櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
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淡水池塘４种生态沟渠净化效果研究
顾兆俊，刘兴国，程果锋，朱　浩
（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所／农业农村部渔业装备与工程重点开放实验室，上海２０００９２）
  摘要：针对淡水养殖池塘的养殖废水排放沟渠，通过运用２种生物操纵（水生植物和鲢鱼、鳙鱼）技术，以及生物浮床技术、生物填料技术等４种技术模式，以沟渠自净能力作为参照对比，研究出一种修复效果全面的池塘排水沟渠生态构建模式，为解决池塘排放水污染和调控池塘养殖水质提供技术支持。结果表明，（１）池塘排水沟渠具有一定的自净能力，在３５ｄ内养殖废水中的总磷、总氮、氨氮、亚硝态氮、叶绿ａ等的含量及ＣＯＤＣｒ的平均去除率分别为２ ７３％、１１．８５％、１７ ９８％、１２．９５％、４．５２％、４３．３５％；（２）生物浮床技术对养殖废水的综合净化效果最理想，在３５ｄ内对养殖废水中的总磷、总氮、氨氮、亚硝态氮、叶绿ａ等的含量及ＣＯＤＣｒ的平均去除率分别为２６．９１％、５８．９７％、７５ ９２％、４２．８３％、３２．７３％、８５．６２％；（３）生物填料技术对养殖废水的综合净化效果较理想，在３５ｄ内对养殖废水中的总磷、总氮、氨氮、亚硝态氮、叶绿ａ等的含量及ＣＯＤＣｒ的平均去除率分别为１１．６４％、１４．８９％、５８．５９％、７５．６６％、４７．９２％、６７．３６％；（４）水生植物操纵技术对养殖废水的综合净化效果一般，在３５ｄ内对养殖废水中的总磷、总氮、氨氮、亚硝态氮、叶绿ａ等的含量及ＣＯＤＣｒ的平均去除率分别为３５．８１％、２３．４０％、６６．６１％、３３．０７％、３４．１８％、４１ ２１％；（５）鲢鱼、鳙鱼生物操纵技术对养殖废水的综合净化效果相对较弱，在３５ｄ内对养殖废水中的总磷、总氮、氨氮、亚硝态氮、叶绿ａ等的含量及ＣＯＤＣｒ的平均去除率分别为１４．１９％、２３．７１％、３２．７５％、４３．１５％、２１．７０％、６８．７２％。  关键词：养殖污染；生态沟渠；生物操纵；生物浮床；生物填料
  中图分类号：Ｘ７１４  文献标志码：Ａ  文章编号：１００２－１３０２（２０２０）１３－０２８５－０７
收稿日期：２０１９－０８－０２
基金项目：现代农业产业技术体系建设专项（编号：ＣＡＲＳ－４５）。作者简介：顾兆俊（１９８３—），男，上海人，硕士，助理研究员，研究方向为池塘生态工程。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｚｈａｏｊｕｎ＠ｆｍｉｒｉ．ａｃ．ｃｎ。
  我国是世界上最大的水产养殖国。淡水池塘养殖是我国水产养殖的主要方式，《中国渔业统计年鉴２０１６》显示，２０１５年我国淡水池塘养殖面积为
２７０ １２２万ｈｍ２
，占淡水养殖总面积的４３．９４％，占
全国水产养殖面积的３１．９１％；池塘养殖产量为２１９５．６９万ｔ，占淡水养殖产量的７１．７０％，占全国
水产品总产量的４４．４７％［１］。池塘养殖已成为渔业
发展中不可或缺的一种模式。但池塘养殖中存在的一些问题也越来越突出，尤其是水资源大量浪费
与水域环境污染等问题。
为了增加水产品的产量，向养殖水体中大量投放人工饵料，造成了严重的水体污染。水环境污染不仅制约了我国水产养殖业的健康发展，也对养殖
区及其毗邻水域的生态环境产生了重要影响［２］。
目前，我国淡水养殖用水多数来自大大小小的河流、湖泊，养殖排放水体对周围环境的负面影响日
益加重［３］，养殖产生的废水如果及时治理，极易污
染周围的水环境，破坏水域生态平衡并限制农村经
济可持续发展［
４］
。生态沟渠是把排水沟渠构建成具有自身独特结构并发挥相应生态功能的沟渠系统。近年来，对水产养殖水质的调控已成为业内关注的焦点问题之一。而我国养殖场多修建于２０世纪８０、９０年代，没有预留关键人工湿地的场地，因此，可以将现有排灌沟渠改造成具有水质净化作用的生态沟渠可
作为一种可操作性较强的水质修复技术［
５］
