復合生態溝渠對池塘養殖尾水和稻田退水的凈化效果

咼金亮,李 奎,孫靜妤,李 敏,石 偉,邱文杰,管衛兵,4,5

(1.上海海洋大學 海洋生態與環境學院,上海201306;2.銀川科海生物技術有限公司,寧夏 銀川750000;3.銀川市賀蘭縣農業農村局,寧夏 銀川750000;4.淮安市蘇澤生態農業有限公司,江蘇 淮安223218;5.農業農村部稻漁綜合種養生態重點實驗室,上海201306)

池塘養殖作為中國當前養殖業的一種主要生產方式,隨著高密度、高投餌率的精養模式的大規模推廣,常引起水質惡化并導致病害、產量下降及影響品質等諸多問題,污水的排出還可能導致周邊水體富營養化[1],控制和處理養殖尾水污染是實現漁業健康發展和水資源可持續利用的重要保障。在魚類養殖過程中,70%～80%投喂的飼料會以溶解或顆粒物的形式排放到水體中,其中最終約有51%的氮和64%的磷會成為廢棄物[2]。這不僅會影響魚類的生長速度,提高魚病的發生率,降低水產品的產量和質量,影響整個養殖產業的總體經濟效益,而且隨著養殖尾水的排出,會進一步加劇周圍水域的富營養化。如今,面源污染正逐步取代點源污染,成為引發地表水環境問題的主要原因,而農業面源污染又是最主要來源之一。中國作為利用稻田進行農業生產的大國,其產生的稻田退水是引發農業面源污染的一類重要形式。據統計,稻田退水引發自然水體富營養化的貢獻率高達27%,大量未被利用的氮、磷隨退水流失到周邊水體中,繼而引發河流和湖泊的富營養化[3-4]。在池塘養殖尾水和稻田退水凈化中,已有研究通過對排水溝渠進行改造,進而形成具備排水和濕地凈化雙重作用的生態溝渠[5-7]。吳湘等[8]通過生態溝渠對中華鱉溫室的養殖排放水體進行凈化,總氮濃度減少75%,銨態氮濃度減少91%,總磷濃度減少83%,化學需氧量減少62%,溶解氧增加近4倍。劉興國等[9]對生態工程化循環水池塘養殖系統進行研究,結果表明生態溝渠對養殖水體中TN的去除率達到18.35%,TP的去除率達到17.39%,COD的去除率達到18.18%。陶玲等[10]研究生態溝渠可以增加水中溶解氧,去除N,P等物質,達到對處理養殖廢水的目的。吳軍等[11]運用排水溝與塘堰濕地結合的系統凈化農田排水,一定程度上實現了減少農田面源污染和修復農田水環境的目的。張樹楠等[12]將原農業排水溝渠改建成生態溝后,出水氮、磷濃度分別達到地表水環境質量標準Ⅳ類和Ⅱ類,對水體總氮、總磷的平均去除率分別為64.3%,69.7%。生態溝渠可同時通過植物吸收、泥沙截留和微生物分解等理化作用,降低水體中的污染物濃度[13]。生態溝渠中的水生植物除能直接吸收水體中的氮、磷外,還可延長溝渠中的水力停留時間,為微生物提供有利的生長環境等[14]。但已有研究多針對小規模的池塘養殖尾水和稻田退水的凈化,對實際大型工程化循環水池塘養殖系統運行中的氮磷污染狀況研究仍較缺乏[15]?，F有研究在通過生態溝渠實現池塘養殖尾水和稻田退水凈化后一般直接排出系統,未實現水資源的循環利用和造成養分流失,不適合中國中西部等干旱缺水地區。本研究通過在稻蟹共生—池塘養殖耦合系統中[16-17],構建一種復合生態溝渠系統,實現對池塘養殖尾水和稻田退水的污水凈化和循環資源化利用。通過研究復合生態溝渠系統中的水質沿程變化,探討其凈化效果,以期為稻漁共作循環水養殖模式的合理構建和綠色發展提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

