業，幾乎是美國1999年在畜牧業中使用的抗生素總量的4倍[7]。另外，我國2013年的抗生素使用量驚人，達9.27萬t；其中，近5.40萬t的抗生素由于人類和動物體的不完全吸收而被排出體外，經污水處理廠等處理之后，最終仍有5.38萬t抗生素進入環境[8]。

2019年2月，農業農村部等10部委聯合印發《關于加快推進水產養殖業綠色發展的若干意見》，提出推進養殖尾水治理，推動出臺水產養殖尾水污染物排放標準，依法開展水產養殖項目環境影響評價。水產養殖業的環境污染問題，一直是社會關注的熱點問題，尤其是在水源地等環境敏感區。

為貫徹落實《上海市水污染防治行動計劃實施方案》和《上海市都市現代綠色農業發展三年行動計劃(2018-2020年)》相關要求，依托國家科技重大專項“太浦河金澤水源地水質安全保障綜合示范”(2017ZX07207)子課題“金澤水源地養殖業抗生素和激素類新型污染物防控關鍵技術研究與示范(2017ZX07207002)”項目支持，上海市環境科學研究院牽頭，上海水生環境工程有限公司承擔的水產養殖場抗生素類新型污染物減排示范工程，根據金澤水源地水源區水質保障的科技需求，針對水產養殖尾水中抗生素殘留問題，以青浦沙田湖水產養殖場為研究對象，根據其排水規律，通過養殖尾水末端處置關鍵技術的工藝流程和技術參數研究，設計建造了水產養殖業常規和新型污染物協同凈化示范工程建設，開展以常規和新型污染物協同凈化為目標的水產養殖尾水污染物凈化技術研究應用。通過為期3個月的第三方監測，初步評價了示范工程常規和新型污染物的凈化效果，得出：在濕地增加金屬負載型濕地模塊的情況下，水產養殖尾水中常規和抗生素類新型污染物去除效率均可達到30%以上，達到項目既定的考核目標。

2 研究成果

2.1 水產養殖尾水污染物特征

本項目調研了金澤水源地上游浙江及水源地周邊養殖區域水產主管部門(區畜牧水產科、水產推廣站、漁業協會)、各類漁藥店及典型水產養殖場(魚、蝦、蟹等)，掌握了水產養殖藥物投入品的主要類型、使用方式等現狀情況，并對水產養殖尾水和底泥中的抗生素殘留情況進行分析。在此基礎上，結合近3年(2015年—2018年)水產品中的藥物殘留檢測情況，提出水產養殖生產環節2種嚴格管理的抗菌藥物和3種重點管理抗菌藥物及其管理對策建議。該研究成果已形成《關于加強本市養殖業抗菌藥物使用管理的通知》(滬農委規〔2019〕14號)，于2019年7月12日作為上海市農業農村委委員會規范性文件實施。

本研究示范工程在上海市青浦區金澤鎮沙田湖水產養殖場內，水產養殖面積約為333 500 m2，水產養殖品種主要有蟹、南美白對蝦、四大家魚等。各養殖品種中四大家魚污染負荷相對較高、總氮、總磷、高錳酸鹽指數均呈現夏季高、冬春季低的特點?？偟募咀罡呖蛇_8.4 mg/L，冬季最低平均為1.99 mg/L；總磷夏季最高平均0.3 mg/L，春季最低0.11 mg/L；高錳酸鹽指數夏季最高15.32 mg/L，冬季7.2 mg/L。養殖塘中磺胺類抗生素、諾氟沙星、四環素被檢出率較高，其中磺胺嘧啶最高可達301.5 ng/L。

2.2 水產養殖尾水污染減排工程工藝設計

示范工程占地約5 100 m2，服務水產養殖面積為22 466.67 m2，水產養殖品種以四大家魚為主，除冬季捕魚集中排水外，夏季(7月-9月)排水量最大，日平均排水量約2 400 m3。課題組重點對水產養殖尾水中常規和新型污染物協同凈化進行工藝設計，設計沉淀池(542 m2)、低氧塘(535 m2)、表面流濕地(1 122 m2)、一級氧化塘(1 003 m2)、水平潛流濕地(712 m2)、可拆卸金屬負載型濕地(330 m2)、二級氧化塘(702 m2)等核心處理單元，以滿足常規污染物(總氮、總磷、高錳酸鹽指數)出水指標達到國家地表水Ⅳ類標準(GB 3838—2002)、抗生素等新型污染物削減30%的目標。圖1為水產養殖尾水常規和新型污染物去除工藝流程。

