海水鱼类工厂化养殖尾水处理技术研究进展

OpenJournalofFisheriesResearch水产研究,2020,7(1),1-7PublishedOnlineMarch2020inHans.://doi.org/10.12677/ojfr.2020.71001文章引用:刘晓波,曹体宏,王忠全,相智巍,陈玮.海水鱼类工厂化养殖尾水处理技术研究进展[J].水产研究,2020,7(1):1-7.DOI:10.12677/ojfr.2020.71001ResearchProgressontheTreatmentTechnologyofTailWaterfromFactoryFarmingofMarineFishXiaoboLiu*,TihongCao,ZhongquanWang,ZhiweiXiang,WeiChen#ShandongKeyLaboratoryofMarineEcologicalRestoration,ShandongMarineResourceandEnvironmentResearchInstitute,YantaiShandongReceived:Jan.6th,2020;accepted:Jan.28th,2020;published:Feb.4th,2020AbstractThetailwaterofaquacultureisonekindofwastewaterwhichcontainsalotofresidualbaitandfeces.Itisrichinnitrogenandphosphorus,anditiseasilytocausewatereutrophicationandsec-ondaryecologicalproblemsiftailwaterdischargedintowaterenvironmentdirectly.Factoryaq-uacultureofmarinefishisoneoftheencouragedaquaculturemethodsinthe13thfive-yearplanfornationalfisherydevelopment(2016~2020).However,duetothehighintensification,thetech-nicalrequirementsforthetreatmentoffarmingtailwaterarehigher.Inordertoproviderefer-enceforthedevelopmentofthetreatmenttechnologyofthetailwaterfromthefactory,itwassummarizedonthecommontechnologiesforthetreatmentofthetailwater,andtheadvantagesanddisadvantagesofvarioustechnologiesarealsoanalyzedinthispaper.KeywordsMarineAquaculture,RecirculatingAquaculture,TailWater,Treatment海水鱼类工厂化养殖尾水处理技术研究进展刘晓波*，曹体宏，王忠全，相智巍，陈玮#山东省海洋资源与环境研究院，山东省海洋生态修复重点实验室，山东烟台收稿日期：2020年1月6日；录用日期：2020年1月28日；发布日期：2020年2月4日*第一作者。#通讯作者。刘晓波等DOI:10.12677/ojfr.2020.710012水产研究摘要养殖尾水是养殖过程中产生的含有大量残饵、粪便的污水，其中氮磷元素的含量较为丰富，直接排放到水环境中容易导致水体富营养化，引起继发性的生态问题。海水鱼类工厂化养殖是我国《全国渔业发展第十三个五年规划(2016~2020)》中提倡鼓励发展的养殖方式之一。但由于其集约化程度高，对养殖尾水的处理技术要求较高。本文综述了目前我国海水鱼类工厂化养殖尾水处理常用的技术，并分析了各种技术的优缺点，以期为海水鱼类工厂化养殖尾水的处理技术的发展提供参考。关键词海水养殖，循环水养殖，尾水，处理Copyright©2020byauthor(s)andHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言我国是世界上唯一一个水产养殖产量超过捕捞产量的国家。2018年，我国海水鱼类养殖面积为75.12千公顷，同比下降16.45%[1]，养殖面积的下降，一方面与经济结构的供给侧改革有关，另一方面与国家环境保护政策的变化有关。但2018年海水鱼类养殖产量为149.51万吨，同比上涨5.33%[1]，这意味着单位面积养殖产量出现了较大提升，即提高了养殖的集约化。工厂化养殖是集约化养殖模式的典型代表，其特点是单品种、高密度、装备化，养殖过程中产生的废弃物需要经由养殖水及时处理。根据养殖尾水处理设施与养殖设施是否存在同一体系中，养殖尾水处理技术可分为原位水处理技术和异位水处理技术。2.海水鱼类工厂化养殖尾水原位水处理技术原位水处理技术常见于循环式或半循环式海水工厂化养殖体系中，养殖尾水一般经过机械过滤、蛋白分离、生物膜接触氧化、消毒增氧、调温等工艺处理后，进行循环或部分循环利用(图1)。该工艺的关键点有以下几处：①机械过滤的效率及抗腐蚀性；②生物膜处理工艺；③消毒增氧的方式；④调温的方式。Figure1.Sketchmapofin-situtreatmentofaquaculturetailwater图1.养殖尾水原位处理过程示意图2.1.物理过滤物理过滤主要分为机械过滤和泡沫分离两种。目前常用的养殖尾水机械过滤装置有微滤机、弧形筛OpenAccess刘晓波等DOI:10.12677/ojfr.2020.710013水产研究两种；常用的泡沫分离装置有气浮机和蛋白质分离器两种。