。本研究构建４种不同模式的沟渠：针对性种植水生植物调控水质的生态沟渠、布置生态（物）浮床调控水质的生态沟渠、针对性放养滤食性鱼类和贝类调控水质的生态沟渠、利用立体弹性填料调控水质的生态沟渠。同时以沟渠自然净化效果作为参照，以期研究出一种具有全面修复效果的生态构建模式，为解决池塘排放水污染和调控池塘养殖水质提供技术支持。
１　池塘生态沟渠（试验系统）的构建１．１　试验环境
  为了保证试验运行的稳定性，所选的排水沟渠对应的池塘组相互串联在一起，只开启末端养殖池塘的排水口（图１）。试验排水沟渠全长为１４２ｍ，宽５．４ｍ，水深０．９ｍ；池塘养殖品种为大口黑鲈（
Ｍｉｃｒｏｐｔｅｒｕｓｓａｌｍｏｉｄｅｓ），试验期间池塘载鱼量为０ ９６～１．０８ｋｇ／ｍ３
。
１．２　构建模式
  从构建成本和生产管理便捷度等方面考虑，构建４种可应用于池塘养殖排放水处理与调控的生态沟渠，
包括２种生物（水生植物和水生动物）操纵模式，以及生物浮床技术和生物填料技术模式。  从实际应用性和可推广性出发，水生植物操纵模式应选择具有本地优势的大型挺水植物，水生动物操纵模式选择滤食性鱼类，生物浮床调控模式选择种植生物量较大的漂浮性或其他小型水生植物，
生物填料选择立体弹性填料。
１．３　构建工艺
  把排水沟渠并联分隔成５条渠道（每条渠道宽度为１ｍ，分隔墙厚度为０．１ｍ），其中１条为自然状态沟渠，另外４条通过水生植物操纵技术、水生动物操纵技术、生物浮床调控技术、生物填料调控技术等构建４种生态沟渠（
图２）。以自然沟渠作为对照，分析自然状态下排水沟渠对池塘养殖污染的自净能力；４种生态沟渠主要分析对不同养殖污染元素的净化效果，以及对相应水化学指标的调控效果。２　材料与方法２．１　自然沟渠
试验正式运行前，把对照用的排水沟渠完全清整１次，使其处于自然状态下，且不含有任何干扰因子。
２．２　水生植物沟渠
水生植物选择再力花（Ｔｈａｌｉａｄｅａｌｂａｔａ），再力花竞争力强，繁殖速度快，耐富营养水质，具有较好的净化水质功能，加上人们对异国花卉的审美偏好，
使其兼具一定的观赏价值［６］
。再力花的最适生长
温度为２
０～３０℃，与一般池塘淡水鱼类养殖的最适生长温度范围相同；同时，其对氮的吸收能力高于相同功能类型的美人蕉（Ｃａｎｎａｉｎｄｉｃａ）和千屈菜
（Ｌｙｔｈｒｕｍｓａｌｉｃａｒｉａ）等［７］
。
温华试验正式运行前移植二龄的再力花成株至试验沟渠内。移栽植株１
２８株，带根（湿质量）总质量为５８８．８ｋｇ，平均每立方水体质量为４．６ｋｇ。２．３　水生动物沟渠
水生动物选择鲢鱼（Ｈｙｐｏｐｈｔｈａｌｍｉｃｈｔｈｙｓｍｏｌｉｔｒｉｘ）和鳙鱼（Ａｒｉｓｔｉｃｈｔｈｙｓｎｏｂｉｌｉｓ）。试验正式运行前放养二龄鲢鱼、鳙鱼种于试验沟渠，放养量为鲢
鱼２０尾（均质量为３００ｇ／尾），鳙鱼１０尾（均质量为２５０ｇ／尾），放养鱼类平均密度为４２ｇ／ｍ３。２．４　生物浮床沟渠
浮床植物选择蕹菜（ＩｐｏｍｏｅａａｑｕａｔｉｃａＦｏｒｓｋ）。诸多研究表明，蕹菜是一种净水能力较强的水生植物［８－１２］，其被收割后可以作为蔬菜食用，兼具一定的经济效益，且每次收割都能促进蕹菜的生长，加快对水体营养盐的吸收。蕹菜对浮床系统比较理想的覆盖率为４５％左右［１３］。
试验正式运行前移植已发苗的蕹菜到浮床上，试验期间每隔５不ｄ收割１次，使蕹菜对浮床的覆盖率保持在５０％左右。
２．５　生物填料沟渠
根据排水沟渠的结构，选择立体弹性填料作为生物填料。试验正式运行前放置直径为１２０ｍｍ，单位有效长度为１．０ｍ，比表面积为３００ｍ２／ｍ３的填料，沿沟渠等距离布置，上端与水体表面平齐，下端坠重物使其能在水中完全伸展开。沟渠内填料的总体积为水体的２８．７２％。
２．６　采样与检测
试验运行时间为３５ｄ，试验开始当天排放１次养殖废水，直到试验结束，其间不再排放。试验当天池塘排水口取样１次作为初始样品，之后每间隔５ｄ从５条沟渠末端分别取水样１次。每次取样时间为０７：００，并在取样结束后１２ｈ内完成水质指标的测定。测定指标为总氮、总磷、氨氮、亚硝态氮、叶绿素ａ等的含量以及重铁铬酸盐指数（ＣＯＤ
Ｃｒ
），测定方法参考《水和废水监测分析方法》［１４］。试验数据用ＳＰＳＳ１３．０软件统计，每次取样时测１次各个指标与试验开始时相比的去除率，然后求平均值作为平均去除率。
３　结果与分析
３．１　自然沟渠
  如表１所示，随着时间的延长，养殖水体中的总磷、总氮、氨氮、亚硝态氮、叶绿素ａ等的含量及ＣＯＤ
Ｃｒ
大体上均呈下降趋势，平均去除率分别为２ ７３％、１１．８５％、１７．９８％、１２ ９５％、４３．３５％、４ ５２％。结果表明，排水沟渠在自然状态下有一定的自净能力，但效率不高。
