中國水產養殖尾水污染現狀及凈化技術研究進展

王鈺欽 鄭堯 錢信宇 楊曉曦 陳家長 吳偉

摘要：水產養殖業作為農業面源污染的來源之一受到廣泛關注，養殖尾水的污染治理已成為當前的研究熱點。為了解養殖尾水凈化的機理，促進凈化技術效能的增強，研究介紹了中國水產養殖業污染的現狀、危害和相關防治政策，并對近20年出現的水產養殖污水凈化技術進行了綜述。最終對養殖污水的研究進行了展望，提出可對沉淀單元進行強化、利用新型材料和微生物強化凈化系統的可能性。

關鍵詞：水產養殖尾水;污染現狀;凈化技術

中圖分類號： S949???? 文獻標志碼：A???? 論文編號：cjas20200300088

Aquaculture Wastewater Pollution and Purification Technology in China： Research Progress

WANG Yuqin ， ZHENG Yao ， QIAN Xinyu ， YANG Xiaoxi ， CHEN Jiazhang ， WU Wei121122

（1 Wuxi Fishery College， Nanjing Agricultural University， Wuxi 214081， Jiangsu， China;

2 Freshwater Fisheries Research Center， Chinese Academy of Fishery Sciences， Wuxi 214081， Jiangsu， China）

Abstract： Wastewater from aquaculture has attracted wide attention as one of the sources of agricultural non- point source pollution， and the management of aquaculture wastewater has become a current research hotspot. In order to understand the mechanism of aquaculture wastewater purification and enhance the purification technology efficiency， this paper introduces the current status， hazards， and related control policies of aquaculture pollution in China， and reviews the aquaculture wastewater purification technologies developed in the past two decades. Finally， the research direction of aquaculture wastewater is discussed to put forward the possibility of strengthening the sedimentation unit， and using new materials and microorganisms to intensify the purification system.

Keywords： aquaculture wastewater; pollution status; purification technology

0引言

改革開放以來，中國的水產養殖業發展迅猛，是世界上唯一養殖產量超過捕撈產量的國家，養殖產量已連續30年位列世界第一，2018年全國水產養殖產量4.9×1010 kg[1]，占世界水產養殖產量的60%以上[2]。水產養殖產量高，造成的污染也高。水產養殖業已經成為農業面源污染的重要來源之一，不容忽視。為了降低養殖尾水的危害，各種養殖尾水凈化系統應運而生。本研究將通過介紹中國水產養殖業污染的現狀、危害、防治政策和近20年出現的水產養殖污水凈化技術，了解養殖尾水凈化的機理和各種凈化系統的優缺點，為凈化系統的選擇提供建議，并對凈化系統的研究進行展望。

1中國水產養殖尾水及其污染影響概況

中國的水產行業多采用高密度養殖，通常伴隨過量的施肥和投餌，過多的肥料和餌料會殘留于水體，并造成養殖水體及周邊自然水生態環境中總氮（TN）、總磷（TP）和高錳酸鹽指數（CODMn）的升高[3-5]。養殖尾水的總量日益增大，產生的主要污染物也呈上升趨勢。截至目前，中國重要漁業水域普遍出現 TN、TP 和 CODMn 超標的情況。據中華人民共和國生態環境部《2018生態環境狀況公報》所示，TN 是中國江河重要漁業水域主要的超標指標; TN、TP和CODMn 是中國湖泊（水庫）重要漁業水域的主要超標指標[6]。有研究顯示，在江蘇省農村污染中，水產養殖業產生的TN污染占總污染的11.57%，而TP更是高達51.12%[7]。

