草鱼池塘养殖水体的悬浮物特征.pdf

第 51 卷第 1 期渔 业 现 代 化Vol.51 No.12024 年 2 月FISHERY MODERNIZATIONFeb.2024DOI:10.3969/j.issn.1007-9580.2024.01.003收稿日期:2023-10-10基金项目:上海市科技兴农项目“水产养殖尾水一体化处理装置研发与示范(沪农科推字(2021)第 3-1 号)”作者简介:陈哲(1999),女,硕士研究生,研究方向:水域生态修复。E-mail:2375046684 通信作者:刘兴国(1965),男,博士,研究员,研究方向:水域生态修复。E-mail:liuxingguo 草鱼池塘养殖水体的悬浮物特征陈 哲1,2,刘兴国1,程翔宇1,2,张 旺1,2,程果锋1,肖述文1,2(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092;2 上海海洋大学水产与生命学院,上海 201306)摘要:为了解草鱼养殖池塘水体中悬浮颗粒物(SS)的组成结构及其变化特征,采用静沉降方式对草鱼养殖水体沉降处理,运用激光粒度分析仪探究养殖水体沉降前后悬浮颗粒物的粒径分布(PSD)变化情况、测定沉降前后水质指标变化情况及分析悬浮颗粒物沉降特性。结果显示:草鱼池塘养殖水体中产生的 SS 随时间延长逐渐减低,30 min 后水体中 SS 显著降低(P0.05),150 min 后上层水体中 SS 可降低 60%以上;静置 30 min 后,上下水体中 SS 的 PSD 呈现显著性差异(P0.05),粒径大于 100 m 的 SS 沉积于底部,上层水体中的 SS 整体趋于小粒径分布;随着沉降时间延长,水体中 SS 的比表面积逐渐增加,颗粒无机物(PIM)较颗粒有机物(POM)沉降速度快,150 min 后,水体 SS 的主要成分为 POM;SS 对水质有影响作用,水体中的 TN、TP的质量浓度随沉降时间延长而降低(P0.05),在 120 min 后趋于稳定。研究结果进一步了解草鱼养殖池塘养殖水体悬浮颗粒物沉降特性,为调控草鱼养殖池塘水体中的悬浮颗粒物提供一定的理论依据。关键词:草鱼池塘;悬浮颗粒物;静沉降;粒径特征中图分类号:S959 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)01-0019-010中国 45.83%的水产品产量来自池塘养殖1。池塘养殖已成为中国水产养殖的主要形式和水产品供应的主要来源2。草鱼是中国最重要的淡水养殖鱼类之一,2022 年草鱼产量为590.48 万 t,较 2021 年增幅 2.60%,占淡水养殖鱼类总产量中的 21.78%3,是最大的淡水养殖鱼类。草鱼主要采取池塘养殖,饲料的大量投入及鱼类代谢物积累过度4致使池塘内有机污染物越来越多5,池塘内源性污染加重,养殖水环境恶化6-7。有研究发现,水产养殖中悬浮颗粒物(SS)主要来源是未食用的饲料、未消化的食物残渣以及水生生物的排泄物8-10。据统计,在大部分情况下,系统中 25%的进料最终会变成悬浮固体11,悬浮颗粒物通常可以携带废水中总氮的7%32%和总磷的 30%84%8。淡水池塘养殖过程中,投入的饲料约有 10%20%未被摄食,鱼类摄入饲料中,仅有 20%25%的氮和 25%40%的磷用于生长,其余 75%80%的氮和 60%75%的磷以粪便等形式排入水体12-13。SS 在水体中的沉积和分解活动导致养殖水体中氨氮(NH+4-N)、硝酸盐氮(NO-3-N)、亚硝酸盐氮(NO-2-N)、有机物、磷的富集增多,造成鱼类鳃体损害、有害物质积累,对水中养殖鱼类产生毒害作用及周边水环境污染压力等危害14-16。研究养殖水体 SS去除技术对提高草鱼养殖技术、改善养殖环境、保障环境安全具有重要意义17。SS 通常具有广泛的粒径范围18,养殖池塘中 SS 的粒径范围一般在 200 m 以下。每个养殖系统的 SS 的粒径分布可能都有不同,这使得针对不同类型排出的废水中 SS 的悬浮颗粒物的粒径分布(PSD)详细研究了解更为重要19-20。对于固体悬浮物去除系统,SS 的 PSD 决定了整体去除效率21。养殖水质调控与尾水治理是近年来内陆水产养殖所面临的主要问题,国内外针对养殖水体研究主要集中在对养殖尾水的处理技术22上,对养殖池塘水体中 SS 沉降规律及水质变化情况的研究报道较少,研究草鱼池塘水体静沉降下 SS 及水质变化情况有利于了解 SS 具体特渔 业 现 代 化2024 年性,以期为后续开发设计针对草鱼养殖水体 SS 去除系统提供具体理论依据,因此研究草鱼池塘养殖水体静沉降特性至关重要。本研究以草鱼养殖池塘水体为研究对象,通过对水体的静沉降,测定不同水层、不同沉降时间下 SS 含量、粒度分布情况及水质指标变化情况,研究草鱼养殖池塘水体的静沉降规律及其粒径变化情况,旨在为草鱼养殖池塘水质调控及新型养殖系统设计提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验池塘在上海市松江区三泖水产养殖场(30571.89N,1210852.21E),选取典型草鱼养殖池塘进行试验。池塘面积 100 m50 m,平均水深 1.6 m,水面面积 0.47 hm2,塘内养殖草鱼 4 0004 100 尾。