复合人工净水生态循环养殖试验.pdf

丁子元等：复合人工净水生态循环养殖试验16文章编号：1002-0659（2023）05-0016-05丁子元1，郝俊1，崔宽宽1，张丹娜2，任涵玮3，李灏3（1.天津市水产研究所，天津 300221；2.天津市农业生态环境监测与农产品质量检测中心，天津300193；3.天津市农村社会事业发展服务中心，天津 300384）试验研究复合人工净水生态循环养殖试验摘要：为提高水产养殖尾水净化率及循环利用率，文章设计建立复合人工净水生态循环养殖系统，研究不同养殖时期系统各功能区对养殖尾水的净化效果。结果表明，7 个不同养殖时期净化池的氨氮去除率分别为养殖区出水口的 50.16%、46.78%、53.21%、59.54%、59.38%、52.98%、50.95%，净化池的亚硝酸盐氮去除率分别为养殖区出水口的 51.69%、44.88%、42.02%、49.32%、34.68%、25.99%、25.79%。研究结果表明，复合人工净水生态循环养殖系统利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用可以有效净化养殖尾水，提高养殖用水的循环利用率。关键词：复合人工净水系统；养殖尾水；生态循环中图分类号：S962.9文献标识码：A收稿日期：2023-04-07基金项目：天津市渔业发展服务中心科研推广项目（J2017-03）主要作者简介：丁子元（1984），男，高级工程师，主要从事养殖新品种、新技术引进研究与推广工作。E-mail：通讯作者简介：李灏（1982），男，高级工程师，主要从事农村社会事业发展工作。E-mail：复合人工净水生态循环养殖是基于人工湿地的设计理念，结合本地区养殖环境特点以及养殖场区现有环境条件，通过设置控制单元、沉淀功能区、净化功能区、集氧功能区等形成自流控制体系1，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用2-3，对养殖尾水进行净化和生态循环利用4，遵循了低碳经济、循环经济的发展原则，是一种集景观、增效、提质、生态等多方面功能于一体的现代绿色循环农业发展新模式5。笔者通过对复合人工净水生态循环养殖模式构建的初步探索，旨在为天津地区养殖尾水处理提供基础研究数据、为天津市多措并举加快推进渔业高质量发展提供参考。1 材料和方法1.1 试验地点和养殖系统构成试验在天津市滨海新区海通江洋水产养殖专业合作社进行，该试验地位于天津市滨海新区汉港公路西侧。试验养殖系统主要由养殖区、沉淀功能区、净化功能区、集氧功能区组成（图 1）。养殖区排出的养殖尾水通过控制单元进入沉淀功能区，经生态沟过滤净化的养殖尾水通过水泵提水到高位沉淀池中进行沉淀处理，利用水位差形成自流控制体系。由沉淀功能区处理的养殖尾水进入净化功能区、集氧功能区，经沉淀、净化、集氧处理后再次进入到养殖区，形成复合人工净水生态循环养殖系统。1.2 养殖循环模式的构建1.2.1养殖区养殖区面积为 1 200 m2，由 12个面积为 100 m2的方形水泥池组成。养殖池长10 m，池高 1.5 m，水深 1.2 m，池底呈锅底形，池底向中心坡度为 5，使用中央排污方式，便于污物及时排出，保持池底清洁。单独养殖南美白对虾（Litopenaeus vannamei）的养殖区，在池塘排水口处设置集污装置，防止对虾蜕壳堵塞排水管道。1.2.2沉淀功能区沉淀功能区面积为 300 m2，由生态沟和沉淀池组成。其中，生态沟面积 150 m2，呈 L 形，长边 40 m，短边 13 m，宽 3 m，横断面为梯形，呈上宽下窄形，上底 3 m，下底 1.5 m。生态沟种植芦苇（Phragmites australis），覆盖面约60%，生态沟利用芦苇形成小型“芦苇湿地”环境，通过“芦苇湿地”可以拦截养殖区未能完17天津农林科技2023 年 10 月第 5 期（总第 295 期）全收集的对虾蜕壳以及部分残饵、对虾粪便等，利用植物生长摄取养分的生物作用，吸收养殖尾水中的氮磷元素等，起到生物固定作用。生态沟进水时，延长低水位时间，直至芦苇最大限度长出，待芦苇长至 20 cm 时，开始逐步蓄水，蓄水高度不超过芦苇顶部。