养殖水处理技术的研究进展.pdf 7页

'第20卷第2期大连水产学院学报Vo.l20No.22005年6月JOURNALOFDALIANFISHERIESUNIVERSITYJun.2005#综述#文章编号:1000-9957(2005)02-0142-07养殖水处理技术的研究进展11112刘长发,晏再生,张俊新,何洁,郗洪军(1.大连水产学院农业部海洋水产增养殖学与生物技术重点开放实验室,辽宁大连116023;2.大连力达环境工程有限公司,辽宁大连116600)摘要:工厂化封闭循环水养殖的关键技术之一是水处理技术。作者针对养殖废水的特点,综述了用固/液分离、泡沫分离、膜过滤、生物过滤、臭氧处理、紫外辐射消毒等技术处理养殖废水的原理及最新研究进展。关键词:废水处理技术;循环水养殖;养殖水中图分类号:S96;X70311文献标识码:A随着水产养殖业尤其是海水养殖业的迅速发展,养殖方式也由半集约化向高度集约化发展。随之产生的养殖废水中可能包括来源于粪便和饲料的颗粒态固体废物、溶解态代谢废物、溶解态营养盐、[1]抗微生物制剂和药物残留等,因而当其大量被排放后,可导致养殖水及邻近水域富营养化或水质[2]恶化。/流水0养殖和/开放系统0养殖也会出现两个问题,即加热和泵唧需大量能量,以及向环[3]境中大量排放废水。面对水资源及水环境资源的日益匮乏,寻求一种可持续的、/绿色0水产养殖[4][5]模式显得尤为重要。工厂化循环水养殖就是发展集约化、健康和环境友好的养殖方向,采用工[2、6]厂化循环水养殖可以降低水产养殖废水排放对环境的潜在影响,而这种养殖方式的核心技术之一就是水处理技术。与工业废水和生活污水相比,水产养殖产生的废水具有两个明显的特点,即潜在污[7]染物的含量低和水量大,加之海水盐度效应,以及养殖废水中污染物的主要成分、结构与常见陆[8]源污水的差异,增加了养殖废水的处理难度,因此,很多污水处理技术的应用效果不佳,需要对处理技术和工艺加以改进。通常养殖废水中的营养性成分、溶解有机物、悬浮固体(SS)和病原体是处理的重点,国内外水产养殖和环境学者针对养殖废水处理技术进行了大量研究,以期开发出实用的养殖废水处理技术和工艺。目前,相对成熟的水处理技术主要有固/液分离技术、泡沫分离技术、膜过滤技术、生物过滤技术、臭氧处理水技术和紫外辐射消毒技术等。作者就这些技术的研究工作进展加以评述。1固/液分离技术固/液分离技术主要是针对养殖废水中悬浮固体去除的废水处理技术。悬浮固体废物的去除是一个固/液分离的过程,按照悬浮颗粒物的特性(密度、颗粒的大小),又可分为机械过滤和重力分离[9]两种技术。111机械过滤机械过滤是水产养殖系统中用来进行固/液分离的主要手段,它利用液相中颗粒物粒径大小不同的特点,以一定孔径的筛网截留颗粒物,达到去除悬浮固体颗粒物的目的。机械过滤通常可去除粒径60~200Lm的颗粒物。常用的机械过滤设备有固定筛、旋转筛、振动筛、砂滤器,其中砂滤器是采收稿日期:2004-05-26基金项目:辽宁省教育厅高校科研资助项目(20102135);欧盟FWP5INCO2资助项目(ICA4-CT-2001-10025)作者简介:刘长发(1964-),男,教授。E-mai:lliuc@fdlfu1edu1cn 第2期刘长发,等:养殖水处理技术的研究进展143用填充一定粒径的介质(砂子或其它微粒物质)形成孔隙截留水中的固体颗粒物,这种分离作用受[5]颗粒物从悬浮转移到滤器介质上的途径控制,如网状滤器、颗粒介质滤器和多孔介质滤器等。112重力分离重力分离是利用重力从液相中分离固体颗粒物。由于固体颗粒和液相的密度不同(即颗粒的密度大),在相对静止的液柱内,固体颗粒物在重力作用下发生沉积。其沉积过程可分为4类:水中悬浮物浓度较低且不发生相互干扰的离散沉积(discretesettling)或自由沉淀(类型I);悬浮物浓度不高但颗粒之间有絮凝作用的阻滞沉积(hinderedsettling)或絮状沉积(flocculentsettling)(类型II);悬浮颗粒物浓度较高且颗粒沉降受周围颗粒影响的区域沉积(Zonesettling)或成层沉淀(类型III);[9]高浓度颗粒之间挤压聚集成团块结构沉淀的压缩沉积(compressionsettling)(类型IV)。