2022,
Vol. 31
目前，我国水产养殖水域环境面临外部与内在的巨大压力，随着绿色发展理念不断深入人心，从水产养殖业自身出发，研究养殖尾水达标排放乃至重复利用[1]的技术日渐紧迫。近年来，学者们利用人工湿地[2-4]、生态沟渠[5]、水处理集成设备[6]等方式开展养殖尾水净化处理研究，对养殖尾水中主要污染物指标仅使用单因子的方式评价，然而单一指标的去除效果受实验规模、环境指标本底值和处理系统运行参数等影响，无法全面客观地反映综合水质状况[7]，因此，有必要引入反映多项参评因子综合水质状况，既能定性又能定量的评价方法。现有的综合水质评价方法主要用于对河流水质的评价，包括人工神经网络法[8]、模糊综合指数法[9]、灰色聚类法[10]和水质标识指数法[11-12]等。
综合考虑这些评价方式的优缺点[13-14]，水质标识指数法能较为全面地反映综合水质类别和综合水质污染程度，故笔者将水质标识指数法依据国家《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[15](以下简称国标)建立的地表水综合水质评价方式引入水产养殖小区综合水质评价中，并依据《淡水池塘养殖水排放要求》(SC/T 9101—2007)[16](以下简称行标)建立淡水养殖小区单因子和综合水质评价方式，以池塘养殖并对水体环境造成较大影响的主要污染物，包括总固体悬浮物(TSS)、有机物(CODMn)、氨氮(TAN)、总氮(TN)、总磷(TP)为评价指标，综合评价分析淡水养殖小区进水源、池塘养殖尾水和养殖尾水处理系统排放水的水质状况，评估典型养殖池塘易产生的主要污染物风险指标并探明其发生规律，评价养殖尾水处理系统对淡水养殖小区排放水主要污染物的去除特征和效果。
1 材料与方法 1.1 养殖小区概况养殖小区常年开展水产养殖生产，位于上海市奉贤区南部，占地面积约13 hm2，主要组成包括总进水渠道、集中连片池塘、养殖尾水处理系统。总进水渠道为南北向，长600 m，将养殖小区分为东区和西区。养殖池塘为东西向长方形，池塘的面积有0.30 hm2和0.67 hm2两种规格。东区池塘进排水方式为总进水渠道进水、东排水闸门排水。西区池塘进排水方式为总进水渠道进水，使用水泵借用总进水渠道排水。养殖尾水处理系统(S1)由东区池塘总排水沟、东区表面流湿地和东区1个养殖池塘改造的净化塘组成，对所有东区养殖池塘(17个，计5.27 hm2)尾水进行净化处理。养殖尾水处理系统(S2)由西区表面流湿地、西区2个养殖池塘改造的净化塘组成，对所有西区养殖池塘(13个，计5.00 hm2)尾水进行净化处理。东区养殖池塘与养殖尾水处理系统面积比为9.4:1，西区为9.8:1。养殖小区内池塘、湿地、尾水处理系统均保留原底质状态。所有养殖尾水须经S1、S2处理后方能排放至自然水域。养殖小区构建及养殖尾水处理工艺流程见图 1。S1、S2构建详细参数见表 1、表 2。
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图 1 养殖小区构建及养殖尾水处理工艺流程 Fig. 1 Construction of aquafarm and the technological process of tail water treatment |
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表 1 养殖尾水处理系统S1构建详细参数 Tab.1 Detailed parameters of construction of aquaculture tail water treatment system S1 |
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表 2 养殖尾水处理系统S2构建详细参数 Tab.2 Detailed parameters of construction of aquaculture tail water treatment system S2 |