為了向人們提供更多的優質蛋白質，并給養殖戶帶來更多收入，水產養殖業逐漸走向集約化和高密度養殖模式。在集約化和高密度的養殖過程中，養殖戶會向養殖水體中投放飼料和肥料等營養物質[8]。營養物質的主要成分為脂質、蛋白質、碳水化合物和無機礦物質，這些營養物質一部分被水產動物消化利用，一部分成為池塘底泥，而大部分通過養殖尾水的排放離開養殖池塘。研究資料表明，養殖中飼料轉化為養殖生物過程中，僅有13.9%的氮素和25.4%的磷素轉化為養殖產品，其余部分沉積于底泥或散逸于養殖水體[5]。未被轉化成養殖產品的營養物質會向外部水體輸出氮、磷等植物性營養元素和蛋白質、碳水化合物、脂質等有機物。過量的植物性營養元素會造成水體富營養化，使藻類大量繁殖，而有機物會促進細菌增殖，降低水體中的溶解氧（dissolved oxygen， DO）含量，造成水生動植物死亡，進而使生態失衡[9]。研究表明，水體 DO 含量的下降可降低魚類攝食量和餌料轉換效率，使魚類生長遲緩[10-12]。過低的DO甚至會導致水生生物死亡[13]。并且目前的水產養殖中，絕大部分養殖尾水未經處理直接排放，這使其造成的污染更加嚴重。據研究，2018年水產養殖區域污染面積達218 km2，由污染導致的水產品損失4.6×107 kg、直接經濟損失8.2 億元[1]。水產養殖污染會造成水體富營養化、影響水系的自然生態功能，并容易帶來的水華、赤潮等自然災害，不僅降低了居民的生活質量，還給居民的健康財產帶來了巨大的損失[14]。

為了減少水產養殖對生態環境帶來的負面影響，多個政府部門陸續出臺相關法規和指導意見。江蘇省海洋漁業局早在2010年便制定《江蘇省太湖流域池塘循環水養殖工程建設專項規劃（2011—2020）》，要求太湖流域的連片池塘進行循環水養殖改造，以達到重復利用養殖尾水，減少污染排放的目的。2019年2月農業農村部等部委印發了《關于加快推進水產養殖業綠色發展的若干意見》，對中國水產養殖業的發展提供了指導意見，其中第十一項具體的政策措施中要求推進養殖尾水治理，鼓勵通過采用人工濕地和生物凈化等方式，使養殖尾水得到資源化利用或達標排放。

2水產養殖尾水凈化國內外研究現狀

目前，養殖尾水的處理和凈化方法可以根據處理位置的不同分為原位凈化和異位凈化。原位凈化指將養殖尾水在養殖池塘內部進行凈化，異位凈化指將養殖尾水導出養殖水體，在其他的空間中進行凈化。這兩種方法各有優劣，原位凈化無需占用額外的空間，相對于異位凈化能夠有效的減少人力、能源、土地資源和資金投入，但水產養殖本身需要的適度肥水，原位凈化會影響肥水效果，并且其原位凈化受空間、時間、養殖生物的影響，很多凈化方法無法使用，導致凈化效果存在季節性和波動性。異位凈化凈水效果高于原位凈化，但需要消耗額外的土地資源，并且需要投入更多資金[5]。

2.1 原位凈化

由于原位凈化在養殖水體中直接改善水質，可減少對魚類的不良影響。原位凈化主要通過物理、化學和生物凈化方法凈化水質。物理凈化方法主要為底泥覆蓋法、吸附法?；瘜W凈化方法主要為絮凝沉降法、曝氣法。生物凈化方法主要是生態養殖法、水生植物法和微生物法。

