Опубликовано 07.08 09:00

Зелёный фильтр для аквакультуры: как CW-система очищает воду от отходов жизнедеятельности Micropterus salmoides

При интенсивном внутреннем рыбоводстве сброс неочищенных сточных вод негативно влияет на соседние водные объекты и вызывает загрязнение воды. Таким образом, очистка стоков внутренних рыбоводных хозяйств крайне необходима. В данном исследовании мы создали промышленную интегрированную систему искусственных водно-болотных угодий (CW) с вертикальным подповерхностным потоком и провели мониторинг ее очищающего эффекта.

В периоды выращивания рыбы и сброса сточных вод отбирались пробы воды для определения общего азота (TN), общего фосфора (TP), аммонийного азота (NH₄⁺-N), нитратного азота (NO₃⁻-N), нитритного азота (NO₂⁻-N) и химической потребности в кислороде (CODₘₙ). Результаты показали, что система работала стабильно и значительно улучшала качество воды в рыбоводном пруду. В период выращивания рыбы эффективность удаления для TN, TP, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N и CODₘₙ составила 24,93–43,72%, 61,92–72,18%, 56,29–68,63%, 56,66–64,81%, 56,42–64,19% и 28,37–42,79% соответственно. Аналогичным образом, эти показатели также заметно снижались под действием интегрированной системы CW в период сброса сточных вод, при этом средняя общая эффективность удаления для TN, TP, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N и CODₘₙ составила 50,24%, 64,48%, 61,36%, 62,65%, 56,16% и 37,32% соответственно. Следует отметить, что значения трех ключевых параметров контроля стоков — TN, TP и CODₘₙ — были ниже пороговых значений качества воды класса II согласно китайскому нормативу сброса пресноводных сточных вод (SCT9101-2007). В заключение, данное исследование наглядно продемонстрировало, что применение системы CW является экологически устойчивой стратегией очистки сточных вод в условиях интенсивного внутреннего рыбоводства.

Продукция аквакультуры является ключевым источником белка в мировом производстве продуктов питания, объемы которой неуклонно растут в последние десятилетия (FAO, 2020). Она поступает в основном из морской аквакультуры, внутреннего пресноводного хозяйства и рыболовства. В Китае внутреннее пресноводное рыбоводство является наиболее важной моделью ведения хозяйства, с общей площадью 5 116,32 тыс. га и производством 30,14 млн тонн в 2019 году (Yu et al., 2020). При интенсивном внутреннем пресноводном рыбоводстве требуется приток высококачественной пресной воды. В свою очередь, сброс сточных вод может загрязнять соседние водные объекты, что вызывает множество экологических проблем.

Как и в животноводстве, в аквакультуре образуется большое количество отходов, таких как несъеденный корм, фекалии и растворенные вещества, которые могут попадать в поверхностные воды и вызывать их загрязнение (Sindilariu et al., 2009). Проблема загрязнения вызывает широкую обеспокоенность, поскольку она негативно влияет на экологическую целостность водных экосистем (Turcios and Papenbrock, 2014). Избыточное поступление азота (N) и фосфора (P) в водные экосистемы может стимулировать рост водорослей и другого фитопланктона, что впоследствии приводит к истощению растворенного кислорода (DO), ухудшению качества воды и даже гибели водных животных (Bhateria and Jain, 2016; Wang et al., 2021). В Китае был введен норматив сброса аквакультурных сточных вод для предотвращения вредного воздействия на окружающую среду (SCT9101-2007) (Ministry of Agriculture and Rural Affairs, 2007). Однако существующие методы очистки аквакультурных стоков, такие как биофильтры и физические фильтры, требуют значительных инвестиций и увеличивают себестоимость продукции, что недоступно для большинства мелких производителей. Поэтому крайне необходимо найти эффективный метод с относительно низкими затратами для решения проблем устойчивого развития внутреннего рыбоводства.

