池塘养殖尾水治理工程复合人工湿地的构建

作者: 周欢欢 王雷

池塘养殖尾水治理工程复合人工湿地的构建0

摘 要:近年来,我国水产养殖业发展迅速,但养殖塘会排放大量养殖废水,给生态环境造成严重污染。针对养殖塘尾水污染物的类型、特点,构建多级复合人工湿地,采用生态化处理的方式降低养殖废水污染指标,可确保出水水质达标排放,改善养殖尾水造成的环境污染问题。基于此,以河北省唐山市丰南区黑沿子“渔光一体”产业园区尾水处理项目为例,构建“沉淀池+低氧塘+氧化塘+生物净化塘”复合人工湿地净化系统,有效减少尾水污染物,使出水水质达到标准排放要求,从而保障区域内水环境的生态安全,为我国类似地区水产养殖尾水生态化处理提供参考。

关键词:水产养殖;尾水净化;复合人工湿地

中图分类号:X714 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2023)10-143-5

0 引言

水产品养殖过程中会产生大量的养殖废水[1]。养殖废水中的固体污染物主要包括饵料、药物、排泄物等,可溶性污染物主要包括颗粒悬浮物、有机氮、氨氮和磷酸盐等[2]。《第二次全国污染源普查公报》显示,我国水产养殖业每年向外部环境排放的污染物中,总磷、总氮、氨氮、化学需氧量的年排放量分别为1.61万、9.91万、2.23万、66.60万t。养殖尾水污染物若不经妥善处理直接排放,会对生态环境和周围居民健康产生难以预估的危害[3]。而池塘养殖是我国主要的养殖方式,因此养殖池塘尾水净化治理迫在眉睫[4]。

常见池塘养殖尾水处理模式有池塘容纳量控制净化模式、原位净化模式和异位净化模式(见表1)[5-6]。与其他治理方式相比,人工湿地可以针对性地去除养殖尾水中的污染物,具有设计应用灵活、生态环保、无二次污染等优点[7],现已被广泛应用于池塘养殖尾水处理工程。但是,在实际应用中,构建单一的人工湿地往往难以达到预期效果。复合人工湿地采用人工湿地、稳定塘、三池两坝的多种组合方式处理养殖尾水,能够有效提升湿地系统对养殖尾水中污染物的去除率,使出水指标达到排出标准[8-9]。

基于此,笔者以河北省唐山市丰南区黑沿子“渔光一体”产业园区养殖尾水处理项目为例,针对养殖区养殖尾水污染物超标、周围生态环境被严重破坏及生物多样性丧失等问题,在养殖区建设多级复合人工湿地,以达到节约用地、提高污水净化效果、恢复区域内生态环境等目的,从而加快构建水产养殖业绿色发展空间格局,促进丰南区渔业向绿色、生态、高效、健康方向转型升级,并为我国类似地区水产养殖尾水生态化处理提供实践经验。

1 项目概况

1.1 养殖区概况

黑沿子“渔光一体”产业园区尾水处理项目工程位于陡河以东、沙河以西、连通渠以南、东黄泊坨以北,包含池塘230口(不含光伏区17.73 hm2),区域总面积约960.93 hm2,其中复合人工湿地面积52.60 hm2。项目实施区池塘补水来源为西侧陡河、东侧沙河,中间为集中排水沟渠。鱼塘均不规整,部分鱼塘有光伏设施。

根据养殖塘进排水特点,将养殖园分为三大养殖片区,分别为1#养殖区、2#养殖区、3#养殖区。每个养殖片区分别建设一块人工湿地,对片区内养殖尾水进行净化处理。

1.2 养殖尾水水质

项目区养殖尾水存在短期内排水量大、药物残留多、水体内悬浮物多、有机质含量高等特点。项目区养殖尾水集中排水时间为夏季的7—8月和冬季的11—12月,日排水量最高达到6万m3/d。目前,大多数鱼塘水体中有机质和总氮含量偏高,达不到养殖尾水排放标准。这与养殖塘养殖产量、投饵量相关。主水源陡河和沙河水质状况良好,郑家沽排干渠及中引沟等进排水路污染物指标值与邻近的鱼塘接近。