1.2 试验装置及取样沉降装置高约为 195 mm,直径为 138 mm,使用 5 L 采水器对草鱼养殖池塘水体上、中、下层水体进行取样,将各层水样混匀,分装于 15 个沉降装置中,静止放置同时开始计时。采样时采用虹吸法吸取杯内上层(A 层)及下层(B 层)水体(水层上部 1 cm 深度为 A 层,水层底部沉积物上方1 cm 为 B 层),尽量不扰动水体,每次取 3 个平行,共 6 次取样。采样时间为 0 min、30 min、60 min、90 min、120 min、150 min。本研究共进行2 次试验,第一次沉降试验进行于 2022 年 10 月份,第二次沉降试验进行于 2022 年 11 月份。1.3 测定内容及分析方法SS 粒径分布:BT-9300SE 激光粒度仪,仪器的测定范围为 0.11 000 m,测定悬浮颗粒物的体积分布及数量分布。SS 粒径体积分布的表示方法有累积体积分布和区间体积分布。SS 质量测定:采用超微量电子天平称重(精度至 0.0001 g)。SS 质量浓度测定:在 100105 将 Whatman GF/F 玻璃纤维滤膜烘干(2 h 以上),质量为 A1(mg),用该滤膜抽滤体积为 V(L)后,在 100 105 烘干 4 h,冷却后质量为 A2(mg),再将滤膜在 550 下灼烧 2 h,冷却后称重质量为 A3(mg),根据下式计算 SS 的质量浓度:=(A2-A1)/V(1)颗粒有机物(POM)质量浓度为:POM=(A2-A3)/V(2)根据 SS 质量浓度的变化,根据下式计算出SS 去除率:E=(C0-C1)/C0(3)式中:E 为悬浮颗粒物去除率,%;C1为不同时间悬浮颗粒物质量浓度,mg/L;C0为原始水样中悬浮颗粒物质量浓度,mg/L。总氮(TN)测定采用国标法(GB 118941989)23;总 磷(TP)测 定 采 用 国 标 法(GB 118931989)23。2 结果2.1 SS 质量浓度及沉降率变化SS 变化情况如图 1 所示。KNJOKNJO#!K(!K(4 4 NH-4 4 NH-注:表示第一组沉降试验,表示第二组沉降试验;标有不同小写英文字母者表示同一取样时间不同取样深度之间有显著性差异(P0.05),标有不同大写英文字母者表示不同取样时间同一取样深度之间有显著性差异(P0.05),下同图 1 不同深度 SS 质量浓度及 SS 沉降率随时间变化情况Fig1 SS mass concentration and SS sedimentation rate at different depths with time02第 1 期陈哲等:草鱼池塘养殖水体的悬浮物特征 为消除误差,共进行两次静沉降试验,水体中SS 的初始质量浓度分别为 113 mg/L、163.40 mg/L。结果显示,SS 的初始质量浓度不一样时,其沉降速率和沉降规律也存在差异。随着静沉降时间的延长,不同深度的水样中 SS 的质量浓度均呈整体下降趋势,SS 沉降率均随时间延长而显著升高,并在120 min 后趋于稳定状态。处于 A 层的 SS 的质量浓度下降幅度较 B 层下降的更为明显,SS 沉降率更大,30 min 时,A 层 SS 的质量浓度与 B 层有显著性差异(P100 m)以泥沙的形式沉积在底部,水层中 SS 粒径大多处于 100 m 以下。沉降时间在 60150 min 时 SS粒径体积分布的百分比变化情况并不明显。静沉降试验中,A 层粒径的体积分布整体较 B 层偏小,SS 沉降差异更为明显。从表 1、表 2 中可以看出,A、B 层 SS 粒径体积分布的百分比积累值是随着静沉降时间增大越来越小,同时其减小量越来越小。30 min 时,A、B 层 SS 粒径体积分布的百分比积累值存在显著性差异(P0.05)。12渔 业 现 代 化2024 年表 1 第 1 组沉降试验中沉降时间 0150 min 下 A 和 B 层颗粒物累计分布粒径值Tab.1 In the first group of sedimentation experiments,the cumulative particle size value of the A and B layer particles was distributed under the precipitation time of 0-150 min时间/min水层累计分布粒度值/mD10D25D50D75D90颗粒物质量浓度/(mg/L)0A5.9412.6238.89208.90369.20113.00B5.9412.6238.89208.90369.20113.0030 A 3.58 6.5211.6221.07 36.63 69.87B3.806.9813.0224.8048.0078.1760A 3.35 6.1110.7319.3734.42 59.23B3.626.6712.3123.79 44.9274.6090A 3.14 5.74 9.8117.8631.0555.37B3.506.4311.7023.26 44.6963.43120A 3.13 5.74 9.8117.8631.0247.57B3.416.2411.2622.6244.2454.37150A3.115.689.7117.8431.0145.10B3.426.2511.1621.7942.9052.73注:表中粒度值为使用百特激光粒度分布仪分析系统 V8.10 平均三组粒度值后得到。