海水養殖尾水防控技術研究進展

李 楠,胡超魁,王 昆,杜 靜,赫 健,吳金浩

( 遼寧省海洋水產科學研究院,遼寧 大連 116023 )

我國作為世界海水養殖第一大國,養殖面積和產量均占全世界的60%以上[1-5]。水產養殖過程中或養殖結束后,由養殖體系(包括養殖池塘、工廠化養殖車間等)直接或間接排放到受納海域水體的部分稱為養殖尾水[6]。我國海水養殖企業遍布沿海各省市及鄉鎮,在海水養殖產業為企業及漁民帶來可觀經濟收入的同時,養殖尾水中的污染物也被排放至鄰近海域中。養殖尾水排放后若不及時處理會使周邊環境狀況惡化,影響養殖企業水源的安全并造成養殖生物的品質下降,進一步可能導致消費者對海水養殖產品和海水養殖業的信任降低。目前,消費者對海水養殖產品的營養和品質有更高的要求,對海水養殖產品的環境安全也越來越重視,集中體現在對海水養殖環境、海水養殖標準化、綠色原生態養殖等多個方面的關注[7]。政府應加強對海水養殖戶的質量安全管制,提高養殖戶的質量安全意識,并針對不同經營特征的養殖戶推薦差異化的尾水防控措施以確保養殖尾水得到有效處理,從而保障海水養殖產品的質量[8]。全國水產技術推廣工作“十四五”規劃明確提出,要改善養殖環境,保障海產品質量安全,提高海水養殖業的管理水平等[9]。基于我國海水養殖產業目前狀況以及對養殖尾水污染防控的實際需求,筆者總結我國海水養殖現狀及其對海洋生態環境的影響,并主要針對池塘和工廠化養殖綜述了我國沿海地區常見的養殖尾水防控技術及工藝,包括多品種生態混養、池塘底排污、池塘內循環生態養殖、生物絮團、微生態制劑調水、人工濕地、藻類藕聯等尾水控制技術中的經典工藝及近幾年比較推薦的新興技術,分析這些技術的原理和特點及其在不同類型養殖尾水處理實踐中的應用和發展趨勢,以期為未來海水養殖尾水的高效處理提供有益參考。

1 我國海水養殖現狀及生態環境影響分析

我國沿海的11個省級行政區均有海水養殖活動,根據《中國漁業統計年鑒》[1-5],2020年我國海水養殖面積達199.56萬hm2,養殖產量由1988年的249.3萬t持續增至2020年的2135.3萬t,32年共增長約7.6倍;另一方面,在我國日益嚴峻的漁業資源狀況及愈發嚴格的禁漁休漁政策條件下,海洋捕撈量已呈下降趨勢,海水養殖獲得的產量占海洋漁業總產量的64.4%,發展海水養殖業是未來我國廣大人民群眾獲得優質漁業產品的最主要途徑[10]。海水養殖類型主要包括池塘養殖、工廠化養殖、開放式用海養殖(普通網箱、深水網箱、筏式、吊籠和底播)等,其中池塘養殖和工廠化養殖的養殖尾水污染情況最為普遍[10-12]。2009—2018年,我國海水池塘養殖總產量由158.29萬t升至246.65萬t[3,13],總體保持增長態勢。從地區分布看,遼寧、河北、天津、山東、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西、海南和臺灣11個省市均有大量成規模的海水池塘養殖區[3,14]。從海水池塘養殖品種看,有凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)、花鱸 (Lateolabraxmaculatus)、擬穴青蟹(Scyllaparamamosain)、三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)、仿刺參(Apostichopusjaponicus)、黃鰭鯛(Acanthopagruslatus)等[1-5]。工廠化養殖也是我國海水養殖的重要組成部分,2015—2020年,我國海水工廠化養殖面積大幅增長了39.2%,養殖總產量增加了59.5%[10],工廠化養殖的主要品種一般為高經濟價值的魚類、甲殼類及其他品種[仿刺參、光棘球海膽(Strongylocentrotusnudus)]等,養殖密度大,換水周期長。海水養殖過程中,投入的飼料被養殖生物攝食、吸收、利用后,會產生殘餌、糞便、代謝物等,這些物質降解過程中導致養殖水體中有機物含量升高,氮、磷總量相應增加[11],最終隨養殖尾水排入外部海域。這個過程易造成水體富營養化,是引發赤潮的根本原因之一。目前,根據投入品來源,產生的主要特征污染物需監測以下指標:化學需氧量、懸浮物、pH、氨氮、總氮、總磷等[6,15-16]。池塘養殖尾水排放主要集中在清塘、夏季高溫季節、收獲及其他特殊需要換水的期間[17],目前我國海水池塘養殖尾水大部分未經處理或經簡單處理后直接排放入海。類似于海水池塘養殖,養殖尾水如果在工廠化養殖企業內部的凈水設備不完善或未正常運轉條件下排放至外部水體,通常并未達標,同樣會對鄰近海域的環境造成污染[18]。隨著社會進步和經濟發展,我國在治理漁業污染方面的需求日益顯著,針對海水養殖尾水的防控技術亟待廣泛應用并升級[19]。

