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生态修复技术处理水产养殖废水 发布时间：2010-6-1 　作者：孟睿，何连生，胡翔，席北斗　点击：27　来源：健康养殖分会
工作单位：中国环境科学研究院
摘要：由于大量用药和大量换水的现象，导致我国水产养殖环境日益恶化，近年来我国频繁出现赤潮现象，不仅扰乱了生态平衡，导致病害频繁发生，还带来了巨大的经济损失。利用生态修复技术处理水产养殖废水已经得到了广泛的认可，此技术包括物理修复、化学修复和生物修复。与传统的物理和化学修复相比生物修复具有费用低、耗时短、净化彻底、不易产生二次污染、不危害养殖功能、不破坏生态平衡等诸多优点。生态修复技术中，利用有益菌藻制剂联合净化底泥环境和水质环境是个崭新的尝试，不仅能改善环境，藻类还提供水产食物。但是菌藻共生作用机制、菌藻酶学、生理生化通路和生态组合、规避和拮抗环境影响因子等具体修复机理还需要进一步了解。只有掌握了修复机理的细节，才能有效改进修复技术，进行有效的修复监控。此外，构建基因工程菌和藻类，将生物界中具有优秀修复效能的菌藻基因转入其他菌藻或植物中，打破物种隔离的限制，可以针对不同水产生态系统的不同退化原因，构建对于生态系统最合适、功能最全面的修复生物，也可以构建有更强环境适应能力，活性保持范围更宽的修复生物，并通过有效的固定化技术和载体实现修复的功能。
利用类似人工湿地的生态系统，发挥微生物－植物－介质体系的吸收吸附、转化作用，有效利用水产废水营养物和消除病菌，实现养殖水的循环使用，是实现水产养殖可持续发展的环境友好技术。提高这一类型系统的运行效率、处理效果和环境适应性是迫切需要解决的难题。本文分别介绍了各种生态修复技术的原理以及应用前景。
关键词：水产养殖；水污染；生态修复；生物修复
1、引言
我国高密度水产养殖普遍存在大量饵料投入，大量用药和大量换水的现象，已经出现水环境污染负荷日益加重，环境恶化导致病害频繁发生和引发养殖产品质量下降问题。1998年渤海湾、莱州湾和辽东湾几乎同时发生赤潮，面积达五千多平方公里；广东、香港水域相继发生了多起赤潮，仅网箱养殖鱼类损失达3.5亿元以上。欧盟曾对我国水产品实行贸易禁令，美国、日本也对我国出口的虾类等产品发出通报，近年来几乎每年都有赤潮发生，与之相应的是每年都有水产品被欧美各国或退回或就地销毁，造成的损失极为惨重。因此我们应清醒地认识到改善水产养殖减轻对环境的污染、采用各种有效的措施来控制污染的发生及蔓延、推行健康养殖的重要性已经迫在眉睫。
2、水产养殖对生态环境的污染
水产养殖生态系统是一种简单而脆弱的人工生态系统，在这个生态系统中，水产品被设定为生物链的顶端，人为地引入了人工饵料，而削弱了其他因子。资料表明，一个年产60t靠人工投饵网箱养殖鲜鱼的养殖场，每年排放的有机废物大约相当于居住2000-6000人的建筑单元每年排放的有机废物量，这些有机废物散布在网箱周围500 m或更远范围的水域中，造成水环境的恶化，带来了巨大的经济损失。
养殖环境恶化导致病害发生。沉积底部的营养物在降解过程中消耗大量的氧，造成养殖区底部缺氧环境，改变底部的菌群结构，由好氧菌为主转向厌氧菌为主。营养物在厌氧环境中的降解，会产生硫化氢、氨等对生物体有害作用的气体，造成鱼虾病害的发生。鱼虾病害防治过程中消毒剂、抗生素的施用，在杀灭了病害的同时，也使水中的浮游生物和有益菌、虫受到抑制、杀伤及致死。微生物、单细胞藻类等具有抑制细菌的作用，有益微生物群落有助于提高对虾抗病能力。