1.3 项目建设目标

该项目建设目标为主要出水指标达到《淡水池塘养殖水排放要求》(SC/T 9101—2007)的二级标准(见表2)。

1.4 养殖区污染负荷测算

对于水产养殖产生的环境污染负荷,一般采用质量平衡法估算[10],计算公式为

式(1)中:LN/P为氮或磷的环境负荷量,C为饵料系数,FN/P为饵料中氮或磷的含量,PN/P为鱼体中氮或磷的含量。

根据式(1)计算得出,1#养殖区污染负荷需消减量为鲤鱼养殖塘尾水总氮3 245 kg、总磷920 kg,加州鲈养殖塘养殖尾水总氮1 435 kg;2#养殖区污染负荷需消减量为鲤鱼养殖塘尾水总氮10 312 kg、总磷2 922 kg,加州鲈养殖塘养殖尾水总氮5 219 kg;3#养殖区污染负荷需消减量为鲤鱼养殖塘尾水总氮13 939 kg、总磷3 950 kg。大闸蟹养殖塘出水达标,直接排放即可。

2 复合人工湿地设计方案

2.1 设计思路

根据对池塘养殖模式的调查及三大养殖片区污染负荷的测算,大闸蟹养殖塘出水可直接排到沟渠,而鲤鱼养殖塘和加州鲈鱼养殖塘则集中排水到湿地进行处理。加州鲈鱼养殖塘7—8月排水,鲤鱼养殖塘11—12月排水。

2.2 湿地建设规模

湿地设计进水流量根据鲤鱼养殖塘及加州鲈鱼养殖塘最大排水量确定。1#湿地设计进水流量15 495 m3/d,2#湿地设计进水流量49 240 m3/d,3#湿地设计进水流量66 561 m3/d。具体位置见图1。

参照《人工湿地水质净化技术指南》(环办水体函〔2021〕173号),人工湿地面积根据化学需氧量、氨氮、总氮、总磷等主要污染物消减负荷和表面水力负荷计算,并取计算结果的最大值,同时应满足水力停留时间要求。由于该项目为规划养殖尾水处理项目,缺乏进水水质数据,故湿地建设规模根据表面水力负荷计算。计算公式为

式(2)中:Q为设计流量;q为表面水力负荷,取值范围为0.1~0.4。

根据式(2)计算得出该项目各湿地建设面积,具体如表3所示。

2.3 湿地污水处理工艺流程

该项目共设计建设复合人工湿地约527 024 m2。其中,1#湿地106 260 m2,2#湿地159 014 m2,3#湿地261 750 m2。复合人工湿地主要由沉淀池、低氧塘、氧化塘、生物净化塘和生态滤坝等组成,其污水处理工艺流程见图2。

2.4 复合人工湿地单元设计

1#湿地、2#湿地、3#湿地整体布局见图3;1#湿地平面图见图4,其他两个湿地布局参照1#湿地。

2.4.1 沉淀池。沉淀池利用水的自然沉淀去除水中的悬浮物。为提高去除效果,在进水前端垂直水流方向设置生态拦截网过滤大颗粒的悬浮物,在边坡及堤坝顶部种植挺水植物。利用水的自然沉降作用及挺水植物根茎的拦截、吸附作用,达到去除水体悬浮物的目的(悬浮物去除率达65%)。

2.4.2 低氧池。低氧池的主要特征是塘水处于低氧或无氧状态,主要种植沉水、浮水植物,在构造上服从厌氧反应的要求。参与反应的生物类群主要有产酸发酵细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷细菌等。通过厌氧微生物进行水解、产酸及甲烷发酵等厌氧反应,使水体中的有机物得到降解。

2.4.3 氧化塘。氧化塘是对现有的鱼塘进行适当的人工修整,不进行大开大挖,将各池塘之间的塘埂打断形成过水通道。氧化塘以“曝气+生态基”组合污水处理工艺为主,池塘内交替布置底层深度循环复氧机、喷泉曝气机和臭氧微纳米曝气机、原位水体靶向微生物坞及生态毛刷,形成好氧条件。经过曝气的水流流向下一级池塘,通过塘内设置的生态基为好氧及兼氧微生物提供附着载体,提升微生物的繁殖速率,实现氨氮、总氮、生化需氧量等的持续去除。

2.4.4 生物净化塘。生物净化塘位于整个尾水处理设施的末端,根据湿地地形现状,设计水深1.5~2.0 m。生物净化塘可以直接利用原有池塘或对原有池塘进行适当改造,利用动植物、菌类的共同作用处理尾水中的有机物。此外,生物净化塘可通过多种类植物搭配、增加水生植物数量和在塘中养鱼等措施,构建一个丰富多样的生态系统。

2.4.5 生态滤坝。生态滤坝主要设计在低氧塘与氧化塘、氧化塘与生物净化塘之间,起到过水作用,同时具有高效净化作用。其底部地面进行水泥硬化,主体结构为空心砖堆砌,内部填料采用高效除磷吸附材料。利用基质的高效吸附、微生物降解等净化功能,有效去除水体中的污染物,使水质得到有效净化。