机械过滤装置的原理均为养殖尾水在经过装置滤网后，固体物质被过滤收集起来，而养殖尾水顺利通过筛绢或金属网进入下一个处理装置。常见的微滤机有转鼓式、转盘式、格栅式和履带式四种，目前海水养殖尾水处理中常用的是转鼓式和履带式微滤机。制造成本高、占地面积大、过滤效率低、滤布更换频繁是困扰微滤机应用的主要问题。弧形筛在使用过程中无机械运动部件，不产生能耗，且安装操作维护均较为简单，但弧形筛对材料的刚性和韧度要求较高，整体造价较高。过滤效率及抗腐蚀性是机械过滤装置的核心问题。随着机械过滤的进行，过滤装置表面的微孔会被水体中的固形物堵塞，严重影响过滤效率。反冲洗是过滤网再生的重要环节，反冲洗效果的好坏对过滤系统有极大影响。反冲洗的工作原理是：使用反冲洗泵抽取过滤后的水或者新源水，通过喷头喷射水柱对滤网进行由外往内的冲洗，从而清除堆积在滤网表面的固体悬浮物[2]。由于机械过滤装置长期在海水中工作，因此其抗腐蚀性尤为重要，其金属组成部件一般均需采用316L不锈钢制作。泡沫分离装置的原理是通过在水中产生大量的微细气泡，使空气以高度分散的微小气泡的形式附着在悬浮物颗粒上，造成密度小于水的状态，利用浮力原理使其浮在水面，从而实现固–液分离。目前气浮机及蛋白分离器装置已非常成熟，并广泛应用在海水养殖中[3][4]，其关键点是微细气泡的产生及射流距离。2.2.生物接触氧化处理生物接触氧化处理是原位水处理工艺的核心，其主要目的是通过生物接触氧化法降低水体中氨元素，提高养殖水的重复利用率。生物接触氧化处理工艺主要由微生物附着基和微生物组成[5]。微生物附着基的来源和形状多种多样，如无机材料、有机材料、粒状、环状、球状、线状等。目前常见的微生物附着基有沸石、麦饭石、活性炭、纤维球、纤毛刷、陶瓷环、高分子材料等，这些材料均具有合适的比表面积，既能为硝化细菌和反硝化细菌提供充足的附着场所，又不易被堵塞；微生物附着基还要具有较高的机械强度，能够抵抗水流的冲击[6]；此外，微生物附着基的形状和空隙不能阻碍水的流动。生物接触氧化法的核心是微生物的挂膜，完全成熟的生物膜由硝化细菌、反硝化细菌、微藻、净化细菌和一些原生生物组成[7]，且以硝化细菌和反硝化细菌为主。硝化细菌又分为亚硝酸菌(氨氧化剂)和硝酸菌(亚硝酸氧化菌)，前者负责将4NH+氧化为亚硝酸，后者将亚硝酸氧化成硝酸氮；反硝化细菌负责将硝酸氮转化为氮气。亚硝酸菌转化水体中氨氮的反应式如下：324NHHONHOH+−→++(1)42222NH3O2NO4H2HO++→+++(2)硝酸菌转化水体中亚硝酸的反应式如下：2232HNOO2HNO+→(3)反硝化细菌转化水体中硝酸的反应式如下[8]：3323572223NO1.08CHOH0.24HCO0.056CHNO0.47N1.68HOHCO−−++→+++(4)由上述反应式可见，硝化和反硝化反应的适宜条件是不一样的，硝化过程需要有氧环境，反硝化过程需要厌氧和偏碱性环境。实验条件下，硝化反应过程中，水体中的溶氧下降的很快，如不及时充气，硝化反应将会停止。因此在实际生产中，水处理的生物滤池硝化部分需要充气。反硝化细菌需要厌氧和偏碱性环境，而在实际生产中，厌氧条件较容易满足，而水体的酸碱度调节较为复杂。此外，由于硝化细菌属于自养型细菌，而反硝化细菌属于异养型细菌，故反硝化细菌比硝化细菌更为脆弱，不易培养，刘晓波等DOI:10.12677/ojfr.2020.710014水产研究但工作效率更高。理想的生物滤池可分为两个独立的部分，前一部分为硝化部分，保证充足供氧，同时也可以通过吊养大型藻类，降低水体中磷酸盐、增加溶氧[9]；后一部分为反硝化部分，要求保持厌氧环境，同时能够方便的调整酸碱度。影响生物接触氧化法对养殖尾水处理效果的因素主要有菌水接触时间、菌种纯度与密度、温度、酸碱度、溶氧、盐度、附着基的物理性状等。一般来说，生物膜处理养殖尾水要求保证尾水与生物膜的接触超过一定时间，使菌水有充足的反应时间。故在建设生物反应池时，需要考虑尾水的流经速度、时间。其次，微生物菌种的纯度、密度与养殖尾水的处理效果密切相关。在适宜的温度下，保证充足的溶氧及氨氮和亚硝酸氮含量，有助于硝化细菌的生长，并保持优势菌种的地位；而在厌氧环境下，适当调节水体酸碱度，有助于反硝化细菌的生长，并保持优势菌种的地位；细菌的密度与微生物附着基的物理性状有关，附着基的比表面积大，可以为微生物提供更多的繁衍场所，有利于提高微生物的密度。此外，附着基的物理性状还与生物滤池的体积密切相关，物理性状好(比表面积大)的附着基可以降低生物滤池的体积。目前常用于养殖尾水处理的微生物多来自池塘[10]、城市污水[11]、工业废水[12]等，其工作时的最佳环境因子(如温度、溶氧、酸碱度、底物种类与浓度)并不一致[13][14][15]。海水养殖尾水的水体一般较大，且为了提高海水的循环利用率，海水的温度、酸碱度和盐度需要保持相对稳定，而这些环境因子是影响微生物工作效率的关键因素。在海水工厂化养殖中，生物滤池中的微生物主要以定向条件下的自然繁殖为主。一般的工艺流程为：在已经构建好的生物滤池中，加入适量的NH4Cl和NaNO2，充气，定向培养，一定时间后，通过检测水体中4NH+和2NO−浓度的变化，判断生物滤池是否熟化完全。由于微生物生长存在指数增长期、平台期、老化期，故水体中4NH+和2NO−浓度变化会出现相应的规律，这种工艺一般耗时较长[16][17][18]。针对这一问题，研究者从微生物的定向筛选方面入手，筛选出了异养硝化细菌[19][20]，好氧反硝化细菌[14][21][22]，采用固定化硝化细菌[12][23][24]、建立同步短程硝化反硝化[25]等方式，缩短生物滤池熟化时间，提高生物滤池处理效率。2.3.消毒、增氧及调温水产养殖中常用