封闭循环水集约化养殖池塘的生态设计与性能研究唐天乐

第30卷第2期海洋环境科学Vol．30，No．22011年04月MARINEENVIRONMENTALSCIENCEApril．2011封闭循环水集约化养殖池塘的生态设计与性能研究唐天乐1，杨晓姝2，唐文浩3(1．海南大学热带生物资源教育部重点实验室，海南大学海洋学院海南海口570228;2．海南省环境科学研究院海南海口570206;3．海南大学环境与植物保护学院，海南儋州571737)摘要:在分析传统池塘养殖和工厂化养殖生态系统结构与功能缺陷的基础上，运用生态补偿和环境补偿原理对传统养殖池塘的结构、功能与过程进行了生态设计，并在实际生产条件下对新型封闭循环水集约化水产养殖池塘进行了性能测试。结果表明，封闭循环水集约化水产养殖池塘的结构有利于垂直混合增氧、集污和引污，具有持续高效地分离污染物的净水功能，水环境稳定利于水产动物生长，长期运行并不造成硝态氮、氨氮等的积累，可不洗塘、不肥水、不换水、不排水，达到废水零排放，对于传统池塘养殖生产方式转变和产业可持续发展具有重大意义。关键词:封闭循环水;集约化水产养殖池塘;生态设计;性能中图分类号:S969文献标识码:A文章编号:1007-6336(2011)02-0243-04Performanceandecologicaldesignofclosedre-circulatingaquiculturesystemTANGTian-le1，YANGXiao-shu2，TANGWen-hao3(1．KeyLaboratoryofTropicalBiologicalResourcesofMinistryofEducation，OceanCollegeofHainanUniversity，Haikou570228，China;2．EnvironmentalScienceResearchInstituteofHainanProvince，Haikou570206，China;3．CollegeofPlantandEnvironmentalProtectionHainanUniversity，Danzhou571737，China)Abstract:Basedontheanalysisofecosystemstructureandfunctionaldefectsofthetraditionalpondscultureandfactoryfarm，aeco-logicaldesignforthetraditionalponds＇structure，functionandprocessbytheprincipleofecologicalandenvironmentcompensation，andaperformancetestinthenewtypeclosedre-circulatingintensiveaquaculturepondsundertheconditionsofactualproductionweredone．Theresultsshowedthatthestructureofthenewtypepondswasaidedtheverticalstructureofmixedaerobic，collectingandex-cludingsewage，andithadtheperformanceofthehighcontinuousfunctiontopurifywaterandseparatepollutants．Thestabilityofwa-terenvironmentwasgoodforthegrowthoftheaquaticanimals，anditslong-termoperationwouldnotaccumulateNO3-NandNH4-N．Theusersdidn＇tneedtowashtheponds，fertilize，changeanddrainthewater．So，thenewtypepondscouldbezerodischargeofwastewater，anditmightbesignificanttochangethetraditionalmodesinproductioninpondcultureandgoodfortheindustrialsustain-abledevelopment．Keywords:closedre-circulatingwater;intensiveaquacultureponds;ecologicalponds;performance池塘是人工构建的小型养殖水体，一般为人工营养型(或异养型)养殖系统。集约化池塘养殖是以投入人工饵料为特征的高密度养殖系统［1］。由于池塘养殖业的快速发展，养殖生产中的水环境问题也不断被认识，集约化池塘封闭循环水健康养殖已成为重要的发展方向。调查研究［2］表明，集约化池塘养殖的主要污染源为残饵、鱼虾的排泄物和代谢物、藻类残体与代谢物、池塘水体消毒和鱼虾治病使用的化学药物、以及外源水带入收稿日期:2009-07-16，修订日期:2009-11-21基金项目:科技部星火计划项目(2006EA800018);海南省自然科学基金资助项目(80515);海南省重点科技项目(04303)作者简介:唐天乐(1985-)，男，四川省西昌市人，硕士研究生，研究方向为水生生物技术与水污染控制，E-mail:[e-mail]通讯作者:唐文浩，男，教授，主要从事环境科学与生态学研究。E-mail:[e-mail]244海洋环境科学第30卷的污染物。主要污染物为有机物、N、P、S等植物营养性物质和转化形成的毒性物质。污染物按形态可分为有机悬浮态、有机胶体态和溶解态物质。污染的主要表现形式为池塘中耗氧物质的增多引起耗氧量增大，进而引起池塘水体缺氧从而导致缺氧条件下水生动物毒性物质的形成等，造成养殖池塘水体环境质量的恶化。其根本原因就在于传统养殖池塘生态系统存在着结构和功能的缺陷。