淡水池塘不同養殖品種養殖尾水排放周期內的水質動態變化

徐嘉波，劉永士，施永海，袁新程，王建軍，劉建忠，賈垂攀

(上海市水產研究所，上海市水產技術推廣站，上海 200433)

中國是水產養殖大國，養殖產量占全國水產品總產量的80%[1]。養殖尾水是導致水環境富營養污染的重要因素，與人們對優美水域生態環境的要求之間的矛盾日漸突出[2]。2020年中央1號文件作出的“推進水產綠色健康養殖”重要部署，農業農村部自2020年起實施水產綠色健康養殖“五大行動”，其中提出了集中連片池塘養殖尾水處理技術模式的推廣。近年來，多種養殖尾水處理技術得到應用[3-5]，養殖尾水處理領域的基礎研究日益深入，主要集中在應用技術研究[6-9]、養殖尾水處理系統水質凈化效果[10]、影響因子[11]和凈化水質評價[12]等方面。不同養殖品種池塘排放養殖尾水水質狀況存在差異性[13]，同時在養殖尾水排放周期內，受養殖品種活動[14]、池塘底質泥水交換[15]等因素影響，不同排放時段的水質狀況也存在差異性。因此，在養殖尾水排放時間內單一時間點采集水樣所測得水質指標無法準確反映整個排水周期內的水質狀況；而且因養殖尾水排放、池塘水位下降，引起短期內水質指標的較大波動，對養殖品種生長也會造成不利影響[16]。

本研究對集中連片池塘中暗紋東方鲀(Takifuguobscurus)、羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)、中華絨螯蟹(EriocheirSinensis)3種類型養殖池塘產生的養殖尾水，在多個排放周期內重復開展多時點的水質監測，監測主要污染物指標包括：總固體懸浮物(TSS)、有機物(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)。以期探明不同養殖品種在養殖尾水排放周期內的主要污染物排放強度、水質變化特征，并通過水質變化特征分析，獲取養殖尾水排放周期內接近總排水量水質指標平均質量濃度的適宜采樣時段，為完善集中連片池塘的養殖尾水處理和指導養殖尾水水樣采集時間點提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗池塘

池塘均為泥沙底質，水深1.5 m；暗紋東方鲀、羅氏沼蝦養殖池塘面積0.3 hm2，每個池塘配備1.5 kW葉輪式增氧機2臺；中華絨螯蟹養殖池塘面積為0.66 hm2，每個池塘配備2.2 kW底充氧增氧機1臺。

1.1.2 試驗品種

不同品種養殖池塘養殖模式均為單養，養殖基本情況如表1所示。

表1 不同品種養殖基本情況

1.2 試驗方法

8～9月期間，水溫范圍28～33℃，在集中連片池塘的換水期內，隨機選取暗紋東方鲀、羅氏沼蝦、中華絨螯蟹養殖池塘進行養殖尾水水質監測，每個養殖品種的養殖尾水水質監測各重復開展6次。養殖尾水采用4寸水泵排水，水泵固定放置在池塘中層水深的塘坡上，每次池塘排水固定排放周期為15 h，起止時間為當日下午16:30至次日7:30，排水期間保持增氧機開啟狀態。暗紋東方鲀、羅氏沼蝦池塘分別設置1個水泵排水，中華絨螯蟹池塘并排設置2個水泵排水，單個水泵排水流量為60 m3/h，每次池塘排水約占養殖池塘總水量25%。每個品種、每次養殖尾水排放周期內從排水0 h開始，每3 h采集水樣1次，至15 h共采集6次水樣，采樣點為水泵排水口。

1.3 水樣測定與計算

1.3.1 采集與測定

水樣采集依據《水質采樣技術指導》[17]實施。采集水樣按照國標中對水體主要污染物指標的測定方法檢測，其中TSS采用懸浮物的測定重量法[18]，CODMn采用高錳酸鉀法[19]，TN測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[20]；TP測定采用鉬酸銨比色法[21]。

1.3.2 排放強度計算

主要污染物排放強度計算[22]如下:

MX=∑(CXi×Vi/1 000)

(1)

(2)

式(1)中：MX表示實際排放強度，X分別代表TSS、CODMn、TN、TP；CXi為3、6、9、12、15 h各主要污染物質量濃度，g/m3；Vi分別為3、6、9、12、15 h時每hm2養殖池塘的排水量，m3。

式(2)中：AX表示估算排放強度，X分別代表TSS、CODMn、TN、TP；Cx為0 h時各主要污染物質量濃度，g/m3；V為養殖池塘排水總體積，m3；S為養殖池塘面積，hm2。

