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养虾废水净化技术分析

中国污水处理工程网 时间:2017-7-20 9:16:23

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  20 世纪中叶以来,世界水产养殖业迅猛发展。我国是世界第一水产养殖大国,水产养殖量占世界总产量的70% ,20 多年来养殖产量已经超过捕捞产量。对虾作为深受广大人民群众喜爱的高蛋白海产品,其人工养殖的成功给人类带来了很大的希望。为解决不断增长的蛋白质需求和过度捕捞给野生虾类资源及其他水生动物所带来的压力等问题开辟了新的途径。然而对虾养殖废水的大量排放,在污染近岸海域生态环境的同时,反过来也制约了水产养殖业的可持续发展 。近年来,在渔业养殖过程中使用水生植物作为生物过滤器净化水质,进行生态循环养殖,国内外学者进行了许多探索和研究,并取得良好效果。我国劳动人民自古就有鱼菜共生等养殖模式的发明和实践,在淡水养殖中,可作为生物过滤器的水生植物种类十分丰富 ,但在海水养殖中,可供选择用作生物过滤器的材料十分有限,基本只有大型海藻。大型海藻由于生活史的特殊性,其在夏季繁殖期过后藻体腐烂分解,所以此时基本没有材料可用作海水渔业废水的生物过滤器。

  北美海蓬子(Salicornia bigelovii Torr. ) 隶属于藜科、盐角草属,原产于北美沿海盐沼中,是美国亚利桑那大学的科学家经过十几年筛选驯化出的生存力强、具有较高经济价值的盐生植物品种,对盐度适应范围广,可达5 ~ 50。作为高等绿色开花植物,其在夏季高温季节依然生长旺盛,可以弥补大型海藻作为生物过滤器的不足。国外有学者将其作为生物过滤器构建湿地,处理海水渔业养殖废水。

  生态浮岛技术是一种水环境治理与水生态修复相兼顾的实用技术,最早美国生态学家Gurney 在加拿大雁水上漂浮式人工巢的研究是生态浮岛应用研究的雏形。经过近30 年的发展,国内外生态浮岛技术有了很大发展和应用,其制作材料和形式多种多样,可随实际需求而改变。本研究尝试以生态浮岛形式将北美海蓬子种植于南美白对虾高效生态循环养殖系统的净化池内,探索北美海蓬子浮岛种植技术和其生长特征,并搭建小型管道式无土栽培系统,测定北美海蓬子对养虾废水中N、P 等营养物质的吸收,以阐明北美海蓬子净化养虾废水的作用机理,以期为北美海蓬子在对虾生态循环养殖模式中的应用提供理论基础。

  1 实验部分

  1. 1 北美海蓬子浮岛种植技术研究

  北美海蓬子浮岛种植实验地点选在浙江永兴水产种业有限公司高效生态循环养殖系统的C1# 塘(东经120°51′51″北纬27°50′50″ )。该养殖系统是一个以高位池养殖南美白对虾为主的多品种、多生态位结合的循环养殖系统。C1#塘为露天池,属净化池之一,水面面积约0. 5 ha,距海边约2 km,受风浪影响不大,池水盐度保持在12 ~ 20。

  1. 1. 1 浮岛载体制作

  实验选择高密度聚苯乙烯泡沫作为浮岛载体,聚苯乙烯在250 ℃ 以上高温才会分解为单体,产生挥发性气体。本实验选用的高密度聚苯乙烯泡沫板属挤塑板,强度较高不易发生分解和霉变,不含挥发性有害物质,化学性质稳定。

  浮岛载体采用高密度聚苯乙烯泡沫板,每片泡沫板长度82 cm,宽度82 cm,厚度15 cm,距离泡沫边缘5 cm 处开始打栽培孔,每片泡沫上均匀打栽培孔16 个。每个栽培孔上口径14 cm,下口径12 cm,深度14 cm,接近底部区域呈弧度,形如碗状,栽培孔底部中间打通,留孔径5 cm 的透水孔,泡沫板共1 500 片。

  1. 1. 2 浮岛固定方式

  浮岛布设前在池塘中每隔8. 2 m 预埋长3. 5 m 水泥桩11 根,其中地下深埋1. 5 m,地上预留2. 0 m,作为固定浮岛的立桩。

  立桩布设完成后,在池塘岸边将泡沫板搭建成8. 2 m × 12. 3 m 的大片,相邻的泡沫板上下两面均用配套的卡扣连接后,再用ϕ2 mm 的防腐尼龙绳绑扎;然后将大片浮岛放置到实验池水面,在固定桩的位置将固定桩插入浮岛中间进行固定,再将相邻的大片浮岛用配套的卡扣连接起来,最后将整片浮岛外围采用DN 75 的PVC 管作为框架进行加固,PVC 管采用胶水粘接,并用ϕ2 mm 的防腐尼龙绳与泡沫板绑扎。浮岛面积约1 008 m2 ,长82 m,宽12. 3 m。