2.1.1 物理凈化技術養殖池塘中投放的肥料和餌料通常不會馬上溶解于水體中，而會以沉積物的形式保留在其底部，形成池塘底泥，然后緩慢地通過擴散和微生物的分解作用增加水體的植物性營養物質和還原性有害物質，并消耗水體DO，造成養殖池塘及周圍水體生態環境失衡。底泥的凈化對養殖水體凈化有重要意義，物理凈化最簡單和有效的技術就是底泥的疏竣。由于底泥中具有還原性有害物質，在養殖過程中進行底泥疏?？赡軐︷B殖生物造成不良影響，故底泥疏浚在養殖周期完成后才能進行，每年年底的清塘就是這項技術的代表。其次是底泥原位覆蓋技術。底泥原位覆蓋技術將清潔材料覆蓋于底泥上，將底泥和養殖水體隔離，能夠減少底泥和水體之間的物質交換，防止污染物質向水體中擴散，有效地降低水體污染物濃度[15-16]。有研究表明，原位覆蓋技術可以降低水體中水溶性無機磷的濃度[17]，并且能夠降低氨氮（NH3-N）、多氯聯苯、多環芳烴、重金屬物質的釋放[18]。但是底泥原位覆蓋局限較大，其無法降低污染物總量，當覆蓋層受到破壞時依然會造成污染;覆蓋材料和其運輸、應用都需要一定成本;造成底泥疏浚的難度的增加;會占據池塘空間，減少養殖池塘深度;并且養殖池塘容易形成底泥，新底泥的產生會減少該技術的凈化效果[15]。

吸附法主要通過添加吸附材料的吸附作用富集養殖水體中的污染物，達到凈化水體的目的。吸附材料一般為多孔結構，含有大量的介孔和微孔，比表面積較大，能夠將水體中的污染物吸附在其表面。有研究表明，改性凹凸棒土負載鋁鹽吸附劑對水體中磷的吸收率最高可達98%[5]。超聲—鑭改性沸石能有效的降低河道氮磷類物質濃度，其去除率最高可達93.0%和98.7%[6]。吸附材料對抗生素具有一定吸附能力，有研究表明，沸石能夠有效的去除水體中的磺胺甲惡唑和氧氟沙星[19]。但吸附法使用量大、成本高，且很難真正將污染物從養殖水體中移除。目前對于吸附材料的研究成果多數集中在理論方面，用于實踐的研究較少，且主要集中于水生動物較少的水體中，實際應用時采用的方式方法有待進一步地研究。

2.1.2 化學凈化技術絮凝沉降技術通過添加絮凝劑達到凈水效果。絮凝劑提供多羥基絡合離子，可以吸引廢水中原本相斥的反相膠體微粒，通過電中和及卷掃作用將水體中的膠體雜質絮凝凝結成容易沉淀的絮狀體[20-21]。有研究顯示，氧化偶合絮凝劑對受污染水體有較好處理效果，能夠有效的降低 CODMn、生化需氧量（BOD）和TP濃度[22]。研究發現，聚合氯化鋁鐵-陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑，CODMn 去除率可達65.57%，NH3- N、硝態氮（NO3--N）和亞硝態氮（NO2--N）的總去除率可達 32.46%[23]。但是絮凝沉降技術無法將污染物移出水體，只是將養殖水體中的污染物暫時保留在池塘底部，池塘底部的污染物有可能釋放出來。

曝氣法通過增氧機和鋪設通氣管等方式向養殖水體中注入空氣，一方面增加水和空氣的接觸面積，促進空氣中的氧氣進入水體，提高水體DO濃度;另一方面通過氣浮將水體中的有害氣體和懸浮性顆粒物質帶到水體表面。DO可以將水中的還原性有害物質和溶解有機物轉化為無害物質或轉化為易于從水中分離的氣體或固體。研究顯示，曝氣法可以去除水中溶解的 CO2、H2S、NH3等氣體，對水中的金屬污染物起到氧化作用[24]。雖然曝氣法在養殖中非常常見，但是其設備和運行成本較高。

化學處理技術通過添加過氧化氫、過乙硫酸氫鉀、高鐵酸鉀、二氧化氯、漂白粉等氧化劑，氧化并分解養殖水體中不易分解的有機物。也有添加硫酸銅、四羥甲基硫酸磷等化學物質凈化養殖水體，減少養殖水體中的病菌，但是有些物質會對人體產生不良影響，許多化學物質己被禁止使用[25]。