國內外已有諸多學者對海水養殖造成的污染情況進行了分析,如:Bouwman等[20]研究認為,在魚蝦貝的養殖過程中,魚類、蝦類、貝類固體餌料的氮、磷吸收率分別占36%、33%,25%、10%,33%、22%;陳敏等[21]的研究表明,海灣扇貝(Argopectenirradians)養殖是近岸水域無機氮濃度增加的重要影響因素,建議在養殖中控制貝類養殖量并縮短養殖周期;Wang等[22]發現,在大西洋鮭(Salmosalar)養殖污染排放過程中,飼料營養元素氮、磷排放量占62%、70%;王東石等[23]研究發現,養殖業自身的污染對沿岸水域產生了明顯的負面影響,蝦類養殖過程中,管理較好的蝦池也會有30%的殘餌未被攝食,而其中有12.8%的氮和4%的磷釋放到養殖水體中,最終排入鄰近海域;Yokoyama等[24]在網箱養殖區的調查中發現,所采集沉積物中殘餌和魚類糞便占沉積物總有機質的比例分別為28.8%和11.9%;Yang等[25]研究發現,池塘養殖存在短期集中排放的問題,以福建省閩江口蝦池集中排放期為例,可導致鄰近海域總氮濃度增加270%、總磷濃度增加234%;Wang等[26]的研究還指出,由于沉積物中有機質降解相對比較慢,養殖活動對海水環境的影響會產生明顯的累積性和滯后性,在外源營養鹽輸入降低后仍會通過沉積物中的有機質降解釋放氮、磷等營養物質。

近年來海水養殖產品的質量安全日益受到關注,但養殖過程中的內源性污染問題日趨嚴重[27],養殖尾水若得不到及時有效地處理,排海及回用后會影響甚至污染養殖生物的生存環境,從而造成養殖生物生長緩慢、病害頻發、水產品質量下降等嚴重后果[19]。曾瑞娟等[28]研究表明,通過生物學等技術的應用,基于生態系統各營養級,能夠使沉積的生物糞便、殘餌中存在的有機質得以有效分解,促進物質循環速度加快,有效改善養殖環境;Virkutyte等[29]通過多種反硝化方法,可實現從養殖池塘高效去除總有機碳和硝態氮,有效改善養殖池塘的生態環境;Anh等[30]通過研究越南胡志明市的海水污染、沉積物污染與養蝦池之間的關系,指出通過尾水防控技術可以減少密集養蝦場的污染,并確定了經濟上的可行方案。因此,海水養殖尾水高效防控技術的廣泛采用,能有效控制海水養殖全過程中污染物的產生、處理和排放,對海洋生態系統健康和漁業經濟穩定發展意義重大。

2 海水池塘養殖尾水污染防控技術

近年來,全國各地圍繞“提質增效、減量增收、綠色發展、富裕漁民”目標,在提高投入品的轉化利用、增加產出等方面積極探索,建立了多種因地制宜、各具特色的節能減排技術、模式或措施[31-32],如多品種生態混養、池塘底排污、池塘內循環生態養殖、浮性飼料投喂、生物絮團、微生態制劑調水以及在線監測控制等。這些成果的取得為漁業綠色發展提供了強有力的支撐,在我國部分沿海地區已有一定規模的推廣應用,具體海水池塘養殖的尾水處理應根據實際情況選擇或組合應用以下控制技術及工藝。

