海水池塘养殖污水减排系统的设计和工程化技术田景波

全国畜禽水产养殖污染监测与控制治理技术交流研讨会海水池塘养殖污水减排系统的设计和工程化技术田景波孙修涛黄滨(中国水产科学研究院黄海水产研究所,山东青岛266071)摘要:我国海水养殖以池塘养殖为主,养殖废水的排放可导致局部海域环境的污染,实现废水的减排、净化是保护海域环境质量、减轻养殖产业自身污染的重要举措。作者以浙江温岭市东海塘水产养殖基地建设项目的设计为实例,从工程化技术和水生物生态学角度,叙述所建立的养殖废水二级湿地净化、减排设施,探讨对规模化池塘养殖污水净化、减排的技术工艺,构建海水生物圈复合净化和工程降解为主要途径的人工湿地净化系统。为东海塘围垦区1.38万亩的海水养殖池塘,设计配置了潮汐式人工湿地净化池1200亩、河道式颗粒物降解系统200亩。并合理兼顾景观美化、休闲渔业的设计,达到生态、社会、经济效益的统一。模型试验表明:海水人工湿地工艺流程基本合理,净化系统运行平稳,经过跌水曝气一微生物膜降解-沙蚕摄食一绩蛙、牡蝠滤食一江篱、紫菜、龙须菜的组合吸收等过程,对海水养殖池塘废水的coD、PO43一P、TAN和TSS的4项主要污染指标的平均降解率分别为70.45%、65.98%、71.10%和91.37%、,取得了较显著的净化效果。关键词:海水池塘;污水减排;人工湿地;工程技术;生物净化。海水池塘养殖是我国水产养殖支柱产业,主要以养殖虾蟹的甲壳类为主。近些年,发展极为迅速,养殖总产量达到77.22万T、养殖面积达到22.14万亩(赵法篇、王清印)。然而,多数养殖池塘仍然采用传统的养殖模式。养殖废水未经处理,直接排入附近海域,使海水生态系统失衡,渔业水域生态环境不断恶化,养殖自身污染程度及后果越来越严重。按2005年的生产统计数据计算,全国池塘养殖每年向其附近海域排放废水约82万T,含有机物3.14万T,大大超过了海域的自净能力,加速海区近岸水域的富营养化。减少水产养殖废水的排水、已成为维持水产养殖业持续健康稳定和可持续发展的关键问题。但是,我国目前还没有制定相关的法律、法规来约束养殖废水的排放。应用人工湿地净化技术处理水产养殖废水的应用研究是近几年才开展的新领域,借鉴城市污水处理技术,首先在淡水养殖的废水处理方面取得了一定的效果,构建了多处较完善的人工湿地净化、循环养殖系统,研究报道较多l[、2、4、5、川。但在处理海水养殖废水方面的研究极少2[、3、8、12],未见实例报道。本文以近期设计完成的浙江省温岭市东海围区水产养殖基地一海水池塘人工湿地净化系统的设计为例,从工程设计和净化工艺技术角度,介绍应用人工湿地对规模化、海水池塘养殖所排除的废水进行净化处理的方法。并通过模型试验初步测试了净化效果,实现了养殖系统的零污染排放,达到了创建环境友好型产业的目的。1养殖基地概况东海塘海水养殖基地位于浙江省温岭市东部沿海一大港湾内的东海塘围垦区,其围垦区的地理位置在东经120’34`25’一120039’20.、北纬25’21`40`一25025’15’之间。围海大堤总长1200om,围涂总面积为3.642kmZ(5.46万亩),项目计划总投资为13.4亿。东海塘海水养殖基地是围垦区综合开发的五大功能区之一,海水养殖基地总占地面积为1.38万亩、(892公顷),项目建设批复的静态总投资为29361.85万元。324全国畜禽水产养殖污染监测与控制治理技术交流研讨会本项目以建立标准化、绿色、无公害、水产健康养殖生产基地为最终目标,从2003年7月开始,规划一设计一建设陆续展开,到2007年底项目区的基础工程基本完成。项目设计采用进水沉蓄、排水净化的技术措施,建立节能型生态养殖系统。整个养殖基地按照滩涂地形高程、地貌特点,设立三个梯级、7养殖区、14个养殖单元,规划设计总水面10560亩,其中池塘养殖总面积为7577亩。2池塘养殖污物分析及对生态环境的影响海水池塘养殖过程所产生的污染物是由水生浮游性动植物、残饵、水生物的尸体粪便等固体有机颗粒和溶解有机物、养殖排泄物、无机氮磷化合物二大类组成。