Искусственные водно-болотные угодья (CW) являются одним из наиболее перспективных методов очистки аквакультурных стоков, поскольку они обладают такими преимуществами, как низкая стоимость, экологическая польза и простота эксплуатации и обслуживания (Tepe, 2018; Hang Pham et al., 2021). При интеграции со специальной матрицей и водными растениями CW могут эффективно удалять многие типы загрязняющих веществ из сточных вод, включая органические вещества, N, P, взвешенные вещества, тяжелые металлы и патогенные микроорганизмы, благодаря скоординированному действию биологических, физических и химических процессов (Almuktar et al., 2018; Wang et al., 2021). В то же время микроорганизмы субстрата (например, нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии) играют ключевую роль в трансформации питательных веществ, особенно азота, в сточных водах (Liang et al., 2003; Li et al., 2018).

В аквакультуре CW применялись для очистки сбрасываемых стоков с ферм (Schulz et al., 2003; Sindilariu et al., 2007) или в качестве фильтрующего блока для соединения с установками замкнутого водоснабжения (Zhang et al., 2010; Shi et al., 2011). В зависимости от площади поверхности, в исследованиях или на практике CW классифицируются как лабораторные (< 10 м²) (Saeed and Sun, 2013; Jesus et al., 2017), пилотные (10-100 м²) (Papaevangelou et al., 2016; Uggetti et al., 2016) и промышленные (> 100 м²) (Tilley et al., 2002; Shi et al., 2011) системы. В раннем исследовании сообщалось, что гибридная CW со свободной водной поверхностью и горизонтальным подповерхностным потоком (площадью 5 м²) могла удалять 95% общего неорганического азота и 32-71% фосфора из стоков пруда с молочной рыбой (Chanos chanos) (Lin et al., 2002). Горизонтальная CW с подповерхностным потоком (28 м²) эффективно снижала концентрации общего взвешенного вещества (TSS), химической потребности в кислороде (COD), общего азота (TN) и общего фосфора (TP) в стоках проточного форелевого хозяйства (Chazarenc et al., 2007). Вертикальная CW (80 м²) для очистки воды из аквакультурных прудов показала высокую эффективность, обеспечив снижение аммонийного азота (NH₄⁺-N) на 61,5%, нитратного азота (NO₃⁻-N) на 68% и фосфора на 20% (Li et al., 2007). Shi et al. (2011) построили комбинированную CW (221,0 м²) для очистки солоноватых стоков от коммерческих установок замкнутого водоснабжения и систем сверхинтенсивного выращивания креветок, которая показала хорошее удаление TN (67%), общего аммиачного азота (TAN, 71%) и TSS (66%). Очевидно, что большинство этих исследований проводилось на лабораторных и пилотных системах. Однако опубликованных исследований по практическому применению промышленных CW в аквакультуре Китая относительно мало, и поэтому их очистная способность нуждается в дальнейшей оценке.

Исходя из обозначенных выше проблем, мы построили промышленную интегрированную систему CW (2400 м²) с вертикальным подповерхностным потоком, соединенную с рыбоводными прудами общей площадью 19 200 м² для создания рециркуляционной системы. Целью данного исследования была оценка эффективности системы CW в управлении качеством воды в пруду без водообмена в период выращивания. Кроме того, мы проверили, улучшает ли система качество сточных вод до соответствия нормативам сброса по окончании периода выращивания.

Система аквакультуры и конструкция искусственных водно-болотных угодий

Эксперимент проводился в индустриальном парке современного сельского хозяйства Wujiang (Сучжоу, Китай), где мы построили интегрированную систему CW с вертикальным подповерхностным потоком. Система CW была соединена с 7 рыбоводными прудами общей площадью 19 200 м², образуя рециркуляционную прудовую систему (Рисунок S1).

