工业水处理, 2019, 39(10): 26-31 doi: 10.11894/iwt.2018-0892

• 专论与综述 •

水产养殖废水及固体废弃物处理的研究进展

乔卫龙,1, 张烨1, 徐向阳1,2,3, 朱亮,1,2,3

Review on treatment of aquaculture wastewater and wastes

Qiao Weilong,1, Zhang Ye1, Xu Xiangyang1,2,3, Zhu Liang,1,2,3

通讯作者: 朱亮, E-mail:felix79cn@zju.edu.cn

收稿日期: 2019-06-6  

基金资助: 浙江省科技厅重点研发计划项目.  2015C03010

Received: 2019-06-6  

Fund supported: 浙江省科技厅重点研发计划项目.  2015C03010

作者简介 About authors

乔卫龙(1993-),在读硕士电话:18868111250,E-mail:qiaowl_hz@zju.edu.cn , E-mail：qiaowl_hz@zju.edu.cn

摘要

大规模、集约化的水产养殖基地在养殖期间会定期以清塘的方式外排大量含氮磷、重金属等污染物的废水和固体废弃物，未达标处理的废水和固体废弃物极易导致周边水体等环境介质发生严重污染，给生态安全与人类健康带来潜在威胁。基于水产养殖废水及固体废弃物的组成与特点，总结了当前水产养殖污废的主要处理技术，同时介绍了近年逐渐发展起来的新型养殖模式——多营养级综合养殖模式及其优势，并对今后水产业的可持续发展进行了展望。

关键词： 水产养殖废水 ; 固体废弃物 ; 生物处理 ; 多营养级综合养殖

Abstract

Substantial wastes from large-scale and intensive aquaculture farms easily lead to complex ecosystem changes in surrounding environment. Moreover, when these wastes are not treated properly and discharged to the environment freely, they brings potential threats to the human health and ecological stability and security. Based on the components and characteristics of aquaculture wastewater and solid wastes, this study summarized the main treatment technologies and introduced a novel aquaculture mode, Integrated Multi-tropic Aquaculture(IMTA). Meanwhile, it was necessary to develop comprehensive treatment methods for the further treatment of aquaculture wastes with sable performance. Finally, the future sustainable development of aquaculture was discussed.

Keywords： aquaculture wastewater ; solid wastes ; biological treatment ; integrated multi-tropic aquaculture

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本文引用格式

乔卫龙, 张烨, 徐向阳, 朱亮. 水产养殖废水及固体废弃物处理的研究进展. 工业水处理[J], 2019, 39(10): 26-31 doi:10.11894/iwt.2018-0892

Qiao Weilong. Review on treatment of aquaculture wastewater and wastes. Industrial Water Treatment[J], 2019, 39(10): 26-31 doi:10.11894/iwt.2018-0892

据联合国粮农组织报告，过去50年里全球水产养殖业经历了大幅增长，水产养殖产量已占到总体消费的50%左右〔1〕。作为世界上最大的水产品供应商，中国供应了全球约60.5%的水产品，截至2016年底，水产品总产量达6 901.25万t，成为世界上唯一人工养殖超过自然捕捞量的国家〔2〕。为满足市场日益增长的需求，我国水产养殖业逐步走上了集约化发展的道路，网箱、网栏以及工厂化养殖等集约化养殖方式的规模逐年上升，2014年我国工厂化、集约化养殖规模已接近6 000万m2〔3-4〕。在水产养殖规模不断扩大的趋势下，我国大多数工厂化养殖基地的设施设备滞后，缺少现代化设备，标准化和自动化程度低，而且未建废水与固体废弃物处理设施或经改造建成但缺乏相应有效的达标处理技术，导致养殖期间产生的废弃物大部分直接排入水体环境。当大量含未消化饲料和鱼类排泄物的废水直接排入或超标排入受纳水体后，会导致养殖区域附近的水体和底栖环境恶化，不仅给环境带来巨大的负面影响，同时也限制了水产养殖业的可持续发展〔5-6〕。

