陳亮東，江達(dá)均，關(guān) 歆，楊金蘭，谷陽光

(1.廣州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站，廣州 510220；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，廣州 510220；3.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510006)

池塘養(yǎng)殖水屬低污染水體[1]，但日常換水和定期清塘?xí)r，養(yǎng)殖池塘和規(guī)模養(yǎng)殖場養(yǎng)殖尾水排放總量較大，根據(jù)第一次和第二次全國污染源普查結(jié)果[2，3]，水產(chǎn)養(yǎng)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(chǎn)養(yǎng)殖污染負(fù)荷不容忽視。隨著綠色生態(tài)發(fā)展理念普及和日益嚴(yán)格的水生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求，讓養(yǎng)殖相關(guān)方日益重視養(yǎng)殖尾水治理。近年來，各地采用人工濕地等水生態(tài)技術(shù)等方式開展養(yǎng)殖尾水凈化實(shí)驗(yàn)及推廣尾水凈化設(shè)施?，F(xiàn)行養(yǎng)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(guī)模和環(huán)境指標(biāo)本底值影響，因此引入能反映多種水質(zhì)指標(biāo)的綜合評價方法，可定性且定量地反映尾水治理設(shè)施的水質(zhì)凈化效果。國內(nèi)研究者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合指數(shù)法、灰色聚類模型和水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法等方法模型對江河等水質(zhì)進(jìn)行綜合評價[4]，綜合各評價方式的優(yōu)缺點(diǎn)[5-8]，本研究采用單因子和綜合水質(zhì)評價對養(yǎng)殖尾水的評價方式，依據(jù)SC/T 9101-2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》[9]，以池塘養(yǎng)殖主要污染物：總氮(TN)、總磷(TP)和化學(xué)需氧量(CODMn)為評價指標(biāo)，綜合評價分析華南某地市養(yǎng)殖尾水治理設(shè)施水質(zhì)，以期建立養(yǎng)殖尾水水質(zhì)和治理設(shè)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(yǎng)殖場地域分布隨機(jī)抽樣調(diào)查50個已建成尾水治理設(shè)施的養(yǎng)殖場，每個養(yǎng)殖場采集治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口水樣(進(jìn)水口和出水口位置分開，獨(dú)立采樣)，并現(xiàn)場記錄養(yǎng)殖場及尾水設(shè)施情況，其中養(yǎng)殖場平均養(yǎng)殖面積26.6 hm2，詳見圖1。主要養(yǎng)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(diǎn)叉尾(Ictaluruspunctatus)、加州鱸(Micropterussalmonides)、黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)、鰻(Anguillajaponica)、尖塘鱧(Oxyeleotrismarmorata)和蝦蟹等經(jīng)濟(jì)品類，34個養(yǎng)殖場以四大家魚、羅非魚和蝦蟹為主要養(yǎng)殖品種，為混養(yǎng)或套養(yǎng)養(yǎng)殖模式，16個養(yǎng)殖場以叉尾、鱸、黃顙魚、鰻、尖塘鱧和種苗為主要養(yǎng)殖品種，單養(yǎng)模式，詳見圖2。

圖1 50個養(yǎng)殖場規(guī)模Fig.1 Area of aquaculture in 50 aquafarms

圖2 50個養(yǎng)殖場養(yǎng)殖品種Fig.2 Aquaculture species in 50 aquafarms

養(yǎng)殖場尾水治理設(shè)施類型分類根據(jù)廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳發(fā)布的《2019年主推漁業(yè)新技術(shù)：池塘養(yǎng)殖水生態(tài)治理循環(huán)利用技術(shù)》，標(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施主要包括養(yǎng)殖池塘-排水渠(管道)-沉淀池—過濾壩(池)-曝氣氧化池-生態(tài)凈化池等處理工藝；簡化治理設(shè)施主要包括養(yǎng)殖池塘-排水渠(管道)-生態(tài)循環(huán)池的處理循環(huán)流程。其中標(biāo)準(zhǔn)化治理設(shè)施養(yǎng)殖場22個，簡易治理設(shè)施養(yǎng)殖場28個。尾水治理設(shè)施面積規(guī)模方面，其中標(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施中主養(yǎng)四大家魚、羅非魚的養(yǎng)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(shè)施面積約占總面積的2%。不定期按需開啟尾水治理設(shè)施。

采樣過程參照HJ 495-2009《水質(zhì) 采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定》和HJ 493-2009《水質(zhì) 樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》執(zhí)行，監(jiān)測指標(biāo)選取參照SC/T 9101-2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》[9]，及前期對該地區(qū)養(yǎng)殖水監(jiān)測摸查情況，選取監(jiān)測指標(biāo)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(zhì)評價方法

尾水排放標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)行標(biāo)SC/T 9101-2007，此外水質(zhì)分析還參照GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]。

1.2.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

參照文獻(xiàn)[7，8]對水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的應(yīng)用，單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Pi表達(dá)式：

Pi=X1.X2

(1)

式中：Pi為第i個監(jiān)測指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)；X1為該監(jiān)測指標(biāo)的水質(zhì)類別；X2為該監(jiān)測指標(biāo)在X1類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下限與上限值區(qū)間內(nèi)分位數(shù)。X1.X2計算公式如下：

