基于鱼草共生生态原理的循环流水水产养殖系统植物滤器研究

【摘要】： 水产养殖是农业生产的重要组成部分，在现代科技的支持下，水产养殖有望成为继种植业之后的第二大食物产业。然而，传统的水产养殖方式由于技术和管理问题，资源耗费严重，越来越暴露出不可持续生产的局限性。与传统养殖方式相比，封闭式的循环流水水产养殖模式在资源需求、环境保护、生产能力等方面具有明显优势，已成为越来越多国家实现可持续发展的选择。 水处理系统是循环流水水产养殖系统的核心，直接决定了系统的生产能力。由于立法的日益严格以及对养殖密度的苛求，发达国家的水处理系统日趋复杂化，直接提高了生产成本，极大限制了该技术在中国等发展中国家的应用。利用养殖废水中的N、P等营养元素进行农业生产不仅是一种低成本的生态处理技术，而且能够产生一定的经济效益，一直是本学科的前沿研究领域和国际热点。一些优秀的陆生牧草如多花黑麦草(Lolium multiflorum Lam．)、多年生黑麦草(Lolium perenne L．)、高羊茅(Festuca arundinacea Schreb．)等对气候的适应性广，根茎(叶)比大，生长迅速；而且含有丰富的营养物质，为大多草食性畜、禽以及鱼类所喜欢，具有很高的经济价值，在环境治理领域已经得到了较广泛的研究和应用。而将陆生牧草利用营养液膜技术(NFT)种植并集成至循环流水水产养殖系统，即作为植物滤器处理养殖废水以实现零排放养殖，在本领域尚属首创。 本研究项目“基于鱼草共生生态原理的循环流水水产养殖系统植物滤器研究”，在分析循环流水水产养殖系统典型、简单水处理系统的组成及功能的基础之上，设计和建造了试验模型；利用商品硝化菌接种生物滤器并观察简单水处理系统的使用效果；通过不同鱼草配比试验，探讨简单的鱼草共生生态系统的基本原理；利用植物滤器分别净化人工配置的几种富氮废水；利用植物滤器处理试验模型淡水白鲳(Colossoma brachypomum)养殖废水；将植物滤器集成至循环流水水产养殖系统试验模型，以机械—细菌—草综合水处理系统为基础进行零排放循环流水水产养殖。具体研究内容如下： (1)分析了循环流水水产养殖系统典型、简单水处理系统组成及功能，并指导完成试验模型的设计和建造。试验模型主要组成部分包括一个固体处理池(斜板沉淀器和机械过滤器)，一个氮处理池(生物滤器)和两个养殖池，系统总容积为5.090m~3，额定容量为4.236m~3，额定养殖容积为2.651m~3。模型利用继电器控制水泵按周期进行水循环。 (2)使用一种商业上已取得一定成功的商品硝化菌液接种试验模型的生物滤器。试验开始时定期接入20mL菌液(细菌含量1.5×10~(10)CFU·mL~(-1))以处理400g饲料产生的4.27mg·L~(-1)氨氮(TAN)。12d后TAN浓度低于0.05mg·L~(-1)，20d后NO_2~--N浓度降至同样水平。在为期30d的检验期中，系统内养殖2.15kg·m~(-3)淡水白鲳，日喂饲率2％。期间养殖池TAN最大值0.465mg·L~(-1)，最小值0.393mg·L~(-1)，平均值0.427±0.019mg·L~(-1)；NO_2~--N最大值0.062mg·L~(-1)，最小值0.038mg·L~(-1)，平均值0.052±0.007mg·L~(-1)；EC呈线性上升状态，每周增加32.8μs·cm~(-1)；而pH呈线性下降，每周降低0.24。系统结束时生物滤器含细菌8.65×10~6亿CFU·mL~(-1)，水质除TP超标外，其余指标均符合我国淡水水产养殖水质标准，在2.1％～1.4％的日喂饲率下淡水白鲳日增重1.91g，饲料系数1.164。 (3)通过不同鱼草配比试验，探讨循环流水鱼草共生生态系统的生态原理及结构配比。5组试验组的罗非鱼(Oreochromis niloticus)初始养殖密度分别为2.00(Ⅰ)、1.61(Ⅱ)、1.38(Ⅲ)、1.20(Ⅳ)和0 kg／m~3(ck)，各组植物滤器内牧草(Lolium multiflorum Lam．)的初始生物量相同。结果表明：试 验组川和Iv的养殖废水经牧草的净化基本符合渔业水质标准(除TP外):试验组11、川和Iv养 殖废水中的营养基本上能符合多花黑麦草的生长要求;试验组川养鱼效益综合指标最高，该组 在试验结束时的鱼草质量比为0.221，不但鱼获得较高的生长速度(平均增重28.39)，而且牧草也 得以正常生长。 (4)用巧个种植Zxo.4lnNFT培多年生黑麦草(L olium perenneL)草带的植物滤器分别净化五 种(记为试验组G!、GZ、G3、G4及对照ck)26.77L不同，is’氮废水，二重复。试验分5个阶段， 一阶段10d，废水协阶段更换一次。G!、GZ、G3、G4的氮成分和浓度川白来水按照二因素(成分: 总氨氮TAN，亚硝酸盐氮NOZ、N，硝酸故拟NO3一N)二水平(浓度::商、低)止交配置，四组及ck 的TAN初始浓度依次为:139.6、139.0、39.0、39.3、l一ng·L一’，NoZ几N:40.7、4一、40.4、4一、 0.005:ng·L”，No3’一N:75.5、9.7、9.5、74.7、73.9.ng·L’!.试验结果表I组在短J切内(Zd)，认N、 NOZ一N和NO3一N的吸收嫩均在本身高水平而其他成分低水平的试验组达到最高，四组非离子氨 UIA的净化率均高于99%.所有废水pHZd后均被控制在6.5一8。以二种氮90%的净化率为日标， G3和ck需Zd，G4需4d，GI、GZ仅认N和Noz’一N在6d内完成.试验结束时03草净增长 最高(一69.3mm)，夕个获得最大干草产量0.205 kg·m.，，04获得最大鲜草产量1.45 kg·:n”。 (5)构建了4个(四重复)3，o?