在水产养[10]殖业中,因循环水养殖系统中悬浮颗粒物的平均相对密度(1119)略大于水的相对密度,可采用重力分离技术。常用的重力分离技术有自然沉淀法(如沉淀槽、管状沉淀器)和水力旋转法(如水力旋流器、离心机)等,可沉积固体均可采用这种方法去除。另外,通过加入化学絮凝剂,如明矾[11]和氯化铁等也可促进悬浮颗粒物以及磷的去除,其中磷的去除效率可达89%~93%。对于采用离心机来处理养殖废水,只有续流式离心机才有实用价值,但投入成本高,一般很少采用。2泡沫分离技术泡沫分离技术又称浮选分离技术,主要处理养殖废水中的小颗粒固体废物(粒径小于50Lm)和溶解性有机物,如溶解蛋白质、有机酸等。这种技术通过向水体中通入空气,使水中具表面活性的物质和颗粒物被微小的气泡吸附,并借气泡的浮力上升到水面形成泡沫,分离泡沫即可达到去除水中[12]溶解有机物和悬浮物的目的。Timmons对用于水产养殖系统中的泡沫分离技术进行了详细评述,其中包括泡沫浓缩特征以及挥发性固体与总悬浮固体(TSS)和N之间的关系等,并对挥发性固体和微细悬浮颗粒物去除速率的估算进行了数学描述,在这些数学模型中,所描述的影响因素包括表面气体速率、颗粒物粒径、气泡直径、蛋白质浓度、pH、气体空隙比、泡沫溢流高度、柱液体流速及柱几何变量(如柱直径和淹没深度)。泡沫分离技术常用于封闭和循环海水养殖系统中,因为在海水中易产生泡沫,而在淡水养殖系统中仅在有机物浓度较高的情况下才使用该技术。3膜过滤技术膜过滤技术分为微滤和超滤技术,微滤膜(孔径011~10Lm)用于微米级颗粒的分离和浓缩,[13]而超滤膜则主要用于相对分子质量为1000~500000物质的分离。膜过滤技术主要采用不同孔径的膜滤除颗粒物,是依膜孔径截留不同粒径颗粒物的过程。水产养殖中采用膜过滤技术主要处理直径[14]小于20~25Lm的微颗粒,这些微颗粒采用一般的固/液分离技术很难加以去除。横流式微滤及超滤技术提供了一种对小粒径颗粒物的去除方法,这种膜过滤技术可用于循环水养殖系统的废水处理,[14]尤其是用于养殖经济价值较高的水产品产生的废水处理。ViaderoJr1等的研究表明,采用孔径0105Lm的膜,可去除水质中大于94%的TSS和76%的有机物(BOD)。4生物过滤技术[15]广义的生物学过滤包括任何利用活生物从水中去除杂质的过滤技术。采用生物过滤技术主要去除或转化养殖废水中溶解的无机物或有机物。目前采用较多的生物过滤技术包括植物过滤、硝化微生物过滤和反硝化微生物过滤等。411植物过滤植物过滤主要是利用植物光合作用吸收无机氮、磷后转化为有机物,达到去除水中营养性污染物的目的。目前,水产养殖废水处理中采用较多的植物过滤技术有藻类过滤技术、水培植物技术和人工湿地净化技术。 144大连水产学院学报第20卷41111藻类过滤技术藻类过滤技术是一种较好的植物过滤技术。在海水养殖中多采用大型藻类,[16~18][17][19]主要有石莼Ulva、红藻Gracilaria、红皮藻Palmariamollis等。近年来,由于微藻利用及收获技术的研究得到了关注,微藻过滤养殖废水技术也随之得到发展,如序批式微藻过滤技术(se-quentialbatchfiltrationofmicroalgae)、微藻稀释培养技术(dilutionofmicroalgae)、微藻固定化技[20]术、牧食生物混合培养技术(microalgae-herbivorechain)(如利用硅藻Chaetocerossp1和贝类或[21、22]虾类组成的复合养殖系统)等为微藻的收获利用提供了技术保证。41112水培植物技术养殖废水中含有的有机或无机营养物质恰恰是水培植物生长所必需的,因而可以利用种植水培植物的方法去除营养物。水培植物技术是将循环水水产养殖系统与水培蔬菜、花卉[23]或草药生产系统相连,组成复合生物系统。一般在不减少生产力和降低产品质量的条件下,利用[24]种植粮食作物来清洁养殖废水的方法不能将水中的营养物去除至较低水平,因此,目前研究较多[24~26]的是蔬菜水培技术。