2.1 內循環養殖技術

在海水池塘生態養殖過程中,循環水養殖技術目前應用比較廣泛。郁蔚文等[33-34]研究表明,內循環養殖技術將池塘養殖區分隔成流水養殖池(區)和生態凈化池(區),利用微孔增氧的方式和導流(壁)板推引水體進行定向流動,并在流水養殖池(區)的末端對養殖池的固形廢棄物利用集排污裝置進行集中收集[17],根據實際養殖情況,可在生態凈化池內進行濾食性魚類套養、水生植物種植等模式對養殖廢水進行沉淀和凈化后再進行循環使用。通常可在2%～5%的池塘水面上修建一系列帶氣浮、推水、曝氣和集排污裝備的水槽,作為類似“工業化”的高密度養殖處理區,并在其余95%～98%的池塘水面上進行改造后作為生態凈化區對經過前段處理的養殖尾水進行生物凈化及處理。內循環養殖技術和模式將傳統“開放式散養”池塘養殖模式升級為“生態式圈養”循環流水模式,提高了生產效率,并具有占地面積少、排污量小的特點,是一種集高密度、高產量、高投入、高收益的“四高”養殖模式,符合未來水產養殖業結構調整的大趨勢[33,35-36]。池塘內循環養殖技術也存在一些應用局限性,包括啟動成本相對較高、管理精細化程度要求高、必須有穩定電源供應等。實際應用中,此項技術對養殖管理人員的要求較高,除養殖技術外還必須精通其他的技術,能及時排除主要水電設備的故障,實時保障池塘內循環各工藝段的正常運行。

2.2 預處理+人工濕地技術

預處理+人工濕地技術是基于經標準化改造后的海水養殖池塘,采用物理、化學及生物等水質凈化措施,構建生態溝渠和凈化池塘等濕地的尾水處理技術。張詩涵等[37-39]利用生態凈化作用對池塘養殖尾水進行水質凈化,爭取實現尾水回用和循環水養殖模式,大幅減少養殖用水的排放量,達到海水池塘養殖區的生態小循環效果。結合我國的實際情況,在海水池塘養殖較為密集的鄉鎮地區,首先通過面源集中的原則,將各分散的養殖池塘養殖尾水通過管道、溝渠等集中至幾條主要的排水途徑上,再將其引入生態溝渠和凈化池塘等濕地區域進行凈化。鐘非等[40]認為,濕地內可以構建水力停留時間較長的溝渠,栽種養殖區本地固有的一些濱海濕地水生植物,爭取利用自然凈化和生態凈化作用,同時在工藝段上盡量減少化學和生物藥劑的投放量和頻率。經過人工濕地處理后的養殖尾水,達到既可以循環回用,又可達標排放的處理效果,最終實現池塘養殖品種健康生長和養殖尾水達標排放“兼得”模式。預處理+人工濕地技術也存在一些缺點和應用局限,具體包括受氣候溫度影響較大,占地面積大,基質易堵塞,易受植物、基質、水力負荷、運行方式影響等。筆者建議,各沿海地區在應用此項技術的過程中,可采取適當的保溫措施(地膜覆蓋等),合理規劃占地面積,加強對尾水的預處理以防止基質堵塞,選擇合適的間歇運行方式等措施來有效保障預處理+人工濕地技術的順利實施。

2.3 多品種生態混養技術

多品種生態混養技術是在同一海水養殖池塘內利用養殖生態位互補的動植物實現養殖用水的循環利用和養殖環境的生物調控的一種技術[41-42]。如蝦參生態高效混養模式、多品種混養模式、“凡納濱對蝦-三疣梭子蟹-菲律賓蛤仔(Ruditapesphilippinarum)-大菱鲆(Scophthalmusmaximus)”海水池塘多營養層次生態健康養殖模式。陳高峰等[43-46]在這些養殖模式中綜合利用微生態調控、生物預防及控制、營養調節、微孔增氧及質量安全保障等關鍵技術,均達到了理想的混養及氮磷控制效果。多品種生態混養技術的局限性在于實施之前必須充分掌握各養殖品種之間的生態關系及對養殖效果的影響,混養動植物種類越多,生態系統越復雜,應根據生態位合理搭配混養動植物種類、優化各養殖品種的放苗時間及數量,逐步構建健康高效的多品種生態混養池塘生態系統。

2.4 底層微孔增氧技術

通過在海水養殖池塘底部安裝高分子材料的微孔增氧管,以構建水體底層的“人工肺葉”增氧設施,可有效改善底層養殖水體內溶解氧狀況;同時高分子材料制成的微孔增氧管曝氣孔孔徑僅有20～30 μm,相較于傳統曝氣可產生比表面積更大的微細化氣泡,在養殖水體中呈煙霧飄散狀,接觸面積更大,上浮速度更慢,左明等[47-49]利用此項技術使海水池塘養殖的增氧效率大幅度提高;海水池塘水體溶解氧水平從表層至底層均得到顯著提升,黃小香[50]研究也表明,底層微孔增氧技術有效地增強了營養類物質在整個池塘水體內的循環利用率。在我國部分易缺氧的海水養殖池塘可考慮推廣此項技術和工藝,改善池塘內水質狀況,提高池內溶解氧含量,使魚類、蝦類、海參等的養殖環境內營養物質的循環利用率得到提高。底層微孔增氧技術有諸多優點,但同時也存在一些缺點和技術局限性,如對表層水體的增氧效果沒有傳統葉輪式設備效果好、攪水能力比水車式設備略差、安裝較復雜且初期投資大,具體應用過程中應結合養殖池塘的實際需要進行選擇和配置。

