華南地區尾水治理設施養殖場水質綜合評價

陳亮東，江達均，關 歆，楊金蘭，谷陽光

(1.廣州市農業機械化技術推廣站，廣州 510220；2.中國水產科學研究院南海水產研究所，廣州 510220；3.廣東工業大學環境科學與工程學院，廣州 510006)

池塘養殖水屬低污染水體[1]，但日常換水和定期清塘時，養殖池塘和規模養殖場養殖尾水排放總量較大，根據第一次和第二次全國污染源普查結果[2，3]，水產養殖排放的氮和磷等污染物占全部水污染物排放量的百分比分別從1.74%和3.69%提高到3.26%和5.1%，水產養殖污染負荷不容忽視。隨著綠色生態發展理念普及和日益嚴格的水生態環境保護要求，讓養殖相關方日益重視養殖尾水治理。近年來，各地采用人工濕地等水生態技術等方式開展養殖尾水凈化實驗及推廣尾水凈化設施。現行養殖尾水中主要污染物評價僅采用單因子評價方式，難以克服受尾水治理規模和環境指標本底值影響，因此引入能反映多種水質指標的綜合評價方法，可定性且定量地反映尾水治理設施的水質凈化效果。國內研究者采用人工神經網絡法、模糊綜合指數法、灰色聚類模型和水質標識指數法等方法模型對江河等水質進行綜合評價[4]，綜合各評價方式的優缺點[5-8]，本研究采用單因子和綜合水質評價對養殖尾水的評價方式，依據SC/T 9101-2007《淡水池塘養殖水排放要求》[9]，以池塘養殖主要污染物：總氮(TN)、總磷(TP)和化學需氧量(CODMn)為評價指標，綜合評價分析華南某地市養殖尾水治理設施水質，以期建立養殖尾水水質和治理設施凈化效果綜合評價體系。

1 材料及方法

1.1 樣品采集及檢測分析

2020年10月、11月，在華南某地市按照養殖場地域分布隨機抽樣調查50個已建成尾水治理設施的養殖場，每個養殖場采集治理設施進水口、出水口水樣(進水口和出水口位置分開，獨立采樣)，并現場記錄養殖場及尾水設施情況，其中養殖場平均養殖面積26.6 hm2，詳見圖1。主要養殖四大家魚[草魚(Ctenopharyngodonidellus)、鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙(H.nobilis)和青魚(Mylopharyngodonpiceus)]、尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)、斑點叉尾(Ictaluruspunctatus)、加州鱸(Micropterussalmonides)、黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)、鰻(Anguillajaponica)、尖塘鱧(Oxyeleotrismarmorata)和蝦蟹等經濟品類，34個養殖場以四大家魚、羅非魚和蝦蟹為主要養殖品種，為混養或套養養殖模式，16個養殖場以叉尾、鱸、黃顙魚、鰻、尖塘鱧和種苗為主要養殖品種，單養模式，詳見圖2。

圖1 50個養殖場規模Fig.1 Area of aquaculture in 50 aquafarms

圖2 50個養殖場養殖品種Fig.2 Aquaculture species in 50 aquafarms

養殖場尾水治理設施類型分類根據廣東省農業農村廳發布的《2019年主推漁業新技術：池塘養殖水生態治理循環利用技術》，標準治理設施主要包括養殖池塘-排水渠(管道)-沉淀池—過濾壩(池)-曝氣氧化池-生態凈化池等處理工藝；簡化治理設施主要包括養殖池塘-排水渠(管道)-生態循環池的處理循環流程。其中標準化治理設施養殖場22個，簡易治理設施養殖場28個。尾水治理設施面積規模方面，其中標準治理設施中主養四大家魚、羅非魚的養殖場尾水治理約占總面積的6%，黃顙魚、鱸和叉尾鮰等魚類占8%，蝦、蟹類分別占5%和3%，簡易治理設施面積約占總面積的2%。不定期按需開啟尾水治理設施。

采樣過程參照HJ 495-2009《水質 采樣方案設計技術規定》和HJ 493-2009《水質 樣品的保存和管理技術規定》執行，監測指標選取參照SC/T 9101-2007《淡水池塘養殖水排放要求》[9]，及前期對該地區養殖水監測摸查情況，選取監測指標為TN、TP和CODMn，測定方法參照SC/T 9101-2007中測定方法要求[9]。

1.2 水質評價方法

尾水排放標準依據行標SC/T 9101-2007，此外水質分析還參照GB3838-2002《地表水環境質量標準》[10]。

1.2.1 單因子水質標識指數

參照文獻[7，8]對水質標識指數法的應用，單因子水質標識指數Pi表達式：

Pi=X1.X2

(1)

式中：Pi為第i個監測指標的單因子水質標識指數；X1為該監測指標的水質類別；X2為該監測指標在X1類水質標準下限與上限值區間內分位數。X1.X2計算公式如下：

X1.X2=a+(Ci-C標下)/(C標上-C標下)

(2)

X1.X2=b+(Ci-C標上)/C標上

(3)