2.1.3 生物凈化技術生態養殖法充分運用物質轉化與能量傳遞理論，能夠將“資源—產品—污染排放”的傳統生產模式轉向“資源—產品—再生資源”的資源節約型生產模式[26]。綜合運用各種生物互補互利特點，充分利用投入的物質和能量，達到減少污染、節約成本、降低病害、增加收益的作用。常用一些水生動植物進行生態養殖，植物能夠通過吸收和轉化植物型營養物質降低富營養化;葉冠的覆蓋遮光、他感作用改變水體中藻類群落;根系泌氧提供微生物生境等途徑凈化水質，能夠有效降低養殖水體中的TN、TP、懸浮物和重金屬離子[27]。劉耀斌開展了對魚/蝦-稻共養模式的研究，研究表明，相較于單一養殖魚/蝦，魚/蝦-稻共養模式能有效的降低養殖水體中正磷酸鹽（PO43-）、NH3-N、 NO3--N濃度[28]。除了水生植物外，貝類也是很好的凈化生物，貝類能夠通過攝食清除水中藻類和微生物。研究表明，有蚌池與無蚌對照池比較，水體葉綠素含量降低57.5%，懸浮物含量降低49.2%，水體透明度提高7～8 cm[29]。生態養殖法充分利用投入的餌料和飼料，能有效的減少污染排放，但需要結合當地環境因素，考慮配養生物生態位、代謝能力，并針對種類、數量等運行參數做大量研究，且需要較高的專業水平。

微生物會分解水體或沉淀物中的有機物，并分解、吸收水體中的氮磷類污染物，使污染物離開養殖水體或轉化為無害物質，而達到水質（底質）改良、凈化的目的。目前在生產中常使用微生態制劑、生物絮團、固定化微生物等技術調節水中的微生物種群結構。

微生態制劑是利用微生物和促進微生物生長的物質制成的活的微生物菌劑，能夠促進形成凈化水體的微生物菌落，常見的微生態制劑有EM 菌、芽孢桿菌、糞鏈球菌、乳酸桿菌和光合細菌等[30-32]。宋文輝研究了芽孢桿菌對草魚養殖水質的影響，研究表明在養殖水體中添加芽孢桿菌制劑能夠降低NH3-N含量[33]。

生物絮團技術是指通過調控水體營養結構，添加益生菌，在短時間內使益生菌形成優勢群落，占據有害菌的生態位，最終達到凈化水質，減少病害的目的。 Hoang開展了生物絮團對對蝦養殖的影響，研究表明，添加生物絮團能夠顯著降低對蝦養殖水體的 PO43-、 NH3-N、NO2--N、NO3--N等水質參數[34]。

固定化微生物技術將微生物固定在生物膜載體上，能促進微生物繁殖和生物膜的生成，加強微生物對水體的凈化效果。劉洋等研究了3種微生物（枯草芽孢桿菌、硝化細菌、光合細菌）和2種生物膜載體（陶粒、纖維毛球）對南美白對蝦養殖系統水質凈化的作用，研究表明，生物膜生成后NH3-N去除率較初期提高約 15%[35]。Thompson 等研究了固定化生物膜在降低養殖水體的銨鹽和磷酸鹽水平的有效性，研究表明，固定化生物膜能夠減少33%磷酸鹽，并減少銨鹽的濃度[36]。

2.2 異位凈化

異位凈化相較于原位凈化，可采用更加多樣的方式方法，其凈化效果更具優勢。因國家對水產養殖綠色發展有了更多要求，養殖水凈化應以效果作為主要標準，所以異位凈化是更適合當前時代特點的凈化方法。異位凈化方法更加多樣。通常不僅采用物理、化學和生物凈化方法，而且有將3種方法結合使用的生態凈化方法，在實踐中生態凈化方法更為適合。生態凈化方法包括穩定塘凈化系統、人工濕地系統、“兩壩三區”系統等。

