我國海水養殖尾水在線監測技術進展及展望

許康,冷俊昭,盧勝強*,莊樹瑋,于凌宇,于家坤

(1.青島卓建海洋裝備科技有限公司,山東 青島 266555;2.青島卓建海洋工程勘測技術有限公司,山東 青島 266555)

在我國,隨著人們對高蛋白、低脂肪、高營養價值的海產品需求的不斷增長,海水養殖的規模化也不斷擴大,養殖尾水的排放量急劇增加。目前我國的主要尾水排放方式為不經處理直接排放,尾水中含有的大量污染物會嚴重影響海洋生態環境,同時會威脅水產品質量安全,不利于水產養殖業穩定發展。因此,積極做好養殖尾水排放的監管,降低污染的排放至關重要[1]。

對此,為進一步強化海水養殖尾水排放監管工作,切實保護和改善海水生態環境,在國家層面上,相繼發布了《中華人民共和國海洋環境保護法》、《關于加強海水養殖生態環境監管的意見》和《海水養殖尾水排放要求》(征求意見稿)等文件。在地方層面上,一些地方政府也紛紛出臺了相應的政策文件來推進海水養殖尾水監測工作。對尾水進行監測及精細化管理已經成為目前國內海水養殖行業的發展趨勢。

目前,國際上關于海水養殖尾水在線監測的研究首先得到了快速發展。在國內,雖然一些學者和機構對此進行了一些嘗試,但由于起步較晚,其研究成果遠遠無法滿足監測與治理的需要。 隨著在線監測技術等的快速發展,海水養殖尾水在線監測技術也逐漸成為了研究熱點。采用現代傳感器技術、儀器設備和閾值報警機制,通過互聯網、移動通信等手段將監測數據傳輸至管理中心,實現了尾水在線遠程監測,進一步提高了尾水監測的效率。尾水在線監測技術具有實時、快捷、準確、全面、可追溯等特點,其在環境監測、治理和管理中的應用廣泛,成為了尾水監測技術領域的重要手段。 因此,本研究旨在深入探討海水養殖尾水在線監測技術的發展,為我國海水養殖尾水的監測提供技術支持,促進我國海洋環境保護事業的健康發展。

1 我國海水養殖尾水在線監測技術進展

在線監測技術是通過對特定水質參數進行實時連續監測,實現對污染物排放狀況的及時、準確、全面和動態的信息反饋與應用。目前,我國已初步形成了以海水水質參數在線監測為核心的綜合集成型在線監測技術體系[2-4]。在此基礎上,基于物聯網技術建設的海水養殖尾水在線監測系統已得到初步應用。針對海水養殖尾水方面的在線監測技術,本文主要從在線監測儀器和在線監測系統兩個方面進行論述。

1.1 在線監測儀器技術

結合農業農村部出臺的《海水養殖尾水排放要求》(征求意見稿)文件以及沿海各省制訂出臺的海水養殖尾水排放地方標準,主要的水質監測參數為懸浮物、pH值、化學需氧量、無機氮、磷酸鹽、總氮、總磷、鋅、銅等。由于測量方法和需求的不同,這些技術的發展和應用處于不同的層次和階段[5]。

1.1.1 常規水質參數在線分析儀

懸浮物、pH值是常規的水質參數,其中pH值相關的在線儀器技術相對成熟,檢測原理主要為玻璃電極法。目前國內外的儀器廠家均有在做,國外廠家主要是美國YSI、美國哈希、美國賽默飛世爾、美國WET Labs、德國WTW、德國AMT、英國Aquaread、澳大利亞In-situ Marine Optics 、加拿大Satlantic公司等,國內廠家主要有青島水德、嘉興道一、東營東潤、蘇州蛙視、煙臺凱米斯、廈門斯坦道、蘇州禹山、上海澤銘、山東省儀器儀表研究所、深圳朗誠等機構和公司。從整體上說,國內廠家在精度、穩定性、集成度等方面與國外廠家相比略有差距,但部分廠家產品已經可以與國外產品相媲美,并且在產品價格上具有一定優勢。此外,pH計在運維方面需要定期校準以防數據偏離過大。