式中：Ci為第i項監測指標的實測濃度(mg/L)；C標上為第i項監測指標在水質標準區間的上限；C標下為標準區間的下限。

當監測指標實測濃度分別滿足行標一級排放標準或二級排放標準時，適用計算公式(2)；即a分別為：a=1或a=2。當監測指標實測濃度大于行標二級標準時，適用計算公式(3)，即b=3。

1.2.2 綜合水質標識指數

參照文獻[7，8]對水質標識指數法的應用，綜合水質標識指數IWQ表達式：

IWQ=X1.X2

(4)

1.2.3 空間變化定性評價

空間變化定性評價，分為基本不變、輕微變化、顯著變化。計算公式如下：

IWQ(△X1.X2)=|(X1.X2)S1-(X1.X2)S2|/(X1.X2)S1

(5)

式中：S1、S2分別表示尾水治理設施后和設施前采樣點，(X1.X2)S1、(X1.X2)S2為S1、S2采樣點綜合水質標識指數IWQ值。

當IWQ(△X1.X2)≤10%時，判定水質基本不變；當10%20%時，判定水質顯著變化。

1.3 統計分析

使用SPSS 23對數據結果進行分析，采用配對樣品T檢驗對進水口和出水口濃度進行顯著性差異分析，P<0.05差異顯著，P<0.01極顯著。

2 結果與分析

2.1 各項監測指標及單因子評價

本次調查的50個養殖場尾水治理設施進水口、出水口水質各監測指標變化情況如圖3。

圖3 2020年養殖場池塘進水口及出水口監測指標變化情況Fig.3 Change of monitoring indicators along the inlet and outlet of the water treatment system*表示經配對樣品T檢驗差異顯著(P<0.05)，**表示極顯著(P<0.01)。

TN：進水口平均含量從2.57 mg/L下降到出水口的1.77 mg/L，下降31%，其中，標準治理設施和簡易治理設施養殖場平均含量分別下降42%和22%，配對樣品均差異極顯著。

TP：進水口平均含量從0.33 mg/L下降到出水口的0.13 mg/L，下降62%，其中，標準治理設施和簡易治理設施養殖場平均含量分別下降68%和56%，配對樣品差異均極顯著。

CODMn：進水口平均含量從8.2 mg/L下降到出水口6.9 mg/L，下降15%；其中，標準治理設施和簡易治理設施養殖場平均含量分別下降12%和18%，配對樣品差異顯著。

依據行標SC/T 9101-2007二級標準限值，采用單因子評價方法，即水質單項指標測定值大于養殖尾水限值時判定不符合尾水排放標準。全部50個養殖場中，進水口和出水口水質達標的養殖場從42個提升至48個，達標率從84%提升到96%。

2.2 水質單因子水質標識指數評價

Pi(TN)、Pi(TP)和Pi(CODMn)均有明顯降低，大部分養殖場Pi(TN)<2。進水口Pi(TN)、Pi(TP)和Pi(CODMn)>2的養殖場個數分別為16、10和3，在出水口Pi(TN)、Pi(TP)和Pi(CODMn)>2的養殖場個數分別為10、1和2，如圖4。說明在養殖尾水設施治理前TN和TP為主要污染物風險因子，治理后的養殖尾水主要的風險因子為TN。

圖4 尾水治理設施進水口、出水口單因子水質標識指數評價(Pi)Fig.4 Water quality evaluation of inlet and outlet of the water treatment system

2.3 尾水水質綜合水質標識指數評價

依據行標進行水質評價，影響養殖場尾水的單因子水質標識指數和綜合水質標識指數評價結果見表1，綜合水質標識指數評價見圖5。

表1 尾水治理設施進水口、出水口水質標識指數評價

圖5 尾水治理設施進水口、出水口綜合水質標識指數評價(IWQ)

進水口和出水口IWQ>2數量分別為10和4個，占總養殖場數百分比從20%下降到8%。通過對比設施進水口和出水口IWQ(△X1.X2)變化，基本無變化(≤10%)、輕微變化(10%<△X1.X2≤20%)和顯著變化(20%≤△X1.X2)分別占17個、14個和19個，分別占比34%、28%和38%，表明尾水綜合水質不僅有效改善，綜合水質污染風險較低。

3 討論

3.1 養殖尾水水質污染特征

養殖尾水經過尾水設施治理，水質略劣于前期對該地區江河斷面監測的水質狀況(前期大部分河段達到地表水Ⅲ～Ⅳ類水標準)[11]，也與近1年來該地域主要省考和國考地表水考核斷面水質Ⅱ～Ⅲ目標存在差距，凈化后的養殖尾水對環境水體仍存在一定的壓力。參照《淡水池塘養殖水排放要求》二級標準，本次調查的養殖場水質處于或劣于二級排放水標準(進水口水質Pi>2)的指標主要為TN和TP，分別占調查總養殖場的32%和20%，表明TN和TP為養殖尾水主要的潛在污染物風險因子，這與徐嘉波等[8]對上海地區淡水集中連片池塘調查結論類似。在工廠化大規模養殖中，養殖尾水污染物主要源于糞便排泄物和未充分利用的飼料[12]，以及底泥擾動引發上覆水釋放氮磷[13]。因養殖尾水氮磷排放導致的周圍環境水體富營養化威脅著水產行業健康發展[14]，需高度重視。

