復合人工凈水生態循環養殖試驗

丁子元，郝 俊，崔寬寬，張丹娜，任涵瑋，李 灝

（1.天津市水產研究所，天津 300221；2.天津市農業生態環境監測與農產品質量檢測中心，天津 300193；3.天津市農村社會事業發展服務中心，天津 300384）

復合人工凈水生態循環養殖是基于人工濕地的設計理念，結合本地區養殖環境特點以及養殖場區現有環境條件，通過設置控制單元、沉淀功能區、凈化功能區、集氧功能區等形成自流控制體系[1]，利用基質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用[2-3]，對養殖尾水進行凈化和生態循環利用[4]，遵循了低碳經濟、循環經濟的發展原則，是一種集景觀、增效、提質、生態等多方面功能于一體的現代綠色循環農業發展新模式[5]。筆者通過對復合人工凈水生態循環養殖模式構建的初步探索，旨在為天津地區養殖尾水處理提供基礎研究數據、為天津市多措并舉加快推進漁業高質量發展提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地點和養殖系統構成

試驗在天津市濱海新區海通江洋水產養殖專業合作社進行，該試驗地位于天津市濱海新區漢港公路西側。試驗養殖系統主要由養殖區、沉淀功能區、凈化功能區、集氧功能區組成（圖1）。養殖區排出的養殖尾水通過控制單元進入沉淀功能區，經生態溝過濾凈化的養殖尾水通過水泵提水到高位沉淀池中進行沉淀處理，利用水位差形成自流控制體系。由沉淀功能區處理的養殖尾水進入凈化功能區、集氧功能區，經沉淀、凈化、集氧處理后再次進入到養殖區，形成復合人工凈水生態循環養殖系統。

圖1 復合人工凈水生態循環養殖系統示意圖

1.2 養殖循環模式的構建

1.2.1 養殖區 養殖區面積為1 200 m2，由12個面積為100 m2的方形水泥池組成。養殖池長10 m，池高1.5 m，水深1.2 m，池底呈鍋底形，池底向中心坡度為5°，使用中央排污方式，便于污物及時排出，保持池底清潔。單獨養殖南美白對蝦（Litopenaeus vannamei）的養殖區，在池塘排水口處設置集污裝置，防止對蝦蛻殼堵塞排水管道。

1.2.2 沉淀功能區 沉淀功能區面積為300 m2，由生態溝和沉淀池組成。其中，生態溝面積150 m2，呈L形，長邊40 m，短邊13 m，寬3 m，橫斷面為梯形，呈上寬下窄形，上底3 m，下底1.5 m。生態溝種植蘆葦（Phragmites australis），覆蓋面約60%，生態溝利用蘆葦形成小型“蘆葦濕地”環境，通過“蘆葦濕地”可以攔截養殖區未能完全收集的對蝦蛻殼以及部分殘餌、對蝦糞便等，利用植物生長攝取養分的生物作用，吸收養殖尾水中的氮磷元素等，起到生物固定作用。生態溝進水時，延長低水位時間，直至蘆葦最大限度長出，待蘆葦長至20 cm時，開始逐步蓄水，蓄水高度不超過蘆葦頂部。

沉淀池面積150 m2，由3個圓柱形水泥池組成，直徑8 m，高2 m，內設濾石、毛刷等，用于過濾水泵提水帶來的顆粒固體雜質。沉淀池采用高位池設計，利用高位池產生的2 m水位差形成自流體系。

1.2.3 凈化功能區 凈化功能區面積為1 435 m2，由凈化池和水生植物培育區組成。其中，凈化池面積1 375 m2，長方形，長55 m，寬25 m，池高2.4 m，水深2.0 m。凈化池中設置植物浮床、人工基質生物膜、濾食性魚類。植物浮床總面積7.68 m2，占整個凈化池水面的0.54 %，其中每塊浮床面積為0.32 m2（長0.8 m×寬0.4 m），共24塊浮床。每塊浮床種植蕹菜（Ipomoea aquatica）96株，24塊浮床共種植2 304株，用尼龍繩將24塊浮床串聯并固定在凈化池中。凈化池中放置人工基質生物膜18片，每片面積為4.8 m2，寬3.2 m，高1.5 m，網孔6目，使用浮漂、墜子、尼龍繩將生物膜固定并懸掛于凈化池中。凈化池配備葉輪式增氧機1臺，功率3.0 kW，放養濾食性魚類鰱（Hypophthalmichthys molitrix）共計300尾、鳙（Hypophthalmichthys nobilis）共計100尾，每尾0.1 kg。