X1.X2=a+(Ci-C標(biāo)下)/(C標(biāo)上-C標(biāo)下)

(2)

X1.X2=b+(Ci-C標(biāo)上)/C標(biāo)上

(3)

式中：Ci為第i項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)的實(shí)測濃度(mg/L)；C標(biāo)上為第i項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的上限；C標(biāo)下為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的下限。

當(dāng)監(jiān)測指標(biāo)實(shí)測濃度分別滿足行標(biāo)一級排放標(biāo)準(zhǔn)或二級排放標(biāo)準(zhǔn)時，適用計算公式(2)；即a分別為：a=1或a=2。當(dāng)監(jiān)測指標(biāo)實(shí)測濃度大于行標(biāo)二級標(biāo)準(zhǔn)時，適用計算公式(3)，即b=3。

1.2.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

參照文獻(xiàn)[7，8]對水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的應(yīng)用，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)IWQ表達(dá)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(shè)施后和設(shè)施前采樣點(diǎn)，(X1.X2)S1、(X1.X2)S2為S1、S2采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)IWQ值。

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

1.3 統(tǒng)計分析

使用SPSS 23對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，采用配對樣品T檢驗(yàn)對進(jìn)水口和出水口濃度進(jìn)行顯著性差異分析，P<0.05差異顯著，P<0.01極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)及單因子評價

本次調(diào)查的50個養(yǎng)殖場尾水治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口水質(zhì)各監(jiān)測指標(biāo)變化情況如圖3。

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

TN：進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施和簡易治理設(shè)施養(yǎng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施和簡易治理設(shè)施養(yǎng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施和簡易治理設(shè)施養(yǎng)殖場平均含量分別下降12%和18%，配對樣品差異顯著。

依據(jù)行標(biāo)SC/T 9101-2007二級標(biāo)準(zhǔn)限值，采用單因子評價方法，即水質(zhì)單項(xiàng)指標(biāo)測定值大于養(yǎng)殖尾水限值時判定不符合尾水排放標(biāo)準(zhǔn)。全部50個養(yǎng)殖場中，進(jìn)水口和出水口水質(zhì)達(dá)標(biāo)的養(yǎng)殖場從42個提升至48個，達(dá)標(biāo)率從84%提升到96%。

2.2 水質(zhì)單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價

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

圖4 尾水治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價(Pi)Fig.4 Water quality evaluation of inlet and outlet of the water treatment system

2.3 尾水水質(zhì)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價

依據(jù)行標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評價，影響?zhàn)B殖場尾水的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價結(jié)果見表1，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價見圖5。

表1 尾水治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價

圖5 尾水治理設(shè)施進(jìn)水口、出水口綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價(IWQ)

進(jìn)水口和出水口IWQ>2數(shù)量分別為10和4個，占總養(yǎng)殖場數(shù)百分比從20%下降到8%。通過對比設(shè)施進(jìn)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(zhì)不僅有效改善，綜合水質(zhì)污染風(fēng)險較低。

3 討論

3.1 養(yǎng)殖尾水水質(zhì)污染特征

養(yǎng)殖尾水經(jīng)過尾水設(shè)施治理，水質(zhì)略劣于前期對該地區(qū)江河斷面監(jiān)測的水質(zhì)狀況(前期大部分河段達(dá)到地表水Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn))[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(zhì)Ⅱ～Ⅲ目標(biāo)存在差距，凈化后的養(yǎng)殖尾水對環(huán)境水體仍存在一定的壓力。參照《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》二級標(biāo)準(zhǔn)，本次調(diào)查的養(yǎng)殖場水質(zhì)處于或劣于二級排放水標(biāo)準(zhǔn)(進(jìn)水口水質(zhì)Pi>2)的指標(biāo)主要為TN和TP，分別占調(diào)查總養(yǎng)殖場的32%和20%，表明TN和TP為養(yǎng)殖尾水主要的潛在污染物風(fēng)險因子，這與徐嘉波等[8]對上海地區(qū)淡水集中連片池塘調(diào)查結(jié)論類似。在工廠化大規(guī)模養(yǎng)殖中，養(yǎng)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(fā)上覆水釋放氮磷[13]。因養(yǎng)殖尾水氮磷排放導(dǎo)致的周圍環(huán)境水體富營養(yǎng)化威脅著水產(chǎn)行業(yè)健康發(fā)展[14]，需高度重視。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，11個養(yǎng)殖場進(jìn)水口TP優(yōu)于地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(≤0.05 mg/L)，質(zhì)量濃度較低(均值為0.03 mg/L)，但TN作為污染物風(fēng)險因子且經(jīng)治理設(shè)施后養(yǎng)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(yǎng)殖尾水的氮磷比至浮游植物最適生長比，以促進(jìn)浮游植物的生長[15]，浮游植物進(jìn)一步為濾食性魚類提供食物，即通過生態(tài)食物鏈且養(yǎng)殖效益增值的方式脫氮。