本研究試驗地點位于寧夏回族自治區銀川市賀蘭縣常信鄉四十里店村科海漁業,整個養殖基地占地71.10 hm2,其中水產養殖面積19.34 hm2,稻田種植面積51.76 hm2,基地日常運行是將池塘養殖尾水引入稻田凈化后再返回池塘。試驗分別在基地內的池塘養殖尾水復合生態溝渠和稻田退水復合生態溝渠中進行,溝渠系統全長約3 050 m,寬6～8 m,深約2 m。池塘養殖尾水復合生態溝渠由5段組成,分別為第一段睡蓮溝、二號溝、三號溝、第二段睡蓮溝和三池兩壩溝組成。第一段睡蓮溝長約120 m,溝中均勻栽種睡蓮。二號溝為稻田進水溝,長約820 m,溝內養殖有少量草魚,日常喂養蘆葦和浮萍等青飼料以產生生物絮團凈化水質。三號溝為稻田排水溝,長約730 m。第二段睡蓮溝長約170 m,溝中均勻栽種睡蓮。三池兩壩溝長約220 m,溝內有沉淀池、曝氣池和生態凈化池,由兩級過濾壩隔開,溝中均勻栽種狐尾藻、薄荷和蘆竹等水生植物進一步凈化水質。溝渠東側放置有抽水泵,通過水泵將凈化后的水再灌入池塘。稻田退水復合生態溝渠由2段組成,第一段由稻田排水溝改造而成,長約990 m,溝內種植蘆葦、菖蒲等水生植物,第二段為三池兩壩溝。稻田退水復合生態溝渠和池塘養殖尾水復合生態溝渠的三池兩壩溝為同一溝段。復合生態溝渠系統對池塘養殖尾水和稻田退水的凈化流程(圖1)。溝渠結構形狀為倒梯形(圖2)。

圖1 復合生態溝渠凈化流程

圖2 生態溝渠橫斷面示意

1.2 樣品采集

寧夏地區稻漁綜合種養的主要生產時間為5—9月,而8—9月正是水稻生長的灌溉需肥旺期和池塘養殖需換水周期的重要時期,考察其循環水水質沿程變化情況具有重要意義。2020年8月對池塘養殖尾水復合生態溝渠進行7次水質監測,共選取11個點位進行采樣,采集上、中層混合水樣,每個點位均采集3個平行樣,此期間基地生產狀況良好。檢測指標為溶解氧(DO)、水溫(WT)、磷酸鹽(PO3-4-P)、亞硝酸鹽氮(NO-2-N)和氨氮(NH3-N)等水質指標,采樣時間為上午10:00—11:00。S1位于魚塘總出水口,S2位于睡蓮溝和二號溝的交匯處,S3位于二號溝中間,S4位于二號溝出水口,S5位于三號溝進水口,S6位于三號溝中間,S7位于三號溝和睡蓮溝的交匯處,S8位于睡蓮溝出水口,S9位于三池兩壩溝第一個壩前,S10位于第2個壩前,S11位于魚塘總進水口。采樣點分布如圖3所示。精養魚塘所產生的養殖尾水由魚塘總出水口進入第一段睡蓮溝,然后流入二號溝,由泵站抽水灌入稻田,經稻田凈化后由稻田出水口進入三號溝,然后部分直接流入魚塘,部分流入第二段睡蓮溝,最后由睡蓮溝出水口進入三池兩壩溝,養殖尾水完全處理完畢。經過處理后的養殖尾水再由水泵抽入魚塘總進水口供給至各魚塘。

圖3 2020年試驗采樣點分布

2021年對池塘養殖尾水復合生態溝渠進行重復監測,共選取7個點位進行采樣,采樣點位、方法和檢測指標與2020年一致。2021年同時對基地稻田退水復合生態溝渠中的水質情況進行了測試研究,于8—9月共進行7次水質監測,共選取11個點位進行采樣檢測。

P1位于稻田出水口,P2—P7位于改造后的稻田排水溝,其中P4—P6位于基地周邊毗連旱地的排水溝渠,P8位于與睡蓮溝的交匯處,P9位于三池兩壩溝第一個壩前,P10位于第2個壩前,P11位于溝渠出水處。采樣點分布如圖4所示。采樣方法和檢測指標與池塘養殖尾水復合生態溝渠一致。

圖4 2021年試驗采樣點分布

1.3 試驗方法

采樣容器均為無菌采樣瓶,將獲得的水樣置于便攜冰箱進行低溫保存,24 h完成樣品的水質指標測定。溶解氧和水溫使用哈希溶氧儀測定;溶解性磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法(HJ632-2011)測定;氨氮采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)測定,亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法(GB/T11889-1989)測定。

1.4 數據分析

試驗數據通過Excel 2010進行制圖,通過SPSS 26統計軟件進行方差分析(one-way ANOVA)檢驗各指標的顯著性水平,p＜0.05為顯著,p＜0.01為極顯著。