圖1 水產養殖尾水常規和新型污染物去除工藝流程Fig.1 Technological Process of Conventional and Emerging Pollutants Removal for Aquaculture Tail Water

2.3 工程運行操作管理

本項目水產養殖場抗生素新型污染物減排示范工程采用“常規濕地+可拆卸金屬負載型濕地+沉水植物氧化塘”的復合型人工濕地處理工藝，日常運行操作管理步驟如下。

水產養殖塘尾水通過自流或提升泵提升到生態溝，在溝渠中截留一部分懸浮物，然后通過濕地系統進水渠進入沉淀池，沉淀池中設有粗細格柵對進水中的較大固體以及懸浮物進一步截留和沉降。圖2為水產養殖場示范工程現場運行情況。

圖2 水產養殖場示范工程現場運行情況Fig.2 Field Operation of Demonstration Project in Aquafarm

養殖尾水在濕地中通過自流的方式，依次經過低氧塘、表流濕地、一級氧化塘、水平潛流濕地等單元，以凈化水體中的總氮、總磷、高錳酸鹽指數等常規污染物。

經過常規濕地凈化后的養殖尾水自流進入可拆卸金屬負載型濕地模塊，對水體中的抗生素進行進一步降解?？刹鹦督饘儇撦d型濕地模塊，主材為吸附釩酸鉍的活性碳纖維，片狀，規格為1 m×2 m×0.05 m，采用不銹鋼或鍍鋅鋼管框架固定。

二級氧化塘主要功能是儲水和進一步降解水體中的常規污染物，經過濕地處理后的養殖尾水，根據需要可以回用到養殖塘中，也可以直接排入外河道。

2.4 核心單元控制參數

為實現水產養殖尾水中氮磷等常規污染物和抗生素等新型污染物的有效去除，水產養殖場可結合養殖品種、規模選用合適的濕地處理模塊，并在運行過程根據實際運行效果適當調整運行參數。

人工濕地對常規污染物去除污染負荷總氮宜取1.0～3.0 g/(m2·d)，總磷取0.08～0.20 g/(m2·d)，水力表面負荷≤ 0.3 m3/(m2·d)。

人工濕地采用金屬負載型濕地模塊，該模塊對抗生素去除的污染負荷宜取0.2～0.4 g/(m2·d)，水力停留時間一般不低于4 h。

2.5 減排效果監測評估

通過對示范工程進出水中常規及新型污染物含量的連續監測得出，濕地穩定運行后，濕地出水總氮、總磷、高錳酸鹽指數平均濃度為1.34、0.08 mg/L和6.132 mg/L，去除率分別為63.9%、65.1%和39.7%。出水抗生素總濃度為59.5 ng/L(均值)，去除率為70.6%。

在常規人工濕地處理模塊的基礎上增加可拆卸金屬負載型濕地模塊，可起到常規和新型污染物協同凈化的效果，可推廣應用。

3 成果推廣展望

本課題針對水產養殖尾水中常規和抗生素等新型污染物風險問題，通過設計基于可拆卸的金屬負載型人工濕地模式，集成了常規污染物和新型污染物協同凈化的工程，對于氮磷等常規污染物的去除率平均在40%以上，對抗生素的去除率可達70%，成本適中，運行管理簡單，可在長三角地區乃至全國推廣應用。

“十四五”期間，需在持續跟蹤評估不同水產養殖品種養殖尾水末端處置技術應用效果的基礎上，編制可行的技術指南，推廣應用“十三五”形成的水產養殖業常規污染物和抗生素類新型污染物減排技術成果，進一步提升水源水庫周邊及上下游區域水產養殖生產和水質監測監控管理水平。