3.2 尾水治理設(shè)施凈化效果

養(yǎng)殖池塘尾水治理設(shè)施占養(yǎng)殖面積的2%～8%，人工濕地去除氮磷等污染物機(jī)理比較復(fù)雜，包括濕地植物、基質(zhì)和微生物通過物理沉降、化學(xué)及生物的協(xié)同作用降低水體污染物[16]。此次調(diào)查50個養(yǎng)殖場中IWQ指數(shù)得到改善(IWQ△X1.X2≥10%)的養(yǎng)殖場占比66%，說明尾水設(shè)施經(jīng)物理沉降、曝氣和水生動植物修復(fù)相結(jié)合的技術(shù)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(shè)施具備投資少、日常維護(hù)簡易和消耗低的特點(diǎn)[17]，無需建造工業(yè)化的尾水處置設(shè)備和相應(yīng)維護(hù)成本，在凈化尾水的同時產(chǎn)出部分水生動植物，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分尾水治理養(yǎng)殖場引用水葫蘆單一水生植物的方式構(gòu)建人工濕地，這種方式構(gòu)建的人工濕地容易導(dǎo)致水體缺氧、發(fā)黑發(fā)臭，加重水體富營養(yǎng)化和水域生態(tài)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(jīng)濟(jì)蔬菜及作物[21，22]，適當(dāng)養(yǎng)殖濾食性魚類，在保持對尾水氮磷凈化穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提升和穩(wěn)定尾水治理設(shè)施凈化效果[23]，在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益同時兼顧生態(tài)效益。

3.3 不同類型尾水治理設(shè)施凈水效果分析

通過對進(jìn)水口和出水口水質(zhì)綜合評價，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)治理設(shè)施凈化后養(yǎng)殖尾水在TN和TP的單因子水質(zhì)標(biāo)識和IWQ指數(shù)改善上顯著優(yōu)于簡易治理設(shè)施，在較大規(guī)模養(yǎng)殖場養(yǎng)殖尾水治理呈現(xiàn)更優(yōu)的處理效果。濕地系統(tǒng)凈化效果受規(guī)模、進(jìn)水理化特征、環(huán)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(tǒng)對低污染水體主要的除氮途徑[27]，更有學(xué)者對濕地的研究表明微生物除氮率高達(dá)59%[28]。由于硝化與反硝化菌存在細(xì)菌世代的問題，實(shí)際運(yùn)用中須考慮污水停留時間，HUETT等[29]發(fā)現(xiàn)污水停留時間在3.5～7 d時有良好的凈化效果，國內(nèi)針對多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)去除低污染水體污染物研究中水力停留時間達(dá)到4～5 d時，能夠取得較好的凈化效率[30]，標(biāo)準(zhǔn)尾水治理設(shè)施設(shè)置獨(dú)立的沉淀池、過濾壩、曝氣池、生態(tài)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(yōu)勢，從而更能有效降低養(yǎng)殖尾水中氮磷的降解。Abe等[27]研究發(fā)現(xiàn)微生物作用和沉降吸附分別是去除氮和磷的主要機(jī)制。對不同類型濕地系統(tǒng)處理效率對比發(fā)現(xiàn)，垂直濕地系統(tǒng)呈現(xiàn)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(fēng)險因子的養(yǎng)殖場，可采用復(fù)合垂直流人工濕地替代水平潛流人工濕地，此外對養(yǎng)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(xué)需氧量的去除率[33]。綜上，在尾水設(shè)施后續(xù)維護(hù)升級及曝氣等運(yùn)行參數(shù)上，還有進(jìn)一步優(yōu)化空間以降低養(yǎng)殖尾水氮磷含量。

此外，根據(jù)現(xiàn)有尾水設(shè)施建設(shè)技術(shù)指引，龜鱉類等排污高養(yǎng)殖品種現(xiàn)行做法主要為提高治理設(shè)施占比面積，以實(shí)現(xiàn)高污染物養(yǎng)殖尾水水質(zhì)凈化。王珵瑞等[34]研究表明多級生態(tài)藕塘構(gòu)建的濕地系統(tǒng)對高污染物濃度的養(yǎng)殖廢水能夠起到良好穩(wěn)定的凈化效果，建議養(yǎng)殖尾水排放污染物濃度較大時，凈化濕地除了采用復(fù)合垂直濕地系統(tǒng)、優(yōu)化治理設(shè)施面積和尾水滯留時間等參數(shù)外，還可探索諸如蓮藕等凈化效果好且具備較好經(jīng)濟(jì)價值的水生植物，兼顧環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

以TN、TP和CODMn作為參評因子，對50家養(yǎng)殖場進(jìn)水口和出水口的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價，養(yǎng)殖水主要污染物風(fēng)險因子為TN和TP，經(jīng)過尾水治理設(shè)施后TN為主要污染物風(fēng)險因子。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價發(fā)現(xiàn)，池塘養(yǎng)殖水經(jīng)過尾水設(shè)施凈化，各項(xiàng)排放指標(biāo)和綜合水質(zhì)(IWQ指數(shù))得到明顯改善，部分養(yǎng)殖場能達(dá)到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過治理設(shè)施的綜合水質(zhì)污染風(fēng)險較低。