Система CW (общая площадь 2400 м²) состояла из отстойного пруда (250 м²), аэрационного пруда (250 м²), искусственного водно-болотного угодья (1800 м²) и пруда-стабилизатора (100 м²) (Рисунок S1). Водно-болотное угодье было заполнено тремя слоями материала. Нижний слой был заполнен галькой (диаметр 8-10 см) толщиной 30 см, средний — пелелитом (диаметр 4-6 см) толщиной 25 см, верхний — пелелитом (диаметр 2-4 см) толщиной 25 см. Для посадки в водно-болотное угодье были выбраны три вида макрофитов: Thalia dealbata, Iris germanica и Canna indica в связи с их более высокой способностью к поглощению N, P и металлов. Плотность посадки составляла одно растение/м². Средняя гидравлическая нагрузка (HLR) составляла 0,6 м³/м²·сут, гидравлическое время удерживания (HRT) — 0,83 сут. Вода в рециркуляционной системе CW-рыбоводный пруд в ходе эксперимента не обновлялась. Система работала с начала июня по конец ноября 2020 года.

Выращивание рыбы

Большеротый окунь (Micropterus salmoides) был предоставлен компанией Suzhou Tongli Modern Agriculture Development Co. LTD (Сучжоу, Китай). Плотность посадки составляла 30 000 рыб/га со средней начальной массой 20 ± 2 г/особь. Рыб кормили коммерческим гранулированным кормом, содержащим 47% сырого протеина, 5% сырых липидов, 18,0% сырой золы и 3,0% сырой клетчатки (Changzhou Haida Biological Feed Co., Ltd, Чанчжоу, Китай). В период выращивания рыбу кормили 3–4 раза в день, количество корма составляло примерно 2–4% от массы рыбы. Управление рыбоводством осуществлялось в соответствии с методом, описанным Sun (Sun, 2020). Использование рыбы было одобрено Центром пресноводного рыбного хозяйства (FFRC) Китайской академии рыбохозяйственных наук, Уси, Китай.

Отбор проб воды и определение параметров

В период выращивания рыбы пробы воды отбирались из рыбоводного пруда, отстойного пруда, аэрационного пруда (вход в водно-болотное угодье) и выходного канала водно-болотного угодья один раз в 24-25 дней с 10 июля по 20 октября 2020 года. В период сброса сточных вод пробы воды отбирались из рыбоводного пруда, отстойного пруда, аэрационного пруда (вход в водно-болотное угодье) и выходного канала водно-болотного угодья один раз в 9 дней с 1 по 21 ноября 2020 года. На каждой точке отбора пробы воды отбирались случайным образом методом пяти точек (Jiang et al., 2017).

Температура и DO измерялись с помощью прибора YSI-DO 200 (YSI Inc., Огайо, США), pH измерялся с помощью кислотомера PHS-3CT (Shanghai Huyueming Scientific Instrument Co., LTD, Китай). Параметры качества воды, включая CODₘₙ, TN, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N, NH₄⁺-N и TP, измерялись с использованием стандартных методов (Wei, 2002). Содержание COD измеряли с использованием перманганата калия в качестве окислителя. Концентрацию TN определяли методом щелочного персульфатного окисления. Концентрацию TP определяли молибдатным спектрофотометрическим методом. Концентрацию NO₃⁻-N определяли методом УФ-спектрофотометрии. NO₂⁻-N определяли с использованием N-(1-нафтил)-этилендиамина в качестве хромогенного реагента. Концентрацию NH₄⁺-N анализировали спектрофотометрическим методом с реактивом Несслера. Эффективность удаления (%) каждого параметра качества воды системой CW рассчитывали по следующей формуле:

где C₀ и C₁ — концентрация целевого параметра на выходе и входе водно-болотного угодья соответственно.

Статистический анализ

Данные были проанализированы с использованием SPSS 24.0, значения выражены как среднее ± стандартная ошибка среднего (SEM). Нормальность распределения оценивалась с помощью критерия Колмогорова–Смирнова, однородность дисперсии проверялась с помощью критерия Ливена. Различия между группами анализировались с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с последующим критерием LSD. Значения P менее 0,05 считались статистически значимыми.