沉淀池面积 150 m2，由 3 个圆柱形水泥池组成，直径 8 m，高 2 m，内设滤石、毛刷等，用于过滤水泵提水带来的颗粒固体杂质。沉淀池采用高位池设计，利用高位池产生的 2 m 水位差形成自流体系。1.2.3净化功能区净化功能区面积为1 435 m2，由净化池和水生植物培育区组成。其中，净化池面积 1 375 m2，长方形，长 55 m，宽 25 m，池高 2.4 m，水深 2.0 m。净化池中设置植物浮床、人工基质生物膜、滤食性鱼类。植物浮床总面积7.68 m2，占整个净化池水面的 0.54%，其中每块浮床面积为 0.32 m2（长 0.8 m 宽 0.4 m），共 24块浮床。每块浮床种植蕹菜（Ipomoea aquatica）96 株，24 块浮床共种植 2 304 株，用尼龙绳将24 块浮床串联并固定在净化池中。净化池中放置人工基质生物膜 18 片，每片面积为 4.8 m2，宽3.2 m，高 1.5 m，网孔 6 目，使用浮漂、坠子、尼龙绳将生物膜固定并悬挂于净化池中。净化池配备叶轮式增氧机 1 台，功率 3.0 kW，放养滤食性鱼类鲢（Hypophthalmichthys molitrix）共计 300尾、鳙（Hypophthalmichthys nobilis）共计 100 尾，每尾 0.1 kg。水生植物培育区面积 60 m2，呈长方形，长10 m，宽 6 m，内设培育水生植物的玻璃缸圆桶 6个，每个圆桶呈圆柱形，底部直径 2 m，高1.6 m。水生植物培育区主要用于培育净化池中栽种的蕹菜，每个玻璃缸圆桶内移栽 500 株，用于人工选取植株健壮、生根分蘖好、适应水生环境的植株进行移栽，防止长势不好的植株影响净水效果。1.2.4集氧功能区集氧功能区面积为 400 m2，由4 个 100 m2的正方形池组成。集氧池边长 10 m，池高 1.5 m，水深 1.2 m，配备微孔增氧设备 1 套，功率 3.5 kW。经沉淀区、净化区的养殖尾水通过集氧功能区进行曝气增氧处理。1.2.5控制单元基于人工湿地的设计理念，模拟表面流人工湿地处理模式，使养殖尾水沿一定方向流动，利用土壤、植物、人工基质、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对养殖尾水进行处理。控制单元将水位的高度设置为沉淀池净化池集氧池养殖池生态沟，使养殖区的养殖尾水通过控制单元，利用水位差形成的自流体系进入生态沟中，再由沉淀池通过提水泵将生态沟中的养殖尾水提入到沉淀池中，然后通图 1 复合人工净水生态循环养殖系统示意图注：1#5#代表采样点位置，箭头表示水流方向。18丁子元等：复合人工净水生态循环养殖试验过控制单元，利用水位差形成的自流体系将沉淀池中的养殖尾水自流经过净化池、集氧池，最终循环回到养殖区。养殖区排出水流量控制在 3 4 m3h-1时，可使养殖区1 440 m3的水体1520 d循环 1 次。1.3 养殖管理1.3.1养殖模式单独养殖南美白对虾可利用复合人工净水生态循环养殖系统，选择大规格苗种养殖“大虾”。1.3.2苗种放养2018 年 5 月 20 日，选择附肢完整、游动力强、无病、对外界刺激反应敏感的南美白对虾苗种，经过试水后放养，放养虾体长3 cm，放养规模为 150 尾m-2。1.3.3饵料投喂虾苗入池后开始投喂蛋白含量在 40%以上的人工配合饲料，并添加保肝药物、多糖类、益生菌。养殖前期投喂 2 次d-1，分别在 8：00、20：00 进行投喂；养殖中期投喂3 次d-1，分别在 8：00、20：00、24：00 进行投喂；养殖后期投喂 4 次d-1，分别在 8：00、12：00、20：00、24：00 进行投喂。每个养殖池设 2 个饵料台观察对虾摄食情况，对虾体长小于 5 cm 时，投喂量占体质量的 8%10%；对虾体长 5 8 cm 时，投喂量占体质量的 6%8%；对虾体长 8 cm 以上时，投喂量占体质量的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水质调控利用复合人工净水生态循环系统进行水质调控，定期使用本地区池塘分离扩培的光合细菌、乳酸菌、芽孢杆菌等有益菌进行水质调节。1.3.5日常管理养殖前期控制水流速度3 m3 h-1左右，使养殖区 1 440 m3的水体在 20 d 左右可以循环 1 次。