水生植物培育區面積60 m2，呈長方形，長10 m，寬6 m，內設培育水生植物的玻璃缸圓桶6個，每個圓桶呈圓柱形，底部直徑2 m，高1.6 m。水生植物培育區主要用于培育凈化池中栽種的蕹菜，每個玻璃缸圓桶內移栽500株，用于人工選取植株健壯、生根分蘗好、適應水生環境的植株進行移栽，防止長勢不好的植株影響凈水效果。

1.2.4 集氧功能區 集氧功能區面積為400 m2，由4個100 m2的正方形池組成。集氧池邊長10 m，池高1.5 m，水深1.2 m，配備微孔增氧設備1套，功率3.5 kW。經沉淀區、凈化區的養殖尾水通過集氧功能區進行曝氣增氧處理。

1.2.5 控制單元 基于人工濕地的設計理念，模擬表面流人工濕地處理模式，使養殖尾水沿一定方向流動，利用土壤、植物、人工基質、微生物的物理、化學、生物三重協同作用，對養殖尾水進行處理?？刂茊卧獙⑺坏母叨仍O置為沉淀池＞凈化池＞集氧池＞養殖池＞生態溝，使養殖區的養殖尾水通過控制單元，利用水位差形成的自流體系進入生態溝中，再由沉淀池通過提水泵將生態溝中的養殖尾水提入到沉淀池中，然后通過控制單元，利用水位差形成的自流體系將沉淀池中的養殖尾水自流經過凈化池、集氧池，最終循環回到養殖區。養殖區排出水流量控制在3～4 m3·h-1時，可使養殖區1 440 m3的水體15～20 d循環1次。

1.3 養殖管理

1.3.1 養殖模式 單獨養殖南美白對蝦可利用復合人工凈水生態循環養殖系統，選擇大規格苗種養殖“大蝦”。

1.3.2 苗種放養 2018年5月20日，選擇附肢完整、游動力強、無病、對外界刺激反應敏感的南美白對蝦苗種，經過試水后放養，放養蝦體長3 cm，放養規模為150尾·m-2。

1.3.3 餌料投喂 蝦苗入池后開始投喂蛋白含量在40 %以上的人工配合飼料，并添加保肝藥物、多糖類、益生菌。養殖前期投喂2次·d-1，分別在8：00、20：00進行投喂；養殖中期投喂3次·d-1，分別在8：00、20：00、24：00進行投喂；養殖后期投喂4次·d-1，分別在8：00、12：00、20：00、24：00進行投喂。每個養殖池設2個餌料臺觀察對蝦攝食情況，對蝦體長小于5 cm時，投喂量占體質量的8%～10%；對蝦體長5～8 cm時，投喂量占體質量的6%～8%；對蝦體長8 cm以上時，投喂量占體質量的4%～6%。白天少量投喂，占日投喂量的20%～30%；早晚多量投喂，占日投喂量的70%～80%。

1.3.4 水質調控 利用復合人工凈水生態循環系統進行水質調控，定期使用本地區池塘分離擴培的光合細菌、乳酸菌、芽孢桿菌等有益菌進行水質調節。

1.3.5 日常管理 養殖前期控制水流速度3 m3·h-1左右，使養殖區1 440 m3的水體在20 d左右可以循環1次。養殖中后期隨著投喂量的增加，殘餌、對蝦糞便增多，水質變差，控制水流速度4 m3·h-1左右，使養殖區1 440 m3的水體15 d左右可以循環1次。每天定時巡查系統運行狀況，尤其在對蝦蛻殼期間，重點檢查排水管道，以防對蝦的蛻殼堵塞管道影響系統運行。