  1. 1. 3 北美海蓬子播种及栽培管理

  栽培孔中放入直径为14 cm 软塑料培养钵,培养钵中装入容量约为2 /3 的种植土,池塘中的水通过栽培孔底部的透水孔渗进栽培孔的土壤中,待栽培孔中土壤完全湿透,即可进行播种,播种时只需将种子均匀撒入栽培孔即可。

  2014 年3 月初,在每个栽培孔中播种北美海蓬子种子约20 粒。约2 周左右,即可见到北美海蓬子发芽幼苗。北美海蓬子生长期间,只需定时除去栽培孔中的杂草,对幼苗过密或过疏的地方进行适当间苗或补苗,保持每个栽培孔中2 ~ 3 颗幼苗。2014 年11—12 月,根据种子成熟状况,分批收割北美海蓬子植株,晾晒,收集保存种子。

  北美海蓬子种子成熟期长,成熟状况参差不齐,早期成熟的种子散落下来。温州冬季十分温暖,因此浮岛上的种子很快又会萌发,此时需要及时清除栽培孔中的海蓬子残枝,以利新的植株生长。因此温州地区浮岛种植北美海蓬子,只需第一年进行播种,此后在新一轮生长过程中,只需根据生长状况定时进行除草、间苗和补苗等工作,基本无需其他管理。浮岛北美海蓬子生长期间,基本没有发现病虫害,完全不需要农药化肥。

  1. 1. 4 浮岛北美海蓬子生长特征及产量估算

  2015 年3—7 月间,每隔5 ~ 6 d 测量并记录北美海蓬子株高,定期采集部分植株测量株高株重,7 月中旬随机收割10 片泡沫板上的北美海蓬子植株(不含根部) 进行产量估算。

  1. 2 北美海蓬子净化对虾养殖废水的实验研究

  为了解浮岛北美海蓬子净化对虾养殖废水的机理和效果,在南美白对虾高位养殖池旁边构建小型管道式无土栽培系统,进行北美海蓬子净化养虾废水的实验研究。管道式无土栽培系统包括培养架、水箱、潜水泵、水管、定植篮和定植海绵等,每个培养架上有72 个定植孔。

  首先在光照培养箱中,进行北美海蓬子催芽育苗及幼苗培育,待北美海蓬子幼苗长至约1. 5 cm 时,移至小型管道式无土栽培系统中,以养虾废水进行培养。实验期间,根据水质情况,每3 ~ 12 d 更换一次培养水。在夏季中午高温或雨季,以防雨棚遮挡防护。

  1. 2. 1 北美海蓬子对养虾废水中氮磷吸收速率的研究

  将养虾废水装入管道式无土栽培系统的水箱中,以潜水泵将其泵入栽有北美海蓬子的培养架循环管中,进行培养。培养期间,每隔一定时间(0、3、6、9 和12 d, 根据测定情况调整) 取水样,根据钼酸铵分光光度计法(GB 11893-89) 测定TP、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法(GB 11894-89) 测定TN、次溴酸氧化法测定NH4+ -N、重氮—偶氮法测定NO2- -N、锌-镉还原法测定NO3- -N、钼蓝法测定PO4^3- -P。

  在对虾养殖过程中,不同生长阶段虾的代谢率和投饵量不同,养殖水体中的营养盐浓度变化较大,但总体来说,营养盐浓度都很高。实验分两组进行,分为中等营养盐和高营养盐养虾废水组,以没有定植北美海蓬子的培养架作为空白对照组。每天定时测量培养水的盐度,并适当补充蒸馏水,以保持实验期间盐度恒定。

  1. 2. 2 北美海蓬子对不同形态氮优先吸收的测定

  以200 μmol·L - 1 的浓度,将氯化铵(NH4+ -N)、亚硝酸钠(NO2- -N)、硝酸钾(NO3- -N) 加入管道式无土培养系统的水箱中( PO4^3- -P 浓度为20 μmol·L - 1 ),进行循环培养,开始实验。每隔6、24、48、72 和96h 取水样,分别测定其中NH4+ -N、NO2- -N、NO3- -N 和PO4^3- -P 的浓度。实验共进行2 次,以没有定植北美海蓬子的培养架作为空白对照组。

  1. 2. 3 北美海蓬子对养虾废水氮磷去除效果的研究

  2015 年7 月中旬,收获浮岛上种植的北美海蓬子植株,将其带回实验室内,60℃ 烘干,样品经消解后,以纳什比色法测定植株TN 含量,钼酸铵分光光度计法测定植株TP 含量;结合浮岛海蓬子种植面积和产量,估算北美海蓬子从养虾废水中移除的氮磷总量。