养殖小区主要开展暗纹东方鲀、罗氏沼虾、中华绒螯蟹的多品种养殖(表 3)。4—12月，养殖池塘根据不同养殖品种的水质管理需要，主要为每15~30 d换水1次，以15 d为周期，每次池塘集中轮换水持续7~10 d。池塘排水时段为5:00 pm至次日8:00 am，加水时段为8:00 am至3:00 pm。池塘排水期间，东区湿地、一级净化池塘水力停留时间分别为0.12 d、1.29 d；西区湿地、一级净化池塘、二级净化池塘水力停留时间分别为0.10~0.15 d、0.89~1.33 d和0.70~1.05 d。
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表 3 典型养殖池塘放养情况 Tab.3 Typical aquaculture pond culture situation |
养殖小区进水源采样点位于总进水渠道初始端，各池塘养殖尾水采样点位于池塘排水闸口处，养殖尾水处理系统末端排放水采样点位于系统末端闸口处。水样采集依据《水质采样技术指导》(HJ 494—2009)[17]实施。采集水样按照国标、行标中对水体主要污染物指标的测定方法检测[15-16]。
1.3.2 数据整理4~12月期间，汇总进水源水样8件；东区养殖池塘17个，共检测水样144件，其中暗纹东方鲀当年鱼种养殖塘4个，罗氏沼虾养殖池塘2个，暗纹东方鲀成鱼养殖池塘2个；系统S1水样34件；西区养殖池塘13个，共检测水样72件，其中暗纹东方鲀成鱼养殖池塘2个，非水草种养型中华绒螯蟹养殖池塘6个；系统S2水样19件。试验期间，各评价单元样本件数、水质指标见表 4。
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表 4 试验期间各水质指标的实测范围及均值浓度 Tab.4 The measured range and mean concentration of each water quality index during the test |
参照文献[7, 11-12]对水质标识指数法的应用，使用参评数据的单因子水质标识指数，表达式如下：
(1)
式中：Pi为第i个参评因子的单因子水质标识指数；X1为该参评因子所处的水质类别；X2为该参评因子在X1类水质标准下限与X2类水质标准上限值变化区间内所处位置。
依据国标、行标建立的X1.X2计算公式如下：
(2)
(3)
式中：Ci为第i项因子的实测浓度mg/L；C标上为第i项因子在水质标准区间的上限，mg/L；C标下为第i项因子在水质标准区间的下限，mg/L；当参评因子实测浓度小于等于国标Ⅴ类或行标二级时，适用计算公式(2)；a为根据监测数据与国标或行标比较而确定的基准值，当参评因子检测数据小于等于国标类水质标准值时a=1，大于Ⅰ类且小于等于Ⅱ类时a=2，以此类推a最大取值5；因行标排放标准分二级，故对应a取值为1或2。当参评因子实测浓度大于国标Ⅴ类或行标二级时，适用计算公式(3)，其中国标b=6，行标b=3。参照国标计算的X1.X2值，四舍五入取至0.1，参照行标计算的X1.X2值，因标准级差数少，为便于分析，四舍五入取至0.01。
1.4.2 综合水质标识指数参照文献[7, 11-12]对水质标识指数法的应用，使用参评数据的综合水质标识指数IWQ，表达式如下：
(4)
式中：X1.X2X3X4依据国标建立的IWQ由整数与3位小数组成，依据行标建立的IWQ由整数与4位小数组成。区别在于国标对应的X2为一位小数，行标对应的X2为两位小数。(X5)为检测水质中主要污染物，即参评因子中Pi最大值对应的单项因子。基于综合水质标识指数分别建立国标、行标的综合水质级别判定标准，如表 5所示。
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表 5 综合水质级别判定标准 Tab.5 Comprehensive water quality grade criteria |