1.3.6 病害防治 堅持以“預防為主，防重于治”的原則，定期使用光合細菌、乳酸菌、芽孢桿菌等有益微生物菌進行水質調節，一方面可以改善水質，另一方面還可以達到生物防控病害的目的。

2 結果與分析

2.1 水質變化情況

2.1.1 氨氮 養殖區出水口的氨氮濃度變化范圍為0.084 1～0.151 8 mg·L-1（圖2），隨著養殖時間的延長呈顯著上升趨勢，養殖前期的氨氮濃度與養殖后期差異極顯著（P＜0.01）。生態溝的氨氮濃度變化范圍為0.071 3～0.121 3mg·L-1，隨著養殖時間的延長呈波浪式上升趨勢，與養殖區出水口差異顯著（P＜0.05）。沉淀池的氨氮濃度變化范圍為0.064 4～0.129 3 mg·L-1，養殖前期呈波浪式上升趨勢，養殖中后期呈顯著上升趨勢且略高于同時期生態溝的氨氮濃度，與養殖區出水口的氨氮濃度差異不顯著（P＞0.05）。凈化池的氨氮濃度變化范圍為0.041 9～0.074 5 mg·L-1，隨著養殖時間的延長基本趨于穩定，在養殖后期略有上升，與養殖出水口的氨氮濃度差異極顯著（P＜0.01）。

圖2 氨氮變化情況

2.1.2 亞硝酸鹽氮 養殖區出水口的亞硝酸鹽氮濃度變化范圍為0.008 9～0.015 8 mg·L-1（圖3），隨著養殖時間的延長呈逐漸上升趨勢，養殖前期的亞硝酸鹽氮濃度與養殖后期差異不顯著（P＞0.05）。生態溝的亞硝酸鹽氮濃度變化范圍為0.009 0～0.013 6 mg·L-1，隨著養殖時間的延長呈逐漸上升趨勢，與養殖區出水口的亞硝酸鹽氮濃度差異不顯著（P＞0.05）。沉淀池的亞硝酸鹽氮濃度變化范圍為0.016 3～0.052 9 mg·L-1，養殖前期基本趨于穩定，養殖后期呈顯著上升趨勢，與養殖區出水口的亞硝酸鹽氮濃度差異極顯著（P＜0.01）。凈化池的亞硝酸鹽氮濃度變化范圍為0.004 3～0.011 7 mg·L-1，隨著養殖時間的延長呈逐漸上升趨勢，與養殖區出水口的亞硝酸鹽氮濃度差異顯著（P＜0.05）。

圖3 亞硝酸鹽氮變化情況

2.1.3 溶氧 養殖區出水口的溶氧濃度變化范圍為4.28～5.01 mg·L-1（圖4），隨著養殖時間的延長呈顯著下降趨勢，養殖前期的溶氧濃度與養殖后期差異顯著（P＜0.05）。生態溝的溶氧濃度變化范圍為4.76～4.96 mg·L-1，隨著養殖時間的延長基本趨于穩定，在養殖后期略有上升，與養殖區出水口的溶氧濃度差異不顯著（P＞0.05）。沉淀池的溶氧濃度變化范圍為3.47～4.67 mg·L-1，隨著養殖時間的延長呈顯著下降趨勢，與養殖區出水口的溶氧濃度差異極顯著（P＜0.01）。凈化池的溶氧濃度變化范圍為4.98～5.35 mg·L-1，隨著養殖時間的延長基本處于穩定狀態，在養殖后期略有上升，與養殖區出水口的溶氧濃度差異極顯著（P＜0.01）。養殖區進水口的溶氧濃度變化范圍為8.04～9.66 mg·L-1，隨著養殖時間的延長呈顯著上升趨勢，與養殖區出水口的溶氧濃度差異極顯著（P＜0.01）。在養殖中后期耗氧量增大的情況下，通過延長曝氣時間，增加集氧功能區的曝氣增氧量，以確保養殖區溶氧濃度相對穩定。