1.4 數據處理與分析

使用Excel 2010進行數據歸納和圖表處理，SPSS 19.0軟件進行數據分析，Origin 2021軟件對養殖尾水排放周期內主要污染物相關指標數據擬合并計算曲線下面積。各水質指標質量濃度數據以均數±標準差的形式表示。采用雙因素重復測量方差分析(P=0.05)，分析不同養殖品種、不同檢測時間點對各水質指標質量濃度的顯著性差異與交互作用。

2 結果

2.1 養殖尾水排放周期內主要污染物質量濃度變化

2.1.1 TSS

養殖尾水排放周期內TSS質量濃度變化如表2所示。由表2可知，不同養殖品種、不同檢測時間點的TSS質量濃度均有極顯著差異(P<0.01)，且養殖品種與檢測時間點不存在交互作用(P>0.05)。不同品種養殖池塘排放的養殖尾水TSS質量濃度在排放周期內均總體表現為在0～3 h期間下降，在3～15 h期間呈上升趨勢。

表2 養殖尾水排放周期內TSS質量濃度變化

2.1.2 CODMn

由表3可知，不同養殖品種的CODMn質量濃度有顯著性差異(P<0.05)，中華絨螯蟹養殖池塘顯著低于暗紋東方鲀、羅氏沼蝦養殖池塘；不同檢測時間點的CODMn質量濃度無顯著差異(P>0.05)；養殖品種與檢測時間點不存在交互作用(P>0.05)。不同品種的養殖尾水排放周期內CODMn質量濃度均表現為小幅波動。

表3 養殖尾水排放周期內CODMn質量濃度變化

2.1.3 TN

由表4可知，不同養殖品種的TN質量濃度有極顯著差異(P<0.01)，同一品種不同檢測時間點的TN質量濃度無顯著差異(P>0.05)，且養殖品種與檢測時間點不存在交互作用(P>0.05)。不同品種的養殖尾水排放周期內TN質量濃度均表現為小幅波動。

表4 養殖尾水排放周期內TN質量濃度變化

2.1.4 TP

養殖尾水排放周期內TP質量濃度變化如表5所示。

表5 養殖尾水排放周期內TP質量濃度變化

由表5可知，不同養殖品種、不同檢測時間點的TP質量濃度均有極顯著差異(P<0.01)，且養殖品種與檢測時間點存在交互作用(P<0.05)。暗紋東方鲀、羅氏沼蝦的養殖尾水排放周期內TP質量濃度總體呈上升趨勢，中華絨螯蟹養殖尾水的TP質量濃度則表現為小幅下降。

2.2 養殖尾水主要污染物排放強度

不同養殖品種在養殖尾水排放周期內主要污染物排放強度如表6所示。

表6 各養殖品種主要污染物排放強度

暗紋東方鲀、羅氏沼蝦養殖池塘TSS、CODMn、TP的實際排放強度均高于估算排放強度，其中暗紋東方鲀養殖池塘的TSS實際排放強度顯著高于估算排放強度(P<0.05)，暗紋東方鲀和羅氏沼蝦養殖池塘的TP實際排放強度顯著高于估算排放強度(P<0.05)。中華絨螯蟹養殖池塘主要污染物的實際排放強度均低于估算排放強度(P>0.05)。

2.3 不同養殖品種的養殖尾水排放特征

暗紋東方鲀、羅氏沼蝦、中華絨螯蟹養殖池塘養殖尾水主要污染物質量濃度與排水體積占比的擬合曲線如圖1所示。以水質指標TSS/TP質量濃度為Y軸，采樣時間點對應的排水體積占排水總體積的比為X軸繪制散點圖，擬合曲線，計算曲線下面積，求得總排水量平均質量濃度，該平均質量濃度在圖中與擬合曲線相交所對應的坐標軸X值為平均質量濃度所對應的排水體積占比。由此可知，當達到該排水體積占比時，采集水樣可測得接近理論值的總排水量水質指標平均質量濃度，用于計算水質指標排放總質量理論值。