Эксплуатационные параметры интегрированной системы CW

В течение экспериментального периода в рыбоводном пруду, отстойном пруду, аэрационном пруду и на выходе CW наблюдалось сходное изменение температуры в диапазоне от 20,7°C до 32,2°C. Среднее значение pH составило 7,31 ± 0,15, 7,29 ± 0,19, 7,17 ± 0,34 и 7,09 ± 0,28 в рыбоводном пруду, отстойном пруду, аэрационном пруду и на выходе CW соответственно. Среднее значение DO составило 5,82 ± 0,51 мг/л, 5,07 ± 0,37 мг/л, 6,38 ± 0,58 мг/л и 2,07 ± 0,29 мг/л в рыбоводном пруду, отстойном пруду, аэрационном пруду и на выходе CW соответственно. Снижение DO указывало на истощение кислорода в CW, что может быть связано с аэробным дыханием гетеротрофных микроорганизмов (Hang Pham et al., 2021). В течение экспериментального периода интегрированная система CW работала стабильно.

Изменения параметров качества воды в период выращивания рыбы

В период выращивания рыбы концентрация TN последовательно снижалась при прохождении воды через отстойный пруд, аэрационный пруд и CW, причем значимое различие наблюдалось между входом и выходом CW (p<0,05; Рисунок 1A). Средняя концентрация TN составила 8,65 мг/л, 8,25 мг/л, 7,82 мг/л и 5,33 мг/л в рыбоводном пруду, отстойном пруду, аэрационном пруду (вход CW) и на выходе CW соответственно. Общая эффективность удаления TN интегрированной системы CW в период мониторинга составила от 24,93 до 43,73% (Рисунок 1B).

Рисунок 1. Эффективность удаления TN и TP интегрированной системой CW в период выращивания рыбы. (A) Значения TN в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (B) Эффективность удаления TN в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. (C) Значения TP в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (D) Эффективность удаления TP в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. Значения выражены как среднее ± SE (n=5). Разные строчные буквы на столбчатой диаграмме указывают на значимые различия (p<0,05) между рыбоводным прудом, отстойным прудом, входом CW (аэрационный пруд) и выходом CW.

Интегрированная система CW значительно снижала концентрацию TP в стоках из рыбоводного пруда, при этом значение TP на входе CW было заметно выше, чем на выходе CW (p<0,05; Рисунок 1C). При этом наблюдалась стабильная общая эффективность удаления TP в диапазоне 61,92–72,19%. Средняя эффективность удаления составила 4,02%, 4,76% и 62,79% в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW соответственно (Рисунок 1D).

Как показано на Рисунке 2A, средняя концентрация NH₄⁺-N в воде в целом снижалась от рыбоводного пруда к выходу CW, причем это снижение было значимым между входом и выходом CW в период выращивания рыбы (p<0,05). Средняя эффективность удаления NH₄⁺-N составила 2,75%, 2,82% и 60,81% в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW соответственно (Рисунок 2B).

Рисунок 2. Эффективность удаления NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N и CODₘₙ интегрированной системой CW в период выращивания рыбы. (A) Значения NH₄⁺-N в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (B) Эффективность удаления NH₄⁺-N в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. (C) Значения NO₂⁻-N в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (D) Эффективность удаления NO₂⁻-N в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. (E) Значения NO₃⁻-N в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (F) Эффективность удаления NO₃⁻-N в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. (G) Значения CODₘₙ в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (H) Эффективность удаления CODₘₙ в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. Значения выражены как среднее ± SE (n=5). Разные строчные буквы на столбчатой диаграмме указывают на значимые различия (p<0,05) между рыбоводным прудом, отстойным прудом, входом CW (аэрационный пруд) и выходом CW.

Изменение уровня NO₂⁻-N следовало тенденции, сходной с NH₄⁺-N, снижаясь от 0,04 мг/л (среднее) в рыбоводном пруду до 0,016 мг/л (среднее) на выходе CW при прохождении воды через отстойный пруд, аэрационный пруд и CW (Рисунок 2C). В частности, уровень NO₂⁻-N был значительно снижен на выходе CW по сравнению с входом CW в период с 10 июля по 20 октября (p<0,05), а средняя общая эффективность удаления NO₂⁻-N составила 60,54% (Рисунок 2D).