圖4 溶氧變化情況

2.2 氨氮與亞硝酸鹽氮去除率

氨氮去除率變化情況（圖5），7個不同養殖時期凈化池的氨氮去除率分別為養殖區出水口的50.16%、46.78%、53.21%、59.54%、59.38%、52.98%、50.95%，在養殖中期（7月份）達到最高值。

圖5 氨氮與亞硝酸鹽氮去除率（R）變化情況

亞硝酸鹽氮去除率變化情況（圖5），7個不同養殖時期凈化池的亞硝酸鹽氮去除率分別為養殖區出水口的51.69%、44.88%、42.02%、49.32%、34.68%、25.99%、25.79%，呈波浪式下降趨勢，在養殖后期（8月份）達到最低值。

2.3 效益分析

2.3.1 經濟效益 試驗于2018年9月份開始出蝦，共收獲南美白對蝦3 950.08 kg，平均規格29.77尾·kg-1，平均銷售單價72元·kg-1，總產值28.44萬元，總投入金額17.80萬元，總利潤10.64萬元。按養殖面積1 200 m2計算，單位對蝦產量3.29 kg·m-2，利潤88.67元·m-2；按照整個復合人工凈水生態循環養殖系統面積3 335 m2計算，單位對蝦產量1.18 kg·m-2，利潤31.90元·m-2。復合人工凈水生態循環養殖系統與普通養殖池塘比較（普通養殖池塘按單產300 kg·667 m-2、利潤7 000元·667 m-2計算，即單位產量0.45 kg·m-2，利潤10.50元·m-2），單位面積新增對蝦產量0.73 kg·m-2，新增效益21.40元·m-2。

2.3.2 社會效益與生態效益 本次復合人工凈水生態循環養殖試驗對氨氮和亞硝酸鹽氮凈化效果顯著，養殖中期（7月份）凈化池的氨氮去除率為養殖區出水口的59.54%；養殖前期（5月份）凈化池的亞硝酸鹽氮去除率為養殖區出水口的51.69%。復合人工凈水生態循環養殖系統的建立可充分利用水域資源，有效改善養殖水質，提高水體的自凈能力，實現養殖尾水的循環利用，消除或減輕養殖尾水對水域環境造成的負面影響。復合人工凈水生態循環養殖模式的應用，對天津市漁業產業結構轉型升級、解決制約天津市漁業養殖尾水凈化的瓶頸問題，提出了一種集景觀、增效、提質、生態等多功能于一體的現代綠色循環農業發展新模式，具有顯著的社會效益與生態效益。

3 結論與討論

天津地區池塘養殖用水分為3種方式：一是進排水不分開。這種方式一般在春季一次性將池塘注水至養殖水位，養殖過程中不進水也不排水，采用有益細菌等進行調水，每年換水1次。這種方式因水質條件所限，養殖單產較低。二是進排水分開。這種方式具備環溝，能夠進行簡單的水循環，溝渠內一般栽植凈水植物，并套養一些貝類及凈水魚類。這種方式因具備一定的水處理功能，所以養殖單產有所提高。三是生態循環養殖。這種模式擁有循環水處理設備，一般被大型養殖企業或合作社采用。這種方式因具有較完善的水處理能力，所以養殖單產較高，但在商品魚市場價格低迷的情況下，使用循環水處理設備所提高的養殖產量不足以彌補設備運轉所產生的成本，故這種模式實際收效不佳。

復合人工凈水生態循環養殖技術是基于人工濕地的設計理念，可根據場區養殖環境特點及場區現有環境條件，因地制宜構建生態循環養殖系統，使更多普通養殖戶也可以掌握這種生態循環養殖尾水處理技術。本次復合人工凈水生態循環養殖試驗取得成功，有效地改善了池塘水域環境，提高了養殖效益，從生態和經濟角度為池塘生態循環養殖提供了發展思路。但本試驗從各個設施環節水質變化的情況來看，沉淀池凈化氨氮及亞硝酸鹽氮的效果不佳，因此應定期清理沉淀池內的沉淀物，適時檢查并更替附著的微生物，以防進入沉積池的殘餌、對蝦糞便等超出沉淀池的處理能力，造成氨氮和亞硝酸鹽氮含量升高，影響養殖系統凈水效果。