懸浮物相關在線儀器方法主要為紫外吸收法、紅外散射等光學法,國外主要儀器廠家是美國YSI、美國哈希、美國Campbell、美國Sequoia Scientific、美國Pyxis、德國WTW、英國Jensprima、奧地利是能等公司,國內廠家為杭州騰海、蘇州禹山、山東霍爾德、大連弗朗、上海博取等公司。一些廠家需要另行配套毛刷來定期清潔傳感器探頭以防污損造成誤差。由于該參數的在線傳感器主要應用在污水處理中,故大部分廠家的傳感器還需要進行防腐處理來適應海水環境。

1.1.2 營養鹽在線分析儀

養殖尾水中需要測的營養鹽參數主要是無機氮和磷酸鹽,無機氮包括硝氮、氨氮、亞硝氮。市場化的在線儀器采用方法為濕化學法和光學法,其中濕化學法是主要方法和傳統方法,該方法檢測要素齊全,技術相對成熟。光學法主要是檢測海水硝酸氮和海水磷酸鹽,檢測海水亞硝酸氮的在線儀器較少,檢測氨氮的在線產品尚未在市面見諸報道。

濕化學法的國外儀器廠家主要有美國EnviroTech、美國Green Eyes、美國SubChem、意大利Systea、德國4H、德國WTW、德國SubCtech等公司,國內廠家主要有國家海洋技術中心、山東省儀器儀表研究所、青島卓建、廈門科龍德、青島水德、上海澤銘、深圳朗誠、湖南力合、廈門斯坦道等機構和公司[6]。相比國外廠家,國內機構和公司相關產品在可靠性和穩定性方面仍需要提升。光學法方面,檢測硝酸氮的廠家有美國Sea-Bird、德國 TriOS等公司,檢測亞硝酸氮的廠家有奧地利是能公司,檢測磷酸鹽的廠家主要是美國Sea-Bird 、美國WET Labs等公司。目前,國內的為廈門斯坦道公司可以在線檢測硝酸氮和亞硝酸氮。

1.1.3 總氮、總磷在線分析儀

海水總氮、總磷相關的在線分析技術主要是濕化學法,技術相對成熟,但受限于海水濁度等因素,穩定性有待改進。目前國外廠家是意大利Systea、日本HORIBA等公司,國內廠家主要是山東省儀器儀表研究所、青島卓建、青島水德、湖南力合、廈門斯坦道、上海澤銘、深圳朗誠、廈門吉龍德等機構和公司。光學法方面目前有廈門斯坦道報道可測,相關穩定性和準確度還有待驗證。

1.1.4 COD在線分析儀

海水COD相關的在線分析技術主要是濕化學法和光學法,海水COD在線分析儀器生產廠家和機構較少。相關分析技術比較成熟,同總氮、總磷的相似,濁度是影響其性能的關鍵,特別是對光學方法的儀器影響較大。濕化學方法的國外儀器廠家主要是意大利Systea、美國HACH等公司,國內儀器廠家是山東省儀器儀表研究所、青島卓建、青島水德、天津蘭力科、深圳朗誠、上海澤銘等機構和公司,光學方法的主要國外廠家為德國TriOS、奧地利是能等公司,國內的儀器廠家是廈門斯坦道、廈門吉龍德等公司。

1.1.5 重金屬在線分析儀

鋅和銅是海水養殖尾水的中的重金屬檢測指標,相較于其他檢測指標,海水中鋅和銅在線監測技術難度較大,技術成熟度較低,相關在線分析儀器較少,并且現有在線儀器造價相對昂貴,普及的困難程度較大。目前主流的在線分析技術主要是陽極溶出伏安法和電感耦合等離子體質譜分析方法。國外的意大利IDRONAUT、加拿大AVVOR等公司采用陽極溶出伏安法,國內的杭州譜育、湖南力合等公司采用的電感耦合等離子體質譜分析方法。