Интегрированная система CW показала высокую эффективность удаления NO₃⁻-N со средней общей эффективностью удаления 59,66% (Рисунок 2F). Кроме того, средняя концентрация NO₃⁻-N составила 0,135 мг/л, 0,127 мг/л, 0,117 мг/л и 0,055 мг/л в рыбоводном пруду, отстойном пруду, аэрационном пруду (вход CW) и на выходе CW соответственно, причем значимое различие наблюдалось между входом и выходом CW (p<0,05; Рисунок 2E).

CODₘₙ часто используется для оценки содержания COD в аквакультурных стоках. Концентрация CODₘₙ демонстрировала нелинейное снижение в разные сроки отбора проб при прохождении воды через отстойный пруд, аэрационный пруд и CW (Рисунок 2G). Примечательно, что значение CODₘₙ на входе CW было выше, чем на выходе CW (p<0,05). При этом система показывала стабильную эффективность удаления CODₘₙ с диапазоном удаления 30,51–42,79% (Рисунок 2H).

Изменения параметров качества воды в период сброса сточных вод

В период сброса сточных вод средняя концентрация TN снизилась с 9,89 мг/л до 4,92 мг/л при прохождении воды из рыбоводного пруда через систему CW (Рисунок 3A). По сравнению с входом CW, значение TN было значительно снижено на выходе CW (p<0,05), со средней эффективностью удаления 43,17% (Рисунок 3B).

Рисунок 3. Эффективность удаления TN и TP интегрированной системой CW в период сброса сточных вод. (A) Значения TN в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (B) Эффективность удаления TN в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. (C) Значения TP в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (D) Эффективность удаления TP в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. Значения выражены как среднее ± SE (n=5). Разные строчные буквы на столбчатой диаграмме указывают на значимые различия (p<0,05) между рыбоводным прудом, отстойным прудом, входом CW (аэрационный пруд) и выходом CW.

Аналогично, концентрация TP была эффективно снижена системой CW. Концентрация TP заметно снизилась с 0,25 мг/л в рыбоводном пруду до 0,09 мг/л на выходе CW, с относительно стабильной средней эффективностью удаления 64,48% (p<0,05; Рисунок 3C). Эффективность удаления составила 2,18–8,49% в отстойном пруду, 7,16–10,10% в аэрационном пруду и 55,37–62,89% в CW (Рисунок 3D).

Как показано на Рисунке 4A, концентрация NH₄⁺-N демонстрировала тенденцию к снижению в воде от рыбоводного пруда к выходу CW, причем значимое различие наблюдалось между входом и выходом CW (p<0,05). Средняя эффективность удаления составила 5,73%, 9,81% и 54,57% в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW соответственно (Рисунок 4B).

Рисунок 4. Эффективность удаления NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N и CODₘₙ интегрированной системой CW в период сброса сточных вод. (A) Значения NH₄⁺-N в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (B) Эффективность удаления NH₄⁺-N в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. (C) Значения NO₂⁻-N в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (D) Эффективность удаления NO₂⁻-N в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. (E) Значения NO₃⁻-N в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (F) Эффективность удаления NO₃⁻-N в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. (G) Значения CODₘₙ в рыбоводном пруду, отстойном пруду, на входе CW (аэрационный пруд) и выходе CW. (H) Эффективность удаления CODₘₙ в отстойном пруду, аэрационном пруду и CW. Значения выражены как среднее ± SE (n=5). Разные строчные буквы на столбчатой диаграмме указывают на значимые различия (p<0,05) между рыбоводным прудом, отстойным прудом, входом CW (аэрационный пруд) и выходом CW.

