设施化池塘与精养池塘耦合循环水养殖模式，防止铵和亚硝酸盐积累，降低尾水处理成本

设施化池塘与精养池塘耦合循环水养殖模式是基于硝酸盐（NO3-）可作为氧化剂用于调控精养池塘沉积物-水界面氧化还原状态的原理，通过向精养池塘沉积物通入富含NO3-的设施化高密度养殖系统尾水，氧化精养池塘沉积物有机质，促进其沉积物硝化过程的发生，减少氨氮和亚硝酸盐等有害氮素释放的同时，解决设施化高密度养殖系统尾水硝态氮（NO3--N）处理难度大的问题。实现防止精养池塘铵（NH4+）和亚硝酸盐（NO2-）积累，同时降低设施化循环水养殖系统尾水处理成本。

作为国民动物性蛋白质摄入主要来源之一的水产品，其生产已愈来愈倚重于水产养殖。而在湖库退出精养的当下，养殖方式主要以池塘精养和设施化高密度养殖为主。通常情况下，传统的精养池塘中养殖对象能吸收利用的饵料有限，饲料中剩余的氮化合物大部分以残饵、粪便等有机氮形式沉积在池塘底部，成为池塘氮素污染的内源。有机氮在降解过程中会率先释放出NH4+，在溶氧充足条件下，NH4+可以经由硝化反应转化为NO3-。然而，随养殖进程大量积累在池塘底部的有机质会大量消耗沉积物中的氧，导致硝化反应受到抑制，进而造成沉积物NH4+和NO2-的积累。与精养池塘不同，为了将NH4+和NO2-转为毒性较小的NO3-。设施化高密度养殖系统常配有生物净水设备，经由硝化反应将毒性较大的NH4+、NO2-转化为毒性较小的NO3-。但由于不具备反硝化功能，常造成系统内部NO3-的大量积累。为解决上述问题，提出了设施化池塘与精养池塘耦合循环水养殖模式。







一、设施化池塘与精养池塘耦合循环水养殖系统组成与分布
设施化池塘与精养池塘耦合循环水养殖系统沿水循环的方向依次设置有设施化高密度养殖区、生物硝化区、第一消毒区、精养池塘养殖区以及第二消毒区五部分（图1）。其中，设施化高密度养殖区与生物硝化区位于同一池塘，两区统称为设施化养殖池塘。设施化养殖池塘的总面积占系统总面积的5%～10%。其中，设施化高密度养殖区面积一般占设施化养殖池塘总面积的10%～15%，即每亩设施化养殖池塘可配备一组设施化高密度养殖系统。一组圈养设施化高密度养殖系统可包含有4～6个圈养养殖与捕捞模块、一组供氧模块（1.8kW罗茨风机一个）、一组集排污模块、一组岸边人工湿地尾水处理模块。

循环水养殖系统通过将设施化高密度养殖区、生物硝化区与精养池塘连接，使设施化高密度养殖区与精养池塘区互相净化，在创造较高经济效益的同时，有效减少养殖尾水氮素排放，修复养殖水环境。

                               
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图1  设施化池塘与精养池塘耦合循环水养殖系统


（1）设施化高密度养殖区：设置圈养等设施化高密度养殖系统。

（2）生物硝化区：包括人工湿地、生物滤池及悬挂生物刷等中的一种或多种。设施化高密度养殖区产生的养殖尾水通过生物硝化区进行硝化反应，将对养殖对象毒性较大的氨氮及亚硝态氮转化为几乎无毒的硝态氮。

（3）第一消毒区：用于对流入的生物硝化区中的尾水进行消毒处理。

（4）精养池塘区：具有常规的养鱼设施，养殖方式为传统池塘养殖方式。将生物硝化区内的硝态氮含量高的养殖尾水通过第一消毒区消毒后引入至精养池塘区的底泥中，尾水中的高浓度硝态氮可有效氧化精养池塘底泥中的有机质，减少池塘底泥氨氮积累及向水体释放，有效改善精养池塘养殖环境。

（5）第二消毒区：用于对流入的精养池塘区中的尾水进行消毒处理。







二、设施化池塘与精养池塘耦合循环水养殖系统各区域基本构造
1、设施化高密度养殖区
设施化高密度养殖区内设置圈养等池塘设施化高密度养殖系统，主要包括圈养养殖与捕捞模块、增氧模块、集排污模块、岸边人工湿地尾水处理模块。

                               
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图2  养殖系统                        图3  增氧系统


（1）圈养养殖与捕捞模块：由内径4m，高3m圆柱形养殖桶构成。有效养殖水深1.7m，有效养殖水体约20m3。桶口以下40~80cm处开透水孔3200个，孔径1.5cm。上下层设有固定式防逃网和活动式捕捞网隔等。