圖1 池塘養殖尾水TSS、TP質量濃度與排水體積比擬合曲線

不同品種養殖池塘養殖尾水主要污染物質量濃度與排水體積占比擬合曲線、計算平均質量濃度、對應采樣時間如表7所示。

表7 主要污染物質量濃度與排水體積占比擬合曲線

3 討論

3.1 不同養殖品種養殖尾水的排放特征

3個養殖品種在養殖尾水排放周期內主要污染物指標(TSS、CODMn、TN、TP)質量濃度均有顯著或極顯著差異，其中氮磷的研究結果與孫振中等[23]一致，淡水魚、凡納濱對蝦、中華絨螯蟹池塘水體中氮磷的年均分布存在顯著差異。各品種養殖尾水的主要污染物指標質量濃度差異與養殖模式、養殖技術參數有關。綜合評價3個養殖品種的養殖尾水水質狀況，中華絨螯蟹最佳，暗紋東方鲀次之，羅氏沼蝦較差。江浙地區每年以3～11月為養殖周期，通常池塘主要污染物質量濃度高峰期在9～10月[24]，本研究養殖尾水主要污染物質量濃度處于養殖周期內接近高峰期的階段，暗紋東方鲀TSS平均質量濃度接近《淡水池塘養殖水排放要求》[25]二級標準上限，羅氏沼蝦TSS平均質量濃度超二級排放標準、TN平均質量濃度接近一級標準上限，說明暗紋東方鲀，羅氏沼蝦TSS是排放養殖尾水中需重點關注的主要污染物指標，池塘中TSS質量濃度較高主要與進水源中TSS質量濃度較高有關，單養池塘由于缺乏原位池的凈化能力，加之高溫季節藍綠藻繁殖較快，養殖動物攪動與增氧機攪動使得養殖池塘TSS質量濃度居高不下，而中華絨螯蟹池塘由于養殖負荷低，同時池塘內還栽種空心菜、水葫蘆等水生植物，池塘原位池凈化能力較好，表現出較高的生態效益。

綜上所述，養殖尾水排放特征因養殖品種而異，不同養殖品種排放的養殖尾水水質狀況與養殖模式、養殖容量、養殖品種生物學特性等因素相關，在養殖尾水處理系統運營方案優化方面具有參考價值，例如可建立養殖尾水層級凈化甚至循環使用的水處理技術，賦予生態效益良好的中華絨螯蟹生態養殖池塘養殖尾水凈化的功能，凈化處理魚蝦類池塘養殖尾水，若中華絨螯蟹生態養殖池塘排放水質達標亦可作為水源循環使用至魚蝦類養殖池塘。

暗紋東方鲀和羅氏沼蝦池塘的養殖尾水隨排放時間的延長，TSS、TP顯著增加，TN、CODMn變化不明顯，說明因養殖尾水排放導致的水體空間減少，增氧機的機械攪動加劇，底泥中TN、CODMn釋放不明顯，但TP釋放明顯，張玉平等[26]研究表明，上海地區池塘沉積物中氮和有機物質的累積量較低，磷累積量相對較高。中華絨螯蟹池塘TSS在12 ～15 h(次日4:30～7:30)期間，較排放早期增加明顯，主要與夜～晝變化致池塘藻類上浮有關。此外，排放時段、養殖對象密度和活動規律等因素也與主要污染物質量濃度隨排放時間的變化有一定相關性。以底泥中釋放較多的磷為例，在夜至晝的養殖尾水排放過程中，暗紋東方鲀、羅氏沼蝦9 h(次日1:30)較0 h(當日16:30)的TP質量濃度分別增加12.5%、29.1%，15 h(次日7:30)較0 h(當日16:30)的TP質量濃度分別增加31.6%、46.1%，暗紋東方鲀主要于水體中下層活動，且夜間活動較少，當處于夜間且水體較多時，活動造成的底泥釋放強度較小，隨夜～晝更替且水體體積減小時，活動造成底泥中TP釋放強度逐漸增加；羅氏沼蝦底棲爬行，具有領地屬性，全天活動，且養殖密度較暗紋東方鲀高，底泥攪動造成TP釋放強度較暗紋東方鲀高。中華絨螯蟹夜間活動頻繁，喜在水草中覓食，且養殖密度最低，其活動對底泥磷釋放作用影響最小，養殖尾水排放期間TP質量濃度無顯著變化。

養殖尾水主要污染物的估算與實際排放強度的差異不僅影響池塘實際水質狀況的評價，同時養殖尾水作為尾水處理系統的進水源，其估算與實際排放強度的差異也對養殖尾水處理效果有影響。本研究中，暗紋東方鲀、羅氏沼蝦池塘4項主要污染物的實際排放強度均高于估算排放強度，養殖池塘中各污染物實際高于估算排放強度的結果較為常見[27]，主要與尾水排放導致池塘水位下降，加劇養殖動物活動與機械攪動，加速底泥營養鹽的釋放有關[28]，池塘底泥中氮、磷和有機物的含量顯著高于周圍水體[29]。中華絨螯蟹池塘4項主要污染物實際低于估算排放強度，這與劉金金等[30]研究結果一致，表明中華絨螯蟹生態養殖池塘具有可開發利用作為尾水處理系統組成部分的可行性。值得注意的是，水力負荷對養殖尾水處理系統的凈化效果具有顯著影響[31]，排水流速越大又會導致底泥中污染物釋放增加造成排放強度增加[32]，在本研究中暗紋東方鲀TSS實際排放強度顯著高于估算排放強度，暗紋東方鲀和羅氏沼蝦的TP實際排放強度顯著高于估算排放強度，此類排放強度顯著性差異疊加水力運行參數因素對養殖尾水處理系統的凈化效果產生的影響有待進一步研究。