此外,治疗性药物残留及病原体也是废物的一部分。养殖过程中85%的污染物来自养殖本身,污染物来源所占的比例为:过剩饵料占35%,排泄物占50%,生活垃圾占5%,其它污染占10%(王福表2002)。Funge一smith等(1998)曾对精养虾池中的物质平衡做过研究,发现养殖过程中只有10%的氮和7%的磷被利用,其他的都以各种形式进入环境,并随换出的废水外排。成为邻近海域的主要污染源。oTvar(2000)等也曾对海水高密度养殖的营养负载作过计算,得到的结果表明,当养殖lt的鱼时,外排的总悬浮固体为9104.57kg,颗粒有机物质为235.40kg,生物耗氧量为3.46Ikg,总氮为14.52kg而总磷为.257kg。由此可见,水产养殖过程中产生的残饵、粪便的废物数量相当可观。水产养殖排出的废水使邻近水域营养物质的负载正在逐年增加,而氮、磷等营养物质又是水体富营养化的重要污染源(Pae-zosunaetia.1999)。同时,造成水产养殖的自身污染.与人类其他活动向海洋排污量相比,虽然水产养殖的排污量所占比重还不算大,但对于某些局部水域,特别是海水养殖密集区,将对海洋环境的影响产生叠加作用,很可能成为刺激近海富营养化和赤潮发生的一个重要因素。3池塘污水减排、净化系统的设计东海塘水产养殖污水人工湿地净化系统是由养殖基地排水河道和总排水闸前的尾水蓄积区组成二级净化系统。总面积为1500亩,占池塘养殖水面的20%,净化面积约占巧%.滞水蓄积区的工程设计目的是解决外海高潮期的池塘持续排水。同时,利用尾水蓄积区内建立“人工湿地净化池”,以海水经济动植物作为生物滤器对养殖尾排水实现净化处理,最终达到零污染排放的目标。3.1河道净化系统一级河道净化系统包括主排水河道和养殖区间的4条二级排水河道组成,总净化面积约200亩。主排河道底河床平均宽38m、长2loom,平均坡降值.080m,底面积约120亩。二级排水河道平均底河床宽10m、325全国畜禽水产养殖污染监测与控制治理技术交流研讨会每条长1300m,平均坡降值.065m,面积约80亩。合计总面积为200亩。河道设计为梯形复合断面,在均.80m高程设置1一Zm宽的跄道。下部梯形断面为过水部分,根据土质剪切力计算,若河道横断面采用梯形土渠、自然稳定边坡,其排水河道的过水边坡系数采用m=4.0,用.0smm厚的HDPE养殖专用膜铺衬护坡。排水河渠道o.80m高程以上干露部分的断面边坡系数m二3.0,使用预制空格块植草护坡。花砖护坡、种植花草绿化。河道净化系统具有序批式、表层自由流的湿地运行特征。3.1.1宽顶堰跌水坝在一、二级排水河道以及三级排水渠道与二级排水河道接点处的下游设置高度为30cm的砖混结构拦水坝,其作用是使河道内排水在低位运行时,形成宽顶堰溢流状态。通过多级跌水曝气的物理过程,增加排污水的溶解氧含量、降低胶体悬浮有机物的浓度,为后续的高效净化创造条件。唐恒军等【181介绍了跌水曝气系统在水环境修复方面的应用试验研究,指出利用跌水曝气改善水环境。【17]吉祝美等【17」在低温时以跌水曝气接触氧化法为主体的低浓度污水处理试验,可有效降低cOD、NT、TP水平,提高污水溶氧量。可见,跌水曝气是处理污水的关键环节。3.1.2砾石基质护坦在跌水坝下游设置长度为.250m的砾石材料的护坦。其工程意义是作为跌水坝的辅助防冲测设施,净化功能是作为生物流化床、利用砾石表面的微生物膜降解溶解性有机物,起到微生物净化的作用。砾石直径为5一sem,砾石层厚20em。3.1.3底栖生物滤器筛选为去除养殖污水中的颗粒型污染物、减少单细胞藻类的含量,在净化河道的底泥中放养底栖水生动物作为河道净化系统的核心生物滤器。经在项目建设地附近沿海反复筛选,确定适合养殖区土壤生长的双齿围沙蚕(pelrneerisas占,h.ltensisourbe)和绕蛙(isnonovaeual。onstrieat)。