  1. 2. 4 统计分析

  采用SPSS 18. 0 处理数据,p < 0. 05 视为差异显著。

  2 结果与分析

  2. 1 浮岛栽培的北美海蓬子生长特征及产量

  2015 年3—7 月间,定期测量北美海蓬子的株高株重等,并进行回归分析,得到结果见图1 和图2。

  图1 显示,北美海蓬子前期(3—4 月) 生长十分缓慢,5 月份进入快速生长期,6 月下旬以后平均株高基本不再增加,此时平均株高约69. 5 cm。

  图2 显示,北美海蓬子生长过程中株高株重呈指数增长关系,其函数关系式为y = 0. 376e0. 110x ,即随着北美海蓬子株高的增长,株重呈指数式增加。这与北美海蓬子植株的形态构造有关,北美海蓬子幼苗单株直立,而后反复分叉,因此株重的增加呈指数式上升。

  浮岛北美海蓬子前期生长缓慢,2014 年3 月初播种,10 d 左右初见幼小芽苗,4 月底生长至10 ~ 15cm,5 月份进入快速生长期,株高35 cm 左右可开始采摘嫩芽(具有极好的食用和保健价值),合适的嫩芽采摘期为5 月中旬至7 月中旬。

  北美海蓬子是长日照植物,花期受光照周期影响明显。经观察,温州地区的北美海蓬子最早在夏至(6 月23 日) 前后开始形成花穗,7—8 月陆续进入开花期,9 月份亦可见到少量晚期花穗。种子成熟期较长,9 月末至10 月初即有成熟种子出现,直至12月。北美海蓬子种子细小,成熟后即从果穗脱落,所以需及时收集。

  2015 年7 月初,随机选取10 个浮岛泡沫板样方,收割整块泡沫板上的北美海蓬子植株,经测算,北美海蓬子单位面积产量为(9. 1 ± 1. 5)kg·m - 2 (不包含根部),将收割的海蓬子嫩尖全部采摘下来,称重,此时海蓬子可食用嫩尖部分占整株重量的80% 。浮岛面积1 008 m2 ,估算整个浮岛北美海蓬子产量约91 700 kg。

  2. 2 北美海蓬子对养虾废水中N 和P 的吸收速率

  北美海蓬子对不同形态N 和P 的吸收结果见图3 ~ 6。

  图3 为高营养盐浓度的养虾废水组,其中N 含量很高,TN 浓度达1 231. 6 μmol·L - 1 ,NO2- -N、NH4+ -N和NO3- -N 浓度分别可达625. 3、137 和398. 4 μmol·L - 1 。实验期间,系统中的NH4+ -N、NO2- -N 的浓度下降非常快,尤其是NO2- -N,实验期间从625. 3 μmol·L - 1 到3. 4 μmol·L - 1 ,降低了99. 5% ;NH4+ -N 浓度从137 μmol·L - 1 降到10. 4 μmol·L - 1 ,下降了92. 4% ;而NO3- -N 的浓度在前6 d 略有上升,在NO2- -N和NH4+ -N 浓度明显下降后,NO3- -N 浓度开始下降;TN 浓度由1 231. 6 μmol·L - 1 降至421. 5 μmol·L - 1 ,下降了66. 5% 。

  由图4 可知,高营养盐养虾废水中TP 和PO4^3- -P 的浓度分别可达70. 3 和49. 3 μmol·L - 1 。实验期间,TP 浓度由70. 3 μmol·L - 1 降至43. 8 μmol· L - 1 ,下降了37. 7% ;PO4^3- -P 由49. 3 μmol·L - 1 降至42. 4 μmol·L - 1 ,下降了13. 9% 。

  本组实验开始时,北美海蓬子株高(14. 5 ± 1. 9)cm。实验结束时,北美海蓬子株高(18. 6 ± 2. 1)cm。

  图5 和图6 为中等浓度营养盐养虾废水组,其TN 和TP 分别可达604. 9 和62. 9 μmol·L - 1 。由图5 可知,在实验的前3 d 内,TN、NH4+ -N、NO2- -N 和NO3- -N 的浓度下降非常快,分别下降了55. 7% 、95. 8% 、97. 1%和78. 5% 。由图6 可知,实验期间,TP 和PO4^3- -P 的浓度分别下降了55. 5% 和22. 7% 。