2.5 氣動循環養殖技術

氣動循環養殖技術是在傳統海水養殖池塘的基礎上實施改造并增設附屬池,改變其全工藝段上增氧、排污、循環、處理等結構布局。戴慧婷等[51]研究表明,以微孔增氧產生的氣泡進行循環推動,促進養殖池及附屬池之間的水體循環,同時配備尾水集中收集及處理系統,最終可實現尾水循環利用或達標排放。鐘傳明等[52]在蝦池進行的相關試驗表明,與傳統類型養蝦池塘的排污方式相比,應用氣動循環技術的養殖池塘可節水90%以上,綜合節能也可達50%以上。在我國部分污染較為嚴重而且取水較為困難的海水養殖池塘中,可以考慮采用此工藝技術進行試驗和探索,其優點是節水節能,但相對初期投入的設備成本較高,后期運行及維護需要配備專業的技術人員。綜合來看,氣動循環養殖技術投入使用后,可顯著改善海水養殖池塘的水質狀況,提高養殖生物的品質,其定期排放的養殖尾水的污染狀況可得到有效改善。

2.6 微生態制劑應用技術

微生態制劑相關技術的核心是益生菌類的活菌制劑,該技術首先需要制備有益的生物制劑(活菌制劑),部分類型的生物制劑還含有其代謝產物及添加有益菌的生長促進因子等,均能夠有效改善水體狀況。微生態制劑主要功能包括:改善海水養殖池塘內高值養殖品種機體內外的微生態平衡,提高養殖品種對飼料的轉化率,抑制養殖水體內的病原菌。呂永輝等[53-55]的研究中合理利用了微生態制劑,從而提高了多種海水養殖品種對常見病害的抵抗力。水產養殖業中,常用的微生態制劑包括硝化細菌、光合細菌、芽孢桿菌、放線菌、乳酸菌、酵母菌等,曲木等[56-57]根據養殖水體的實際情況選擇應用以上菌劑,均取得了理想的水質改善效果。微生態制劑也有一些缺陷和應用限制。自然養殖條件下的許多因素會影響微生態制劑的使用效果,如天氣、水溫、水質條件和養殖生物種類等,使用效果差異很大;另外,微生態制劑要在避光、低溫(5～15 ℃)條件下保存,達不到這一保存條件,會造成產品菌種含量達不到商品標簽上注明的含量,從而影響使用效果;有些菌種投進水體后大量繁殖,會迅速消耗氧氣,因此使用時最好開啟微孔增氧或使用增氧劑,避免造成養殖池塘缺氧。

2.7 生物絮團技術

生物絮團技術是通過調控養殖水體的營養結構,向養殖水體中添加有機碳類物質,調節水體中的碳氮比值,促進異養細菌在水體中的繁殖效率,利用微生物同化水體中的無機氮,最終可將水體中的氨氮等營養鹽成分轉化為細菌自身結構,并通過細菌絮凝作用形成顆粒狀物質被養殖池內的高值養殖品種所攝食,起到維護水質環境穩定、減少換水體積、提高養殖成活率、增加養殖品種產量及降低飼料系數等作用的一項新技術。張美彥等[58-59]在養殖池中合理應用此項技術,有效降低了餌料系數和氮、磷含量。生物絮團技術被認為是解決水產養殖產業發展所面臨的環境制約和飼料成本問題的有效替代技術,利用該技術可在海水池塘養殖過程中分解投喂的殘餌及養殖生物體產生的糞便,將水體內的氨氮、亞硝態氮等轉化為蛋白質供給養殖生物,同時抑制有害微生物的生長。王仁龍等[60]研究表明,生物絮團技術可有效提高池塘內高值養殖生物的免疫力。但生物絮團技術也存在一些問題,如生物絮團微生物組成復雜、穩定性差,養殖后期生物絮團若不能被養殖生物所攝食,大量絮團累積增加耗氧會影響養殖生物呼吸,同時絮團也存在老化沉降腐敗等問題。該技術目前在封閉(可控)水體中應用效果比較明顯,在開放式養殖水體條件下的應用還受到很多其他因素的限制。對于海水養殖池塘這類封閉水體,生物絮團技術是非常適合的,具體可以與前文所述微生態制劑相結合,在一些換水頻率不高的海水養殖池塘進行應用,通過人工調節水體總碳氮比,改善池塘內的水質微環境,促進養殖生物品種利用池塘內的氮、磷及有機物質,在提高養殖生物品種品質的同時,可有效降低養殖尾水排放量。

