水生生物在医疗领域的应用(中国水产养殖尾水污染现状及净化技术研究进展)

Posted 2023-05-30

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水生生物在医疗领域的应用(中国水产养殖尾水污染现状及净化技术研究进展)

中国水产养殖尾水污染现状及净化技术研究进展

基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“典型养殖池塘尾水集中处理关键技术及要素优化研究”(2019JBFZ06)；现代农业产业技术体系“特色淡水鱼产业技术体系养殖水环境控制岗位科学家”(CARS-46)。

王钰钦等

0 引言

改革开放以来，中国的水产养殖业发展迅猛，是世界上唯一养殖产量超过捕捞产量的国家，养殖产量已连续30年位列世界第一，2018年全国水产养殖产量4.9×10 10 kg ，占世界水产养殖产量的60%以上。水产养殖产量高，造成的污染也高。水产养殖业已经成为农业面源污染的重要来源之一，不容忽视。为了降低养殖尾水的危害，各种养殖尾水净化系统应运而生。本研究将通过介绍中国水产养殖业污染的现状、危害、防治政策和近20年出现的水产养殖污水净化技术，了解养殖尾水净化的机理和各种净化系统的优缺点，为净化系统的选择提供建议，并对净化系统的研究进行展望。

1 中国水产养殖尾水及其污染影响概况

中国的水产行业多采用高密度养殖，通常伴随过量的施肥和投饵，过多的肥料和饵料会残留于水体，并造成养殖水体及周边自然水生态环境中总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数(COD Mn )的升高。养殖尾水的总量日益增大，产生的主要污染物也呈上升趋势。

截至目前，中国重要渔业水域普遍出现 TN、TP 和COD Mn 超标的情况。据中华人民共和国生态环境部《2018生态环境状况公报》所示，TN是中国江河重要渔业水域主要的超标指标；TN、TP和COD Mn 是中国湖泊（水库）重要渔业水域的主要超标指标。有研究显示，在江苏省农村污染中，水产养殖业产生的TN污染占总污染的11.57%，而TP更是高达51.12% 。

为了向人们提供更多的优质蛋白质，并给养殖户带来更多收入，水产养殖业逐渐走向集约化和高密度养殖模式。在集约化和高密度的养殖过程中，养殖户会向养殖水体中投放饲料和肥料等营养物质。营养物质的主要成分为脂质、蛋白质、碳水化合物和无机矿物质，这些营养物质一部分被水产动物消化利用，一部分成为池塘底泥，而大部分通过养殖尾水的排放离开养殖池塘。研究资料表明，养殖中饲料转化为养殖生物过程中，仅有13.9%的氮素和25.4%的磷素转化为养殖产品，其余部分沉积于底泥或散逸于养殖水体。

未被转化成养殖产品的营养物质会向外部水体输出氮、磷等植物性营养元素和蛋白质、碳水化合物、脂质等有机物。过量的植物性营养元素会造成水体富营养化，使藻类大量繁殖，而有机物会促进细菌增殖，降低水体中的溶解氧(dissolved oxygen, DO)含量，造成水生动植物死亡，进而使生态失衡。研究表明，水体DO含量的下降可降低鱼类摄食量和饵料转换效率，使鱼类生长迟缓。过低的DO甚至会导致水生生物死亡。并且目前的水产养殖中，绝大部分养殖尾水未经处理直接排放，这使其造成的污染更加严重。据研究，2018年水产养殖区域污染面积达218 km 2 ，由污染导致的水产品损失4.6×10 7 kg、直接经济损失8.2亿元。水产养殖污染会造成水体富营养化、影响水系的自然生态功能，并容易带来的水华、赤潮等自然灾害，不仅降低了居民的生活质量，还给居民的健康财产带来了巨大的损失。

为了减少水产养殖对生态环境带来的负面影响，多个政府部门陆续出台相关法规和指导意见。江苏省海洋渔业局早在2010年便制定《江苏省太湖流域池塘循环水养殖工程建设专项规划(2011—2020)》，要求太湖流域的连片池塘进行循环水养殖改造，以达到重复利用养殖尾水，减少污染排放的目的。2019年2月农业农村部等部委印发了《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》，对中国水产养殖业的发展提供了指导意见，其中第十一项具体的政策措施中要求推进养殖尾水治理，鼓励通过采用人工湿地和生物净化等方式，使养殖尾水得到资源化利用或达标排放。