調查發現，11個養殖場進水口TP優于地表水Ⅲ類水標準(≤0.05 mg/L)，質量濃度較低(均值為0.03 mg/L)，但TN作為污染物風險因子且經治理設施后養殖尾水氮濃度仍較高，為解決這一課題，可通過提高待凈化養殖尾水的氮磷比至浮游植物最適生長比，以促進浮游植物的生長[15]，浮游植物進一步為濾食性魚類提供食物，即通過生態食物鏈且養殖效益增值的方式脫氮。

3.2 尾水治理設施凈化效果

養殖池塘尾水治理設施占養殖面積的2%～8%，人工濕地去除氮磷等污染物機理比較復雜，包括濕地植物、基質和微生物通過物理沉降、化學及生物的協同作用降低水體污染物[16]。此次調查50個養殖場中IWQ指數得到改善(IWQ△X1.X2≥10%)的養殖場占比66%，說明尾水設施經物理沉降、曝氣和水生動植物修復相結合的技術處理效果較好，且凈化塘種植水生植物、過濾壩填充材料和曝氣設施具備投資少、日常維護簡易和消耗低的特點[17]，無需建造工業化的尾水處置設備和相應維護成本，在凈化尾水的同時產出部分水生動植物，產生一定的經濟效益。

現場調查發現，部分尾水治理養殖場引用水葫蘆單一水生植物的方式構建人工濕地，這種方式構建的人工濕地容易導致水體缺氧、發黑發臭，加重水體富營養化和水域生態破壞等[18，19]，建議搭配和錯峰種植鳳眼蓮、輪葉黑藻、黃菖蒲、金魚藻等水生植物[20]，有條件的種植水芹菜、水蕹菜甚至水稻等經濟蔬菜及作物[21，22]，適當養殖濾食性魚類，在保持對尾水氮磷凈化穩定性的基礎上，提升和穩定尾水治理設施凈化效果[23]，在產生經濟效益同時兼顧生態效益。

3.3 不同類型尾水治理設施凈水效果分析

通過對進水口和出水口水質綜合評價，經標準治理設施凈化后養殖尾水在TN和TP的單因子水質標識和IWQ指數改善上顯著優于簡易治理設施，在較大規模養殖場養殖尾水治理呈現更優的處理效果。濕地系統凈化效果受規模、進水理化特征、環境條件和水利條件等多方面因素影響[24]。一般情況下，濕地對污染水體脫氮主要是依靠微生物的硝化與反硝化作用[25，26]，微生物除氮是濕地系統對低污染水體主要的除氮途徑[27]，更有學者對濕地的研究表明微生物除氮率高達59%[28]。由于硝化與反硝化菌存在細菌世代的問題，實際運用中須考慮污水停留時間，HUETT等[29]發現污水停留時間在3.5～7 d時有良好的凈化效果，國內針對多級人工濕地-塘組合系統去除低污染水體污染物研究中水力停留時間達到4～5 d時，能夠取得較好的凈化效率[30]，標準尾水治理設施設置獨立的沉淀池、過濾壩、曝氣池、生態池，凈化沿程更長，在物理沉降、曝氣增氧、微生物作用、生物吸附等方面具備優勢，從而更能有效降低養殖尾水中氮磷的降解。Abe等[27]研究發現微生物作用和沉降吸附分別是去除氮和磷的主要機制。對不同類型濕地系統處理效率對比發現，垂直濕地系統呈現更好的治理氮磷等污染物效果[31，32]。針對部分治理后尾水TN和TP仍為污染物風險因子的養殖場，可采用復合垂直流人工濕地替代水平潛流人工濕地，此外對養殖尾水模擬研究表明，增加曝氣時間能有效提升氮磷及化學需氧量的去除率[33]。綜上，在尾水設施后續維護升級及曝氣等運行參數上，還有進一步優化空間以降低養殖尾水氮磷含量。

此外，根據現有尾水設施建設技術指引，龜鱉類等排污高養殖品種現行做法主要為提高治理設施占比面積，以實現高污染物養殖尾水水質凈化。王珵瑞等[34]研究表明多級生態藕塘構建的濕地系統對高污染物濃度的養殖廢水能夠起到良好穩定的凈化效果，建議養殖尾水排放污染物濃度較大時，凈化濕地除了采用復合垂直濕地系統、優化治理設施面積和尾水滯留時間等參數外，還可探索諸如蓮藕等凈化效果好且具備較好經濟價值的水生植物，兼顧環境和經濟效益。

4 結論

以TN、TP和CODMn作為參評因子，對50家養殖場進水口和出水口的單因子水質標識指數評價，養殖水主要污染物風險因子為TN和TP，經過尾水治理設施后TN為主要污染物風險因子。綜合水質標識指數評價發現，池塘養殖水經過尾水設施凈化，各項排放指標和綜合水質(IWQ指數)得到明顯改善，部分養殖場能達到地表水Ⅲ類水標準，經過治理設施的綜合水質污染風險較低。