D10、D25、D50、D75、D90 分别指累积粒度分布达到 10%、25%、50%、75%、90%时所对应的粒径值,表示该分类下 A 层和 B 层累积分布粒径值(颗粒物质量浓度)之间差异显著(P0.05)。下同表 2 第 2 组沉降试验中沉降时间 0150 min 下 A 和 B 层颗粒物累计分布粒径值Tab.2 In the second group of sedimentation experiments,the cumulative particle size values of particles in A and B layers were distributed under the precipitation time of 0-150 min时间/min水层累计分布粒度值/mD10D25D50D75D90颗粒物质量浓度/(mg/L)0A4.288.4516.8932.8155.66163.60B4.288.4516.8932.8155.66163.6030A 3.23 6.2411.2920.3640.2288.33B3.947.6714.8628.7551.41130.9360A 3.12 6.0510.9220.3435.0575.57B3.667.0913.5926.6448.75121.0090A 3.03 5.8810.4218.81 35.0566.90B3.787.3514.4528.7851.36120.80120A 2.81 5.49 9.6617.52 34.4460.03B3.546.8913.2626.6248.69112.63150A 2.70 5.28 9.0815.6627.3557.23B3.807.4014.6229.3253.01109.20 两次静沉降试验 SS 粒径数量分布的区间百分比积累情况如图 3 所示。经 150 min 静沉降时间后,SS 粒径的数量分布变化情况甚微,仅在数量峰值处有稍许变化情况。从图 3 可以看出,30 m 以上的粒径占整体粒径数量分布的极少数,甚至于数值上显示为 0%。水层中 SS 粒径数量分布最集中的粒径区间为 0.517 1.115 m,占粒径数量分布百分比的 60%以上。2.3 SS 比表面积变化原 样 中 SS 粒 径 的 比 表 面 积 分 别 为165.5 m2/kg、260.5 m2/kg。从图 4 可以看出随着静沉降时间的延长,SS 粒径的比表面积逐渐增大。当静沉降时间为 30 min 时,比表面积变化情况最为明显且 A、B 层之间有显著性差异(P 0.05);沉降 90 min 后,其比表面积大小趋于稳定,且均显著高于原样(P0.05)。当静沉降时间22第 1 期陈哲等:草鱼池塘养殖水体的悬浮物特征为 150 min 时,试验一中 A 层 SS 粒径比表面积达到 359.85 m2/kg,B 层达到 327.30 m2/kg;试验二中 A 层 SS 粒径比表面积达到398.05 m2/kg,B 层达到 314.25 m2/kg。0 1 10 100 1000 0 1 10 100 1000 0 1 10 100 1000 0 1 10 100 1000(A)(B)(A)(B)F+!F+!15129630151296301512963015129630图 3 不同深度悬浮颗粒物粒径分布(数量分布)随时间变化情况Fig3 Size distribution(quantity distribution)of suspended particulate matter at different depths over timeKNJOKNJO#图 4 不同深度悬浮颗粒物的比表面积随时间变化情况Fig 4 Specific surface area of suspended particulate matter at different depths over time2.4 SS 组成比例变化原样 SS 两 次 试 验 中 POM 占 比 分 别 为33.63%、48.10%。由图 5 可知,随着静沉降时间的增加,SS 中 POM 占比在逐步增加。随着静沉降时间的增加,A 层 SS 中 POM 的比例较 B 层增加更多。试验一中,沉降 60 min 后,A 层 POM 占比超过 50%;试验二中,沉降 30 min 后,POM 占比达到 63.13%。沉降 150 min 后,试验一中 A 层POM 占比 70.80%,B 层 POM 占比 61.68%;试验二 A 层 POM 占比为 79.65%,B 层为 67.69%。32渔 业 现 代 化2024 年M13!M13!KNJOKNJO10.1*.#10.#1*.10.1*.#10.#1*.图 5 不同深度悬浮颗粒物的有机物占比随时间变化情况Fig.5 Variation of the proportion of organic matter in different depths of suspended particulate matter over time2.5 SS 沉降过程中水体中 TN、TP 的变化草鱼池塘养殖水体静沉降过程中 TN 的质量浓度随时间变化情况如图 6。由于两次试验初始水 体 不 同,初 始TN质 量 浓 度 分 别 为2.436 0 mg/L、6.524 2 mg/L。