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水专项巡礼 | 水产养殖场抗生素类新型污染物减排示范工程研究成果
水产养殖场抗生素类新型污染物
减排示范工程研究成果
研究背景与目标
抗生素（antibiotics）是目前环境科学研究领域中的一个热点问题。抗生素广泛应用于人和动物体疾病的防治以及动物饲养中的生长促进剂。大部分抗生素经使用后，并不能被机体所吸收，而是以原形或活性代谢产物的形式随粪便或尿液排出体外，最终直接或间接进入受纳环境[1]，对人体健康和生态安全造成潜在的威胁[2]；而且，抗生素在环境中的残留会对细菌产生选择性压力，驱动细菌的变异和水平基因转移，从而导致耐药菌和耐药基因问题的加剧[3]。
我国淡水养殖产量从1990年起一直位于世界第一，居民食品中约1/3的动物性蛋白来自水产品，渔业的发展满足了人们生活质量提高的需求[4]。水产养殖过程中，部分水产养殖户为预防和治疗水产动物疾病，大量甚至过量使用抗生素，水产养殖业抗生素主要集中在两个环节，一是饲料生产环节，企业向饲料中添加抗生素；第二个环节是养殖户在养殖过程中向饲料中添加抗生素和向水体中泼洒抗生素[5]。水产养殖过程中使用的抗生素70-80%最终进入水环境和底泥中，与其他养殖业不同的是，水产养殖业抗生素是直接进入水体的，并对水生态产生影响。有研究表明，我国已经成为抗生素生产量和使用量最大的国家[6]，我国2007年的抗生素年生产量达21万吨，其中有46.1%应用于畜牧业，几乎是美国1999年在畜牧业中使用的抗生素总量的4倍[7]。另外，我国2013年的抗生素使用量惊人，达9.27万吨；其中近5.40万吨的抗生素由于人类和动物体的不完全吸收而被排出体外，经污水处理厂等污水处理工艺处理之后，最终仍有5.38万吨抗生素进入环境[8]。
2019年2月，农业农村部等10部委联合印发《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》，提出推进养殖尾水治理，推动出台水产养殖尾水污染物排放标准，依法开展水产养殖项目环境影响评价。水产养殖业的环境污染问题，一直是社会关注的热点问题，尤其是在水源地等环境敏感区。
为贯彻落实《上海市水污染防治行动计划实施方案》和《上海市都市现代绿色农业发展三年行动计划（2018-2020年）》相关要求，依托国家科技重大专项“太浦河金泽水源地水质安全保障综合示范”（2017ZX07207）子课题“金泽水源地养殖业抗生素和激素类新型污染物防控关键技术研究与示范（2017ZX07207002）”项目支持，上海市环境科学研究院牵头，上海水生环境工程有限公司承担的水产养殖场抗生素类新型污染物减排示范工程，根据金泽水源地水源区水质保障的科技需求，针对水产养殖尾水中抗生素残留问题，以青浦沙田湖水产养殖场为研究对象，根据其排水规律，通过养殖尾水末端处置关键技术的工艺流程和技术参数研究，设计建造了水产养殖业常规和新型污染物协同净化示范工程建设，开展以常规和新型污染物协同净化为目标的水产养殖尾水污染物净化技术研究应用。通过为期3个月的第三方监测，初步评价了示范工程常规和新型污染物的净化效果，得出在湿地增加金属负载型湿地模块的情况下，水产养殖尾水中常规和抗生素类新型污染物去除效率均可达到30%以上，达到项目既定的考核目标。
研究成果
水产养殖尾水污染物特征 本项目调研了金泽水源地上游浙江及水源地周边养殖区域水产主管部门（区畜牧水产科、水产推广站、渔业协会）、各类渔药店及典型水产养殖场（鱼、虾、蟹等），掌握了水产养殖药物投入品的主要类型、使用方式等现状情况，并对水产养殖尾水和底泥中的抗生素残留情况进行分析。在此基础上，结合近三年（2015~2018年）水产品中的药物残留检测情况，提出水产养殖生产环节2种严格管理的抗菌药物和3种重点管理抗菌药物及其管理对策建议。该研究成果已形成《关于加强本市养殖业抗菌药物使用管理的通知》（沪农委规〔2019〕14号），于2019年7月12日作为上海市农业农村委委员会规范性文件实施。 本研究示范工程在上海市青浦区金泽镇沙田湖水产养殖场内，，水产养殖面积约500亩，水产养殖品种主要有蟹、南美白对虾、四大家鱼等。各养殖品种中四大家鱼污染负荷相对较高，总氮、总磷、高锰酸盐指数均呈现夏季高，冬春季低的特点。总氮夏季最高可达8.4 mg/L，冬季最低平均为1.99 mg/L；总磷夏季最高平均0.3 mg/L，春季最低0.11 mg/L；高锰酸盐指数夏季最高15.32 mg/L，冬季7.2 mg/L。养殖塘中磺胺类抗生素、诺氟沙星、四环素被检出率较高，其中磺胺嘧啶最高可达301.5 ng/L。 水产养殖尾水污染减排工程工艺设计
