池塘循環流水養殖模式集污系統效能分析

周陸 張國奇 孫真 張友良 來琦芳 周凱

(1 上海市松江區水產良種場，上海 201616；2 上海市松江區水產技術推廣站，上海 201600；3 中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090)

近年來，水產養殖產業轉型升級日益加快，許多高效、綠色的養殖模式開始應用在生產中。池塘循環流水養殖模式自2013年被引進國內以來，發展迅猛[1-2]，截至2020年底，全國共建池塘循環流水養殖模式養殖池6 500余口，養殖面積超4.6 hm2。池塘循環流水養殖模式因具有高產高效、資源節約、環境友好、質量可控等優點，已逐漸成為我國水產養殖業綠色發展的主要推廣模式之一[3]。

在水產養殖生態系統中，飼料是養殖水體中氮磷輸入的主要來源[4-5]，而未被魚類吸收的氮磷經分解、溶解等方式，最終會進入養殖水體[6-10]，直接導致水體中不同形態的氮磷物質濃度升高，進而影響魚類的生長、生活。若將高氮磷的養殖水體排放至周邊水域，還易造成環境污染，尤其在養殖高峰期投飼量加大的情況下影響更甚。池塘循環流水養殖模式采用集污收集技術，可將養殖過程中的魚類排泄物及殘飼剩餌從養殖水體中分離吸除，解決了傳統池塘養殖模式魚類排泄物無法收集的難題，并通過池塘凈化等水質調控方法，有效改善了養殖水質，進而實現高產條件下養殖全程水體零排放。

魚類排泄物的有效收集是池塘循環流水養殖模式區別于傳統池塘養殖模式的本質特征[11]。目前對池塘循環流水養殖模式的經濟效益及工藝優化[2，12-14]的研究較多，對于在高產前提下提高排泄物收集效率進而提高水質調控效率的研究卻鮮有報道。為進一步揭示集污系統在水質調控中發揮的作用，本試驗以草魚為養殖對象，分析比較池塘循環流水養殖模式中養殖池上游和沉淀池區域的水質指標，并通過分析外源性氮磷輸入情況，探索魚類排泄物收集系統對水質調控的影響，為該模式水質調控提供理論支持和實踐指導。

1 材料和方法

1.1 試驗區域

池塘循環流水養殖系統位于上海市松江區水產良種場五厙基地，共2套。單套由2口凈化池塘組成，每口池塘面積為10 000 m2，主要放養鰱、鳙等，以凈化養殖水體。每套養殖系統包括集聚式養殖池5口，每口面積110 m2，容積約為200 m3。每口養殖池放養草魚3 600尾(規格1.5 kg/尾，來自上海市松江區水產良種場)。2套系統共用1個長115 m、寬4 m，以種植水生植物為主的小型濕地。集聚式養殖池兩端開口，在池上游設置有曝氣推水設備，可推動水體向下游流動。集污設備區域為敞開式，含有魚類排泄物的養殖水經集污設備收集后，通過暗管進入沉淀池，魚類排泄物等污物沉淀下來，上清液則流入人工濕地，經水生植物凈化后，再由濕地出水口流回池塘，由此完成水體循環。系統通過集污設備和小型濕地等進行養殖水質調控(見圖1)。

圖1 池塘循環流水養殖系統平面示意圖

1.2 水質檢測采樣點及采樣時間

水質采樣點分別設在池塘循環流水養殖系統的沉淀池、養殖池上游及水源，依次記為1號、2號和3號采樣點。采樣時間為2020年，其中4、5、10、11、12月每月各1次，6、7、8、9月每月各2次。

1.3 相關指標及檢測方法

相關指標及檢測方法如表1所示。

表1 相關指標及檢測方法

1.4 氮磷去除率及沉淀池水質變化

根據全年投飼總量(WFeed)和表觀消化率(Ad)計算排泄物濕物質理論排放量(WEc-w)。根據飼料總氮質量濃度(PFeed-TN)、總磷質量濃度(PFeed-TP)、排泄物濕物質理論排放量(WEc-w)、干濕比(PD/W)、排泄物總氮質量濃度(PEc-TN)及排泄物總磷質量濃度(PEc-TP)計算總氮去除率(RR-TN)和總磷去除率(RR-TP)。根據沉淀池水質指標(NTS)和養殖池上游水質指標(NCP-up)計算沉淀池較養殖池上游水質增減百分比(Pft)。相關計算公式如下：