總體上看,海水養殖尾水在線監測的相關分析儀器均可從國內外獲得,大部分參數的在線監測儀器成熟度較高,適合普及推廣。少數儀器在進一步提高完善的同時降低成本。此外,各省(區、市)從各自區域養殖特點和經濟、技術可行性來選擇適合的在線分析儀器進行尾水監測。

1.2 在線監測系統

基于物聯網技術的海水養殖尾水在線監測系統是指利用物聯網、大數據等新一代信息技術,將海水養殖尾水中的水質、水溫、溶氧、 pH值、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)等指標數據進行采集,通過無線網絡傳輸至后臺監測中心,實現養殖尾水中各項指標的實時監測。

在實現海水養殖尾水水質監測系統集成的過程中,需要充分考慮系統可靠性、監測指標準確性、數據傳輸穩定性等多方面的因素。對于系統的硬件部分,應選用高質量的儀器設備,確保儀器具有高靈敏度、高精度、高穩定性等優點。同時,選用符合規范的傳感器和無線傳輸模塊,以確保采集數據的準確性和實時性。 在軟件方面,必須根據實際情況設計有效的數據處理和分析算法,以保證實時反映水質變化趨勢。同時,利用人工智能等前沿技術,進行數據挖掘和預測分析,提前預判可能出現的問題,并及時采取措施進行處理。 另外,也需要考慮監測系統的實時性和反應速度。在傳輸數據時,應選擇高速穩定的網絡傳輸方式,并建立一套完善的實時響應機制,實現對數據的快速響應和處理。 總體而言,實現海水養殖尾水水質監測系統集成需要充分考慮到各種因素,整合各種技術手段,打造高效滿足實際需求的監測系統。

由于海水養殖尾水在線監測是近年來新興的海洋環境監測方向,相關研究不多,海水養殖尾水在線監測系統供應商較少,在線監測系統的示范案例等存在明顯不足。目前,國外廠家有澳大利亞 Greenspan等公司在做,國內廠家有青島卓建、山東廣為等公司在做。這些廠家的養殖尾水監測系統主要是在海洋生態環境岸基在線監測系統建設經驗基礎上結合海水養殖尾水環境特點進行優化升級而成,其穩定性和準確度等方面還有待驗證。

2 發展趨勢

在海水養殖尾水水質監測技術的發展中,越來越多的新技術和新方法被不斷提出和應用。其中,主要發展趨勢包括以下幾個方面。 首先,智能化技術的發展。隨著物聯網技術、人工智能技術等的發展,智能化監測儀器設備逐漸成為海水養殖尾水水質監測的主流。這些設備具有數據自動采集、傳輸、存儲等功能,能夠迅速、準確地將實時監測的數據傳輸至計算機或云端,為數據分析和監控提供便利。其次,在線儀器技術的應用。海水養殖尾水水質監測儀器會隨著監管標準的提高和行業自律機制的逐步完善而不斷提高。未來,在操作簡單性、數據分析精度、設備運行穩定性等方面,尾水監測技術還需再進行深入研究和開發,以提高技術性能和使用便捷性。另外,基于人工智能技術的輔助判斷也有望應用于海水養殖尾水水質監測。通過對大量數據的分析、處理,人工智能可以對水質進行智能判斷和預警,從而提高管理效率和監測準確性。 總之,海水養殖尾水水質監測技術發展正朝著智能化、自動化、高精度化的方向發展。多種技術相互融合、協同作用,將為海水養殖尾水的環境治理和水產養殖的可持續發展提供有效支撐。

3 存在問題

盡管近年來我國海水養殖尾水在線監測技術已取得了一定的進展,但總體而言,與國外相比,我國在養殖尾水在線監測技術發展方面還有很大的差距。例如:

(1)在標準規范方面,我國海水養殖尾水在線監測技術標準體系尚未形成,目前行業層面上僅有《海水養殖水排放要求》(SC/T 9103—2007)推薦性標準和相關尾水排放的地方標準,其他關于海水養殖尾水在線監測技術的相關規范還有待進一步形成和完善。