静沉降过程中,TN 质量浓度随着静沉降时间增加逐渐减低,在30 min 后显著低于初始水样(P0.05)。试验一中,在 30 min 后,TN 质量浓度降低程度最为明显,60 min 后,TN 质量浓度下降趋于平缓。试验二中,3060 min 时,TN 质量浓度降低程度最为明显,60 min 后,A、B 层 TN 质量浓度均下降 50%以上,60 min 后 TN 质量浓度呈现缓慢减低趋势。两次试验中上下水层中 TN 质量浓度均呈现显著性差异(P0.05)。!BF NH-!BF NH-KNJOKNJO#图 6 不同深度水体中总氮随时间变化情况Fig.6 Variation of total nitrogen over time in water at different depths 池塘养殖水体静沉降过程中 TP 的质量浓度随时间变化情况如图 7 所示,静沉降过程中TP 与 TN 的质量浓度变化趋势相似,两次静沉降试验中 TP 的初始质量浓度为 0.256 5 mg/L、0.611 5 mg/L。由图 7 可见,两次试验中 TP 质量浓度均在 30 min 后迅速降低,试验一 A 层 TP的质量浓度下降 38.06%,试验二 A 层 TP 的质量浓度下降 22.32%。A 层 TP 下降速率显著高于 B 层,A 层 TP 的质量浓度显著低于 B 层(P0.05)。150 min 后,两次试验中 A 层 TP 的质量浓度分别为 0.104 8 mg/L、0.430 8 mg/L。随着沉降时间的增加,TP 的质量浓度趋于稳定状态,且显著低于初始质量浓度(P100 m)向底部沉积,水体整体粒径范围向小颗粒趋近。国内外目前针对 SS 的 PSD 研究大多与其去除同步进行,张成林等22研发了多向重力沉淀装置,循环水养殖系统中粒径小于 20 m 的微颗粒去除率达到 19.5%,粒径大于 60 m 的微颗粒去除率达到 90.3%;季明东等28使用泡沫分离针对循环水养殖系统中细微颗粒物的去除,泡沫分离对粒径 90 m 的颗粒物有较好的去除作用。第一次静沉降试验中原样 SS 在 1001000 m 有较多的分布,这与池塘的 SS 分布规律有较大不同,但沉降 30 min 后,颗粒物粒径体积分布范围迅速下降,这可能是因为采集池塘下层水样时混入较多底部泥沙,或者水体中存在大颗粒藻类,导致原样中存在较多大粒径颗粒,整体粒径范围变大。从颗粒物粒径的体积分布上看,随沉降时间增加,颗粒物粒径的体积分布变化最为明显时是沉降时间为 30 min 时,这与 SS 沉降类型有关。一般来说,水体中悬浮颗粒物的静沉降方式分为两种情况,一种是粒径范围较大的 SS 会采用单颗粒的形式沉积下层,此种沉降方式速度较快;一种是粒径范围较小的 SS,沉降速度慢,并且在沉降过程中会与其他有机质结合形成絮凝体以絮52渔 业 现 代 化2024 年凝的方式沉降29。本试验沉降规律与此一致。从 SS 粒径的数量分布来看,随着静沉降时间增加,SS 粒径数量分布的变化情况并不明显,这与养殖系统中 SS 数量分布规律有关。段姗杉等30研究表示养殖系统中粒径在 13 m 的颗粒占总颗粒数的 98.36%,315 m 的占 1.63%,1530 m 的仅占 0.01%。Paulo 等31研究表明养殖水体中的 SS 以微粒为主,小于 20 m 的微粒占所有 PSD 的 94%。本试验中粒径的数量分布规律也符合此规律,悬浮颗粒物数量主要集中在 1 m左右,因此在静沉降过程中,SS 粒径的数量分布变化情况并不明显。比表面积是指单位质量物料所具有的总面积,SS 粒径越小,比表面积越大。本试验中随着静沉降时间增加,SS 的比表面积增加,说明在沉降过程中,水体中 SS 粒径整体趋向于小粒径颗粒。这可能是因为粒径偏大的 SS 在静沉降过程中会由于重力作用向底部沉积,停留水体中的 SS 较先前整体粒径变小。这也与悬浮颗粒物粒径的体积分布变化情况相呼应。3.3 静沉降过程中 TN、TP 变化静沉降过程中 SS 质量浓度的降低会影响TN、TP 的质量浓度,TN、TP 质量浓度随沉降时间增加而逐渐减少,沉降 120 min 后水体中 TN、TP质量浓度趋于稳定。草鱼池塘养殖水体中含有大量未食用完的饲料及水生动物粪便等,经过溶解析出产生有机物,并与水体中微小的泥沙颗粒物附着聚集形成大颗粒悬浮物,因此 SS 的静沉降会对水体中氮磷含量产生一定影响。TN、TP 作为水体排放时的重要指标,监测其含量变化情况极其重要。本试验中 A 层中 TN、TP 质量浓度随静沉降时间增加而减少,主要原因可能是因为 SS 在下沉过程中携带尚未分解的有机物质,其中包含一部分氮磷物质,导致 A 层中 TN、TP 质量浓度的降低;30 min 后,TN、TP 下降率最高,120 min 后趋于稳定。与 30 min 后水体中 SS 质量浓度显著降低(P100 m)向底部沉积,水体整体粒径范围向小颗粒趋近;在静沉降过程中,颗粒无机物(PIM)沉积速度大于颗粒有机物(POM);草鱼养殖池塘水体在静沉降中,TN、TP 质量浓度随沉降时间增加而逐渐减少,且当沉降时间足够长时 TN、TP 质量浓度趋于稳定。参考文献1 LIU X,SHAO Z,CHENG G,et al.Ecological engineering in pond aquaculture:a review from the whole-process perspective in China J.Reviews in Aquaculture,2021,13(2):1060-1076.2 刘兴国,刘兆普,徐皓,等.