  本组实验开始时,北美海蓬子株高(19. 3 ± 2. 3)cm。实验结束时,北美海蓬子株高(20. 1 ± 2. 3)cm。

  2. 3 北美海蓬子对不同形态N 优先吸收的实验结果

  该实验分2 组(次)进行,第一组实验开始时北美海蓬子平均株高13. 5 cm (见图7),第二组实验开始时北美海蓬子平均株高20. 1 cm (见图8)。2 组实验结果都显示,北美海蓬子对NH4+ -N、NO2- -N 和NO3- -N 的吸收存在极显著差异(P < 0. 01 )。2 组实验中,在实验开始的6 h 内,NH4+ -N 的下降速率分别达到50. 5% 和59. 2% ,NO2- -N 的下降速率也明显大于NO3- -N。说明北美海蓬子对NH4+ -N 存在优先吸收作用,其次是NO2- -N。



表1 浮岛种植北美海蓬子的产量及N、P 去除效果

  2. 4 北美海蓬子对养虾废水中N、P 的去除效果

  实验室分析测得,北美海蓬子植株(鲜重)体内TN 为(0. 05 ± 0. 01)% ,TP 含量为(0. 009 ± 0. 0007)%(见表1)。实地测算北美海蓬子单位面积产量为(9. 1 ± 1. 5)kg m - 2 (不包含根部),浮岛面积1 008 m2 ,由此可得,浮岛种植的北美海蓬子对TN 和TP 的去除量分别为4. 59 kg 和827 g。

  据浙江永兴水产种业有限公司多年的对虾养殖实践和经验,养虾用的饲料TN 含量约6. 72% (饲料粗蛋白含量42% ,粗蛋白TN 含量约16% ),TP 含量约1% , 虾对饵料的利用率平均约65% (未发表数据)。由此推算,1 kg 饵料中未被利用部分的N、P 分别相当于约5 m2 和4 m2 北美海蓬子中的N、P 含量。

  3 讨论

  本研究选择高密度聚苯乙烯泡沫挤塑板作为浮岛载体种植北美海蓬子,其优点在于强度高,承载力强,每平方米承载力可达150 kg 以上,因此便于人力劳动操作。

  基于所使用的浮岛材料,本研究将种植土作为栽培基质,将北美海蓬子直接播种于栽培孔内,十分有利于北美海蓬子的发芽和生长,免去了育苗移栽等复杂过程,节省了生产成本和劳动力。此种形式的生态浮岛种植北美海蓬子,只需第一年进行播种,北美海蓬子种子细小,种子成熟期参差不齐,成熟的种子散落下来,自然萌发生长,在新一轮生长过程中,只需根据生长状况定时进行除草、间苗和补苗等工作,基本无需其他管理,一次性投入可连续多年使用,十分方便和节省生产成本。

  养虾废水中存在各种不同形态氮,其中NH4+ -N 主要来自于虾的代谢排放,NO3- -N 和NO2- -N 主要是由于养虾过程中过剩投放的饵料,在水体中腐败分解而产生。NH4+ -N 和NO2- -N 对虾的毒性较强,若不及时清除,会对虾造成中毒 。为了减轻其毒性,养殖过程中需要不断增氧,并经常投放硝化细菌等,将有毒性的NO2- -N 转化为无毒的NO3- -N 。

  本文的研究结果显示,北美海蓬子对养虾废水中的NH4+ -N 存在优先吸收作用,其次是NO2- -N 。在高营养盐浓度养虾废水实验中,NH4+ -N 和NO2- -N 浓度都快速下降,而NO3- -N 浓度先升后降,可能是因为NO2- -N 不稳定,一部分被氧化和硝化转化成NO3- -N,另一部分被吸收。在中等营养盐浓度实验中,3 种无机氮浓度都呈快速下降趋势,实验的第三天,NH4+ -N 和NO2- -N 浓度就降到很低,说明北美海蓬子对中等营养盐浓度的养虾废水净化效果良好。北美海蓬子对PO4^3- -P 的吸收实验结果也得出同样结论。养殖废水中的磷大多数以有机物的形式存在,吸附在悬浮颗粒物上的磷随着悬浮颗粒物的沉淀而沉积下来,在微生物的作用下转变成无机磷被植物体吸收,故实验结果中TP 的变化幅度大于PO4^3- -P。

  本研究过程中以生态浮岛种植北美海蓬子两年,发现北美海蓬子作为一年生草本植物,前期生长十分缓慢(见图1),在其幼苗期(2—4 月)应及时清除周围杂草。若清理不及时,北美海蓬子就会被其他杂草竞争取代,植株死亡消失。其次,北美海蓬子属藜科植物,种子十分细小,发芽率低,需经一定人工技术处理提高其发芽率。因此,北美海蓬子作为引进外来物种,生态安全风险小。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  4 结论

  1)以生态浮岛种植北美海蓬子既可以净化水质,产生一定的经济效益,又可作为景观,对水质净化池起必要的遮阴作用。

  2)北美海蓬子耐高温,盐度适应范围广,是可供选择的优良海水渔业养殖废水生物过滤器。