(2)在監測技術方面,監測儀器的準確性和穩定性有待提高。由于環境存在差異性,國內現有的海水養殖尾水在線監測儀器沒有能夠適應不同海域環境的要求。監測儀器的準確性和穩定性正是該技術亟待提高的方面,以確保監測儀器監測數據的正確性和真實性。

(3)在應用模式方面,當前基于尾水排放監控需求的在線監測系統主要是依托于地方政府搭建的信息化管理平臺和排污企業內部建設的養殖尾水在線監測系統進行集成。隨著海水養殖業的快速發展,不同企業之間、行業之間以及養殖品種之間對尾水排放監控信息數據的需求差異日益凸顯。然而由于缺乏全國范圍內養殖尾水排放監控信息數據共享平臺的支撐,大量需要進行數據統計、匯總、分析等工作的企業缺乏獲取實時監控信息數據手段,影響了尾水排放監管工作效果和效率。

(4)在管理體系方面,由于海水養殖尾水排放監控信息數據缺乏共享平臺支撐,導致養殖尾水排放監管工作無法做到及時、全面和準確。以美國為例,美國政府將整個養殖區視為一個整體管理單元,利用大數據技術實現對養殖區水體的實時動態監控。相較而言,我國對于養殖尾水在線監測技術還缺乏有效的監管手段。目前我國尚未出臺針對海水養殖尾水排放監管工作的專門法規和管理辦法。

(5)在應用效益方面,盡管我國海水養殖尾水在線監測技術發展迅速,但與發達國家相比還有較大差距。一方面是由于缺乏政府統一管理機制;另一方面是由于監測設備成本高、缺乏合理運營維護機制、監測設備維護效果不佳等因素制約了我國養殖尾水在線監測技術的廣泛推廣和應用。

(6)在政策保障方面,目前我國尚未出臺針對海水養殖尾水在線監測技術相關的政策法規和技術規范。在現行法律法規體系中,缺少對海水養殖尾水在線監測技術發展的鼓勵和扶持政策;在管理體制方面也沒有專門針對海水養殖尾水在線監測技術進行管理、監督和考核的部門或者機構;此外,缺少國家層面對海水養殖尾水在線監測技術發展的相關政策法規。

4 對策和建議

(1)建議國家及地方各級漁業主管部門對海水養殖尾水在線監測技術進行系統研究,結合當地實際情況制定切實可行的在線監測技術方案,避免盲目追求先進技術而造成不必要的資源浪費,明確要求所有新建或改擴建的養殖項目應安裝養殖尾水在線監測設備,并鼓勵現有水產養殖項目安裝尾水排放設施,同時鼓勵使用低能耗、低成本的在線監測設備。

(2)建議國家及地方各級漁業主管部門建立海水養殖尾水在線監測技術應用激勵機制,加強海水養殖尾水在線監測設備的推廣應用;通過財政補貼、政策扶持等方式推動漁業主管部門和相關企業開發建設滿足海水養殖尾水排放管控要求、適用于我國海水養殖業發展現狀的在線監測系統;通過標準規范、示范項目等方式,引導社會力量參與海水養殖尾水排放管控。

(3)建議國家及地方各級漁業主管部門通過對現有在線監測設備進行改造升級、建立數據共享平臺等方式,促進和加強對現有在線監測設備數據分析和應用評估;鼓勵利用第三方平臺建立海水養殖尾水在線監測信息發布機制,提高行業管理部門及企業對尾水在線監測系統的應用效果;鼓勵各地以企業自建或第三方平臺為依托開展尾水排放監管工作,加強對排放企業尾水排放情況的監督管理,提升管理部門的監管水平和能力。

5 結語

我國是世界上海水養殖業發展最為迅速的國家之一,海水養殖尾水排放已成為影響我國海水養殖業可持續發展的重要因素之一。科學、有效地監測尾水排放狀況,是實現養殖尾水排放監管和海洋生態環境保護的前提。本文系統梳理了我國海水養殖尾水在線監測技術進展,指出了國內海水養殖尾水在線監測技術發展方向和面臨的主要問題,并提出了相應的對策。