徐祖信[11]对IWQ指数表达有详尽的解释，本文依据行标的IWQ指数表达解释如下：如2.013 0，整数部分表示综合水质评价级别为行标二级，第三位小数3表示有三项单因子参评指标未达行标二级，第4位小数0表示综合水质级别达到行标排放要求级别，即可推知该区域水质排放要求为行标二级；如2.013 1，第四位小数1则表示综合水质级别劣于行标排放要求1个级别，即可推知该区域水质排放要求为行标一级。
1.4.3 水质定性评价依据水质定性评价包括单因子、综合水质的定性评价以及空间变化定性评价[12]。依据国标获得的本文参评因子评价结果进行定性评价与空间变化评价，对国标中未涉及单因子指标，如TSS，则按照行标定性评价。此外，目前养殖尾水排放达标的重要参考依据为行标，故依据行标对养殖排放水进行综合定性评价。
水质定性评价的方法，参考文献[12]表达如下：
对照水体功能区类别，对水质定性评价，分为4级：达标(X4 = 0)、轻度污染(X4 = 1)、中度污染(X4 = 2)、重度污染(X4≥ 3)。
空间变化定性评价，分为基本不变、轻微变化、显著变化，计算公式如下：
(5)
式中：s1、s2表示空间间隔的点位，(X1.X2)s1、(X1.X2)s2为s1、s2点位的单因子或综合水质标识指数的公式计算部分。
当IΔX1.X2≤ 10%时，基本不变，即水质没有发生改善(恶化)或略有改善(恶化)；当10%＜IΔX1.X2≤ 20%时，轻微变化，即水质未发生显著改善(恶化)；当IΔX1.X2>20%时，显著变化，即水质发生显著改善(恶化)。
2 结果 2.1 养殖小区依据国标和行标的水质标识指数由养殖小区影响养殖效果和周边水域环境的主要单因子水质指标(TSS、CODMn、TAN、TN、TP)，依国标和行标获得水质评价结果见表 6、表 7。
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表 6 养殖小区依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的水质评价 Tab.6 Water quality evaluation of aquafarm according to GB 3838-2002 |
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表 7 养殖小区依据《淡水池塘养殖水排放要求》(SC/T 9101—2007)的水质评价 Tab.7 Water quality evaluation of aquafarm according to SC/T 9101-2007 |
参照国标定性评价标准，本养殖小区开展的多种水产品养殖活动未对养殖水域环境造成进一步的污染。东区池塘养殖尾水经S1处理后，综合水质得到改善(IΔX1.X2= 13%)，主要污染物TN得到显著改善(IΔX1.X2=23%)；西区池塘养殖尾水经S2处理后，综合水质略有改善(IΔX1.X2= 9%)。养殖小区经S1、S2处理后排放水达到或优于养殖小区进水源综合水质的水平。以暗纹东方鲀成鱼池塘与中华绒螯蟹(非水草型)池塘为主的西区养殖池塘对进水源中主要污染物TN有非显著改善(IΔX1.X2= 20%)。池塘养殖对进水源中主要污染物TP有显著恶化(东区IΔX1.X2= 28%，西区IΔX1.X2= 34%)，即使经S1、S2处理的排放水，较进水源TP的恶化仅略有改善。
参照行标定性评价标准，本养殖小区进水源与排放水综合水质均为一级排放标准，罗氏沼虾、暗纹东方鲀当年鱼种和中华绒螯蟹(非水草型)池塘的养殖对进水源造成轻度污染，但经尾水处理系统处理后排放水的综合水质级别仍可达一级排放标准。
3 讨论 3.1 养殖小区进水源水质污染特征本养殖小区使用水源位于奉贤区星火农场境内，国标综合水质评级为Ⅳ类，劣于国标规定的功能区，且CODMn、TN、TP均不符合Ⅲ类标准，行标综合水质评级为二级排放水标准，这是目前水域环境的现状，也与取水点地理位置有关，本取水点位于东西向支流河道最东端，水交换状况差，河道末端蓝绿藻聚集是TSS(2.97)，TN(6.1)成为主要污染物的主要因素。尽管如此，随着水环境保护意识与治理水平的提高，郊区河道综合水质状况已得到显著改善。山鹰等[18] 2012—2013年采用水质标识指数法分析上海郊区中小河道氮磷指标，TAN为6.01，TN为6.11，TP为4.81，综合水质标识指数为5.613，综合水质级别为Ⅴ类。段婷等[19]对2009—2010年上海郊区现代农业园水质采用模糊综合评价法调研表明，水质均属Ⅴ类，且TN为极富程度(TSIM = 84.3)。
