水產養殖廢水生物處理技術研究

於玲蔚

（廣東中大新華水環境工程研究院 廣東東莞 523000）

引言

根據農業農村部2022 年7 月發布的數據顯示，2021 年我國水產養殖產量5394.41 萬噸，同比增長3.26%。全國水產養殖面積7009.38 千公頃，同比下降了0.38%。雖然養殖面積有所減少，但由此產生的養殖廢水排放量依然居高不下。根據第二次全國污染源普查公報公布的數據顯示，2017 年水產養殖污染排放量總量為：化學需氧量66.6 萬噸；氨氮排放量2.3 萬噸、總氮9.91 萬噸，總磷1.61 萬噸。數據顯示，水產養殖業污染排放總量占農業源水污染排放總量的6.35%左右，占全國水污染排放量的0.03%。隨著水產養殖集約化模式的轉型，養殖規模雖然有所下降，但產量呈現一定幅度的增長。在“雙碳”發展的目標背景下，包括水產養殖業在內的各個行業，均面臨著綠色低碳轉型發展之路，要積極發展綠色養殖，重視養殖水域生態環境保護，以積極服務國家“雙碳”戰略目標的實現[1]。

1 水產養殖廢水污染物

總體來看，水產養殖廢水污染物成分較為復雜，大體可分為有機污染物和無機污染物兩大類。與工業廢水相比，水產養殖廢水具有排放量大、污染物種類少、含量低等特點。

1.1 成分

水產養殖廢水污染物種類包括無機污染物和有機污染物。其中，無機污染物主要指養殖廢水中的氮、磷元素，包括氨氮、硝態氮、亞硝態氮、無機磷、有機磷等；有機污染物主要指好氧有機物，包括化學需氧量等（見表1）。其中，氮、磷等營養元素分別占總量的75%、98%以上，經水產品新陳代謝消耗掉9%、17%左右，大部分營養元素以硝態氮、亞硝態氮形式沉淀。目前，我國的水產養殖主要有淡水養殖、池塘養殖、前海養殖，以及海洋灘涂養殖等[2～4]。其中，淡水養殖所產生的污染物為磷、氮、魚藥等；前海養殖所產生的污染物主要為活性磷酸鹽、無機氮；池塘養殖產生的水產養殖污染物包括氮、磷及有機質；以貝類養殖為主的海洋灘涂養殖，產生的廢水主要有有機物、污染物、以及硫化氫等。總體來看，水產養殖廢水中的污染物主要為氮、磷及其衍生物、有機污染物。

表1 水產養殖廢水污染物組分情況

1.2 特點

與工業廢水以及一般生活污水相比，水產養殖廢水具有污染物種類少、含量變化小，以及水量大等顯著特點（見表2）。水產養殖有機污染物濃度較低，BOD 一般＜80mg/L；TN濃度在15mg/L-1左右；CODMn濃度在130mg/L-1左右。以有機污染物為例，水產養殖業廢水主要存在于懸浮固體、沉淀固體，以及細小且溶解的固體。其中，懸浮固體和細小且溶解固體主要指懸浮于水中的有機污染物，沉淀固體主要指堆積于底部的有機污染物。因此，水產養殖廢水易生化降解，水質穩定。此外，水產養殖廢水處理主要是滿足回用要求，因此，應選擇更為安全高效處理模式[3～6]。

表2 水產養殖典型種類養殖期間排放廢水水質 mg/L

1.3 來源

一方面，為了提高水產養殖產量和養殖效率，在水產養殖過程中，養殖戶會投加大量藥物，這些藥物在水體中長期存在，難以通過其自身消解而去除，會導致周邊水體污染。另一方面，養殖戶還會投喂各種飼料，過量飼料的投加，在水產養殖過程若未能及時被消化，也會在水體中形成污染物，加劇水體污染，影響水環境透明度，降低水體溶解氧濃度，直接影響pH 值，影響水生物的正常生長，打破水生態環境平衡。可見，水產養殖廢水的污染來源主要為藥物及飼料的過量使用[7]。

1.4 危害

水產養殖廢水的危害是多方面的，歸納起來，主要是危害水產品及破壞水環境。具體來說，一是危害水產品。投加餌料、藥物，其中部分毒素在水生生物體內聚集，經食物鏈傳播，最終會危害到人體健康。有研究表明，過量使用藥物及飼料，水產品體內的鎘、汞、鉛等重金屬污染物超標，存在重金屬污染的風險。二是危害生態環境。隨著水產養殖業集約化、規模化發展，為了增加單位產量，不斷增加水產品養殖密度，大量水生動物在新陳代謝過程中會排放出糞尿，加劇水體中氨氮、生化需氧量含量。隨著水產養殖時間的增加，氮、磷等污染物在水體中的濃度不斷增加，若未對其進行適當的處理，這些氮、磷污染物會降低水生態環境溶解氧，導致細菌、微生物滋生，最終致使水體富營養化，污染周邊生態環境。