３．２　水生植物沟渠
如表２所示，种植再力花的排水沟渠对养殖废水中的营养盐均有良好的净化作用，总磷、总氮、氨
氮、亚硝态氮、叶绿素ａ等的含量及ＣＯＤ
Ｃｒ
的平均去除率分别为３５．８１％、２３．４０％、６６．６１％、３３．０７％、４１．２１％、３４．１８％。
３．３　水生动物沟渠
根据表３可知，放养鲢鱼、鳙鱼的排水沟渠对养殖废水中的营养盐均有一定的净化效果，总磷、总
氮、氨氮、亚硝态氮、叶绿素ａ等的含量及ＣＯＤ
Ｃｒ
的平均去除率分别为１４．１９％、２３．７１％、３２．７５％、４３ １５％、６８ ７２％、２１．７０％。
３．４　生物浮床沟渠
根据表４可知，采用生物浮床技术的排水沟渠对养殖废水中的营养盐均有良好的净化作用，总磷、总氮、氨氮、亚硝态氮、叶绿素ａ等的含量及
ＣＯＤ
Ｃｒ
的平均去除率分别为２６．９１％、５８．９７％、７５ ９２％、４２．８３％、８５．６２％、３２．７３％。
表１　自然沟渠理化指标变化情况
时间（ｄ）总磷含量
（ｍｇ／Ｌ）
总氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
氨氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
亚硝态氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
叶绿素ａ含量
（μｇ／Ｌ）
ＣＯＤＣｒ
（ｍｇ／Ｌ）
０１．４６４．７１．７８０．５３４１４６．６１７９５１．７４４．２１．８１０．５４６１２９．２３７６１０１．６８４．５１．５２０．４７５１００．０６９０１５１．４５４．７１．３５０．４３９８０．２０９３２０１．４８４．２１．５１０．４７１６０．６６７６２５１．２５４．１１．５６０．４５６６０．５４６９３０１．１７４．０１．３６０．４３８７０．４５６０３５１．１７３．３１．１１０．４２９８０．２８６４
表２　水生植物沟渠理化指标变化情况
时间（ｄ）总磷含量
（ｍｇ／Ｌ）
总氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
氨氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
亚硝态氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
叶绿素ａ含量
（μｇ／Ｌ）
ＣＯＤＣｒ
（ｍｇ／Ｌ）
０１．４６４．７１．７８０．５３４１４６．６１７９５１．１７４．６１．１１０．５４５１２６．８５６２１０１．１２４．７０．９５０．４９１９３．１９７２１５１．０１４．３０．８００．３８１９１．４５６０２００．８９３．８０．５００．３２７８０．０２５０２５０．７９３．６０．２００．３２８８２．３８４６３００．８０２．３０．３００．２６６７２．３１４１３５０．７８１．９０．３００．１６４５７．１６３３
表３　水生动物沟渠理化指标变化情况
时间（ｄ）总磷含量
（ｍｇ／Ｌ）
总氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
氨氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
亚硝态氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
叶绿素ａ含量
（μｇ／Ｌ）
ＣＯＤＣｒ
（ｍｇ／Ｌ）
０１．４６４．７１．７８０．５３４１４６．６１７９５１．３２４．４１．５６０．６８３９４．
１０７１１０１．２９４．６１．５４０．３５０７０．０６１１２１５１．２９４．１１．５２０．１０２４７．４５７２２０１．２６２．９１．４００．１４６３６．３５５４２５１．２４２．９０．８６０．１２０２８．６６４４３０１．２０２．９０．７６０．６０９２４．４０３５３５１．１７３．３０．７４０．１１５２０．０７４５
３．５　生物填料沟渠
根据表５可知，采用生物填料模式的生态沟渠，对养殖废水中的营养盐均有一定的净化效果，总磷、总氮、氨氮、亚硝态氮、叶绿素ａ等的含量及ＣＯＤ
Ｃｒ
的平均去除率分别为１１．６４％、１４．８９％、５８．５９％、７５．６６％、６７．３６％、４７．９２％。