如罗非鱼Oreochromisniloticus-莴苣Lactucasaticalongifoliacv1Jericho复合[25]养殖-水培系统;在采用薄膜技术开发的传送带生产系统(conveyorproductionsystem,CPS)中,[24]利用莴苣LactucasativaL1cv1Ostinata可将水中的磷从0153mg/L降低至0101mg/L以下;水培番茄系统对甲鱼养殖废水中的COD、NO2-N与NO3-N之和、NH4-N、P等的净化率分别达77%、33%、97%、100%,且水培番茄植株根须和根毛对养殖废水中的悬浮物和固体残渣有良好的吸附和[26][27]过滤性能。此外,尚有利用陆生植物处理养殖废水的研究,如邵志鹏等利用水培多花黑麦草[28]Loliummultiform过滤养鱼废水,Ghate等利用土培百慕大Cynodondactylon和巴哈雀稗草Paspalumnotatum草带过滤鲶鱼Icaluruspunctatus养殖废水。41113人工湿地净化技术人工湿地是由人工基质和生长在其上的水生植物、微生物组成的一个独[4,29~32]特的土壤)植物)微生物生态系统,用以净化养殖废水,如人工湿地废水处理技术不仅可以[33]去除水中的溶解营养性污染物,还可以去除和固定化养殖污泥。植草和未植草池塘沉积物的沉积22[33]速率分别为63(13~174)g/(m#h)和14(10~19)g/(m#h),即在污染物得到净化的同时,水中的营养物质也得以循环利用。人工湿地处理养殖废水有快速启动的特性,且仅受水力负荷率[30][31]的影响。Lin等进行了为期80d的研究,结果表明,利用人工湿地净化技术(平均水力负荷率为013m/d),可有效降低对虾循环养殖系统中的BOD5、SS、chl-a、总氨氮(TAN)、NO2-N、[29]NO3-N、PO4-P分别为24%、71%、88%、57%、90%、68%和514%。Tilley构筑的湿地可使对虾养殖废水中的TP、TSS、无机悬浮固体(ISS)分别降低31%、65%和76%,该试验结果表明,池塘表面积与湿地表面积之比为12时,才能满足废水处理要求。可以看出,利用植物过滤技术净化养殖废水具有相当大的潜力,因植物的收获会产生一定的经济效益和生态效益,且植物过滤技术对营养物质在水中的存在形式要求也不严格,如无机氮中的氨态[31]氮、亚硝酸盐和硝酸盐均可被植物吸收利用。412微生物过滤技术[34]微生物过滤技术也是一种被广泛使用的废水处理技术,它是以土壤自净原理为依据,在污水灌溉的实践基础上,经较原始的间歇砂滤和接触过滤技术而发展起来的微生物处理技术。该技术可将附着微生物的载体装载于一定体积和几何形状的容器中组成生物滤器,并可作为商品出售。用于微生物过滤的生物滤器可分为硝化作用滤器和脱氮滤器等,对生物滤器的研究方兴未艾。41211硝化作用滤器硝化作用滤器主要是将氨转化成亚硝酸盐,再将亚硝酸盐转化成硝酸盐,从而转变水中含氮化合物的存在形态,降低其有害性。常用于封闭和循环养殖系统中的硝化作用滤器有淹没式滤器、滴滤器、转筒式生物滤器、生物转盘、生物固定床、生物流化床、珠状滤器等。[15、35]Wheaton等对硝化作用滤器原理进行了详细评述,这些评述包括硝化作用的细菌生物学过程和氮形态转化的化学动力学,以及影响硝化作用滤器运转的物理、化学、生物学因素等,并且还对硝化作用滤器的设计方法进行了讨论。硝化作用滤器还因附着氨化作用的细菌,可降解水中的溶解性有机废物。近年来,对硝化作用滤器的研究不断深入,研究内容不仅包括对滤器类型的研究,更有对介[36、37][38][39、40][41][42~46][46、47][49]质,细菌,硝化作用速率、效率、性能和动力学及其影响因子,以及 第2期刘长发,等:养殖水处理技术的研究进展145[50]固定化硝化细菌处理循环养殖系统海水的硝化作用性能的研究和循环养殖系统中氨氮去除的研[51]究。41212脱氮滤器硝化滤器中具有硝化作用的微生物仅将危害性较大的总氨氮和NO2-N转化为毒性相对较小的NO3-N,但硝化作用滤器的长期运转会在循环系统中慢慢积累NO3-N。只有通过反-硝化作用微生物(将NO3转化为N2),才能将水中的含氮物质彻底去除,因此,脱氮作用滤器是开发商业性封闭循环养殖系统所必需的。