2.8 池塘“底排污”工程技術

池塘“底排污”工程技術是在養殖池塘底最低處設置排污口、攔阻網,通過排污口、排污管與固液分離池連通,養殖尾水經物理、生物生態等凈化處理后,達到養殖用水標準后循環使用,實現養殖水體生態循環的一項技術[61-63]。此項技術應該與內循環養殖技術及預處理+人工濕地技術相結合使用,從全國各地的養殖池塘來看,池塘的污染物很多都沉積和富集于底泥當中,相當于底泥不斷向水體當中擴散或釋放污染物,所以很多海參及其他魚類、蝦類品種的養殖池塘都需要定期進行“清底”,以徹底改善池塘內的生態養殖環境,使得海水養殖池塘的水質更好,養殖品種更加健康。吳仁福[64]研究表明,與傳統的清塘、曬塘、消毒等清淤方式不同,池塘底排污技術可以在較長甚至長達一年以上的時段內保持養殖池塘底質環境輕污染狀況。對于一些相對受底質擾動影響較大的養殖品種,可以考慮采用其他尾水污染控制手段,而對于底質擾動影響較小的養殖品種,建議與內循環養殖技術及預處理+人工濕地技術相結合進行推廣,可以從根本上改善養殖尾水的污染狀況。

3 海水工廠化養殖尾水污染防控技術

針對海水工廠化養殖尾水的外排部分,應推進連片海水養殖工廠化區尾水的集中處理模式,在技術和工藝上可將此類處理技術歸納為海水工廠化養殖尾水的異位處理技術[65],也就是在脫離養殖尾水的生產單元外進行處理;相對而言,由于工廠化養殖往往是在具有較高自動化程度的車間或廠區內進行,故經過合理化升級改造,工廠化養殖尾水是可達到處理后直接回用或部分尾水達標后直接外排(大部分回用)的程度,也就是海水工廠化養殖尾水的原位處理技術[18,65]。從長遠看,海水工廠化養殖尾水的原位處理技術更符合綠色生產理念,可在未新增附加養殖尾水處理設施及工藝的條件下完成達標排放,是未來工廠化養殖應推廣的綠色減排技術。但鑒于目前我國的實際情況,海水工廠化養殖企業一般并不能達到原位處理的技術和能力條件,所以海水工廠化養殖尾水異位處理技術仍然將作為主要技術措施在本研究中進行介紹。

3.1 海水工廠化養殖尾水原位處理技術

海水工廠化養殖尾水原位處理技術通常在循環式或半循環式海水工廠化養殖體系中進行應用,末端產生的養殖尾水經過機械過濾、蛋白分離、生物接觸氧化、消毒增氧及調溫等工藝段處理后,可進行循環或部分循環后進行系統回用。該技術的關鍵點包括以下幾個方面(圖1):(1)機械過濾裝置的效率及抗腐蝕性;(2)生物處理段的氧化效率;(3)消毒增氧方式的選擇;(4)處理后水體回用的調溫方式。

圖1 工廠化養殖尾水原位處理模式流程Fig.1 Flow chart of in-situ treatment mode of industrialized aquaculture wastewater

海水工廠化養殖中采用的物理過濾目前主要分為機械過濾和泡沫分離兩類,其中常用的養殖尾水機械過濾裝置主要是微濾機和弧形篩這兩種形式,常用的泡沫分離設備則通常在氣浮機和蛋白質分離器這兩種之間選擇。在微濾機方面,常用的又有4種形式:轉鼓式、轉盤式、格柵式和履帶式,其中海水養殖尾水處理普遍采用轉鼓式和履帶式微濾機[65]。在機械過濾裝置的長期運轉過程中,過濾裝置的過濾效率和耐腐蝕性是整個工藝段的核心問題。由于考慮到過濾裝置長期在海水中工作,其各金屬部件對耐腐蝕性的要求極高,故除了塑料部件外,必要的金屬部件均由不銹鋼(316L)材質制成。另一方面,王志敏等[66]認為,泡沫分離方式中氣浮機及蛋白分離器裝置的相關技術已很成熟,技術關鍵點即為如何保證微細氣泡的持續產生以及其射流距離。在選擇氣浮機及蛋白分離器裝置的型號時,應根據實際情況,確認好總水體體積、養殖密度、養殖品種、海水來源、氣溫等實際工廠化養殖狀況后再進行匹配選型,根據不同的養殖負載,選擇不同的設備裝置型號。