在水产养殖过程中，当大量可降解有机废弃物（排泄物和饲料残留）排入水体并逐渐沉积到底泥后，能够增强微生物代谢活性，使有机物降解、硝化等反应加快，氧气被快速消耗。在底栖环境中形成局部缺氧区域后，大型微生物会因氧气不足而死亡，致使水体底栖耦合生态系统失稳〔7-8〕。同时，随着底泥中有机质积聚，致病细菌（弧菌）的出现几率也会增大。

笔者基于水产养殖废水及固体废弃物的组成与特点，总结了当前水产养殖污废的主要处理方式与效果，同时介绍了近年逐渐发展起来的新型养殖模式——多营养级综合养殖模式及其优势，并对今后水产业的可持续发展进行了展望。

1 水产养殖系统的污染物排放情况

1.1 水产养殖废水来源及危害

水产养殖废水水质主要取决于养殖水产品的种类、饲料的种类和投放方式以及管理方式等。在现代规模化水产养殖中，投加的饲料中一般只有20%~25%的蛋白质被鱼类吸收，其余大部分都以氨氮或有机氮的形式排放到水体〔9〕。水产养殖废水中的有机物主要包括腐殖质物质、碳水化合物、蛋白质类物质和低分子质量的醛类等，若不经处理随意排放会对环境产生严重影响，造成周边水域水体富营养化。此外，养殖过程中为防治疾病，会大量使用抗生素、抗菌剂等药品，其在水体中的残留不仅会污染水域环境，而且会诱导细菌产生抗药性，威胁人体健康〔10-11〕。相对于生活污水和工业废水，水产养殖废水的特点是污染物的种类较少，其水质特点如表1所示。

表1   典型养殖种类养殖期间排放的废水水质

养殖种类废水水质文献
CODTNNH3-NTPpH
南美白对虾140.86.91.54.5〔12〕
黄颡鱼161.010.98.02.27.1〔13〕
黑鱼70.87.22.10.6〔14〕
温室甲鱼99.717.611.63.3〔15〕
罗非鱼253.018.517.57.0〔16〕
石斑鱼112.063.66.88.5〔17〕

注：除pH外，其余项目单位均为mg/L。

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1.2 水产养殖固体废弃物来源及危害

在规模化水产养殖系统中，养殖期间产生的固体废弃物包括残余饵料、鱼类代谢副产品、粪便等。通常可分为沉淀固体颗粒和悬浮固体颗粒，其质量浓度一般在5~50 mg/L，而且流动性好，带有一定的黏附性〔18〕。在水产养殖系统中，固体废弃物的产生主要受以下4方面的影响。（1）养殖种类及年龄。不同养殖种类及年龄对投加的饵料的利用率和代谢水平存在差异，因此养殖不同水产品种产生固体废弃物的量也会不同，养殖1 t的鲫鱼产生残饵的量是养殖对虾的6倍。（2）饲料组成。鱼饲料成分一般包括蛋白质、脂肪、维生素以及矿物质等鱼类所需的营养物质，通过对饲料组成进行合理搭配，可减少固体废弃物的产生。（3）投食频率。水产养殖过程中，如果投喂饲料的频率过于频繁，就会产生较多的固体废弃物。因此，需要根据鱼体大小和水温变化来确定饲料的投喂频率。（4）养殖水体前期水质情况。养殖水体前期水质情况对养殖期间固体废弃物的产生也有一定的影响，水体的pH、盐度、溶解氧以及水温都是养殖水域固体废弃物积累的重要物理因素。

养殖过程中产生的含氮磷等营养元素的固体废弃物排入到水体环境后，会在水中分解导致养殖区域水质恶化，引起藻类爆发，水体色度提高，并使底栖生态系统状况恶化，使疾病爆发的几率提高〔19〕。除对养殖区域水质和底泥沉积物组成的影响外，产生的有机固体颗粒还会被周边水体中的浮游植物和底栖生物等直接利用，破坏原有的生态平衡。

2 水产养殖废水主流处理技术

与物理、化学的处理方式相比，生物处理方式能够以更低的成本去除水产养殖废水中的污染物，并且在处理的过程中几乎没有副产物产生，减少了后续的处理步骤。对此，国内外学者对水产养殖废水的生物去除技术及其应用进行了大量研究。