1常规集约化池塘养殖系统的生态学缺陷如图1所示，常规集约化池塘养殖系统其生态学缺陷主要表现在养殖池塘水体中有机污染物特别是氮、磷、硫等植物营养物质浓度持续增加，藻类(特别是污生藻类)的大量增殖，造成水体溶解氧的大量消耗而出现池塘缺氧进而毒性物质(如氨、硫化物等)和有害微生物增加，养殖动物病害和大量死亡的现象发生，从而造成水体消毒、鱼虾治病使用化学药物以及换水排污等问题。图1投饵池塘食物链与物质循环过程Fig．1ThefoodchainandmaterialcirculationofpondfeedingonSketch2当前池塘养殖水体环境修复与净化技术的分析养殖池塘水体也具有消纳一定量的污染物质的能力，称之为池塘水体的自净。养殖池塘水体主要是以N、P积累为特征的有机污染［4］。分析养殖池塘中的自净过程，微生物系统的生物降解和藻类的光合作用形成菌藻生物絮体对有机污染物、N、P等营养盐的移除很重要。同时，有机物的生物降解过程要消耗大量的溶解氧，而池塘水体中存在的浮游植物对水体DO和pH值的稳定起重要作用。当前养殖池塘水体自净作用的人为强化措施和效果主要有:(1)换水稀释及污染转嫁(2)人工曝气(3)投加微生物菌剂(4)化学氧化消毒(5)食物链控制(6)工厂化循环净水系统，这些措施都存在一定的自身问题，都无法从根本上解决有机污染的问题。3封闭循环水集约化水产养殖池塘的生态设计自然水体自净过程和工厂化循环净水系统研究给了我们以启示，即可以通过养殖池塘生态设计来建立合理的生态结构和物质输运过程，从而实现控制养殖污染和生产健康水产品的目标［5］。我们采用水产养殖池塘与闭路循环净水环保设施同体设计思路，通过新型水产养殖池塘的结构创新设计和水体运动方式调控，来实现池塘养殖水体在线闭路循环净化、资源再生利用、节能减排、强化大气复氧和光合增氧、脱氮解毒与抑菌抑藻、有机污染物的分离与净化、以及绿色水产品生产等功能，同时满足了水产养殖和环境保护的要求。图2为与闭路循环净水环保设施同体设计的新型水产养殖池塘系统示意图。与常规水产养殖池塘比较，新型水产养殖池塘在结构与功能上有如下特征:(1)新型水产养殖池塘为圆角方形，一般4000～5400m2，池深2．5～3．0m，池底和池壁设有防渗膜，池塘上沿高出地面约10cm;(2)池底为平缓锅底型，池塘的一边池壁为混凝土斜坡，其堤坝上有一个宽2m、深0．5m的长水槽(或称短程平流沉淀槽);(3)池底中央有一个旋流吸污口，吸污泵通过PVC管一端与旋流吸污口连接，另一端与短程平流沉淀槽中的穿孔布水管连接。图2新型封闭循环水养殖池塘系统剖面结构1．平缓锅底型的养殖池塘;2．中央旋流吸污装置;3．排污管;4．水泵;5．布水装置;6．短程平流沉淀槽;7．光化斜面Fig．2Schematicdiagramofinnovativeofclosedcirculatingwaterintensiveinaquacultureponds图3为新型封闭循环水养殖池塘的运行工艺流程图。创新设计的集约化池塘养殖设施的运行方式:用水泵将养殖池塘中央底层的养殖废水经中央旋流吸污装置提升至浅层沉淀水槽中，废水在纵向实现均匀分布，水的流速迅速降低，有效分离出养殖废水中的悬浮有机物。分离出悬浮有机物的养殖废水在高位池塘坝的内斜坡上形成薄层水流，经太阳光化学催化氧化辐射净化后，再返回到养殖池塘利用，形成闭路水循环。在养殖废水循环净化中形成的沉淀污泥可在下一个养殖周期的前期用作污泥自然干化槽利用，污泥自然脱水干化后人工铲除，可用于林木肥料或转化为动物饲料蛋白质。图3新型集约化水产养殖池塘封闭循环净水技术工艺流程Fig．3Layoutofclosewaterrecycledaquaculturewastewateroftreatmenttechniquein-situ第2期唐天乐，等:封闭循环水集约化养殖池塘的生态设计与性能研究245新型集约化水产养殖池塘封闭循环净水工艺原理:利用光合作用过程将水中的N、P等营养物质合成有机物质，采用水力学聚污和动力引污方式造成池塘水体良好混合并改善底层水环境条件，利用浅层沉淀原理分离水中悬浮有机物，利用薄水层自然光化学催化氧化原理脱氮解毒，利用光化学过程产生的活性氧物质来抑藻抑菌，利用光化学产氧、大气自然复氧和强化上下水层氧传递的方式为下层水体增氧，养殖污泥在浅层沉淀槽内自然脱水干化后移除。通过这些措施，可将过量的营养物质从养殖池塘水体中移除，使池塘养殖系统的营养物质输入输出趋于平衡，从整体上控制养殖池塘水体的生态环境过程，使之有利于养殖动物生长，同时实现了养殖污水的“零排放”。新型集约化水产养殖池塘封闭循环净水技术系统的特点:(1)利用了自然光合作用将水体中的溶解态植物营养物质通过浮游生物合成为固体有机物质(藻类物质);(2)采用池塘底层涡流聚污和池塘中央动力吸污，结合浅槽短程平流沉淀分离养殖池底层水中的悬浮物;(3)利用活性污泥的高效吸附和净化能力去除养殖废水中的有机胶体污染物;(4)利用太阳辐射的光催化氧化还原过程使底层水脱氮解毒;(5)利用太阳光化学产生的活性氧物质来抑制致病菌和藻类，控制其数量在一定水平;(6)利用太阳光化学增氧和流动水坡气液交换曝气增氧;(7)利用池塘底层动力吸污与净化水自然回流造成池塘水的垂直流动，强制改善池塘下部水环境条件;(8)污泥自然干化后资源化利用，从而可将养殖过程中的富余有机物移出养殖水体，持续平衡池塘中营养物质输入输出关系。4封闭循环水养殖池塘的性能分析封闭循环水养殖池塘的性能测试于2006年5月至2008年8月在海南某对虾海水养殖场进行。封闭循环水养殖池塘(实验池)与传统池塘(对照池)养殖面积均为5400m2，每池塘有4台叶轮式增氧机(1．1kW)，养殖期间不进行消毒换水。实验观测在对虾养殖塘已经连续不换水养殖90d后进行。观测期间投饵量为20kg/次，每天4次。采取在线连续观测的方法，pH、DO值采用仪器法，每间隔1h取一组观测数据;每间