2.2.1 穩定塘系統穩定塘凈化系統主要通過對污水的稀釋、沉淀、絮凝、微生物分解作用、浮游生物和水生植物作用，使得污水中的污染物得到降解和去除[37]。目前穩定塘系統的主要種類有藻類塘、水生植物塘、厭氧塘、生物濾塘等類型，研究人員還開發了一系列組合塘工藝，生態綜合塘系統、高級綜合塘系統、多級串聯塘系統等[38]。Kumar等[39]研究了高效藻類塘對生活污水的處理效果，研究表明高效藻類塘能使生活污水的化學需氧量（CODMn）和BOD分別減少93%和79%。黃亮等[40]研究了由水生植物塘和養殖塘構建的生物穩定塘系統對TN、TP 的去除效果，TN、TP 的去除率可以達到25.3%、50.6%。但目前穩定塘系統還存在一些缺點，其占用較大的土地面積、需要較長的水力停留時間、水質凈化效率較低、污水散發異味、處理效果受天氣制約等缺陷[38]。穩定塘系統常用于未有條件建設其他異位處理系統的地區，作為養殖尾水達標排放的過度系統使用。

2.2.2 人工濕地系統人工濕地系統利用基質、微生物和植物凈化污水，基質能夠過濾、吸附和離子交換截留污染物，并為植物和微生物提供生長環境，植物通過吸收和富集污染物凈化水質，并且可以通過根系泌氧往缺氧的基質和水體中輸送氧氣，構建根際微環境，影響微生物群落構成[41-43]。微生物通過吸收、富集和轉化污染物凈化污水。不同的類型、基質、植物和外源微生物都會影響人工濕地系統的污染處理能力。人工濕地的類型包括表面流人工濕地、潛流式人工濕地和垂直流人工濕地等[24]。其中，表面流人工濕地能夠增加污水和空氣的接觸，為好氧凈水微生物提供生長環境;潛流式人工濕地通過基質隔離空氣，使污水無法從空氣中獲得氧氣，促進厭氧菌生長;垂直流人工濕地中，污水從氧氣充足的上層流向缺氧的下層，在系統中形成好氧和厭氧兩部分，使好氧菌和厭氧菌都有生存環境?；|應有較小的孔隙率和較大的比表面積，且需因地制宜選擇價格低廉的材料作為基質。常見的基質有：沸石、陶粒、煤渣、蛭石、鐵屑、礫石、頁巖和珊瑚石等[44-46]。隨著技術的進步，改性材料、組合填料開始運用于人工濕地[47-48]。人工濕地的植物應具有凈化能力強、抗逆性強、易管理、綜合利用價值高和能夠美化景觀的特點，各個地區氣候、地理條件不同，適宜的植物種類也不同。通常運用于人工濕地的植物有：雍菜、茭草、鳶尾、眼子菜、蘆葦、香蒲、大米草黃、旱傘竹、水蔥、菖蒲、美人蕉、梭魚草和風車草等[49-50]。

曹世瑋等[51]研究了種植旱傘竹、水蔥、菖蒲三種植物，以粉煤灰陶粒為基質的潛流式人工濕地，實驗表明旱傘竹最適合粉煤灰陶?；|的人工濕地，該人工濕地TN去除率在40%左右，TP去除率在95%左右，粉煤灰陶粒能有效的吸附污水中的TP 。葛川[24]研究了種植蘆葦、香蒲、大米草3種植物，以沸石為基質的垂直流人工濕地，實驗表明種植大米草的凈水效果最好， TN、TP、CODMn 的去除率分別達到31%、31%、65%。潘傲等人研究了黃菖蒲、水生美人蕉、梭魚草和風車草四種植物，以沸石為基質的表面流人工濕地的凈水效果，結果表明，人工濕地系統能夠有效地去除尾水中的 NH3-N、TN和TP，且種植植物能夠加強去除效果，其中黃菖蒲對TN 的凈化效果最佳，最高時達86.31%;美人蕉對TP 的凈化效果最佳，最高可達55.77%;并且發現 TN 主要通過微生物去除，而TP 主要通過基質吸附去除[52]。潘傲等[52]還對種植植物和未種植植物的人工濕地基質微生物進行了高通量測序分析，發現種植植物能夠提高基質中的微生物豐富度和多樣性，增加微生物凈化水體的效能。