示范工程占地约5100 m2，服务水产养殖面积33.7亩，水产养殖品种以四大家鱼为主，除冬季捕鱼集中排水外，夏季（7-9月）排水量最大，日平均排水量约2400 m3。课题组重点对水产养殖尾水中常规和新型污染物协同净化进行工艺设计，设计沉淀池（542 m2）、低氧塘（535 m2）、表面流湿地（1122 m2）、一级氧化塘（1003 m2）、水平潜流湿地（712 m2）、可拆卸金属负载型湿地（330 m2）、二级氧化塘（702 m2）等核心处理单元，以满足常规污染物（总氮、总磷、高锰酸盐指数）出水指标达到国家地表水Ⅳ类标准（GB3838-2002）、抗生素等新型污染物削减30%的目标。
图 1 水产养殖尾水常规和新型污染物去除工艺流程
工程运行操作管理
本项目水产养殖场抗生素新型污染物减排示范工程采用“常规湿地+可拆卸金属负载型湿地+沉水植物氧化塘”的复合型人工湿地处理工艺，日常运行操作管理步骤如下：
水产养殖塘尾水通过自流或提升泵提升到生态沟，在沟渠中截留一部分悬浮物，然后通过湿地系统进水渠进入沉淀池，沉淀池中设有粗细格栅对进水中的较大固体以及悬浮物进一步截留和沉降。
养殖尾水在湿地中通过自流的方式依次经过低氧塘、表流湿地、一级氧化塘、水平潜流湿地等单元以净化水体中的总氮、总磷、高锰酸盐指数等常规污染物。
经过常规湿地净化后的养殖尾水自流进入可拆卸金属负载型湿地模块，对水体中的抗生素进行进一步降解。可拆卸金属负载型湿地模块，主材为吸附釩酸铋的活性碳纤维，片状，规格为1 m×2 m×0.05 m，采用不锈钢或镀锌钢管框架固定。
二级氧化塘主要功能是储水和进一步降解水体中的常规污染物，经过湿地处理后的养殖尾水根据需要可以回用到养殖塘中，也可以直接排入外河道。
图 2 水产养殖场示范工程现场运行情况
核心单元控制参数
为实现水产养殖尾水中氮磷等常规污染物和抗生素等新型污染物的有效去除，水产养殖场可结合养殖品种、规模选用合适的湿地处理模块，并在运行过程根据实际运行效果适当调整运行参数。
人工湿地对常规污染物去除污染负荷总氮宜取1.0~3.0 g/m2·d，总磷0.08-0.20 g/m2·d，水力表面负荷≤ 0.3 m3/m2·d。
人工湿地采用金属负载型湿地模块，该模块对抗生素去除的污染负荷宜取0.2-0.4 g/m2·d，水力停留时间一般不低于4h。
减排效果监测评估
通过对示范工程进出水中常规及新型污染物含量的连续监测得出，湿地稳定运行后，湿地出水总氮、总磷、高锰酸盐指数平均浓度为1.34 mg/L，0.08 mg/L和6.132 mg/L，去除率分别为63.9%、65.1%和39.7%。出水抗生素总浓度为59.5 ng/L（均值），去除率70.6%。
在常规人工湿地处理模块的基础上增加可拆卸金属负载型湿地模块，可起到常规和新型污染物协同净化的效果，可推广应用。
研究成果推广展望成果
本课题针对水产养殖尾水中常规和抗生素等新型污染物风险问题，通过设计基于可拆卸的金属负载型人工湿地模式，集成了常规污染物和新型污染物协同净化的工程，对于氮磷等常规污染物的去除率平均在40%以上，对抗生素的去除率可达70%，成本适中，运行管理简单，可在长三角地区乃至全国推广应用。
“十四五”期间，需在持续跟踪评估不同水产养殖品种养殖尾水末端处置技术应用效果的基础上，编制可行技术指南，推广应用“十三五”形成的水产养殖业常规和抗生素类新型污染物减排技术成果，进一步提升水源水库周边及上下游区域水产养殖生产和水质监测监控管理水平。
参考文献References
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