养殖污染导致水生系统退化。水产养殖过程过多物质的加入导致物质和能量循环不畅通，扰乱生态平衡，最终造成生态系统退化和环境污染。对退化的养殖生态系统进行有效修复，对污染物进行彻底清除就成为水产科学急切需要解决的重要课题。
现在，我国正采取多种措施来调整养殖模式，走一条可持续发展的道路，例如：大力发展工厂化集约养殖，建立无渔业污染的大水面高效水产养殖模式，实施池塘高产健康养殖。那么，采取有效措施治理水产养殖废水也必不可少。
3、利用生态修复技术治理水产养殖废水的措施
水产养殖环境治理与生态修复的技术种类较多，各种技术都具有不同的技术、经济特点以及适用条件，目前研究的最主要技术是生态修复技术。按照养殖环境生态修复的技术特点，主要分为三类，即物理修复、化学修复和生物修复。
（1）物理修复
物力修复是指利用各种材料或机械对水产养殖环境施加物理作用，从而达到环境修复的改善目的。常用的物理修复技术还有换水、曝气、筛网、泼洒废石粉和麦饭石粉等以吸附有毒有害物质；在污染底泥上放置覆盖网，使污染底泥与水体隔离，防止底泥污染物向水体迁移的掩蔽法等。在因连续养殖而老化的乳山湾菲律宾蛤仔养殖滩涂利用压沙、翻耕或翻耕筑坝蓄水3种方法进行修复，结果表明3种修复方式均显一定的效果，并以压沙3cm最好。通过压沙和翻耕可改善底质板结，有利于贝类潜栖，另外在一定程度上起到降低硫化物和有机质的作用。
国内外的很多学者利用沸石的吸附作用去除养殖水体中的氨，收到了良好的效果。随着科技的发展，利用部分纳米材料在光催化作用下具有强氧化性这一特性，对有毒有机物的降解作用，已经用于水污染的处理。上海、苏州部分地区利用纳米材料加净水菌种的混合体投入水体中，取得了较好的效果，一个月后臭味消除，氨氮从7×10-6降至0.5×10-6以下，不换水，不增氧，没有二次污染，无其它副作用，但这类方法常需要较高的投资和运转费用，并且效果也往往不彻底，持续时间短。
（2）化学修复
化学修复是利用化学制剂与污染物发生氧化、还原、沉淀、聚合等反应，使污染物以从养殖环境中分离或降解转化成无毒、无害的化学形态。在水产养殖业中已广泛应用水质改良剂、水质消毒剂。过氧化氢氧化能力强，能够快速更新池底的化学还原状态，减少氨氮量，降低化学耗氧量，并且过氧化氢能使虾池进行迅速增氧，使一种无毒、无害、无任何污染的良好去污增氧剂。采用二氧化碳也能收到良好的效果，ClO2具有良好的水质净化效果，能够增加水环境中的溶氧及减低化学耗氧量和氨氮值，减少水体富营养化，ClO2还能有效地预防水产养殖中传染性疾病的发生和流行。化学修复剂容易产生有害的次生产物，使得水生态系统健康状况更加恶化，也易引起水产品品质的退化。
（3）生物修复
生物修复是指利用生物的生命代谢活动减少存在于环境中有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程。它是利用生物（天然的或接种的）并通过工程措施为生物生长与繁殖提供必要的条件，加速污染物的降解与去除。它包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化土壤和水体中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害得物质，也包括将污染物稳定化，以减少其向周边环境的扩散。它是目前最具发展前景的水体修复技术。
与传统的物理和化学修复相比它有费用低、耗时短、净化彻底、不易产生二次污染、不危害养殖功能、不破坏生态平衡等诸多优点。在我国水产领域，应用微生物降解技术消除养殖水体底泥中有机污染物已取得了良好的进展。
生物修复按修复主体可分为微生物修复、植物修复、动物修复三类。
①微生物修复