2 結果與分析

2.1 池塘養殖尾水復合生態溝渠

2020和2021年池塘養殖尾水復合生態溝渠溶解氧、磷酸鹽、亞硝酸鹽氮和氨氮含量沿程變化分別如圖5—6所示。

由圖5—6可知池塘養殖尾水在進入復合生態溝渠后,水體中的污染物濃度均有所下降。2020年磷酸鹽由0.43±0.36 mg/L下降至0.02±0.01 mg/L,平均去除率為96.21%,亞硝酸鹽氮由0.13±0.08 mg/L下降至0.01±0.01 mg/L,平均去除率為91.27%,氨氮由2.64±1.00 mg/L下降至0.14±0.10 mg/L,平均去除率為94.75%;2021年磷酸鹽由0.08±0.08 mg/L下降至0.03±0.03 mg/L,平均去除率為68.96%,亞硝酸鹽氮由0.08±0.03 mg/L下降至0.03±0.01 mg/L,平均去除率為61.36%,氨氮由0.69±0.29 mg/L下降至0.33±0.07 mg/L,平均去除率為51.92%,說明復合生態溝渠系統對池塘養殖尾水起到了很好的凈化效果,各采樣點水質狀況詳見表1—2。

圖5 池塘養殖尾水復合生態溝渠2020年水質沿程變化

表1 不同采樣點2020年水質的比較

圖6 池塘養殖尾水復合生態溝渠2021年水質沿程變化

池塘養殖尾水在經過復合生態溝渠后,溶解氧含量有所上升。尾水在進入生態溝渠后,其流速緩慢,而且與空氣的接觸面積增大,溶解氧增加。另外,溝渠內水生植物的光合作用也是溶解氧增加的原因之一。睡蓮溝出水口溶解氧濃度極顯著低于魚塘總出水口、二號溝和三號溝溶解氧濃度(p＜0.01)。睡蓮溝中睡蓮生長茂密,遮蔽陽光,影響水體中藻類光合作用,從而使溶解氧較低。此外,睡蓮生長速度快,莖葉脫落分解過程中也會消耗氧,因此要合理控制睡蓮的種植密度。魚塘總出水口排出的富營養化尾水和溝渠排出的稻田水,經過睡蓮溝中睡蓮和浮游生物消耗,溶解氧在S1—S2間和S7—S8間迅速下降。尾水進入溝渠后經過四號溝泵站進入稻田,在稻田凈化作用下,水中溶解氧迅速增高,凈化后由稻田總出水口流入三號溝。但由于經過第二段睡蓮溝的耗氧作用,所以最終進入三池兩壩的尾水溶解氧含量并不高,僅0.56±0.53 mg/L。在經過三池兩壩溝中曝氣池作用后,溶解氧含量上升至1.11±1.11 mg/L。由于池塘養殖尾水在流入稻田后,磷酸鹽被稻田被吸收,因此三號溝磷酸鹽濃度顯著低于魚塘總出水口(p＜0.05)。睡蓮溝中沉積了較多的磷酸鹽,在厭氧環境下,會分解釋放出大量可溶性磷酸鹽,因此尾水在經三號溝出水口流入睡蓮溝后,磷酸鹽濃度極顯著上升(p＜0.01)。經過三池兩壩溝中水生植物吸收后,磷酸鹽濃度又有所下降。魚塘尾水經過復合生態溝渠后亞硝酸鹽氮濃度呈極顯著性下降(p＜0.01)。精養魚塘在魚類和其他動物作用下產生大量亞硝酸鹽氮,尾水進入睡蓮溝后,被微生物還原,亞硝酸鹽氮含量迅速下降,但經過稻田在有氧條件下會轉化為亞硝酸鹽氮,故三號溝亞硝酸鹽氮濃度有所上升。魚塘養殖尾水在進入復合生態溝渠后氨氮呈下降趨勢,經過稻田凈化后三號溝中氨氮濃度和其他溝相比呈極顯著降低(p＜0.01)。而在進入第二段睡蓮溝后氨氮濃度呈極顯著上升(p＜0.01),主要是由于睡蓮溝內厭氧藻類較少,因而濃度上升。經過三池兩壩溝中水生植物吸收后,魚塘總進水口氨氮濃度有所下降。隨著系統運行時間的推移,魚塘內磷酸鹽、亞硝酸鹽氮和氨氮的濃度總體呈下降趨勢,為魚類生長提高了良好的養殖生態環境。

表2 不同采樣點2021年水質的比較

生態溝渠中種植有各種水生植物,水生植物的根(莖)網絡為微生物的附著、棲生、繁殖提供了條件,溝渠底部沉積物表面也附著大量微生物,這些微生物可對N進行硝化、反硝化等作用。溝渠底部有土壤和植物死亡后的腐殖質組成的沉積物,這些沉積物有較大的表面積,將吸附的N,P進行沉積、轉化[18]。同時,沉積物表面的N,P會隨著間隙水的遷移轉移到沉積物內部,然后通過礦化等方式將部分N,P去除[19]。另外,溝渠中的水生植物所形成的過濾帶能降低水流速度,進而減緩污染物的輸移,促使其在溝渠中沉淀下來[20]。