近年来,关于脱氮滤器在水产养殖系统中的应用研究逐渐增[52]多,其中包括起固体底物和膜载体作用的可生物降解聚合物颗粒的研究,脱氮作用控制因子以及[53]预测和优化系统运行的模型研究,甚至对水产养殖系统中使用的脱氮作用滤器进行了模糊控制研[54][3]-究。Sauthier等研究不同TOC/N(NO3)比的脱氮作用动力学速率系数时,发现最佳TOC/N-(NO3)比为1g/g,小于1g/g将导致亚硝酸盐产物被氧化,大于1g/g则可能导致毒性硫化物出现,-3[55]在固定水力负荷下,滤器处理NO3的能力约为214kg/(m#J)。Aboutboul等研究了以内部有机物降解产物挥发性脂肪酸(VFA,包括乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐)作为有机碳源的流化床反应器的[56]脱氮活性,并测定了脱氮作用动力学参数以及VFA吸收和硝酸盐还原的化学计量学。Menasveta等设计了斑节对虾Penaeusmonodon循环养殖水槽、硝化作用滤器和脱氮作用滤器组成的封闭循环海水养殖系统,其中脱氮作用滤器包括除氧柱、细菌底物柱和再充气柱3部分。运行脱氮作用系统容易出-现的问题是产生NO2、NO、N2O(ORP>-200mV)或还原过度(ORP<-400mV)的不完全的[54]-脱氮作用,Lee等采用模糊控制较好地解决了这个问题,使水中的NO3浓度保持在5mg/L以下。5臭氧处理水技术臭氧具有极强的氧化能力,广泛应用于水产养殖系统的消毒和改善水质,如去除浊度、藻类、颜色、气味、味道等。研究表明,在循环水产养殖系统中进行臭氧处理,能抑制鱼类病原微生物、氧化[57~59][58、60]有机废物和亚硝酸盐以及总氨氮,可降低TSS、COD、DOC和颜色分别为35%、36%、[61][58]17%、82%,降低TAN、亚硝酸盐、硝酸盐分别为67%、85%、67%,但也有研究显示,用[60]臭氧处理养殖废水并不能显著降低亚硝酸盐的浓度。用臭氧处理去除水中含碳废物有两条途径,[62]一是氧化水中的溶解有机物,二是改善有机颗粒物的凝结状态以利于采用其它方法去除。但是[63]Krumins等采用幂律模型(powerlawmodel)研究臭氧对循环水养殖系统中颗粒物大小分布时发现,颗粒物凝结状态的改变并不明显。尽管用臭氧处理养殖废水效果良好,但在实际应用时,必须关注臭氧的毒性问题。首先是臭氧长期暴露的最大安全水平,研究表明,当臭氧浓度大于01008~[57]01060mg/L时,可损害淡水鱼的鳃;其次是将臭氧应用于半咸水和海水养殖系统时,溴化物被臭-氧氧化形成相对稳定且对鱼、贝类有毒性的次溴酸(HOBr)、次溴酸盐(OBr)和溴酸盐-[59、64](BrO3)。对臭氧残留的去除主要采取以下几种方法:1)添加1mg/L硫代硫酸钠;2)充气;3)通过生物滤器或活性炭滤床;4)与低含量H2O2反应;5)接触高强度紫外光,波长一般为250~260nm。水产养殖系统中的设备有臭氧发生器、臭氧接触器和可能的残余臭氧破坏装置,使用臭氧的[57]建议用量是每110kg饲料投加13~24g臭氧。6紫外辐射消毒技术紫外辐射(UV)广泛用于水产养殖系统中,可破坏残留的臭氧和杀死病菌,且具有低成本和不[65]2产生任何毒性残留的优点。Hunter等的研究表明,60~75mW#s/cm的UV剂量可完全破坏高达015mg/L的残留臭氧。采用UV消毒时,因微生物的类型不同,所需的UV剂量幅值变化也较大(22[59]~230mW#s/cm)。UV剂量是UV光强、暴露时间、透射因子的函数。此外,尚有采用电化学方法去除水产养殖系统中亚硝酸盐和氨氮的研究,其操作变量包括电流输[66]入、pH、导电系数、缓冲溶液和初始亚硝酸盐与氨氮浓度。 146大连水产学院学报第20卷参考文献:[1]BERGHEIMA,!SG!RDT.Wasteproductionfromaquaculture[A].BAIRDDJ,BEVERIDGEMCM,KELLYLA,eta.lAquacultureandwaterresourcemanagement[C].Oxford:BlackwellScienceLtd,1996.50-80.