生态工程化循环水池塘养殖系统J.农业工程学报,2010,26(11):237-244.3 农业农村部渔业渔政管理局,全国水产技术推广总站,中国水产学会.中国渔业统计年鉴M.北京:中国农业出版社,2023:25.4 PEDERSEN P B,VON AHNEN M,FERNANDES P,et al.Particle surface area and bacterial activity in recirculating aquaculture systems J.Aquacultural Engineering,2017,78:18-23.5 GREGERSEN K J,PEDERSEN L F,PEDERSEN P B,et al.Foam fractionation andozonation in freshwater recirculation aquaculture systems J.Aquacultural Engineering,2021,95:102195.6 BISWAS G,JENA J K,SINGH S K,et al.Effect of feeding frequency on growth,survival and feed utilization inmrigal,Cirrhinus mrigala,and rohu,Labeo rohita,during nursery rearing J.Aquaculture,2006,254(1):211-218.7 MARTINEZ-PORCHAS M,MARTINEZ-CORDOVA L R.World Aquaculture:Environmental Impacts and Troubleshooting Alternatives J.The Scientific World 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method was adopted for the sedimentation treatment of grass carp aquaculture water,and a laser particle size analyzer was used to investigate the changes in the particle size distribution(PSD)of SS before and after the sedimentation of aquaculture water,to determine the changes in the water quality indexes before and after the sedimentation,and to analyze the characteristics of the sedimentation of the suspended particulate matter.The results showed that the SS produced in the aquaculture water of grass carp ponds gradually decreased with time,the concentration of SS in the water decreased significantly(P0.05)after 30 min,and the SS in the upper water could be reduced by more than 60%after 150 min;After 30 min of standing,the PSD of SS in the upper and lower water bodies showed significant differences(P0.05),SS with particle sizes larger than 100 m were deposited at the bottom,and SS in the upper water body tended to be distributed in small particle sizes as a whole;with the prolongation of the settling time,the specific surface area of the SS in the water body increased gradually,particulate inorganic matter(PIM)had a faster settling rate than particulate organic matter(POM),and after 150 min After 150 min,the main component of SS in the water body was POM;SS had an influential effect on the water quality,TN and TP mass con