2.2 稻田退水復合生態溝渠

2021年稻田退水復合生態溝渠溶解氧、磷酸鹽、亞硝酸鹽氮和氨氮含量沿程變化如圖7所示。由圖7可知,稻田退水在經過復合生態溝渠后溶解氧濃度呈極顯著下降(p＜0.01),生態溝渠中水生植物茂密,遮蔽了光照,影響水體中藻類的光合作用,從而使得稻田退水在進入溝渠后溶解氧下降。稻田退水在進入復合生態溝渠后,水體中的磷酸鹽、亞硝酸鹽氮、氨氮濃度均有所下降,說明復合生態溝渠系統對稻田退水起到了很好的凈化作用。經過連續監測,發現隨著系統運行時間的持續,出水磷酸鹽、亞硝酸鹽氮和氨氮的濃度總體呈下降趨勢,凈化效果更加穩定。在稻田退水流經至P8時,因為有睡蓮溝出水,導致磷酸鹽、亞硝酸鹽氮、氨氮濃度有所波動上升。9月中旬水稻開始進入收割前的干田期,稻田退水量增大,水力停留時間變短,因此對復合生態溝渠的凈化效果產生影響。另外,由于降雨等引起地表徑流輸入變化,也會對溝渠沿程及個別點位的水質產生影響。監測總體結果表明復合生態溝渠對稻田退水起到了很好的凈化作用,經過凈化后的稻田退水達到《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》的Ⅳ類標準,減少了農業面源污染。

圖7 稻田退水復合生態溝渠水質沿程變化

3 討論與結論

水環境污染不僅制約中國池塘養殖的健康發展,而且對養殖區及其周邊水域的生態環境也產生負面影響[21]。雖然中國在2007年就頒布了《淡水池塘養殖水排放要求(SC/T9101-2007)》,但由于水產養殖區域分布較廣且分散,難以對養殖用水集中組織排放,因此管控效果一直不佳。人工濕地作為一種新興的水污染處理技術,目前已被廣泛地應用處理各種類型廢水。中國稻田面積廣闊,水稻生長的需肥旺期與養殖需換水周期較一致,因此稻田濕地在池塘養殖尾水凈化中可發揮獨特的作用[22-23]。稻田退水是農業面源污染的主要來源之一,如果不經過處理直接排放也會污染周邊水體。稻田退水溝渠是重要的農田水利設施,不僅承擔著匯水、排水的作用,還具備一定程度的濕地凈化水質功能[24-25]。目前,稻田溝渠系統在污染物的截留與凈化方面日益受到重視[26]。楊林章等[27]研究表明,生態溝渠對農業非點源氮污染的去除率達到48%～64%,磷污染的去除率達到41%～70%。生態攔截型溝渠系統對農田徑流中的氮、磷都有較好地去除效率,但易受其他因素影響,如進水氮磷濃度、水力停留時間和季節溫度等[28]。另外,一些水生植物在吸收營養物質后,會迅速生長從而減小溝渠的實際過水斷面,再加上一些懸浮物的沉淀積累,因而在比較長的時間里會影響復合生態溝渠的處理效果,甚至導致系統不能正常運行。因此,選取合適的水生植物,及時對水生植物進行刈割和定期清理溝渠是很重要的。余紅兵等[29]發現定期刈割溝渠植物,不僅能轉移植物吸收的氮、磷,還能提高底泥的氮、磷去除率。

復合生態溝渠中水質的沿程變化表明,池塘養殖尾水和稻田退水在經過凈化后,總體水質狀況得到明顯改善。當水體流經復合生態溝渠時,水生植物的吸收、分解和稻田等基質的吸附作用降低了水體中的污染物濃度。池塘養殖尾水和稻田退水在經過復合生態溝渠系統凈化后既可循環利用,減少養分流失,也可達標排出,在中國中西部等干旱缺水地區,具有較強的適應性。在稻漁共作模式下構建的復合生態溝渠系統,相較于直接利用改建后的排水溝渠凈化池塘養殖尾水和稻田退水,對氮、磷具有更高的去除效率。利用復合生態溝渠系統可實現池塘養殖用水和稻田灌溉用水的循環利用,在保證充分利用養分的同時,又產生了節水效益。但復合生態溝渠在運行過程中,也需要定期維護和管理,從而保障系統正常運行。