2 水產養殖廢水生物處理技術應用

隨著水產養殖業的飛速發展，以及由此產生的生態環境污染問題日益受到關注，物理、化學及生物處理技術紛紛應用于水產養殖廢水治理，有效緩解了生態環境污染問題。生物法處理水產養殖廢水，主要利用微生物及藻類、水生植物等自養性植物改良水質，解決殘余餌料及水生動物代謝產物，從而達到去污效果。與物理、化學工藝技術處理水產養殖廢水易造成二次污染、能耗大、處理成本高相比，生物處理技術在處理水產養殖廢水中，具有成本低、工藝技術適應廣、不會產生二次污染、可再生性和生態性強等特點，在實際中得到了廣泛應用。

2.1 活性污泥法

（1）原理

活性污泥法處理水產養殖廢水，其原理是利用水產養殖廢水中懸浮活性污泥，在有利于微生物生長且能大面積接觸污水的條件下，通過污泥中的真菌、細菌、原生動物等微生物，以及金屬氫氧化物污泥狀褐色絮凝物，將污水中的有機物進行吸附、氧化分解，從而實現水質凈化達標效果（見圖1）。

圖1 工廠化高密度養殖廢水活性污泥處理工藝技術

（2）類別

在水產養殖廢水處理過程中，利用活性污泥法處理養殖廢水，將廢水中的有機物作為培養基，在充氧條件下，連續培養各種微生物群體。其工藝類別又可分為懸鏈式活性污泥法、周期循環式活性污泥法、間歇活性污泥法等[8]。

（3）特點

活性污泥法處理水產養殖廢水，其工藝原理、方法及技術均非常成熟，對于養殖廢水中氮磷的去除效果較好。但該工藝技術處理具有占地大，易產生污泥，造成環境二次污染，運行費用高等缺點，且活性污泥法處理水產養殖廢水，主要適用于鹽度較低的情況，不適用于海水養殖廢水等高鹽度情況。

2.2 人工濕地法

（1）原理

人工濕地法處理水產養殖廢水，主要通過設計利用植被、土壤以及微生物群落處理水產養殖廢水。

（2）類別

人工濕地主要包括水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地、混合（或復合）人工濕地。

（3）特點

處理水產養殖廢水，不同類型的人工濕地工藝技術在其處理過程中獲得的效果也存在較大差異。例如，水平潛流人工濕地處理水產養殖廢水，其反硝化效果較好，但對水產養殖廢水中氨的去 除效果有限。垂直流人工濕地處理水產養殖廢水，通常與氧結合，尤其在除氨氮及有機物方面效果良好，但垂直流人工濕地反硝效果有限[9]。混合或復合人工濕地，主要通過營造不同氧化還原環境，進一步推動硝化、反硝化作用，提升處理效果。

2.3 生物膜法

（1）原理

生物膜工藝處理水產養殖廢水，主要通過富含營養物質并接種微生物菌群的養殖廢水在填料表面流動，流動一段時間后，微生物附著于填料表面生長，形成生物膜。利用生物膜凈化處理水產養殖廢水，即生物膜法（見圖2）。

圖2 水產養殖廢水生物膜處理工藝流程

（2）類別

生物膜法處理水產養殖廢水，主要包括生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化設備，以及生物流化床。其中，生物濾池是將碎石、卵石、煤渣、焦炭以及人工合成填料等，作為生物濾池載體。根據不同運行模式，生物濾池又分為降流式生物濾池、升流式生物濾池、平流式生物濾池。生物轉盤是將圓盤固定于軸上，將盤片一半放置于水中，一半露出水面。水產養殖廢水與空氣中微生物附著于盤片表面，形成生物膜。當生物轉盤轉動時，原本浸沒于水中的盤片露出養殖水面，盤片因自重而沿著表面流下，空氣中氧氣經混合、滲透、吸收、擴散等作用而被轉盤帶入水體中，增加治理區域水的溶解氧，從而實現凈化效果。生物轉筒作為生物膜發展變型的產物，廣泛在德國、丹麥等發達國家應用。目前，生物轉筒類型主要有：硬聚乙烯塑料制成外殼，聚氯乙烯波紋圓盤片內置；鋼制筒體外殼，筒內固定于硬聚乙烯波紋軸，外接3m 直徑圓；轉筒內置小容器。生物流化床作為一種高負荷生物膜法，生物流化床利用好氧硝化滴濾、缺氧反硝化流化床，將二者結合起來構建反應器，并將硝酸鹽、有機物等懸浮于表面物體送到流化床，進行處理[10]。