2.1 生物滤池

生物滤池是常见的生物膜法处理技术，具有抗冲击负荷能力强、无污泥膨胀、处理效果稳定等特点〔20〕。经过工艺不断改进和技术持续创新，其在城镇污水达标处理、工业废水深度处理以及水产养殖水体修复等方面得到广泛应用〔21-22〕。目前最常用的生物滤池包括曝气生物滤池、滴滤池、生物转盘以及硝化反硝化滤池等。蒋轶峰等研究了以沸石为填料的曝气生物滤池对水产养殖废水的处理性能，结果表明，在水力负荷为0.25 m/h、气水比为20:1的最佳运行工况条件下，曝气生物滤池系统对废水中COD和NH4+-N的去除率分别稳定在80%~95%和65%~75%〔23〕。周洪玉等对比分析了采用不同生物滤池系统处理水产养殖废水时，系统中铵态氮的转化速率及生物膜的特性。研究发现，在进水pH为7.5~8.0，HRT为4 min，DO为8 mg/L的条件下，挂帘式生物滴滤池中NH4+-N的去除率能够达到86.7%，高于移动床生物膜反应器（MBBR）的61.9%；通过Illumina高通量测序技术对生物过滤系统中的微生物群落解析发现，挂帘式生物滴滤池中菌群的丰度明显高于MBBR，表明挂帘式生物滴滤池更适合于处理水产养殖废水〔24〕。H. J. Hamlin等研究了以塑料圆球为填料的上流式反硝化生物滤池处理规模化循环水养殖系统排放废水的性能，结果表明，在以甲醇或乙酸为碳源，进水流速为10 L/min的条件下，硝酸盐短时间内可以得到有效去除，出水中的硝酸盐浓度接近0〔25〕。

2.2 生物絮凝技术

生物絮凝技术（BFT）是通过向水体中投加碳源保持水体中浮游生物、细菌和细菌分解者的数量，在碳氮比适合的条件下，形成的生物絮体能够将有机氮等污染物转化成可供滤食性养殖生物利用的菌体蛋白质，从而实现养殖水体中污染物循环利用的新兴技术〔26〕。在生物絮凝系统中，絮凝物对氨氮的去除率明显高于硝化细菌，并且在一定的搅拌强度下，其能够在较短时间内去除养殖水体中的含氮污染物，达到净水目的。自上世纪80年代起，研究人员即开展了应用生物絮凝技术处理养殖废水的研究。Yunjie Ruan等在序批式反应器中应用生物絮凝技术对水产养殖废水进行处理，结果表明，在碳氮比为15~18，好氧时间为50~85 min的条件下，废水中的含氮污染物可得到有效去除，同时PHB产量也可达到150~200 mg/gVSS，既提高了养殖水水质，也产生了一定的经济效益〔27〕。J. H. Kim等研究了生物絮凝技术对比目鱼养殖塘中养殖水水质、鱼类生长和免疫作用的影响，研究发现，养殖水体的温度、pH、DO等水质指标能够保持稳定，NH4+-N和NO2--N质量浓度均保持在0.2 mg/L以下，同时比目鱼的生长速率和免疫力因生物絮体的存在得到了提高〔28〕。S. V. D. Hende等基于生物絮凝技术，以序批式反应器为平台培养微藻和细菌的共生絮体对鲈鱼养殖产生的废水进行中试处理研究，结果表明，养殖废水的COD、色度、TN和TP去除率分别为79.5%、95.1%、80.6%和78.3%，出水能够满足排放标准要求，同时共生絮体生长良好〔29〕。