RR-TN=WFeed×PFeed-TN/(WEc-w×PD/W×PEc-TN)×100%

(1)

RR-TP=WFeed×PFeed-TP/(WEc-w×PD/W×PEc-TP)×100%

(2)

Pft=(NTS-NCP-up)/NCP-up×100%

(3)

1.5 數據處理

運用EXCEL軟件對試驗數據進行整理和分析比較。運用SPSS 22.0軟件對各采樣點的水質指標進行統計學分析，其中SS、pH、CODMn、TN滿足正態分布，采用單因素方差one-way ANOVA進行分析[15]，TP和NO3--N指標呈非正態分布，采用非參數檢驗Kruskal-Wallis進行分析[16]，設P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異極顯著。

2 結果

2.1 懸浮物SS的比較

全年的懸浮物(SS)變化情況見圖2。養殖池上游水體的年度SS范圍為24～90 mg/L，其中9月初最低，6月初最高。沉淀池水體的年度SS范圍為40～123 mg/L，其中11月最低，8月底最高。對比達標值參考標準，全年均達標。水源的年度SS范圍為10.0～68.5 mg/L，全年呈波動趨勢。全年養殖池上游SS指標除11—12月外均高于沉淀池，且差值較大，表明養殖高峰期時，SS總量較大，集污設備對SS的凈化作用較好。

圖2 全年懸浮物(SS)的變化情況

2.2 pH的比較

全年pH的變化情況見圖3。養殖池上游年度pH變化范圍為7.35～8.58，沉淀池年度pH在6.64～7.73，水源的年度pH在7.24～8.52。對比達標值參考標準，3組樣本全年的pH指標均符合水質標準，且差值較小，表明系統對pH影響較小。

圖3 全年pH的變化情況

2.3 CODMn的比較

全年CODMn的變化情況見圖4。養殖池上游年度CODMn范圍為4.21～21.59 mg/L，其中12月最低，8月底達到最高值。沉淀池年度CODMn范圍為4.46～33.35 mg/L，其中12月最低，8月底達到最高值，對比達標值參考標準，8月底CODMn超標33.80%。水源的年度CODMn范圍為2.07～18.19 mg/L。全年養殖池上游的CODMn指標除4月底稍高于沉淀池外，其他時期均低于沉淀池，二者全年變化趨勢相似。

圖4 全年CODMn的變化情況

2.4 DO的比較

全年DO的變化情況見圖5。養殖池上游的年度DO變化范圍為4.27～13.69 mg/L，其中8月初最低，4月底最高。沉淀池的年度DO變化范圍為0.26～11.48 mg/L，其中8月初最低，12月最高。水源的年度DO變化范圍為3.20～12.01 mg/L。養殖池上游除5月份低于沉淀池外，其余時期均高于沉淀池。養殖池和沉淀池DO的全年變化趨勢相似，均在5—8月養殖高峰期較低。

圖5 全年DO的變化情況

2.5 總磷(TP)的比較

全年總磷(TP)的變化情況見圖6。養殖池上游年度TP范圍為0.23～2.64 mg/L，其中12月為最低值，8月底達到最高值，超過達標值參考標準，是標準的1.64倍。沉淀池年度TP變化范圍為0.34～7.25 mg/L，其中12月底最低，8月底達到最高值。水源的年度TP變化范圍為0.20～1.12 mg/L。由結果可見，養殖池上游的TP指標始終低于沉淀池的，沉淀池的TP最高時為養殖池上游TP的242.86%。養殖池上游全年除11月和12月，沉淀池除12月以外，TP指標均超過達標值參考標準。

圖6 全年TP的變化情況

2.6 總氮(TN)的比較

全年TN的變化情況見圖7。養殖池上游年度TN范圍為2.52～5.41 mg/L，其中4月為最低值，8月底和11月為最高值，并超過達標值參考標準。沉淀池年度TN范圍為2.66～7.02 mg/L，其中12月為最低值，10月底達最高值，并超過達標值參考標準。水源的年度TN在0.13～4.72 mg/L。養殖池上游的TN指標在7月、8月底、11月和12月高于沉淀池，其余時期均低于沉淀池，但二者全年差值均較小。