本养殖小区综合水质评级虽然为Ⅳ类，但并不能全面反映该区域水质的状况，该综合水质评级以4项水产养殖主要污染物指标为参评指标，实际国标中对水质评价的指标多达20余项，涉及营养盐、重金属、菌群等多个类别，因此更准确地对自然水域综合水质评级须由全面的参评指标来完成，本文仅以影响水产养殖的主要污染物指标综合评价水产养殖对水质的影响。
3.2 养殖小区典型池塘水质污染特征典型养殖池塘分别包括主养暗纹东方鲀，罗氏沼虾和非水草种养型中华绒螯蟹池塘，对各类池塘的主要污染物风险因子评估和发生特征分析，可为养殖小区调控水质环境提供基础依据。
罗氏沼虾养殖周期内，与进水源相比，综合水质未显著性恶化(IΔX1.X2= 19%)，TAN和TN基本不变(IΔX1.X2 < 10%)，CODMn未显著性恶化(IΔX1.X2= 12%)，TP显著恶化(IΔX1.X2= 38%)，TSS水质标识指数由2.97升至3.23，这说明罗氏沼虾养殖会导致水体TSS、CODMn、TP风险性增加，且TSS、TP为潜在主要污染物风险因子。罗氏沼虾密度较大，底栖爬行使得底泥被搅动，导致TSS增加，同时底泥中磷大量释放至水体[20]。因行标排放限值高于国标，TP仍可处于二级排放标准内，但当进水本底值较大时，TSS极易突破行标二级限值，造成劣二级排放。
非水草种养型中华绒螯蟹池塘与进水源相比，综合水质未显著性恶化(IΔX1.X2= 14%)，TN有非显著改善(IΔX1.X2= 20%)，TAN基本不变(IΔX1.X2 < 10%)，CODMn未显著性恶化(IΔX1.X2= 15%)，TP显著恶化(IΔX1.X2= 53%)，TSS水质标识指数由2.97升至3.57，说明非水草种养型中华绒螯蟹养殖与罗氏沼虾养殖风险性因子相同，且TSS、TP成为主要污染物的风险等级更高。两种因子的风险特征与罗氏沼虾池塘相似，TSS恶化程度更大与中华绒螯蟹池塘水位较浅，影响悬浮物沉降有关[21]，TP恶化程度更大与中华绒螯蟹钻洞导致更深层次土壤的磷释放有关。非水草种养型中华绒螯蟹池塘养殖，TN由进水源劣V类改善至IV类，这与全程使用配合饲料养殖有关。相比鲜活饵料，配合饲料氮投入少，支撑中华绒螯蟹生长的氮源，不仅要从饲料中获得，当不足时，还需通过摄食底泥中的有机碎屑获得，从而使得养殖池塘TN减少，研究[22]表明河蟹养殖使用配合饲料可进一步降低污染源。
与进水源相比，暗纹东方鲀当年鱼种养殖池塘，综合水质未显著性恶化(IΔX1.X2= 17%)，CODMn、TN基本不变(IΔX1.X2 < 10%)，TAN未显著性恶化(IΔX1.X2= 14%)，TP显著恶化(IΔX1.X2= 36%)，TSS水质标识指数不变，说明暗纹东方鲀当年鱼种养殖会导致水体TAN、TP风险性增加，由于TAN水质标识指数优于Ⅲ类，且恶化程度小，在TN基本不变的前提下：TAN的变化可视为正常的微生物作用平衡，因此，判断TP为潜在主要污染物风险因子。其特征如下：一是当年鱼种养殖相对密度较高，暗纹东方鲀为中下层鱼类，大鱼群游动可能导致池底波浪扰动，造成底泥磷释放[23]；二是鱼类对磷的吸收率低，饲料中磷利用率低，进入池塘富集。
综合两区与进水源相比，暗纹东方鲀成鱼养殖池塘，综合水质略有恶化，CODMn、TN基本不变，TAN略有恶化，TP较当年鱼种养殖恶化程度降低，TSS水质标识指数略有升高，至劣二级排放标准，说明暗纹东方鲀成鱼养殖会导致水体TSS、TAN、TP风险性增加，其中TAN风险性评估与当年鱼种相似，TSS因进水本底值较高，极易突破行标二级限值，造成劣二级排放，故主要污染物风险因子为TSS、TP。TP较当年鱼种恶化程度降低，与养殖密度降低有关，密度降低70%，个体减少，鱼群活动对底泥扰动作用减少。