（3）特點

生物膜法處理水產養殖廢水，具有易管理、處理高效等特點，尤其是去除養殖廢水中的氨氮、有機物，也是水產養殖廢水中氨氮、COD 處理效果最經濟、成本低的工藝技術。

2.4 生態浮床

生態浮床工藝處理水產養殖廢水，其原理是利用水生生物處理水產養殖廢水。其中，水生植物主要是利用其根、莖、葉等吸收、吸附微生物，分解去除水產養殖廢水種的氮、有機物，以及通過吸收、吸附、沉淀，以及微生物固定等，直接或間接地去除污水中的污染物磷。生態浮床工藝技術處理水產養殖廢水的重點是植物選型，選擇親水植物，如菖蒲、常綠鳶尾具有良好脫氮除磷效果。構筑生態浮床系統時，應選擇廢水凈化能力強的水生植物，了解不同水生植物的功能特性，并與微曝氣技術、不同基質搭配，以及其他污水凈化技術結合，提升生態浮床的凈化處理功能。

此外，生物技術處理水產養殖廢水還包括生物修復技術、微生物制劑技術、微生物菌劑技術等[11]。

3 水產養殖廢水生物處理技術優化

生物技術處理水產養殖廢水，在選擇適宜的工藝技術基礎上，還需要進一步優化預處理技術、自動化控制技術，以及生物強化技術，從而進一步提升水產養殖廢水生物處理的效率和效果。

3.1 預處理

（1）沉淀、泡沫分離

水產養殖過程中需要投加餌料，會產生部分尚未食用的餌料，同時隨著水產養殖密度的增加，也會產生大量水產動物排泄物。為了提升生物工藝處理效果，需要對尚未食用的餌料以及水產動物排泄物進行預處理。通常，選用沉降法處理，可有效去除全部可沉淀固體物，大部分的懸浮物和揮發性物質等等。

（2）選擇適宜的溫度和溶解氧濃度

生物處理工藝技術處理水產養殖廢水，硝化細菌硝化作用的效果受到溫度、溶解氧等因素影響。為此，應根據當地實際氣象條件，在選擇相應的生物工藝技術后，還需要進一步優化溫度以及水體含氧量。為此，需配備高效增氧裝備，并進行合理布局，選擇適宜增氧方式，提高處理效率。

（3）利用水生維管束植物

選擇適宜的水生維管束植物，可以有效提升水質凈化效果。如鳳眼蓮處理養螺廢水、茄子處理養鱉廢水、番茄處理養甲魚廢水等等。通過利用水生微管束植物，發揮植物濾器效果，且植物濾器成本低，可有效降低養殖廢水中的營養物[12]。

3.2 水質自動化控制

為了獲得更大經濟效益，高密度養殖成為水產養殖業發展的方向。為了進一步做好高密度養殖廢水處理工作，可考慮引進自動化控制，以及污水處理、監測技術，將其應用于廢水處理，發揮其輔助功能，可提升廢水的處理質量和效率。

3.3 生物強化

水產養殖廢水處理中也可考慮應用固定化微生物技術，目前該技術主要應用于污水處理以及工廠化養殖循環廢水處理室內模擬中。將聚乙烯醇作為包埋載體，將粉末活性炭作為無機載體，并加入相應的馴化污泥，用以處理水產養殖廢水，氨氮以及生化需氧量去除率可達到75%以上。此外，以聚乙烯醇作為包埋骨架，并添加二氧化硅、碳酸鈣等載體，用于固定菌藻系統，從而達到去除養殖廢水中的氨氮的效果，去除率可達95%以上。

3.4 高效菌

無論是生物強化技術、預處理技術，還是水質自動化控制系統，都存在一些缺陷和不足。因此，在水產養殖場地投加有益微生物，讓這些有益微生物參與到養殖場地的生態循環體系中，可有效改善養殖場水質，去除水產養殖場中的有機污染物。此外，投加高效菌還可以有效抑制水體中的病原微生物的繁殖生長，防止病原微生物過度生長，也可以有效實現防治病害的效果。在水產養殖場投加微生態制劑或高效菌，能夠有效凈化水產養殖廢水，是一項十分成熟的工藝，在實際應用中得到了廣泛推廣。目前，在水產養殖領域應用較為廣泛的微生態制劑包括枯草芽孢桿菌、硝化細菌、腸道菌群、假單胞菌等。這些微生態制劑在水產養殖中可有效發揮其硝化、反硝化、氧化、硫化、固氮作用等功能，并且將水產養殖場地內的殘存飼料、餌料，以及動物排泄物、浮游生物殘體、化學藥物等分解成二氧化碳、硫酸鹽、硝酸鹽等，從而實現去除養殖廢水中的污染物效果。

結語

傳統養殖模式下，集約化、規模化養殖模式，加劇了養殖場水質污染，威脅水產品安全，以及市民的身體健康。重視水產品養殖產業生態環境污染防治，選擇合適的工藝技術，其中，生物技術處理水產品養殖具有效率高、投入少、易管理等特點和優勢，將生物處理技術應用于水產養殖廢水治理，進一步推動養殖方式由粗放向節能環保轉變，實現經濟效益與環保效益雙贏。