生物接觸氧化單元是海水工廠化養殖尾水原位處理技術的核心,此工藝段的主要作用是通過生物作用降低養殖水體中氨含量,達到回用水標準,以增加養殖用水的回用率。生物接觸氧化單元主要是由微生物的附著基質及微生物共同組成,微生物附著基質的形態和來源比較廣泛,可以是有機材料、無機材料及復合材料等,形狀上也無固定形式,可以是顆粒狀、球形、棒狀、環狀等。目前水產養殖常見的微生物群落的附著物基質具體有活性炭、沸石、陶瓷環、纖維球、高分子材料等,何春麗[67]研究發現,這些附著物可以為硝化細菌和反硝化細菌提供充分的附著場所,均具有比較大的比表面積。同時微生物群落的附著物基質還應該具有較高的機械強度,在海水養殖過程中不會因為較大水流及長期使用而碎裂或變形等。另一方面,海水工廠化養殖所需的總水體量較大,同時養殖海水的溫度、鹽度、pH等指標均應保持在較穩定的范圍內,從而保證微生物處于良好的生理狀態下,可達到對養殖用水(循環水)中的氨等污染物的穩定降解作用。在海水工廠化養殖過程中,生物接觸氧化池中微生物主要以定向自然繁殖為主,一般是采取在現有的生物接觸氧化池中加入一定量的氯化銨和亞硝態氮,然后進行曝氣和定向培養微生物菌群[68-69]。烏蘭等[70]在實施一定時間的定向培養過程后,通過檢測海水養殖水體中的碳氮比及NH4+等濃度情況,即可判斷生物接觸氧化段的熟化程度是否達到工藝要求,從而投入使用。

經過生物接觸氧化單元后,海水還需要經過消毒增氧裝置進行消毒和增氧處理,消毒工藝主要可以分為物理消毒(紫外光輻照)和化學消毒(通入二氧化氯、臭氧等過氧化劑)這兩大類,海水工廠化養殖中常用的是物理消毒法(紫外光輻照結合臭氧)。姜妍君等[71]認為,該技術的關鍵是需要控制好消毒的時間和距離。另外,經過消毒過程后,養殖循環的海水還需要進行增氧操作,主要是考慮工廠化養殖過程中,由于養殖品種養殖密度非常大,會導致水體中溶解氧含量較低,需要在消毒工藝段后進行增氧。通常是利用空氣壓縮機通過管道對養殖水體進行曝氣,使海水養殖水體中溶解氧含量保持在6 mg/L以上。高曉田等[72]認為,養殖水體中的溶解氧含量充足,可促進養殖生物的生長速度加快,保持養殖水體內各水質指標更穩定,緩解養殖密度過大帶來的脅迫效應。

經過過濾、生物接觸氧化及消毒增氧后的養殖循環水還需要進行調溫,曾本和等[73-74]總結其原因是海水工廠化養殖的品種一般都是高值品種,對生長溫度的要求較高,如果經前面幾個工藝段處理后的循環海水溫度過低或過高,會直接影響養殖品種(主要是魚類)的存活、生長和攝食。實際海水工廠化養殖過程中,可采用冷水機組對養殖水體進行降溫后再進行循環回用,也可根據實際情況采用熱泵機組對養殖水體進行升溫后再進行循環回用[75],調溫后的養殖循環水體可回注工廠化養殖區進行回用,節約工廠化養殖用水量。但這些技術及方式面臨能耗較高的問題,李競超[76]研究的太陽能調溫等技術在這方面可能為海水工廠化養殖提供經濟有效的能源解決新方案。我國工廠化養殖業(高值魚類、蝦類、海參等)可根據實際條件,在具備推廣此類條件的工廠化養殖區域建立原位處理技術示范廠,逐步進行試點和推廣此項技術。

3.2 海水工廠化養殖尾水異位處理技術

海水工廠化養殖尾水原位處理技術雖然具有諸多優點,符合綠色海水養殖的發展趨勢,但在目前階段仍然存在處理設備集成度高、造價高、能耗高等實際問題,海水工廠化養殖尾水異位處理的設計理念是將養殖尾水引出養殖系統,利用各種方法處理養殖尾水后循環使用或直接排放[77]。我國許多海水工廠化養殖企業在設計初期并未引入原位處理的技術概念,所以以下幾種工廠化養殖尾水異位處理技術可能仍然是目前工廠化養殖尾水進行污染控制的主要方式。海水工廠化養殖尾水異位處理技術也有其優點,包括營養素利用充分、系統穩定、維護方便等,從技術大方向上可分為物理法、化學法和生物法,按具體的處理工藝可分為生物浮床技術、人工濕地技術、生物絮團技術、藻類藕聯技術等。