2 水产养殖尾水净化国内外研究现状

目前，养殖尾水的处理和净化方法可以根据处理位置的不同分为原位净化和异位净化。原位净化指将养殖尾水在养殖池塘内部进行净化，异位净化指将养殖尾水导出养殖水体，在其他的空间中进行净化。这两种方法各有优劣，原位净化无需占用额外的空间，相对于异位净化能够有效的减少人力、能源、土地资源和资金投入，但水产养殖本身需要的适度肥水，原位净化会影响肥水效果，并且其原位净化受空间、时间、养殖生物的影响，很多净化方法无法使用，导致净化效果存在季节性和波动性。异位净化净水效果高于原位净化，但需要消耗额外的土地资源，并且需要投入更多资金。

2.1 原位净化

由于原位净化在养殖水体中直接改善水质，可减少对鱼类的不良影响。原位净化主要通过物理、化学和生物净化方法净化水质。物理净化方法主要为底泥覆盖法、吸附法。化学净化方法主要为絮凝沉降法、曝气法。生物净化方法主要是生态养殖法、水生植物法和微生物法。

2.1.1 物理净化技术 养殖池塘中投放的肥料和饵料通常不会马上溶解于水体中，而会以沉积物的形式保留在其底部，形成池塘底泥，然后缓慢地通过扩散和微生物的分解作用增加水体的植物性营养物质和还原性有害物质，并消耗水体DO，造成养殖池塘及周围水体生态环境失衡。底泥的净化对养殖水体净化有重要意义，物理净化最简单和有效的技术就是底泥的疏竣。由于底泥中具有还原性有害物质，在养殖过程中进行底泥疏浚可能对养殖生物造成不良影响，故底泥疏浚在养殖周期完成后才能进行，每年年底的清塘就是这项技术的代表。其次是底泥原位覆盖技术。底泥原位覆盖技术将清洁材料覆盖于底泥上，将底泥和养殖水体隔离，能够减少底泥和水体之间的物质交换，防止污染物质向水体中扩散，有效地降低水体污染物浓度。有研究表明，原位覆盖技术可以降低水体中水溶性无机磷的浓度，并且能够降低氨氮(NH 3 -N)、多氯联苯、多环芳烃、重金属物质的释放。但是底泥原位覆盖局限较大，其无法降低污染物总量，当覆盖层受到破坏时依然会造成污染；覆盖材料和其运输、应用都需要一定成本；造成底泥疏浚的难度的增加；会占据池塘空间，减少养殖池塘深度；并且养殖池塘容易形成底泥，新底泥的产生会减少该技术的净化效果。

吸附法主要通过添加吸附材料的吸附作用富集养殖水体中的污染物，达到净化水体的目的。吸附材料一般为多孔结构，含有大量的介孔和微孔，比表面积较大，能够将水体中的污染物吸附在其表面。有研究表明，改性凹凸棒土负载铝盐吸附剂对水体中磷的吸收率最高可达98% 。超声—镧改性沸石能有效的降低河道氮磷类物质浓度，其去除率最高可达 93.0%和98.7% 。吸附材料对抗生素具有一定吸附能力，有研究表明，沸石能够有效的去除水体中的磺胺甲恶唑和氧氟沙星。但吸附法使用量大、成本高，且很难真正将污染物从养殖水体中移除。目前对于吸附材料的研究成果多数集中在理论方面，用于实践的研究较少，且主要集中于水生动物较少的水体中，实际应用时采用的方式方法有待进一步地研究。

2.1.2 化学净化技术 絮凝沉降技术通过添加絮凝剂达到净水效果。絮凝剂提供多羟基络合离子，可以吸引废水中原本相斥的反相胶体微粒，通过电中和及卷扫作用将水体中的胶体杂质絮凝凝结成容易沉淀的絮状体。有研究显示，氧化偶合絮凝剂对受污染水体有较好处理效果，能够有效的降低COD Mn 、生化需氧量(BOD)和TP浓度。研究发现，聚合氯化铝铁-阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂，COD Mn 去除率可达65.57%，NH 3 -N、硝态氮(NO 3 - -N)和亚硝态氮(NO 2 - -N)的总去除率可达32.46% 。但是絮凝沉降技术无法将污染物移出水体，只是将养殖水体中的污染物暂时保留在池塘底部，池塘底部的污染物有可能释放出来。