圖7 全年TN的變化情況

2.7 NH4+-N的比較

全年NH4+-N的變化情況見圖8。養殖池上游的年度NH4+-N變化在0.06～3.07 mg/L，其中6月底為最低，9月底達到最高值。沉淀池的年度NH4+-N在0～2.00 mg/L，其中6月底最低，9月底最高。水源的年度NH4+-N在0.20～1.82 mg/L。養殖池上游的NH4+-N指標除4月、7月底、10月和11月低于沉淀池外，其余時期均高于沉淀池。二者全年變化趨勢相似，且差值較小。

圖8 全年NH4+-N的變化情況

2.8 NO2--N的比較

全年NO2--N的變化情況見圖9。養殖池上游年度NO2--N變化范圍為0～0.67 mg/L，其中4月份最低，6月底最高。沉淀池年度NO2--N變化范圍在0～0.34 mg/L，全年中有多次未檢出或趨于0 mg/L，7月底時NO2--N達到最高值。水源的年度NO2--N變化范圍為0.03～0.90 mg/L。養殖池上游NO2--N指標全年幾乎均高于沉淀池，但差值較小，二者全年變化趨勢相似。

圖9 全年NO2--N的變化情況

2.9 NO3--N的比較

全年NO3--N的變化情況見圖10。養殖池上游年度NO3--N變化范圍為0.10～0.92 mg/L，其中4月份最低，10月底最高。沉淀池年度NO3--N的變化范圍為0～0.99 mg/L，12月達到最高值。水源的年度NO3--N變化范圍為0.38～1.57 mg/L。養殖池上游NO3--N指標在全年中除6月初、8月底至10月外，其余時期均低于沉淀池，二者全年變化趨勢相似。

圖10 全年NO3--N的變化情況

2.10 沉淀池和養殖池上游水質指標比較

沉淀池與養殖池上游的各項水質指標增減情況詳見表2。沉淀池全年pH指標均低于養殖池上游；溶解氧、NO2--N僅有1次高于養殖上游，其他時間均低于養殖池上游；SS、CODMn僅有1次低于養殖池上游，其他時間均高于養殖池上游，且最高分別高出241.67%和102.18%；TN、NH4+-N、NO3--N均呈波動趨勢，沉淀池和養殖池上游時高時低；沉淀池的TP則全年高于養殖池上游，且最高達221.85%。

表2 2020年度沉淀池與養殖池上游指標比較(增減百分比) 單位：%

2.11 三處采樣點水質指標的統計學分析

3處采樣點水質指標的統計學分析結果見表3。從分析結果看，水源、養殖池上游、沉淀池水體中SS、pH、CODMn、TP、TN、NO3--N有顯著性差異(P<0.05)，DO、NH4+-N和NO2--N則沒有顯著差異(P>0.05)。

表3 三處采樣點水質指標的比較分析

如表4所示，水源的SS、CODMn、TN、TP顯著低于養殖池上游(P<0.05)，pH和NO3--N無顯著性差異(P>0.05)，3組樣本的TN和CODMn均值低于淡水養殖池塘排放標準。水源SS、CODMn、TN、TP極顯著低于沉淀池，而NO3--N極顯著高于沉淀池(P<0.01)。沉淀池SS顯著高于養殖池上游，pH和NO3--N則顯著低于養殖池上游(P<0.05)。沉淀池的DO與其他2組樣本無顯著性差異，但在3組樣本中均值最低，為(5.16±3.44)mg/L，同時，沉淀池NO3--N極顯著低于其他兩組(P<0.01)。

表4 三處采樣點水質指標的顯著性分析

2.12 氮磷去除率

2020年度氮磷去除率見表5。飼料中的TN和TP含量分別為5.09%和1.13%，排泄物的TN和TP含量分別為1.25%和3.09%。草魚表觀消化率為72.44%，排泄物在濕物質中占比為41.00%。經計算，通過收集魚類排泄物，TN去除率為5.69%，TP去除率為63.42%。