3.2 養殖尾水排放周期內適宜采樣時間

在養殖尾水處理的研究和生產運行過程中，通常采集1次水樣用于多指標的水質檢測，對標《淡水池塘養殖水排放要求》[25]，主要檢測TSS、CODMn、TN、TP這4項水質指標。然而，由于養殖尾水TSS和TP質量濃度隨排水體積比的增加存在顯著性差異，且具有特定變化規律，因此在排水周期內某一特定時間測得的質量濃度，或多時間點測得質量濃度的均值都不能準確反映整個排水周期內的平均質量濃度，進而影響排放水主要污染物去除總量評價的準確性。為獲取排水周期內的平均質量濃度，優化養殖尾水處理效果的評估方式，結合本研究結果提出2種方案。方案一是擬合標準曲線，修正實測質量濃度的方案，主要應用場景的特點是養殖尾水排放期間多項水質指標與排放水體積比擬合曲線結果表明所得養殖尾水水質指標平均質量濃度分別對應的采樣時間較為分散?；诓煌B殖品種養殖尾水主要污染物排放特征具有良好的曲線擬合度前提，采用固定時間點的方式采集水樣，并定期開展多時間點的水樣采集，通過數據擬合，修正養殖尾水排放主要污染物的接近理論值的平均質量濃度，如本研究中的中華絨螯蟹池塘適用該方案。方案二是在適宜時間點進行水樣采集檢測，主要應用場景的特點是多項水質指標與排放水體積比擬合曲線結果表明所得平均質量濃度對應的排水體積比較為集中，如本研究中暗紋東方鲀和羅氏沼蝦池塘，由于排放周期內不同時間點的CODMn、TN質量濃度無顯著差異，結合經擬合曲線計算所得TSS、TP水樣采集時間點的結果，暗紋東方鲀、羅氏沼蝦池塘分別在養殖尾水排水周期的7～9 h、7～8 h期間采集水樣檢測，4項水質指標質量濃度檢測結果接近理論平均質量濃度。此外，影響適宜采樣時間點的因素還有養殖尾水起始排水時間，養殖對象的活動規律等，因此，在確定適宜采樣時間的問題上，需開展更深入的研究。

4 結論

養殖尾水排放特征因養殖品種而異，不同養殖品種之間，TSS、CODMn、TN、TP質量濃度均有顯著或極顯著差異，綜合評價3個養殖品種的養殖尾水水質狀況，中華絨螯蟹最佳，暗紋東方鲀次之，羅氏沼蝦較差。

養殖尾水排放周期內，暗紋東方鲀、羅氏沼蝦、中華絨螯蟹養殖池塘TSS和TP質量濃度在不同檢測時間均有極顯著差異(P<0.01)，CODMn和TN質量濃度在不同檢測時間均無顯著性差異(P>0.05)。暗紋東方鲀養殖池塘的TSS實際排放強度顯著高于估算排放強度(P<0.05)，暗紋東方鲀和羅氏沼蝦養殖池塘的TP實際排放強度顯著高于估算排放強度(P<0.05)，中華絨螯蟹養殖池塘4項水質指標的實際排放強度均低于估算排放強度(P>0.05)。在養殖尾水處理系統運營方案優化方面具有參考價值，可建立養殖尾水層級凈化甚至循環使用的水處理技術，賦予生態效益良好的中華絨螯蟹生態養殖池塘養殖尾水凈化的功能。

養殖尾水排放周期內多項水質指標質量濃度與排放水體積比可擬合曲線，用于計算養殖尾水水質指標接近理論值的平均質量濃度和對應采樣時間。本研究中，中華絨螯蟹池塘可采用擬合標準曲線，修正實測質量濃度的方式獲取各項水質指標的平均質量濃度；暗紋東方鲀和羅氏沼蝦池塘分別在養殖尾水排放周期的7～9 h和7～8 h采集水樣可獲取各水質指標接近理論值的平均質量濃度。

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