3.2.1 生物浮床技術

生物浮床技術在我國多應用于淡水池塘養殖的尾水處理工藝中[78],具體是在池塘水體上部搭建浮床,以水生植物為主體,運用無土栽培技術原理,以高分子材料等為載體和基質,應用物種間共生關系,充分利用水體空間各生態位和營養生態位,從而建立高效人工生態系統。本技術可用來削減水體中的污染負荷(氮磷等營養素),魚菜共生模式是生物浮床法的典型具體形式,李海燕等[79]在蝦池搭建框架式浮床水培空心菜,證明水培空心菜生長好于土培空心菜,并取得了11.90 g/m2的總氮及1.11 g/m2的總磷移除率。李志斐等[80]研究表明,海水養殖生物浮床技術中一般應選擇海水養殖區本地原有的植物類,并應挑選根系發達、耐鹽堿、溫度耐受度高的本地水生植物。因此根據海水工廠化養殖企業所在地的自然狀況,選擇性地栽種本地耐鹽堿、溫度耐受度高的海水耐受性植物,可達到自然生態凈化的效果。

3.2.2 人工濕地技術

人工濕地技術是利用土壤、植物和微生物組成的生態系統對養殖尾水進行處理的一種異位處理技術,利用構建的生態系統將引入養殖尾水中的氮、磷、懸浮物等通過物理、化學和生物作用進行處理[81-82]。人工濕地技術中目前應用較多的主要是紅樹林人工濕地。仇建標等[83]研究表明,紅樹林是近岸海洋系統的“清道夫”,可有效對海水中污染物進行吸附及降解,是一種比較成熟的養殖尾水異位處理技術。但由于紅樹林主要分布在亞熱帶和熱帶地區,在我國主要分布在浙江省及以南的沿海地區,對于北方的海水工廠化養殖顯然不能直接照搬利用。在北方地區,目前有張海耿等[84]利用細沙、蘆葦、蛭石等構建人工濕地,并取得了不錯的海水工廠化養殖尾水異位處理效果。筆者認為,海水工廠化養殖尾水在外排過程中,如果構建人工生態濕地,選擇各海水養殖區本地土著植物為宜。

3.2.3 生物絮團技術

生物絮團技術一般是通過調節養殖尾水中的碳氮比,從而增加尾水水體中異養微生物的數量和活性,利用微生物作用將養殖尾水中氮元素(氨氮)轉化為微生物本身的蛋白質,從而形成絮狀物質。而且,轉化生成的絮狀物質還可以被養殖生物利用和攝食,進而有效控制養殖水體中氮元素含量。Burford等[85]的研究表明,養殖過程中投喂的飼料中約75%～80%的氮元素以糞便和代謝物的方式進入水體,另有約10%～20%的飼料由于未被攝食而溶于水體中。生物絮團技術可將水體中的多余氮元素轉化為菌體蛋白,魚蝦等養殖生物會攝食粒徑合適的生物絮團顆粒,從而實現蛋白的再利用并降低了餌料系數。李爽等[86]采用生物絮團技術,有效地控制和降低了工廠化海參養殖池產生尾水中營養元素(氮、磷)的含量,提高了目標水體中微生物的代謝能力。但此項技術對維護要求較高,王曉用等[87]在處理養殖廢水的研究中,對生物絮凝工藝的定期跟蹤及維護要求進行了詳細闡述。針對海水工廠化養殖尾水的生物絮團技術與海水池塘養殖部分提出的此項技術基本類似,對于海水工廠化養殖尾水的異位處理,可以將生物絮團技術與其他工藝技術相結合,可以取得更理想的氮、磷等去除效果。