2.3 人工湿地

人工湿地具有稳定的去污能力，对废水中的氮、磷、有机物和悬浮物等都具有优良的去除效果，而且具有投入低、运行维护简单、能耗少等特点，在城市生活污水、工业和农业废水处理方面都有很好的应用〔30〕。近年来，在水产养殖废水处理方面也不断取得突破。循环水产养殖系统中，人工湿地往往是作为废水排入环境的末端处理单元，其利用土壤、人工介质、植物以及微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对养殖过程中排放的废水和产生的固态废弃物进行高效处理。Yonghai Shi等研究了垂直流和水平流人工湿地相结合处理养殖系统排水的效果，结果表明，该湿地系统在去除主要污染物性能方面表现出很好的持续性，在水力负荷为0.862 m/d的条件下，TP、TN、COD、悬浮固体去除率分别为23.8%、66.8%、26.7%和65.9%，并且出水中NO2--N的浓度远小于养殖生物的耐受程度〔31〕。Y. F. Lin等研究了高水力负荷条件下人工湿地处理养虾废水的效果，结果表明，在水力负荷为1.57~1.95 m/d的条件下，人工湿地对废水中的总悬浮固体、总氨氮、BOD5、NO2--N的平均去除率分别为60%、65%、54%和88%，出水可以满足对虾养殖的标准〔32〕。A. M. Gorito等利用垂直流人工湿地处理含克拉霉素、阿特拉津等有机微污染物的淡水养殖废水，结果表明，人工湿地对有机微污染物有很好的处理效果，废水经过1周的处理后，有机微污染物去除率达到87%以上〔33〕。人工湿地系统在削减废水污染负荷方面有较大的应用前景，但相比于其他传统的工艺，人工湿地的处理过程需要更长的时间。

2.4 植物修复技术

水产养殖废水中通常含有相当含量的氮磷元素，能够为藻类的快速生长提供充足的营养元素。藻类吸收大量的氮磷后，只需经过几个月的生长就能产生相当高的生物量，并且可以显著提高水体溶解氧，提高水体质量。此外，藻类还可以向周围环境中分泌多糖、蛋白质、酶等不同种类的胞外多聚物（EPS），形成一个亲水的生物膜基质。这些带电的多糖和蛋白质能够促进微藻吸附环境中的营养元素和外源性物质，降低环境毒性〔34〕。F. A. Ansari等以水产养殖废水作为栽培斜生栅藻、小球藻的营养基质，研究了藻类对废水中污染物的去除效果。结果表明，藻类对废水中氨氮、硝酸盐、磷酸盐和COD的平均去除率分别达到92.3%、78.3%、99.2%和55.5%，同时斜生栅藻和小球藻的生物质产量分别可达198.46、157.04 mg/（L·d）〔35〕。Feng Gao等在膜生物反应器中培养微藻以去除水产养殖废水中的氮磷等营养元素，结果表明，在水力停留时间为1 d的条件下，TN和TP去除率分别为86.1%和82.7%，出水中的TN和TP分别低于1.3、0.12 mg/L；同时该系统可以有效去除废水中的游离氨，出水游离氨质量浓度通常低于0.002 mg/L，对水生动物的毒性降到了最低〔36〕。

3 水产养殖固体废弃物处理

水产养殖过程产生的固体废弃物会以污泥的形式在清塘时排出，其主要的处理方式为堆肥和厌氧消化，这2种方法能够达到良好的减量化和稳定化的目的。

3.1 堆肥

堆肥能够以较为经济、生态的方式，将水产养殖期间产生的粪便等固体废弃物转化为稳定的腐殖质物质，将有潜在威胁的有机固体废弃物转变成有高附加值的产品，如植物营养剂和土壤调节剂〔37-38〕。在养殖规模不断扩大、产生污泥量逐年增多、造成环境问题愈加突出以及污泥填埋技术缺点短时间难以解决的趋势下，污泥堆肥技术逐渐成为环境领域研究的热点。M. Koyama等利用堆肥处理养虾外排污泥，研究了温度对堆肥效果的影响，并通过分析堆肥过程中产生的氨气在所有气体中的占比、含氮物质的物料衡算以及菌群结构变化确定了堆肥的最佳温度。结果表明，高温有利于堆肥的产量和质量，堆肥的最佳温度为60~70 ℃〔39〕。A. Kouba等采用新型堆肥模式——蚯蚓堆肥处理循环养殖系统产生的污泥，相比于传统的堆肥方式，该方法能够有效去除污泥中的重金属，使其达到农田回用的要求；同时由于蚯蚓的作用，堆肥过程中不需要高温阶段，减少了温室气体的产生，而且其能够很好地适应各种不同特性的污泥〔40〕。