养殖中后期随着投喂量的增加，残饵、对虾粪便增多，水质变差，控制水流速度4 m3h-1左右，使养殖区 1 440 m3的水体 15 d左右可以循环 1 次。每天定时巡查系统运行状况，尤其在对虾蜕壳期间，重点检查排水管道，以防对虾的蜕壳堵塞管道影响系统运行。1.3.6病害防治坚持以“预防为主，防重于治”的原则，定期使用光合细菌、乳酸菌、芽孢杆菌等有益微生物菌进行水质调节，一方面可以改善水质，另一方面还可以达到生物防控病害的目的。2 结果与分析2.1 水质变化情况2.1.1氨氮养殖区出水口的氨氮浓度变化范围为 0.084 1 0.151 8 mgL-1（图 2），随着养殖时间的延长呈显著上升趋势，养殖前期的氨氮浓度与养殖后期差异极显著（P 0.01）。生态沟的氨氮浓度变化范围为 0.071 3 0.121 3mgL-1，随着养殖时间的延长呈波浪式上升趋势，与养殖区出水口差异显著（P 0.05）。沉淀池的氨氮浓度变化范围为 0.064 4 0.129 3 mgL-1，养殖前期呈波浪式上升趋势，养殖中后期呈显著上升趋势且略高于同时期生态沟的氨氮浓度，与养殖区出水口的氨氮浓度差异不显著（P 0.05）。净化池的氨氮浓度变化范围为 0.041 9 0.074 5 mgL-1，随着养殖时间的延长基本趋于稳定，在养殖后期略有上升，与养殖出水口的氨氮浓度差异极显著（P 0.01）。图 2 氨氮变化情况2.1.2亚硝酸盐氮养殖区出水口的亚硝酸盐氮浓度变化范围为 0.008 9 0.015 8 mgL-1（图3），随着养殖时间的延长呈逐渐上升趋势，养殖前期的亚硝酸盐氮浓度与养殖后期差异不显著（P 0.05）。生态沟的亚硝酸盐氮浓度变化范围为 0.009 0 0.013 6 mgL-1，随着养殖时间的延长呈逐渐上升趋势，与养殖区出水口的亚硝酸盐氮浓度差异不显著（P 0.05）。沉淀池的亚硝酸盐氮浓度变化范围为 0.016 3 0.052 9 mgL-1，养殖前期基本趋于稳定，养殖后期呈显著上升趋势，与养殖区出水口的亚硝酸盐氮浓度差异极显著（P 0.01）。净化池的亚硝酸盐氮浓度变化范围为 0.004 3 0.011 7 mgL-1，随着养殖时间的延长呈逐渐上升趋势，与养殖区出水口的亚硝酸盐氮浓度差异显著（P 0.05）。19天津农林科技2023 年 10 月第 5 期（总第 295 期）图 3 亚硝酸盐氮变化情况2.1.3溶氧养殖区出水口的溶氧浓度变化范围为 4.28 5.01 mgL-1（图 4），随着养殖时间的延长呈显著下降趋势，养殖前期的溶氧浓度与养殖后期差异显著（P 0.05）。生态沟的溶氧浓度变化范围为 4.76 4.96 mgL-1，随着养殖时间的延长基本趋于稳定，在养殖后期略有上升，与养殖区出水口的溶氧浓度差异不显著（P 0.05）。沉淀池的溶氧浓度变化范围为3.47 4.67 mgL-1，随着养殖时间的延长呈显著下降趋势，与养殖区出水口的溶氧浓度差异极显著（P 0.01）。净化池的溶氧浓度变化范围为 4.98 5.35 mgL-1，随着养殖时间的延长基本处于稳定状态，在养殖后期略有上升，与养殖区出水口的溶氧浓度差异极显著（P 0.01）。养殖区进水口的溶氧浓度变化范围为 8.04 9.66 mgL-1，随着养殖时间的延长呈显著上升趋势，与养殖区出水口的溶氧浓度差异极显著（P 0.01）。在养殖中后期耗氧量增大的情况下，通过延长曝气时间，增加集氧功能区的曝气增氧量，以确保养殖区溶氧浓度相对稳定。图 4 溶氧变化情况2.2 氨氮与亚硝酸盐氮去除率氨氮去除率变化情况（图 5），7 个不同养殖时期净化池的氨氮去除率分别为养殖区出水口的 50.16%、46.78%、53.21%、59.54%、59.38%、52.98%、50.95%，在养殖中期（7 月份）达到最高值。亚硝酸盐氮去除率变化情况（图 5），7 个不同养殖时期净化池的亚硝酸盐氮去除率分别为养殖区出水口的 51.69%、44.88%、42.02%、49.32%、34.68%、25.99%、25.79%，呈波浪式下降趋势，在养殖后期（8 月份）达到最低值。