3.2.4 藻類藕聯技術

藻類藕聯技術是利用藻類在海洋中高適應性及生長迅速等特點,將其引入養殖尾水的處理過程中,可有效降低尾水中的無機氮和活性磷酸鹽含量,此技術的核心是將藻類與其他養殖生物進行優化組合-藕聯,從而發揮最優的處理效果[88]。目前國內常見的藻類藕聯技術包括“蝦-貝-藻”、“魚-貝-藻-參”等。毛玉澤等[89]將大型藻類與海水養殖過程相結合,使養殖尾水中氮、磷等被充分利用,變廢為寶,取得了理想的混養效益。但通過藕聯結合的養殖體系內生物類型多樣,體系變得復雜,會產生各種生物容量和生境難以調和的問題。張繼紅[90]研究也表明,藕聯結合的小生態系統變得更加不穩定和脆弱,這是需要科技人員及從業者進一步研究和探索的方向。藻類藕聯技術與海水池塘養殖中的多品種生態混養技術相類似,對于海水工廠化養殖尾水的異位處理技術,提供了一個生態思路的解決途徑,實際可結合其他養殖品種進行試點和示范養殖等方面的嘗試。例如,嘗試魚[大菱鲆、褐牙鲆(Paralichthysolivaceus)]+貝(菲律賓蛤仔)+藻類+參(仿刺參)的養殖模式,也間接將海水池塘養殖和海水工廠化養殖的尾水串聯起來進行綜合處理,相當于同時結合了人工濕地、多品種混養、藻類藕聯等技術的優勢,為我國海水養殖尾水處理提供了一個新思路。

綜合來看,全國海水工廠化養殖模式使水產養殖實現了從農業向工業化的逐步轉變,但帶來的養殖尾水處置問題也是目前和未來工廠化養殖發展的瓶頸問題。整體上看,養殖尾水處理工藝和技術的高效性、高回收率、低能耗、通用化、集成化等都是本技術能否快速發展和普及的關鍵因素,而這些方面又與材料科學、生物技術、信息自動化等科學技術的發展密切相關,廣大漁業養殖從業者都迫切希望此類工廠化養殖尾水處理技術的盡早成熟和廣泛應用,從而帶來更好的經濟效益、社會效益和生態效益。

4 建議與展望

海水養殖尾水防控技術及相應管理政策的有效實施,不僅具有良好的生態效益和社會效益,還具有較大的經濟效益。通過標準化養殖提高水產品質量,通過科學化控制推動產業轉型,最終實現提升漁業水域生態環境質量,加快構建現代漁業發展體系,推動我國現代漁業快速、健康、可持續發展的目標。鑒于此筆者提出以下幾個方面的建議與展望:

(1)加強海水養殖污染防治和水生生態保護;優化水產養殖空間布局,依法科學劃定禁止養殖區、限制養殖區和養殖區;推進水產生態健康養殖,積極發展大水面生態增養殖、工廠化循環水養殖、池塘工程化循環水養殖、連片池塘尾水集中處理模式等健康養殖方式,推進多品種混養等生態循環漁業模式。

(2)推動出臺各地海水養殖尾水排放標準,加大養殖企業主體和鄉鎮政府對養殖尾水處理設施的投入和運行管理。大型養殖企業進一步加強管理,保障養殖尾水處理設施運行效果;中小型養殖企業(養殖戶)進行必要的設施改造升級,從制度上保障海水養殖直排海尾水達標排放。另一方面,推動海水池塘養殖和工廠化養殖原位處理技術方案實施及生態化改造,結合重點養殖污染區域及其鄰近海域海洋環境監測結果,改善養殖基礎設施條件,投建經濟合理的養殖尾水處理設施,從技術角度保障海水養殖直排海尾水達標排放。

(3)統籌做好海水養殖尾水監測工作,建立海水池塘及工廠化養殖水質綜合監控體系;做好開放式用海養殖鄰近海域海洋生態環境監測工作,建立養殖尾水排放口預警監控體系,及時準確掌握養殖水體和鄰近海域海洋生態環境狀況。必要時可考慮在重點監測區域安裝海洋環境在線監測設備,進一步加強重點區域及其鄰近海域的環境監測能力。

(4)海水池塘養殖和工廠化養殖應進行引、排水規劃和設計,引、排水口及溝渠應根據各沿海地區實際情況,按照行業規范要求進行布設、調整和升級改造。引水口可根據各沿海地區的實際情況布設,排水口及溝渠則務必按照防控方案的統一規劃進行布設、調整和升級改造。針對長期監測中多污染指標超標嚴重的排水口及溝渠,應考慮結合海水養殖尾水處理工藝及方案進行重點污染源控制。

(5)積極推進綠色健康養殖相關的養殖技術、水質控制、凈化處理等技術研究;開展零排放循環養殖模式研究;進一步加強自動控制技術和設備裝置研發及應用;深入開展海水尾水處理研究,形成不同治理效果的具體模式;開展高濃度污染尾水處理研究,攻克特殊品種的養殖難題;建立現代化生態養殖試驗示范基地,加強示范技術應用。