Концентрация NO₂⁻-N последовательно снижалась в рыбоводном пруду, отстойном пруду, аэрационном пруду (вход CW) и на выходе CW, причем это снижение было значимым между входом и выходом CW (p<0,05; Рисунок 4C). Интегрированная система CW демонстрировала стабильную эффективность удаления в диапазоне 54,27–58,55% в период сброса сточных вод (Рисунок 4D).

Изменение уровня NO₃⁻-N следовало тенденции, сходной с NO₂⁻-N. Средний уровень NO₃⁻-N составил 0,126 мг/л, 0,115 мг/л, 0,107 мг/л и 0,047 мг/л в рыбоводном пруду, отстойном пруду, аэрационном пруду (вход CW) и на выходе CW соответственно (Рисунок 4E). Интегрированная система CW значительно снижала уровень NO₃⁻-N в аквакультурных стоках, со средней общей эффективностью удаления 62,65% (Рисунок 4F).

В период сброса сточных вод средняя концентрация CODₘₙ составила 11,03 мг/л, 10,30 мг/л, 9,95 мг/л и 6,84 мг/л в рыбоводном пруду, отстойном пруду, аэрационном пруду и на выходе CW соответственно (Рисунок 4G), причем значение на выходе CW было значительно ниже, чем на других точках отбора (p<0,05). При этом интегрированная система CW оказывала заметное влияние на снижение CODₘₙ, с диапазоном эффективности удаления от 32,33% до 43,04% (Рисунок 4H).

В аквакультурных стоках неорганический азот является ключевым загрязнителем, образующимся в основном из остатков корма и фекалий (Piedrahita, 2003). Перегрузка азотом может вызывать эвтрофикацию, цветение водорослей и аноксию воды, что может дополнительно приводить к аномальным изменениям в физиологии и поведении водных животных (Banerjee et al., 2021). Таким образом, уровень TN является распространенным параметром для оценки качества воды в аквакультуре. CW (9,5 м²) использовалась для очистки стоков из установки замкнутого водоснабжения при выращивании Oreochromis niloticus, и эффективность удаления TN составила 95,5% (Behrends et al., 1999). Аналогично, Lin et al. (2002) построили гибридную CW (5 м²) для очистки стоков при выращивании Chanos chanos, и концентрация TN была значительно снижена системой CW. Zhang et al. (2010) использовали промышленную CW (320 м²) для улучшения качества воды при выращивании Ictalurus punctatus, и эффективность удаления TN составила 48%. Кроме того, эффективность удаления TN зависела от типа систем CW: например, 12,4% в плавучей CW, 64,7% в горизонтальной CW с подповерхностным потоком и 23,0% в CW с поверхностным потоком (Bai et al., 2020). В настоящем исследовании эффективность удаления TN составила 36,85% в период выращивания рыбы и 50,24% в период сброса сточных вод, что указывает на высокую эффективность удаления неорганического азота интегрированной системой CW. Кроме того, среднее значение TN на выходе CW в период сброса сточных вод составило 4,92 мг/л, что соответствует качеству воды класса II согласно китайскому нормативу сброса пресноводных сточных вод (SCT9101-2007).