图 5 氨氮与亚硝酸盐氮去除率（R）变化情况2.3 效益分析2.3.1经济效益试验于 2018 年 9 月份开始出虾，共收获南美白对虾 3 950.08 kg，平均规格29.77 尾kg-1，平均销售单价 72 元kg-1，总产值 28.44 万元，总投入金额 17.80 万元，总利润 10.64 万元。按养殖面积 1 200 m2计算，单位对虾产量 3.29 kgm-2，利润 88.67 元m-2；按照整个复合人工净水生态循环养殖系统面积3 335 m2计算，单位对虾产量 1.18 kgm-2，利润 31.90 元m-2。复合人工净水生态循环养殖系统与普通养殖池塘比较（普通养殖池塘按单产300 kg667 m-2、利润7 000 元667 m-2计算，即单位产量 0.45 kgm-2，利润 10.50 元m-2），单位面积新增对虾产量 0.73 kgm-2，新增效益21.40 元m-2。2.3.2社会效益与生态效益本次复合人工净水生态循环养殖试验对氨氮和亚硝酸盐氮净化效果显著，养殖中期（7 月份）净化池的氨氮去除率为养殖区出水口的 59.54%；养殖前期（5 月份）净化池的亚硝酸盐氮去除率为养殖区出水口的51.69%。复合人工净水生态循环养殖系统的建立可充分利用水域资源，有效改善养殖水质，提高水体的自净能力，实现养殖尾水的循环利用，消20丁子元等：复合人工净水生态循环养殖试验除或减轻养殖尾水对水域环境造成的负面影响。复合人工净水生态循环养殖模式的应用，对天津市渔业产业结构转型升级、解决制约天津市渔业养殖尾水净化的瓶颈问题，提出了一种集景观、增效、提质、生态等多功能于一体的现代绿色循环农业发展新模式，具有显著的社会效益与生态效益。3 结论与讨论天津地区池塘养殖用水分为 3 种方式：一是进排水不分开。这种方式一般在春季一次性将池塘注水至养殖水位，养殖过程中不进水也不排水，采用有益细菌等进行调水，每年换水 1 次。这种方式因水质条件所限，养殖单产较低。二是进排水分开。这种方式具备环沟，能够进行简单的水循环，沟渠内一般栽植净水植物，并套养一些贝类及净水鱼类。这种方式因具备一定的水处理功能，所以养殖单产有所提高。三是生态循环养殖。这种模式拥有循环水处理设备，一般被大型养殖企业或合作社采用。这种方式因具有较完善的水处理能力，所以养殖单产较高，但在商品鱼市场价格低迷的情况下，使用循环水处理设备所提高的养殖产量不足以弥补设备运转所产生的成本，故这种模式实际收效不佳。复合人工净水生态循环养殖技术是基于人工湿地的设计理念，可根据场区养殖环境特点及场区现有环境条件，因地制宜构建生态循环养殖系统，使更多普通养殖户也可以掌握这种生态循环养殖尾水处理技术。本次复合人工净水生态循环养殖试验取得成功，有效地改善了池塘水域环境，提高了养殖效益，从生态和经济角度为池塘生态循环养殖提供了发展思路。但本试验从各个设施环节水质变化的情况来看，沉淀池净化氨氮及亚硝酸盐氮的效果不佳，因此应定期清理沉淀池内的沉淀物，适时检查并更替附着的微生物，以防进入沉积池的残饵、对虾粪便等超出沉淀池的处理能力，造成氨氮和亚硝酸盐氮含量升高，影响养殖系统净水效果。参考文献1 孙成渤，苗建生，韩志慧，等多级生物净化系统浮游植物的分析 J天津农学院学报，2012，19（3）：52-57.2 张玉春，许虹浅谈人工湿地污水处理技术及应用 J.价值工程，2011（15）：57.3 范旭，高侃人工湿地污水处理技术的应用现状与前景展望 J吉林林业科技，2014（3）：38-41，52.4 李谷，钟非，成水平，等人工湿地养殖池塘复合生态系统构建及初步研究J 渔业现代化，2006（1）：12-14.5 吴振斌，李谷，付贵萍，等基于人工湿地的循环水产养殖系统工艺设计及净化效能 J农业工程学报，2006，22（1）：129-133.（上接第 15 页）进行适当调整，以更好地促进人工红松落叶林的生长。参考文献1 倪伟杰红松林土壤理化性状及其微生物与酶活性影响因子研究进展 J辽宁林业科技，2022（5）：51-55，78.2 沈海龙，王龙，林存学，等开敞度调控对阔叶红松人工天然混交林上层阔叶树的影响 J林业科学，2014，50（2）：22-30.3 沈海龙，丛健，张鹏,等开敞度调控对次生林林冠下红松径高生长量和地上生物量的影响 J应用生态学报，2011，22（11）：2781-2791.