二者均属经济品种,可不断收获,人工控制生物总量,使河道净化系统始终处于运行稳定、高效净化状态。双齿围沙蚕是海洋污染底质原位修复的重要种群,可消除养殖池底的有机污染物,在近岸海域生态系统食物链的能量流动和物质循环中占有重要的地位(王玲2005)。河道净化系统属于表层自由流和序批式湿地混合运行,河床裸露的几率较大,非常适合双齿围沙蚕的生活特性。双齿围沙蚕也是海水鱼虾蟹喜食的生物活饵料和出口创汇的休闲钓饵。主排河道是以表层自由流湿地运行为主,适宜放养隘蛙,滤食废水中的有机碎屑和藻类,起到净化作用。相关试验表明:在恒温20℃下,废水经绩蛙%h净化后,其pH值和Do分别升高了7.79%,和47.2500/,而COD和氨氮分别降低了23.60%和巧.94%。吴雄飞(2004)选择绕蛙和微生物组合净化养虾池废水,对eoo、阳43口一P、认N和Tss的4项污染指标的平均降解效率分别为25.15%、66.4%、41.65%和63.45%[20]。.32人工湿地净化设施湿地净化池是利用养殖基地的蓄水排涝池而设计的海水生物圈人工湿地净化设施,也是东海塘围区的亮点工程。它同时拥有景观旅游、环境美化、休闲渔业的功能。3.2.1潮汐型净化池人工湿地挣化池为全养殖区最低点,下蒙闸的底板高程为一1.50m,池底设计高程为一.250m。能保持l.oom深的死水位,容量约为65万耐,约为养殖总水体的11%。理论计算净化池的最高水位为一.03om,总容量约为养殖总水体的25%。由于湿地净化池建在潮间带,其外排水受到堤外海水潮位的限制,呈明显的节律性,且与潮汐基本同步。本设计采用水利闸门的宽顶堰流公式,根据海水典型潮位时段过程数据,计算净化池内的污水滞留时间可保持在26一32h。湿地净化池是以养殖池塘的每天平均换水量结合外海潮位计算的最小保证面积,对于养殖污水的处理而言,时间较短。3..22人工景观岛人工景观岛面积约250亩,作为养殖区的制高点(+7.50m)除了美化环境、旅游休闲外,其工程设计意义是可以容纳人工湿地净化池和周边养殖池塘的多余土方,节省项目建设投资。但人工景观岛更为重要的功能是作为人工湿地净化池的导流、隔离堤坝,延长污水的流动路径、提供尽可能长的净化时间、提高326全国畜禽水产养殖污染监测与控制治理技术交流研讨会净化效率。海水养殖池塘废水减排净化系统工艺流程图4水生物圈净化系统的构建本项目所构建的水生物圈净化系统具有自由表面流人工湿地的运行特点。设计根据海水生物间的互利机制,选择生态习性互补、食物链衔接紧密的经济生物为滤器,构建多元化、立体净化系统,能有效提高养殖废水的净化效率。并依靠养殖废水的残留有机物、营养盐以及水体天然生产力为饵料,增加水体的生物资源量,提高人工湿地净化系统的综合经济效益。4.1贝类生物滤器将人工湿地净化池的景观岛内侧水域作为贝类生物滤器的净化区`为提高净化效率、缩小净化池建设规模,选择浙江优势品种一近江牡蝠(Osetroirvulaisr)或牡蝠(Osetraglgas)长作为生物滤器,放养在净化池的水体中,进行浮筏沿绳吊养,实现立体净化。牡蝠能大量吸收水体中的悬浮颗粒物、浮游植物和碎屑,抑制浮游食物链,对控制水体营养化、改善水质具有重要的作用。同时,牡蝠对重金属的生物富集作用,对水环境具有明显的净化功能和生态服务价值【19].据葛长青(1999)报道:长牡蝠的滤水量在5一25Lh/,对于规格合适的颗粒几乎无选择性。曲克明(2006)研究了贝类对悬浮颗粒物的去除效果。,与扇贝和文蛤比较,牡蝠具有较高的去除悬浮颗粒物的效率,可以在24h内除去养殖废水中93%的悬浮颗粒物。.42藻类生物滤器将人工湿地净化池的景观岛外侧、连通排水主节制闸的水域作为藻类生物滤器的净化区。移植海水大型经济藻类,采用浮筏式、延绳式养殖,以吸收养殖废水中的氮、磷营养盐,达到净化水质的目的。根据海水经济型大叶藻的养殖生态条件、对水环境修复的效果、移植的技术可行性、生长季节等诸多因素,从中筛选出龙须菜(Garcilaiarsj’oesetdtiIl)、菊花江