表5 2020年度氮磷去除率

3 討論

3.1 氮磷去除效率

磷是魚類生長、發育和繁殖所必需的營養元素，餌料中磷的平衡供給可以防止磷缺乏癥的發生，同時可以降低糞和尿中磷的排出。水產養殖中，為使飼料中的營養元素更易于被養殖對象吸收，一般會在飼料中添加一定比例的氮和磷[17]。然而，外源性的輸入會導致養殖環境中氮、磷含量升高，對養殖水體的水質調控形成較大壓力，同時養殖水體外排亦會對周邊水域環境造成一定影響[4-5],尤其是在水溫適合魚類生長的養殖高峰期，投飼量增大，氮磷輸入更多，水質調控的壓力就會更大。在傳統養殖模式中，魚類排泄物通常無法被收集，會長期積累在池塘底部，持續向養殖水體中釋放氮磷等元素，是影響水質的重要因素。池塘循環流水養殖模式利用集污系統，通過吸取和沉淀等方式有效地收集魚類排泄物，并將其分離出池塘，大幅降低其對養殖水體的影響。池塘循環流水養殖模式中，排泄物收集量為魚類排泄量的80%以上[11]。結果顯示，經飼料輸入的TN和TP全年總量分別為5 376 kg和1 193 kg，通過集污系統去除的TN和TP分別為306.06 kg和756.59 kg，TN和TP去除率分別為5.69%和63.42%，表明通過集污系統可去除池塘循環流水養殖模式中的大部分TP，降低其對養殖水質的影響。但TN的去除率較低，這可能是由于TN的去除途徑包含但不僅限于排泄物的收集，如崔奕波等[18]提出的氮收支方程:CN=FN+GN+UN所述，TN部分轉化為魚肉，部分溶解于養殖水體中，同時也受到池塘生態系統調節、溫度變化、天氣變化等因素的影響。

3.2 水質調控效果

水質調控是水產養殖的重要環節，水質優劣會直接影響魚類的攝食、生長和行為活動等[19]，探索高效綠色的生態養殖技術和模式一直是水產養殖業的長期目標[20-21]。傳統養殖模式一般是通過大量換水進行水質調控，使養殖水體能夠符合養殖要求。與傳統養殖模式相比，池塘循環流水養殖模式的養殖產量較高[11]，全年氮磷外源性輸入因投飼量增加而增加，但通過魚類排泄物收集等手段進行水質調控，可實現養殖水體零排放[1]?？傮w而言，在較傳統養殖模式養殖產量翻倍、全程養殖水體零排放的條件下，養殖池上游的SS、CODMn、TP指標均明顯優于沉淀池，這一結果除了池塘的自凈功能以外，主要得益于集污系統對氮磷的去除。根據3處采樣點的水質指標全年對比結果，沉淀池TP、SS、CODMn含量高于養殖池上游的最大百分比值分別為221.85%、241.67%、102.18%。但養殖池上游的TN、NH4+-N含量與沉淀池差別較小，NO2--N和NO3--N含量指標甚至頻繁高于沉淀池，主要原因可能是養殖池水體在魚類排泄物被移除之后流經凈化池塘的大面積區域，氮元素受到硝化、反硝化、溶解等作用影響較大。3處樣本的顯著性分析結果表明，養殖魚類和投喂飼料會引起水質惡化，需在養殖管理過程中重點關注總磷輸入的問題。綜合而言，集污系統對污染物的降解和水質調控具有較為積極有效的作用，但基于養殖水體體量較大和負載較重的現實情況，還需進一步研究提升系統對CODMn、TN、TP的降解效率。

3.3 存在的問題

池塘循環流水養殖模式中，通過集污系統進行魚類排泄物收集是去除氮磷和有效調控水質的可行方法。但由于外源性輸入壓力過大，僅通過此種方法仍不能確保全年各項指標在每階段均達到標準參考范圍，需提高集污系統的效能。特別是在養殖高峰期時，適當提高集污系統運行頻次可能有益于降低水質調控壓力。在集污收集基礎上，應進一步優化水質調控方法，如在凈化池塘中適當開展生態工程化調控和魚菜綜合種養，以及研究更易收集排泄物的飼料配方等。另外，本試驗中，集污系統曾因故障停運3次，累計時長8 d，也對水質調控產生了較大影響。因此，完善集污設備，降低集污系統故障頻次，確保其在養殖周期內工作正常是需要重視的問題。