综上所述，4种典型养殖池塘的综合水质恶化程度从低到高依次为：暗纹东方鲀成鱼池塘，非水草种养型中华绒螯蟹池塘，暗纹东方鲀当年鱼种池塘，罗氏沼虾池塘。TP为4类典型养殖池塘共有的主要污染物风险因子，依据国标评价，经养殖活动，可致1~2类的水质类别的降级。TSS为罗氏沼虾、非水草种养型中华绒螯蟹和暗纹东方鲀成鱼池塘的主要污染物风险因子，依据行标评价，经养殖活动，可致排放水劣于二级排放标准。非水草种养型中华绒螯蟹养殖对TN有非显著性改善作用。鉴于养殖水环境主要污染物综合水质级别Ⅳ类，并未达到功能区标准，且行标下限较国标下限宽，因此，从严控制养殖池塘主要污染物风险因子是养殖小区终端排放水实现高于行标一级排放标准、尽可能对地表水减少污染或略改善污染状况的重要前置措施。
3.3 养殖小区水质空间变化评价东区进水源经池塘养殖发生未显著性恶化(IΔX1.X2= 12%)，池塘养殖尾水经S1净化处理后，获得非显著性改善(IΔX1.X2= 13%)，排放至自然水域综合水质略好于进水源，表明东区养殖尾水处理系统对养殖尾水综合水质净化发挥重要作用。东区池塘养殖尾水TP指数较进水源升高主要由罗氏沼虾与暗纹东方鲀当年鱼种养殖池塘造成，东区池塘养殖尾水经养殖尾水系统处理，TN显著改善(IΔX1.X2= 23%)，TSS劣二级改善为二级，表明养殖尾水处理系统对TN去除效果显著，对TSS去除效果明显，这与S1各净化功能单元内水生植物吸收，附着微生物的硝化、反硝化作用，悬浮颗粒物沉降和梭鱼对有机碎屑(含有机氮)的摄取有关。
西区主要评价单元的综合水质标识指数表现规律与东区相同，西区池塘养殖尾水综合水质较东区略好，这与两区的养殖载荷有关，也与西区非水草种养型中华绒螯蟹池塘对TN显著改善有关，虽然西区池塘养殖尾水经S2净化后TN指数改善度不及东区，但与进水源相比改善更显著，说明养殖池塘对TN的控制更有利于排放水体脱氮。在养殖小区中筛选对水体脱氮能力强的经济型水生动物进行混养、套养，或设计合理的层级尾水排放利用方式，如TN较高池塘的尾水排入水体脱氮能力强的水生动物养殖塘等，这是今后养殖小区水质调控研究的方向。
西区池塘养殖尾水依据行标，综合水质为二级排放标准，其主要污染物为TSS(劣二级)，因非水草种养型中华绒螯蟹池塘高TSS指数(3.57)造成，尽管如此，经西区S2净化后，综合水质仍可达一级排放标准，各单因子指标均得到改善。然而，无论东、西两区，对TSS都未有改善，主要与养殖小区内大量存在的蓝绿藻有关。物理沉降去除TSS的方式[24]在大型养殖小区中对TSS的去除具有局限性，养殖小区的尾水处理系统在对TSS的去除工艺上还需进一步改进。
3.4 养殖尾水处理系统工艺流程的特点及优势本研究构建的2个养殖尾水处理系统是在原《上海市标准化水产养殖场建设规范》基础上对原标准化养殖场尾水处理方式进行的一种因地制宜的改造。2个系统工艺流程的突出特点是在对尾水主要采用湿地、水生植物净化外，增加了水生动植物组合生态净化的核心技术。在运行维护方面，湿地中多年生水生植物需定期收割，净化池塘中一年生水生植物与水生动物每年随池塘养殖周期，一般在1月左右干塘清理。
2个养殖尾水处理系统主要优势表现为：(1)除水生植物种植外，不涉及尾水处理设备技术、生物制剂使用技术等水产从业者非专业领域技术，技术门槛低；(2)利用养殖小区空地构建湿地功能单元，利用已有养殖池塘作为净化池塘，改造基建成本低，基建改造完成后没有基建维修后续费用；无需引进尾水处理设备，省去设备采购、使用、维护成本；(3)以水生动植物作为尾水净化功能体，在尾水净化处理同时，两级净化池塘产出经济水生动植物，实现经济价值产出，摊薄改造和占用养殖小区资源的成本。
4 结论本淡水养殖小区中，进水源主要污染物为TN，养殖池塘主要污染物风险因子为TP、TSS。
池塘养殖尾水经养殖尾水处理系统净化，综合水质得到改善，可达到或优于养殖小区进水源综合水质的水平，排放水综合水质符合《淡水池塘养殖水排放要求》一级排放标准。
以CODMn、TAN、TN、TP为参评因子，对本淡水养殖小区综合水质评价表明，利用养殖尾水处理系统对水产养殖尾水实施净化处理，经处理后的排放水未对临近自然水域环境造成负面影响，还略有改善作用。
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