这是目前最主要的生物修复方法。其原理是在有氧或无氧的条件下，微生物将有机物或其它污染物进行分解并释放氮、磷等的营养盐。另外微生物可通过其分泌或代谢产物影响水体中的藻相。可以用于生物修复的微生物有很多，包括细菌、真菌及原生动物3大类，已经在水产养殖中得以应用的常见品种有光合细菌、芽胞杆菌、蛙弧菌、硝化细菌等。
该领域主要开展了三方面的研究。
A分离、筛选有修复活性的土著微生物。
从虾池中分离出多株光合细菌，经过分离、筛选，最后选育易培养、浓度高的优良菌种，并进行了培养基配方实验。结果，COD在施菌后降低明显，平均下降1.3mg/L，氨氮施菌后降低0.1-0.7mg/L，底质硫化物在施菌后明显降低，底质总有机物也明显降低。从虾池底质中分离、筛选出近10株虾池有机物降解菌。结果表明，在短时间内，可降解虾池底部有机物80%以上。这些菌株对养殖对虾没有致病作用，且其中6株可提高仔虾的成活率，显示出良好的应用前景。
B复合微生物制剂的研制和应用。
复合微生物制剂由多种有益菌组成，利用各种微生物的协同作用，它可以更快速、全面地分解各种污染物，更有效的抑制养殖水体中有害藻类过量繁殖，对环境的适应性也更强。2001年，青岛几家研究单位联合研发成功一种水产专用微生态活菌制剂，其主要成分由芽孢杆菌、枯草杆菌、沼泽红假单胞菌、硫化细菌及硝化菌等多种复合有益活菌组成，能有效地分解水中和池底的有机废物，降低氨氮、亚硝基氮、硫化氢等。适用于各种淡与海水养殖，对水生动物安全、无毒，对水产品品质无不良影响，已经取得巨大经济效益。华东师范大学、无锡海德生物工程公司等联合生产的PSB菌液、浓缩液、粉剂及复合菌剂，经应用于水产养殖水体及天然有机物污染河道的治理，已显示出一定的成效。美国Alken-Murry公司研究开发了Clear-F10系列菌剂，专门用于湖泊和池塘生物清淤、养殖水体净化、河流生物修复及污泥去除。其中，1992～1993年间，美国Moulin Vert水渠使用Clear-Flo 1200 3个月，NH4+从0.02ppm降至0.00ppm，COD降低了84%，BOD降低了74%，处理过程中检出无毒性。在这3个月中，1500m3的污泥被降解。该法恢复了水渠的自净能力。
C修复作用菌固定化的研究
直接使用微生物游离细胞的弊端很多，如细胞易被水流冲走、利用率低下、由于培养基的带入引起二次污染等，并且在养殖池塘中，有机污染物绝大部分沉积在底部，因此需要利用合适的固定化载体，使作用菌穿过养殖池的水体到达池底并生长繁殖，达到降解池底有机污染物的目的。以沸石作为固定化载体，研究影响固定化的因素、固定化菌降解有机物的性质及保藏方法。结果表明，沸石固定化菌对饵料浸出液的降解效果明显高于非固定化菌；真空保藏的固定化菌的存活情况明显优于保藏在空气中的固定化菌。用海藻酸钠将硝化菌和反硝化菌联合包埋，利用扩散阻力在颗粒内部产生的氧浓度梯度所形成的好氧区、缺氧区和厌氧区，使硝化和反硝化两个过程有机地结合在一起，构成单级生物脱氮系统，在好氧条件下同时进行硝化与反硝化的研究。结果表明：联合固定系统的氨氮化速率约为硝化菌单独固定时的1.4倍，脱氮速率为分别固定构成的复合系统得2.6倍。将改性高分子材料制成的人工水草作微藻生物膜的载体，来改善富营养化水体水质，效果较好。用褐藻酸钙分别固定小球藻、细菌以及菌藻用于养殖污水的处理。实验结果表明，固定化菌藻对氮磷的去除效果优于固定化细菌和固定化藻类，菌藻固定化胶球对氮和磷的去除效果最好。将铜绿微囊藻和细菌在相同条件下共同培养，探索藻菌共生体系得最佳生长条件，然后将铜绿微囊藻和细菌混合固定化，比较混合固定和单独固定对污水中氨氮和硝酸磷的净化效果结果表明，固定化混合藻菌体系对污水中氨氮和硝酸磷的去除效率明显高于单独固定化体系。