2.5 水生态系统设计

2.5.1 湿地水生植物配植。根据因地制宜的配植原则及污水处理要求,选择耐污性强、养护简单的挺水、浮水、沉水等不同类型的乡土水生植物,增加该区域的生物多样性并维持生态系统的稳定性,同时注重各塘的植物景观效果。

通常,在各塘沿岸滨水带水深0.5 m以下区域栽植挺水植物,如芦苇、香蒲、碱蓬等;在水深1.5 m以下区域种植浮水植物,如睡莲、荇菜等;在水深2.5 m以下区域种植沉水植物,如金鱼藻、狐尾藻、苦草等。

2.5.2 水生动物放养。选择水生动物主要遵循本土性、生态安全性原则,主要考虑投放滤食性鱼类(鲢鳙鱼)及大型底栖动物(螺蚌)。这样一方面能完善湿地中生物链网系统,另一方面可有效去除水体中植物上的附着物,保证植物的光合作用,从而促进植物更好生长。

3 复合人工湿地构建重难点及应对措施

3.1 构建湿地生态净化系统,保障水质净化目标

通过对项目区及其附近的主水源地、鱼塘、排干渠等水域取样检测分析发现,主水源地水质状况良好,而绝大多数鱼塘水质中有机物、氨氮、高锰酸盐指数等指标偏高,对湿地出水水质影响较大。另外,湿地生态恢复程度对水质净化影响较大,后期养护要求较高。

首先,相关人员应严格落实水质净化处理工艺,整体保障实现水质净化目标。一方面,建设由沉淀塘、低氧塘、氧化塘、生物净化塘及生态滤坝等组成的连续水质净化工程。另一方面,除了水生动植物、微生物外,通过增氧曝气系统、生态基系统等,高效去除水体中的有机物、氨氮等,大大提高湿地的污染物去除能力。其次,工作人员应严格落实设计要求的地形改造方案,保障湿地运行水力条件。基于水动力学水质模型对各个湿地单元竖向高程设计进行优化,优化引退水工程布局,为运行期灵活调度运行提供基础保障。最后,相关部门应强化运行维护管理,保障湿地水质净化功能。湿地管理水平直接决定湿地的整体运行效果和湿地寿命,具体涉及湿地的进水水质稳定性、植物管理、水质检测、堵塞管理、设备管理和冬季保温等方面。提高湿地运行维护效率,持续保障水质净化目标是实现湿地永续高效运行的基本保障。

3.2 减少冬季低温冻胀影响,保障湿地正常运行

项目区冬季气温较低,会明显降低承载水质净化作用的功能微生物活性,同时兼具水质净化作用的水生植物也处于休眠状态甚至枯萎死亡,植物吸附有机污染物能力导致湿地系统降低几乎丧失了净化污水的能力。另外,该项目各湿地单元之间及出水口均用管道连通,而冬季管网系统受冻后易出现冻胀开裂现象,严重影响过水性能。

对于以上问题,应重点从两方面解决。一是应严格落实堤坝设计及管网埋深等建设要求,提升结构稳定性。施工过程中,需要确保堤坝坡比及压实度符合设计要求,最大限度地减少因冬季受冻后坡度不足造成堤坝坍塌,以及压实度不够造成土壤吸水过多而导致的冻胀危害。对于特殊地带埋深无法达到标准要求的过水管道,应在其外侧设置直埋保温套管,从而对管道形成有效的保温。二是应科学管理,提高湿地冬季运行效率。根据不同排水季节、排水周期,采取轮床、停床等措施,以恢复和提高湿地水质净化效果,提高湿地实际利用率,充分发挥湿地净化单元功效。

4 复合人工湿地建设预期效果

该项目实施后可以有效削减区域污染物入河总量,实现养殖尾水达标排放,削减区域农业面源污染,对实现健康养殖、保障唐山市整体水生态环境质量和水资源安全具有重要作用。经初步计算,该项目实施后每年削减总磷4 488.53 kg、总氮22 393.21 kg,出水水质能够达到《淡水池塘养殖水排放要求》(SC/T 9101—2007)二级标准。同时,复合人工湿地的构建可以丰富区域内水生动植物种类,营造多种生境,为不同动物提供栖息场所,提高区域内生物多样性。另外,建设渤海湾标杆性水产养殖尾水处理湿地系统还可以充分发挥尾其科教、观光、展示作用,为河北省类似地区水产养殖业尾水生态化处理提供经验借鉴。

参考文献:

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