人工濕地雖然凈水效果好，但需要一定的土地、工程成本，且運用人工濕地技術需要結合當地的氣候、環境、資源等因素因地制宜，找出適合當地的人工濕地模式。????????? 2.2.3“兩壩三區”系統“兩壩三區”系統利用溢流壩和潛流壩將尾水處理系統分成3個單元，通過溢流壩阻擋沉淀污染物、增加表面流、提高水體含氧量;潛流壩阻擋懸浮污染物，提供低氧環境、促進厭氧凈水微生物生長。通過溢流壩和潛流壩構建好氧、厭氧微生物處理模式是對AO 工藝（Anoxic Oxic process）的應用，能強化硝化-反硝化作用，促進TN 凈化。胡庚東等構建了一個由水源地、進排水渠、養殖池塘、生態溝渠（Ⅰ級凈化）、Ⅱ級凈化塘和Ⅲ級凈化塘組成的“兩壩三區”凈水系統對團頭魴養殖池塘尾水進行處理，TN、TP去除率最高達87.38%、99.30%[53]。在此基礎上形成的江蘇省地方標準《淡水池塘循環水健康養殖三級凈化技術操作規程》也于2017年 6月頒布實施。2016年以來，胡庚東等采用此系統對江蘇省內近幾十萬畝連片池塘進行標準化改造設計工作，因地制宜利用池塘周邊的溝渠或不具備防洪功能的河道作為Ⅰ級凈化單元，壩體可選擇具水質凈化功能的磚塊構建，為了防止堵塞和減少反沖絮凝物的不便，還可將凈水材料網格化處理便于移出清洗。

綜上所訴，穩定塘系統由于水質凈化效率低、占地面積廣等缺點在國內較少被研究和使用，而人工濕地系統凈水效果較好，受到的研究和關注較多，但就 TN、TP 的去除率而言，“兩壩三區”系統的去除率最高。

3展望

在異位生態處理系統中，一般以沉淀單元作為凈水處理的第一個單元，能夠降低水中的懸浮物濃度，降低后續污水處理單元的壓力，減少堵塞發生，且具有一定的水質凈化效果。有研究表明，沉淀池能使對蝦養殖廢水中的懸浮物在2 h 左右下降39%～46%[54]。劉旭加[55]構建了流程為魚池→沉淀池→蛋白質分離器→生物濾池→海馬齒浮床→紫外殺菌的養殖尾水處理系統，其中沉淀池 CODMn、NH4+-N等水質指標均顯著低于養殖池，但各處理池間均無顯著差異。說明在其實驗中，沉淀池對 CODMn、NH4+-N等水質指標的去除效果在整個凈化系統中占據重要地位。但目前，沉淀單元主要通過自然沉降凈化污水，其凈化效率較低，對沉淀單元的凈水能力強化還有待研究。

隨著技術的進步，新型凈化材料和微生態制劑不斷出現，為養殖尾水凈化系統的強化提供了更多可能。Yin[56]研究了鋁負載凹凸棒土對黑臭水體的實際治理效果，發現鋁負載凹凸棒土能有效降低水體中的 NH4+-N和TP 。張翠綿在實驗室中利用芽孢桿菌凈化水質，NH4+-N、NO2--N 的消減率在3 天后分別達到74.2%和91.1%[57]。Sangnoi Yutthapong[58]研究了幾種硝化細菌的除氨效率，其中對NH4+-N的去除率最高可達71%。楊靜丹等[59]研究了一株異養硝化—好氧反硝化菌的凈水效果，其對NH4+-N、NO3--N 和NO2--N 的去除率分別達63.57%、88.11%和98.38%。且有研究發現，凈化材料可以提供負載微生物的環境，兩者配合使用能加強進水效果。Wu[60]使用沸石對傳統的活性污泥法進行強化，銨去除效率是提高超過27%。通過凈化材料和外源微生物的優化，可能增加凈化系統的凈化能力，需進一步研究。

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