（2）增氧模块：圈养增氧一般采用微孔增氧方式，微孔增氧管固定在起捕模块底部框架上，沿圈养桶壁布置一圈。一般每个养殖桶可用300W的罗茨风机供氧。根据需要，还可加装推水水泵，利用水流的冲击形成环流，不仅锻炼鱼类，而且便于收集残饵、粪便。

                               
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图4  集排污系统


（3）集排污模块：由尾水分离塔、吸污泵和连接管道等构成。当吸污泵开启，首先从养殖桶底部抽排出含残饵、粪便的污水(黑水状态的养殖尾水，含鱼类代谢产物），进入尾水分离塔。尾水塔圆柱体内直径2m，高1m，集污部分为倒圆锥体，直径2m，高1m，夹角45°，锥底设有排污管，出水管设置在圆柱体与圆锥体交界处，以将上清液排入尾水处理系统。

                               
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图5  人工湿地尾水处理系统


（4）岸边人工湿地尾水处理模块：上述上清液（含溶解态代谢物）流入人工湿地，经微生物的脱氮除磷处理后，回流至池塘中重复利用。人工湿地采用不锈钢铁桶，直径0.6m、高1.5m，桶内填充火山石、沸石等稀疏多孔滤材，采用上进水下出水垂直流三级串联模式，用300W的罗茨风机曝气。

                               
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图6  圈养系统示意图
2、生物硝化区
利用物理和生物两重处理，达到去除或消减水中污染物的目的。生物硝化区培养有大量的硝化微生物，且底部铺设有曝气管，曝气管连接鼓风机进行充氧，控制生物硝化区的溶氧（DO）值大于或等于4mg/L。

悬挂生物刷主要目的为均匀布水以及吸附悬浮颗粒，减缓水流，降低氨氮、有机物等氧化好氧污染物浓度，提升水体溶解氧含量。生物净化刷的长度不低于1m，密度为500～1000个/亩，生物刷水域下层及中层布设较为密集的曝气管，便于通入空气，在水中提供有氧环境利于氨氮和亚盐进行硝化反应生成硝态氮。

                               
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图7  悬挂生物刷示意图

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3、第一消毒区与第二消毒区
第一消毒区和第二消毒区可以采用紫外线辐射的方式或者臭氧进行消毒，紫外线波长要求为230～255nm；臭氧浓度要求为0.1~0.15mg/L，若能达0.33~0.4mg/L更佳。

图8  臭氧消毒增氧机

                               
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三、设施化池塘与精养池塘耦合循环水养殖系统运行方法
1、设施化高密度养殖系统高浓度废水处理
每天对设施化高密度养殖系统进行两次底排污操作，每次通过功率为4kW的自吸泵抽水5～10min，将约6t黑水（含残饵、粪便的污水）吸排入固液分离塔，静置12h实现固液分离。其中，固形废物沉降到塔的锥底后，定期集中收集，进行资源化再利用；上清液经岸边的三级人工湿地处理后回流入圈养池塘生物硝化区。

2、设施化养殖池塘自循环
除了底排污外，设施化养殖池塘内部高密度养殖区与生物硝化区的水体每天交换1h。在高浓度废水排出后，继续通过自吸泵将圈养系统内的部分清水直接抽入圈养池塘生态净化区生物硝化区，由于圈养系统内部水位下降，生物硝化区的水将通过圈养桶壁上的交换窗自流入圈养桶中，直至圈养桶内外液面相平。圈养系统内部养殖尾水引入生物硝化区后，可充分利用该区域富集的硝化细菌将尾水中的高毒氨态氮和亚硝态氮转化为低毒的硝态氮。

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3、传统精养池塘底质调控
设施化养殖池塘自循环过程中，在硝化微生物作用下，池塘内部氨氮与亚硝酸盐转化为硝酸盐会持续升高，待硝酸盐积累至10～20mg/L后，将富含硝酸盐的圈养池塘尾水引入至第一消毒区进行1h的消毒处理后，经过预先布设的沟渠、管道，缓慢通入精养池塘区的底泥中，氧化底泥中的有机质。

4、养殖系统水循环
由于设施化养殖池塘中的尾水流出，为维持设施化养殖池塘的水位平衡，可将精养池塘区的尾水经过第二消毒区域消毒1h后补充回设施化养殖池塘硝化区，实现系统内部水循环。

通过上述方式，可在有效处理设施化养殖池塘尾水的同时，有效缓解传统精养池塘沉积物有机质积累，进而减少精养池塘氨氮和亚硝酸等有害氮素积累，提高精养池塘区水质。


图9  设施化池塘与精养池塘耦合循环水养殖系统平面图

                               
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本文版权属于科学养鱼杂志社

作者：国家大宗淡水鱼产业技术体系工程化养殖岗位 华中农业大学水产学院 侯杰 李大鹏 刘雪瑜 何绪刚 汤蓉

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