曝气法通过增氧机和铺设通气管等方式向养殖水体中注入空气，一方面增加水和空气的接触面积，促进空气中的氧气进入水体，提高水体DO浓度；另一方面通过气浮将水体中的有害气体和悬浮性颗粒物质带到水体表面。DO可以将水中的还原性有害物质和溶解有机物转化为无害物质或转化为易于从水中分离的气体或固体。研究显示，曝气法可以去除水中溶解的CO 2 、H 2 S、NH 3 等气体，对水中的金属污染物起到氧化作用。虽然曝气法在养殖中非常常见，但是其设备和运行成本较高。

化学处理技术通过添加过氧化氢、过乙硫酸氢钾、高铁酸钾、二氧化氯、漂白粉等氧化剂，氧化并分解养殖水体中不易分解的有机物。也有添加硫酸铜、四羟甲基硫酸磷等化学物质净化养殖水体，减少养殖水体中的病菌，但是有些物质会对人体产生不良影响，许多化学物质己被禁止使用。

2.1.3 生物净化技术 生态养殖法充分运用物质转化与能量传递理论，能够将“资源—产品—污染排放”的传统生产模式转向“资源—产品—再生资源”的资源节约型生产模式。综合运用各种生物互补互利特点，充分利用投入的物质和能量，达到减少污染、节约成本、降低病害、增加收益的作用。常用一些水生动植物进行生态养殖，植物能够通过吸收和转化植物型营养物质降低富营养化；叶冠的覆盖遮光、他感作用改变水体中藻类群落；根系泌氧提供微生物生境等途径净化水质，能够有效降低养殖水体中的TN、TP、悬浮物和重金属离子。刘耀斌开展了对鱼/虾-稻共养模式的研究，研究表明，相较于单一养殖鱼/虾，鱼/虾-稻共养模式能有效的降低养殖水体中正磷酸盐(PO 4 3- )、NH 3 -N、NO 3 - -N浓度。除了水生植物外，贝类也是很好的净化生物，贝类能够通过摄食清除水中藻类和微生物。研究表明，有蚌池与无蚌对照池比较，水体叶绿素含量降低57.5%，悬浮物含量降低49.2%，水体透明度提高7~8 cm 。生态养殖法充分利用投入的饵料和饲料，能有效的减少污染排放，但需要结合当地环境因素，考虑配养生物生态位、代谢能力，并针对种类、数量等运行参数做大量研究，且需要较高的专业水平。

微生物会分解水体或沉淀物中的有机物，并分解、吸收水体中的氮磷类污染物，使污染物离开养殖水体或转化为无害物质，而达到水质（底质）改良、净化的目的。目前在生产中常使用微生态制剂、生物絮团、固定化微生物等技术调节水中的微生物种群结构。

微生态制剂是利用微生物和促进微生物生长的物质制成的活的微生物菌剂，能够促进形成净化水体的微生物菌落，常见的微生态制剂有EM菌、芽孢杆菌、粪链球菌、乳酸杆菌和光合细菌等。宋文辉研究了芽孢杆菌对草鱼养殖水质的影响，研究表明在养殖水体中添加芽孢杆菌制剂能够降低NH 3 -N含量。

生物絮团技术是指通过调控水体营养结构，添加益生菌，在短时间内使益生菌形成优势群落，占据有害菌的生态位，最终达到净化水质，减少病害的目的。Hoang开展了生物絮团对对虾养殖的影响，研究表明，添加生物絮团能够显著降低对虾养殖水体的 PO 4 3- 、NH 3 -N、NO 2 - -N、NO 3 - -N等水质参数。

固定化微生物技术将微生物固定在生物膜载体上，能促进微生物繁殖和生物膜的生成，加强微生物对水体的净化效果。刘洋等研究了3种微生物（枯草芽孢杆菌、硝化细菌、光合细菌）和2种生物膜载体（陶粒、纤维毛球）对南美白对虾养殖系统水质净化的作用，研究表明，生物膜生成后NH 3 -N去除率较初期提高约15% 。Thompson等研究了固定化生物膜在降低养殖水体的铵盐和磷酸盐水平的有效性，研究表明，固定化生物膜能够减少 33%磷酸盐，并减少铵盐的浓度。

2.2 异位净化

异位净化相较于原位净化，可采用更加多样的方式方法，其净化效果更具优势。因国家对水产养殖绿色发展有了更多要求，养殖水净化应以效果作为主要标准，所以异位净化是更适合当前时代特点的净化方法。异位净化方法更加多样。通常不仅采用物理、化学和生物净化方法，而且有将3种方法结合使用的生态净化方法，在实践中生态净化方法更为适合。生态净化方法包括稳定塘净化系统、人工湿地系统、 “两坝三区”系统等。

2.2.1 稳定塘系统 稳定塘净化系统主要通过对污水的稀释、沉淀、絮凝、微生物分解作用、浮游生物和水生植物作用，使得污水中的污染物得到降解和去除。目前稳定塘系统的主要种类有藻类塘、水生植物塘、厌氧塘、生物滤塘等类型，研究人员还开发了一系列组合塘工艺，生态综合塘系统、高级综合塘系统、多级串联塘系统等。Kumar等研究了高效藻类塘对生活污水的处理效果，研究表明高效藻类塘能使生活污水的化学需氧量(COD Mn )和BOD分别减少93%和79%。黄亮等研究了由水生植物塘和养殖塘构建的生物稳定塘系统对TN、TP的去除效果，TN、TP的去除率可以达到25.3%、50.6%。但目前稳定塘系统还存在一些缺点，其占用较大的土地面积、需要较长的水力停留时间、水质净化效率较低、污水散发异味、处理效果受天气制约等缺陷。稳定塘系统常用于未有条件建设其他异位处理系统的地区，作为养殖尾水达标排放的过度系统使用。

2.2.2 人工湿地系统 人工湿地系统利用基质、微生物和植物净化污水，基质能够过滤、吸附和离子交换截留污染物，并为植物和微生物提供生长环境，植物通过吸收和富集污染物净化水质，并且可以通过根系泌氧往缺氧的基质和水体中输送氧气，构建根际微环境，影响微生物群落构成。微生物通过吸收、富集和转化污染物净化污水。不同的类型、基质、植物和外源微生物都会影响人工湿地系统的污染处理能力。人工湿地的类型包括表面流人工湿地、潜流式人工湿地和垂直流人工湿地等。其中，表面流人工湿地能够增加污水和空气的接触，为好氧净水微生物提供生长环境；潜流式人工湿地通过基质隔离空气，使污水无法从空气中获得氧气，促进厌氧菌生长；垂直流人工湿地中，污水从氧气充足的上层流向缺氧的下层，在系统中形成好氧和厌氧两部分，使好氧菌和厌氧菌都有生存环境。基质应有较小的孔隙率和较大的比表面积，且需因地制宜选择价格低廉的材料作为基质。常见的基质有：沸石、陶粒、煤渣、蛭石、铁屑、砾石、页岩和珊瑚石等。随着技术的进步，改性材料、组合填料开始运用于人工湿地。人工湿地的植物应具有净化能力强、抗逆性强、易管理、综合利用价值高和能够美化景观的特点，各个地区气候、地理条件不同，适宜的植物种类也不同。通常运用于人工湿地的植物有：雍菜、茭草、鸢尾、眼子菜、芦苇、香蒲、大米草黄、旱伞竹、水葱、菖蒲、美人蕉、梭鱼草和风车草等。

曹世玮等研究了种植旱伞竹、水葱、菖蒲三种植物，以粉煤灰陶粒为基质的潜流式人工湿地，实验表明旱伞竹最适合粉煤灰陶粒基质的人工湿地，该人工湿地TN去除率在40%左右，TP去除率在95%左右，粉煤灰陶粒能有效的吸附污水中的TP。葛川研究了种植芦苇、香蒲、大米草3种植物，以沸石为基质的垂直流人工湿地，实验表明种植大米草的净水效果最好，TN、TP、COD Mn 的去除率分别达到31%、31%、65%。潘傲等人研究了黄菖蒲、水生美人蕉、梭鱼草和风车草四种植物，以沸石为基质的表面流人工湿地的净水效果，结果表明，人工湿地系统能够有效地去除尾水中的NH 3 -N、TN和TP，且种植植物能够加强去除效果，其中黄菖蒲对TN的净化效果最佳，最高时达86.31%；美人蕉对TP的净化效果最佳，最高可达55.77%；并且发现TN主要通过微生物去除，而TP主要通过基质吸附去除。潘傲等还对种植植物和未种植植物的人工湿地基质微生物进行了高通量测序分析，发现种植植物能够提高基质中的微生物丰富度和多样性，增加微生物净化水体的效能。

人工湿地虽然净水效果好，但需要一定的土地、工程成本，且运用人工湿地技术需要结合当地的气候、环境、资源等因素因地制宜，找出适合当地的人工湿地模式。

2.2.3“两坝三区”系统“两坝三区”系统利用溢流坝和潜流坝将尾水处理系统分成3个单元，通过溢流坝阻挡沉淀污染物、增加表面流、提高水体含氧量；潜流坝阻挡悬浮污染物，提供低氧环境、促进厌氧净水微生物生长。通过溢流坝和潜流坝构建好氧、厌氧微生物处理模式是对AO工艺(Anoxic Oxic process)的应用，能强化硝化-反硝化作用，促进TN净化。胡庚东等构建了一个由水源地、进排水渠、养殖池塘、生态沟渠(Ⅰ级净化)、Ⅱ级净化塘和Ⅲ级净化塘组成的“两坝三区”净水系统对团头鲂养殖池塘尾水进行处理，TN、TP去除率最高达87.38%、99.30% 。在此基础上形成的江苏省地方标准《淡水池塘循环水健康养殖三级净化技术操作规程》也于2017年6月颁布实施。2016年以来，胡庚东等采用此系统对江苏省内近几十万亩连片池塘进行标准化改造设计工作，因地制宜利用池塘周边的沟渠或不具备防洪功能的河道作为Ⅰ级净化单元，坝体可选择具水质净化功能的砖块构建，为了防止堵塞和减少反冲絮凝物的不便，还可将净水材料网格化处理便于移出清洗。

综上所诉，稳定塘系统由于水质净化效率低、占地面积广等缺点在国内较少被研究和使用，而人工湿地系统净水效果较好，受到的研究和关注较多，但就TN、TP的去除率而言， “两坝三区”系统的去除率最高。

3 展望

在异位生态处理系统中，一般以沉淀单元作为净水处理的第一个单元，能够降低水中的悬浮物浓度，降低后续污水处理单元的压力，减少堵塞发生，且具有一定的水质净化效果。有研究表明，沉淀池能使对虾养殖废水中的悬浮物在 2 h左右下降 39%~46% 。刘旭加构建了流程为鱼池→沉淀池→蛋白质分离器→生物滤池→海马齿浮床→紫外杀菌的养殖尾水处理系统，其中沉淀池COD Mn 、NH 4 + -N等水质指标均显著低于养殖池，但各处理池间均无显著差异。说明在其实验中，沉淀池对COD Mn 、NH 4 + -N等水质指标的去除效果在整个净化系统中占据重要地位。但目前，沉淀单元主要通过自然沉降净化污水，其净化效率较低，对沉淀单元的净水能力强化还有待研究。

随着技术的进步，新型净化材料和微生态制剂不断出现，为养殖尾水净化系统的强化提供了更多可能。Yin 研究了铝负载凹凸棒土对黑臭水体的实际治理效果，发现铝负载凹凸棒土能有效降低水体中的NH 4 + -N和TP。张翠绵在实验室中利用芽孢杆菌净化水质，NH 4+ -N、NO2- -N 的消减率在 3 天后分别达到74.2%和 91.1% 。Sangnoi Yutthapong [58] 研究了几种硝化细菌的除氨效率，其中对NH 4 + -N的去除率最高可达71%。杨静丹等研究了一株异养硝化—好氧反硝化菌的净水效果，其对NH 4 + -N、NO 3 - -N和NO 2 - -N的去除率分别达63.57%、88.11%和98.38%。且有研究发现，净化材料可以提供负载微生物的环境，两者配合使用能加强进水效果。Wu 使用沸石对传统的活性污泥法进行强化，铵去除效率是提高超过27%。通过净化材料和外源微生物的优化，可能增加净化系统的净化能力，需进一步研究。

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