3.2 厌氧消化

厌氧消化是一种相对较新的水产养殖污泥处理方式，主要工艺有湿式混合厌氧消化、两相厌氧消化以及厌氧干发酵等。厌氧消化是一种相对简单有效的生物处理法。在厌氧条件下，通过兼性厌氧菌和厌氧菌降解污泥中的有机物，最终产物为甲烷、二氧化碳以及少量的硫化氢和氨气。此外，氮和磷等营养物质在厌氧消化期间，会从含氮/或含磷的有机物中释放出来，为从沼液中回收提供了可能性〔41〕。R. Gebauer等报道了利用全混流厌氧反应器处理鲑鱼养殖产生的污泥，污泥用自来水稀释1倍后加入到反应器中，在水力停留时间为30 d，温度为35 ℃的条件下，反应器内消化过程稳定，COD去除率维持在36%~55%〔42〕。N. Mirzoyan等研究了UASB反应器在不同碳氮比、水力停留时间和温度等条件下对水产养殖污泥的处理效果，结果表明，在污泥本身碳氮比、水力停留时间6~8 d和室温的条件下，UASB反应器运行稳定，COD和总悬浮固体去除率分别为98%和92%，系统排水水质达到循环水养殖的回用标准〔43〕。

4 新型养殖模式——多营养级综合养殖

多营养级综合养殖（Integrated Multi-trophic Aquaculture，IMTA）是一种生态系统水平的适应性管理策略，是保证水产养殖可持续发展的重要方式。多营养级综合养殖的主要形式是将不同种类生物养殖在同一个单元中，养殖种类之间依靠互营共生的关系共存，上层养殖种类产生的废弃物能够成为次一层养殖种类需要的营养物质，其不但提高了投放饵料中营养成分的利用率，同时也可减少养殖区域底部固体废弃物的沉积，构成一个平衡的生态环境〔44-45〕。在多营养级综合养殖系统中，贝类和其他滤食性动物能够将大量未消化鱼饲料和鱼类排放的粪便转变为自身有机质，经济价值较高的海藻类可以吸收鱼类排放的氮和磷用于自身的生长，底部饲养无脊椎品种则可以进一步去除有机物并加强底栖环境与上层环境的物质交换过程。这种基于多营养级综合养殖的方式能够以最大利用率吸收饵料中的营养成分，其在我国沿海地区养殖场有较好的应用。位于山东省桑沟湾的海上网箱养殖基地，大规模采用了鲍鱼-海参-菲律宾蛤仔-大叶藻底播的综合养殖模式。在该系统内，鲍鱼以大叶藻为食，饲料溶解形成的有机颗粒以及鲍鱼和菲律宾蛤仔的粪便为海参提供了食物来源，大叶藻可以吸收鲍鱼、海参和菲律宾蛤仔代谢产生的氨态氮以供自身生长，同时大叶藻又可为整个系统提供溶解氧，极大地提高了投加饲料的利用效率和经济效益〔46〕。

5 结论与展望

近年来，我国水产养殖的规模不断扩大，但大部分养殖场对养殖期间产生的废水和固体废弃物缺乏有效处理，这不仅对环境生态造成严重影响，同时也成为水产养殖业发展的瓶颈。随着我国环保标准的日益严格，大型水产养殖场将陆续采用物理处理技术、化学处理技术、生物处理技术和自然生物处理技术等处理产生的废水及固体废弃物。针对目前水产养殖废水与固体废弃物处理工艺的不足和弊端，需要进一步开发合适的处理技术，将不同的处理工艺有机组合，综合利用物理、化学、生物等方法改善水体环境，有效控制水体富营养化过程，降低水产养殖对环境产生的不利影响。同时，为确保我国水产养殖的可持续发展，开发环境友好的养殖模式，减少养殖期间污染物质的产生，并将其与生物处理工艺耦合，从源头控制污染物是今后研究的重点。

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