②植物修复
主要利用植物对营养盐的吸收、氧气的释放。在利用植物移走水体营养盐时，要保证被移走的营养盐不会引起二次污染，并重新进入人循环。目前各地已开始在养殖水体中人为地种植沉水维管束植物，如苦草、轮叶黑藻、范草等；在河沟、池塘内种植菱、莲藕、茭白、芡实、慈姑等水生蔬菜；在海水池塘、海湾内栽培大型海藻，如海带、江篱、红毛菜等，有效地改善了养殖水体的水质。用大藻类孔石莼和中国对虾的混养实验结果表明，石莼等大型藻类在对虾综合养殖生态系统中能吸收水中的N、P等物质制造有机物，光和放氧及释放其它物质，改善水质状况。
利用人工湿地系统中的物理、化学和生物三种作用的协同关系来进行养殖废水的处理是最近发展的一个热点。其优点是：出水水质好，具有较强的氮、磷处理能力，运行维护管理方便，投资及运行费用低。缺点是处理速度慢。影响系统得运行情况的因素有面积、长宽比、水深、水力停留时间等。Shutes等用实验证明人工湿地可以去除养殖环境的病菌。利用两级垂直潜流人工湿地系统处理养殖塘废水非常有效，不仅能回用水节约水资源，而且提高了水产品的品质。
研究者还利用富含氮磷的养殖废水与不同品种的水生或陆生植物组成鱼菜共生、鱼草共生净化系统，具体是将无土栽培槽串联于养鱼循环水路中，使鱼类的代谢有机物成为蔬菜的营养源，蔬菜根系在吸收水中营养的同时，净化了养殖水体，并且可收获鱼菜等绿色食品。Suhas等采用多道牧草带自然、均时流动过滤蛤鱼养殖废水，取得了较好的净化效果。
利用水产养殖废水培育蔬菜、花卉、水果、藻类，既能提高水产品和蔬菜等产量，又能净化水质，把污染降到最低程度，从而形成小生境的良性循环。总之，鱼菜和鱼草共生系统被认为是21世纪的无废化产业之一，进一步完善并使这种“绿色技术”系统化将是今后水产养殖环境的一个重要研究内容。
③动物修复
主要依靠动物对有机物的吸收以及对浮游藻类的摄食作用，来达到修复环境的目的。已有报道指出，高密度放养河蟹的水域富营养化程度很明显，可投放足够的滤食性贝类、某些棘皮动物等而下之可去除养殖废水中的营养物质。另外，投养蚤类，水蚤以藻类和有机腐屑为食，能有效除去藻类。水蚤又可作为鱼类等水生动物的饵料被消耗；养殖田螺、河蚌，用以削减底泥中的有机质和营养盐。
3、前景展望
生态修复技术中，利用有益菌藻制剂联合净化底泥环境和水质环境是个崭新的尝试，不仅能改善环境，藻类还提供水产食物。但是菌藻共生作用机制、菌藻酶学、生理生化通路和生态组合、规避和拮抗环境影响因子等具体修复机理还需要进一步了解。只有掌握了修复机理的细节，才能有效改进修复技术，进行有效的修复监控。此外，构建基因工程菌和藻类，将生物界中具有优秀修复效能的菌藻基因转入其他菌藻或植物中，打破物种隔离的限制，可以针对不同水产生态系统的不同退化原因，构建对于生态系统最合适、功能最全面的修复生物，也可以构建有更强环境适应能力，活性保持范围更宽的修复生物，并通过有效的固定化技术和载体实现修复的功能。
利用类似人工湿地的生态系统，发挥微生物－植物－介质体系的吸收吸附、转化作用，有效利用水产废水营养物和消除病菌，实现养殖水的循环使用，是实现水产养殖可持续发展的环境友好技术。提高这一类型系统的运行效率、处理效果和环境适应性是迫切需要解决的难题。
总之，目前国内外对水产养殖环境生物修复的各个领域都进行了初步的探索，并取得了一定的成果，并且开始逐步的应用于水产养殖实践中。
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