[2]PIEDRAHITARH.Reducingthepotentialenvironmentalimpactoftankaquacultureeffluentsthroughintensificationandrecirculation[J].Aquaculture,2003,226:35-45.[3]SAUTHIERN,GRASMICKA,BLANCHETONJP.Biologicaldenitrificationappliedtoamarineclosedaquaculturesystem[J].WaterRes,1998,32(6):1932-1938.[4]BRIXH.How"green"areaquaculture,constructedwetlandsandconventionalwastewatertreatmentsystems[J].WatSciTech,1999,40(3):45-50.[5]刘长发,綦志仁,何洁,等.环境友好的水产养殖业)))零污水排放循环水产养殖系统[J].大连水产学院学报,2002,17(3):220-226.[6]BARAKY,CYTRYNE,GELFANDI,eta.lPhosphorusremovalinamarineprototype,recirculatingaquaculturesystem[J].Aquacu-lture,2003,220:313-326.[7]CRIPPSSJ.Minimizingoutputs:treatment[J].JournalofAppliedIchthyology,1994,10(4):284-294.[8]单宝田,王修林,赵中华,等.海水工厂化养殖废水处理技术进展[J].海洋科学,2002,26(10):36-38.[9]CHENS,STECHEYD,MALONER.Suspendedsolidscontrolinrecirculatingaquaculturesystems[A].TIMMONSMB,LOSORDOTM.Aquaculturewaterreusesystems:engineeringdesignandmanagement[C].Amsterdam:ElsevierScienceBV,1994.61-100.[10]CHENS,TIMMONSMB,ANESHANSLEYDJ,eta.lSuspendedsolidscharacteristicsfromrecirculatingaquaculturalsystemsanddesignimplications[J].Aquaculture,1993,112:143-155.[11]EBELINGJM,SIBRELLPL,OGDENSR,eta.lEvaluationofchemicalcoagulationflocculationaidsfortheremovalofsuspendedsolidsandphosphorusfromintensiverecirculatingaquacultureeffluentdischarge[J].AquaculturalEngineering,2003,29:23-42.[12]TIMMONSMB.Useoffoamfractionationsinaquaculture[A].TIMMONSMB,LOSORDOTM.Aquaculturewaterreusesystems:eng-ineeringdesignandmanagement[C].Amsterdam:ElsevierScienceBV,1994.247-279.[13]ROSSIGNOLN,VANDANJONL,JAOUENP,eta.lMembranetechnologyforthecontinuousseparationmicroalgae/culturemedium:comparedperformancesofcross-flowmicrofiltrationandultrafiltration[J].AquaculturalEngineering,1999,20:191-208.[14]VIADEROJrRC,NOBLETJA.Membranefiltrationforremovaloffinesolidsfromaquacultureprocesswater[J].AquaculturalEng-ineering,2002,26(3):151-169.[15]WHEATONFW,HOCHHEIMERJN,KAISERGE,eta.lNitrificationfilterprinciples[A].TIMMONSMB,LOSORDOTM.Aqua-culturewaterreusesystems:engineeringdesignandmanagement[C].Amsterdam:ElsevierScienceBV,1994.101-126.[16]ELLNERS,NEORIA,KROMMD,eta.lSimulationmodelofrecirculatingmariculturewithseaweedbiofilter:developmentandexper-imentaltestsofthemodel[J].Aquaculture,1996,143:167-184.[17]CHOPINT,BUSCHMANNAH,HALLINGC,eta.lIntegratingseaweedsintomarineaquaculturesystems:akeytowardsustainability[J].JPhyco,l2001,37:975-986.[18]刘长发,张泽宇,雷衍之.盐度、光照和营养盐对孔石莼Ulvapertusa光合作用的影响[J].生态学报,2001,21(5):795-798.[19]EVANSF,LANGDONCJ.Co-cultureofdulsePalmariamollisandredabaloneHaliotisrufescensunderlimitedflowconditions[J].Aq-uaculture,2000,185:137-158.[20]TAMNFY,WONGYS.Effectofimmobilizedmicroalgalbeadconcentrationsonwastewaternutrientremoval[J].EnvironmentalPollu-tion,2000,107:145-151.[21]PFEIFFERTJ,RUSCHKA.Anintegratedsystemformicroalgalandnurseryseedclamculture[J].AquaculturalEngineering,2000,24:15-31.[22]WANGJK.Conceptualdesignofamicroalgae-basedrecirculatingoysterandshrimpsystem[J].AquacultureEngineering,2003,28:37-46.[23]DIVERS.Aquaponics-integrationofhydroponicswithaquaculture[J/OL].http://www.attra.ncat.org,2000.[24]ADLERPR,SUMMERFELTST,GLENNDM,eta.lMechanisticapproachtophytoremediationofwater[J].EcologicalEngineering,2003,20(3):251-264.[25]SEAWRIGHTDE,STICKNEYRR,WALKERRB.Nutrientdynamicsinintegratedaquaculture-hydroponicssystems[J].Aquacu-lture,1998,160:215-237.[26]张士良,刘鹰.水培番茄对甲鱼养殖废水的净化和滤清[J].农业环境保护,2002,21(2):171-172,182.[27]邵志鹏,苗香雯,崔绍荣.水产养殖系统中多花黑麦草生物过滤效果研究[J].上海交通大学学报(农业科学版),2002,20(4):317-321.[28]GHATESR,BURTLEGJ,VELLIDISG,eta.lEffectivenessofgrassstripstofiltercatfish(Ictaluruspunctatus)pondeffluent[J]. 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