В практике аквакультуры NH₄⁺-N, NO₂⁻-N и NO₃⁻-N являются широко распространенными загрязнителями и привлекают наибольшее внимание из-за их высокой токсичности для водных животных (Molayemraftar et al., 2022). Сообщается, что высокие уровни NH₄⁺-N и NO₂⁻-N ингибируют ростовые показатели, вызывают повреждение тканей или даже гибель водных животных (Ip and Chew, 2010; Kroupova et al., 2018). Хроническое воздействие NO₃⁻-N снижает рост, повышает восприимчивость к гипоксии, нарушает эндокринную систему и влияет на состояние здоровья рыб (Monsees et al., 2017; Kellock et al., 2018; Isaza et al., 2021). Сообщалось, что CW является эффективной и экономически выгодной практикой управления для поддержания приемлемых концентраций NH₄⁺-N, NO₂⁻-N и NO₃⁻-N (Lin et al., 2010). Mahmood et al. (2016) создали систему CW-коммерческие пруды для Macrobrachium rosenbergii и обнаружили, что было удалено 43,8% NO₃⁻-N, 25,7% NH₄⁺-N и 14,3% NO₂⁻-N. В лабораторной замкнутой установке рециркуляционной аквакультуры горизонтальная CW с подповерхностным потоком удаляла 99% NO₂⁻-N и 82–99% NO₃⁻-N, но имела более низкую эффективность удаления NH₄⁺-N (10%) (Hang Pham et al., 2021). В данной работе система CW показала высокую и стабильную эффективность удаления NH₄⁺-N (62,93%), NO₃⁻-N (59,66%) и NO₂⁻-N (60,54%) и значительно улучшила качество воды из рыбоводного пруда в период выращивания рыбы. Следует отметить, что средняя концентрация NH₄⁺-N на выходе CW в период сброса сточных вод была ниже 0,5 мг/л, что соответствует экологическому стандарту качества класса II для поверхностных вод Китая (GB3838-2002). Данные также показали, что интегрированная система CW имела высокую эффективность удаления неорганического азота из аквакультурных стоков, что снижает загрязнение окружающей среды, связанное с аквакультурой.

В системе CW удаление азота является сложным процессом, который может быть связан с осаждением, поглощением водными растениями, адсорбцией материалами матрицы и биодеградацией (Liu et al., 2019; Lu et al., 2020). Азот как необходимый питательный элемент может поглощаться водными растениями, поэтому в CW высаживаются некоторые водные растения для удаления азота. CW с посадками Thalia dealbata и Pontederia cordata показали эффективность удаления TN 66,44% и 68,56% и эффективность удаления NH₄⁺-N 54,09% и 77,39% соответственно (Liu, 2011). В CW с посадками Canna indica эффективность удаления NH₄⁺-N составляла 45,3-84,5% (Zhu et al., 2004). В данном исследовании в CW были высажены Thalia dealbata, Iris germanica и Canna indica для очистки стоков из рыбоводного пруда, что отражает связь удаления неорганического азота с поглощением водными растениями. Однако некоторые исследователи предполагают, что CW удаляют азот в основном через аммонификацию, нитрификацию и денитрификацию, а не через поглощение водными растениями (Uusheimo et al., 2018; Liu et al., 2019; Lu et al., 2020). Кроме того, сообщалось, что субстраты CW, такие как галька и пелелит, обладают высокой адсорбционной способностью по отношению к азоту (Wang et al., 2018). Предыдущее исследование показало, что в промышленных системах CW эффективность удаления TN часто составляет около 40%, при этом лимитирующими факторами являются концентрация органического углерода и низкий уровень DO (Xie et al., 2018; Lu et al., 2020). В данном исследовании мы предположили, что основным лимитирующим фактором для удаления азота был уровень DO (2,07 ± 0,29 мг/л на выходе CW), поскольку гетеротрофные микроорганизмы играют важную роль в процессе удаления азота (Friedland, 2004).

Помимо азота, уровень фосфора является еще одним важным параметром оценки качества воды. Фосфор может стимулировать рост водорослей и оказывает значительное влияние на продукцию микроцистинов Microcystis aeruginosa в водной среде (Dai et al., 2016). Высокая концентрация фосфора не только ухудшает качество воды (Smith et al., 1999), но и вызывает накопление микроцистинов за счет увеличения биомассы Microcystis (Wang et al., 2010). CW обладают потенциалом для очистки фосфора в аквакультурных стоках. Например, CW в качестве рециркуляционного фильтра в крупномасштабном креветочном хозяйстве была эффективна в удалении TP (65%) (Tilley et al., 2002); лабораторная CW значительно удаляла TP (средняя эффективность удаления 31%) из воды при выращивании Litopenaeus vannamei (Hang Pham et al., 2021). В соответствии с предыдущими исследованиями, наши данные показали, что интегрированная система CW эффективно удаляла TP со средней эффективностью удаления 65,95% в период выращивания рыбы. Интересно, что наши данные также показали, что средняя концентрация TP на выходе CW составила 0,09 мг/л, что ниже порогового значения (0,5 мг/л) в нормативе сброса пресноводных сточных вод класса II Китая (SCT9101-2007). Удаление фосфора в CW представляет собой многосторонний процесс, включающий физические, химические и биологические механизмы (Sindilariu et al., 2007). Он также зависит от экологических условий, типа CW и высаженных макрофитов (Kumar and Dutta, 2019). Фосфор как необходимый минерал может поглощаться макрофитами в системе CW. Различные макрофиты обладают разной поглощающей способностью по отношению к фосфору, например, 48,1% для Canna indica и 76% для Thalia dealbata (Bu et al., 2010; Yang et al., 2021). Кроме того, удаление фосфора было связано с адгезионной способностью различных фильтрующих материалов в CW (Vohla et al., 2011; Wu et al., 2015).