３．６　不同类型沟渠的调控效果
由表６可知，与自然排水沟渠相比，４种生态沟渠对营养盐的净化效果均有明显提升（除水生植物对叶绿素ａ的净化效果外）。其中，对总磷净化效果最佳的是水生植物操纵模式，对总氮、氨氮和藻类净化效果最佳的是生物浮床调控模式，对亚硝态氮和有机污染物的净化效果最佳的是生物填料调控模式。
４　讨论与结论
４．１　池塘排水沟渠的自净能力
  水体自净是指水体受污染后，水域生态系统通
表４　生物浮床沟渠理化指标变化情况
时间（ｄ）总磷含量
（ｍｇ／Ｌ）
总氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
氨氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
亚硝态氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
叶绿素ａ含量
（μｇ／Ｌ）
ＣＯＤＣｒ
（ｍｇ／Ｌ）
０１．４６４．７１．７８０．５３４１４６．６１７９５１．２１３．４１．０８０．５４１４４．３０１０６１０１．２４２．３０．８２０．３０２３６．７０７１１５０．９２１．９０．３００．４２０２７．４０５５２０１．１８２．３０．２４０．４３０２４．７０４３２５０．８９２．１０．２４０．２４０９．３６２９３００．９８０．８０．２００．１０９５．０４４２３５１．０７０．７０．１２０．０９５０．００２６
表５　生物填料沟渠理化指标变化情况
时间（ｄ）总磷含量
（ｍｇ／Ｌ）
总氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
氨氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
亚硝态氮含量
（ｍｇ／Ｌ）
叶绿素ａ含量
（μｇ／Ｌ）
ＣＯＤＣｒ
（ｍｇ／Ｌ）
０１．４６４．７１．７８０．５３４１４６．６１７９５１．３９４．６１．３９０．３４２７６．
７０６９１０１．４２４．５１．０４０．２３８５４．６５９３１５１．３６４．２１．０３０．１９０４７．７５３６２０１．３０４．２０．７８０．０３９４３．７５１８２５１．３４４．００．４４０．０３８４３．９５２４３００．９６３．３０．３６０．０３５３４．９０１８３５１．２６３．２０．１２０．０２８３３．２４３０
表６　不同类型沟渠的调控效果
沟渠类型
平均降低率（％）
总磷含量总氮含量氨氮含量亚硝态氮ＣＯＤＣｒ叶绿ａ
自然沟渠２．７３１１．８５１７．９８１２．９５４．５２４３．３５水生植物沟渠３５．８１２３．４０６６．６１３３．０７３４．１８４１．２１生物浮床沟渠２６．９１５８．９７７５．９２４２．８３３２．７３８５．６２生物填料沟渠１１．６４１４．８９５８．５９７５．６６４７．９２６７．３７生水动物沟渠１４．１９２３．７１３２．７５４３．１５２１．７０６８．７２
过自然生态过程及物质循环作用，将水体中的污染物吸收、转化、再分配，使水体净化，恢复到受污染前的状态的自然过程［１５－１６］。水体自净是水生生态系统的一种生态修复手段［１７］，它是一
个包括物理、化学和生物作用的复杂过程［１８－１９］，受季节变化影响显著［１７，２０－２１］。本试验所用沟渠的水体自净能力受水温、水中溶解氧含量、水力停留时间等的影响较大，但可能由于试验期间正值秋季养殖生产的高峰季节，鱼类的代谢产物以及饲料等的投入量的加大，大幅提高了养殖水体的富营养化程度，使得养殖废水中的污染物超出了排水沟渠水环境容量（水体的纳污能力）［２２－２３］的允许负荷量。因此，排水沟渠在自然状态下，虽然有一定的自我修复功能，但效果不明显，未达到相关标准的要求［２４］，须要加入人为的设施或技术手段，提高处理效率来达到养殖废水的环保排放或循环利用，实现节能、减排的养殖目标。
４．２　水生植物对养殖废水的调控效果
  水生植物操纵模式的生态沟渠对氮、磷等营养盐以及化学需氧量（ＣＯＤ）、藻类的净化效果均较明显。水生植物生长所需的氮源主要来自水体中可溶性氮，主要包括氨氮和硝态氮，因而水生植物能够有效去除水体中的氨态氮，植物生长所需的磷元素可通过吸收水体中的正磷酸盐获得［２５］。总体上，水生植物生态系统对磷的去除效果比氮的去除效果好，去除速率也比氮快，本试验中总磷和总氮的