Как и TN и TP, концентрация COD является ключевым контролируемым параметром в период сброса аквакультурных стоков. Он также используется для оценки органических загрязнителей в водной среде. Многочисленные исследования показали, что CW оказывают значительно положительное влияние на удаление органических веществ с эффективностью снижения COD 59,7–89,0% (Tuszyńska and Obarska-Pempkowiak, 2008). В настоящем исследовании концентрация COD также была значительно снижена системой CW с эффективностью удаления 28,37–42,79%. При этом средняя концентрация COD составила 6,84 мг/л, что ниже порогового значения (15 мг/л) в китайском нормативе сброса пресноводных сточных вод (SCT9101-2007). В CW COD может удаляться за счет осаждения и фильтрации взвешенных веществ (Hang Pham et al., 2021). Однако наши данные показали, что эффективность удаления COD в отстойнике составляла 5,88-7,33%, что значительно ниже, чем в CW, что отражает тот факт, что COD удалялся в основном за счет фильтрации через материалы CW. С другой стороны, биодеградация аэробными и анаэробными микроорганизмами также была важным механизмом удаления органических веществ (Kumar and Dutta, 2019). В процессе аэробной биодеградации перенос кислорода может быть лимитирующим фактором для удаления COD. Таким образом, невысокое снижение COD в данном исследовании может быть связано с уровнем DO (2,07 ± 0,29 мг/л на выходе CW).

В данном исследовании мы построили промышленную вертикальную CW с подповерхностным потоком, соединенную с рыбоводными прудами, которая работала стабильно в периоды выращивания рыбы и сброса сточных вод. В период выращивания рыбы интегрированная система CW демонстрировала высокую и стабильную эффективность удаления TN на уровне 24,93–43,72%, TP на уровне 61,92–72,18%, NH₄⁺-N на уровне 56,29–68,63%, NO₃⁻-N на уровне 56,66–64,81% и NO₂⁻-N на уровне 56,42–64,19%. В период сброса сточных вод средние значения трех ключевых параметров контроля стоков — TN, TP и COD — составили 4,92 мг/л, 0,09 мг/л и 6,84 мг/л соответственно, что соответствует качеству воды класса II согласно китайскому нормативу сброса пресноводных сточных вод (SCT9101-2007). В заключение, данное исследование наглядно продемонстрировало, что применение системы CW является экологически устойчивой стратегией очистки сточных вод в условиях интенсивного рыбоводства.

Дополнительные материалы к этой статье можно найти онлайн по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2022.1000703/full#supplementary-material

Li B, Jia R, Hou Y and Zhu J (2022) Treating performance of a commercial-scale constructed wetland system for aquaculture effluents from intensive inland Micropterus salmoides farm. Front. Mar. Sci. 9:1000703. doi: 10.3389/fmars.2022.1000703

Перевод статьи «Treating performance of a commercial-scale constructed wetland system for aquaculture effluents from intensive inlandMicropterus salmoidesfarm» авторов Li B, Jia R, Hou Y and Zhu J., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык