循环水养殖系统中水处理设备的应用技术

水产养殖的水处理技术是发展循环水养殖技术的关键，该文根据国内的水处理技术，结合国内外有关水产养殖水处理技术的研究结果，论述了目前水产养殖水处理技术的主要方法，为在养殖系统应用中提供相应的依据。 循环水养殖系统是应用工程技术、水处理技术和高密度水产养殖技术进行工业化鱼类生产的技术模式。随着水产养殖业向现代化水平的发展，循环水养殖技术作为我国水产养殖业现代化的支撑技术力量，受到科学研究者和渔业生产部门的高度重视，在相关的养殖工艺、水质控制、净化处理等方面进行了深入研究，取得了较大进展，有些技术已经在生产中获得应用，并取得了相当好的成果。循环水养殖系统是一个节省空间、节约水资源、高产、高回报效益的生产养殖模式。其主要效益体现在可以节省用水量、提高养殖密度、减低受外界影响而感染病害机率等方面。与传统室外养殖法相比较，循环水养殖系统生产1kg鱼可节省约30t的水量，且养殖密度提升35～50倍。 其中养殖水体的处理技术，作为工厂化养殖技术的关键技术之一，随着研究的不断深入，获得较快发展，形成了机械、化学、生物和综合处理等多项技术，为工厂化水产养殖的进一步发展奠定了基础。 在循环水系统中水体的处理流程主要是下面几方面，即增氧、分离固体悬浮固体物，生物过滤，杀菌消毒，去除有害气体等处理过程。 根据近年来的研究进展和研究资料，对循环水养殖系统的水处理技术及其应用进行总结和归纳。 1.增氧技术 在养殖水体中，溶解氧是养殖鱼类和微生物赖以生存和必要的生长条件。富氧养殖技术是水产健康养殖的重要方式。溶解氧高低是水质好坏的主要指标。溶解氧在养殖生产中的重要性，除了表现为对养殖鱼类有直接的影响外，还对饵料生物的生长和水中化学物质的存在形态有重要的影响，因而又间接影响到养殖生产。溶解氧在养殖过程中是先决条件，对于鱼类的生长和发育具有决定性意义，鱼类在自然环境下对溶解氧的要求是2～5mg/L。在工厂化养殖系统中，鱼类正常生长的溶解氧应该达到饱和溶解度的60%，或者在5mg/L以上；溶解氧低于2mg/L，用于工厂化养殖水体处理的硝化细菌就失去硝化氨氮的作用。一般情况下，工厂化养殖系统的溶解氧消耗主要来自于鱼类的代谢、残饵与代谢物的分解、微生物的氨氮处理等。 1.1空气增氧 主要分为气石增氧方式、传统型纳米增氧方式和新型水下纳米增氧方式。主要采用充气器增氧，以小气泡的形式增加溶氧含量。但是增氧效率较低，一般在1.3kgO2/kW.h(20℃温度)，28℃时仅为0.455kgO2/kW.h，养殖密度也只能达到30～40kg/m3。养殖的密度受到限制，无法提高鱼载量，限制了鱼的产量。 1.2纯氧增氧 纯氧增氧分为3种：液氧增氧、氧气瓶增氧、氧气发生器增氧。现在高密度型的养殖系统，采用工业氧来作为鱼类的呼吸氧的来源。纯氧根据选择的方便性可分为氧气瓶纯氧，液体氧罐和纯氧发生器3种。无论采用哪种纯氧增氧，如空气增氧中利用充气器法是比较耗氧，最高只有40%的纯氧可以利用，其余没有溶解的氧气直接逸出水面造成了浪费。因此，必须有专门的设备充分利用氧气。常用的方法是压力过饱和法，即在高压容器里使水气充分混合，在高压下使水体达到饱和浓度，释放到常压下的养殖水体，成为常压下的过饱和溶解氧水体，以分子的形式向周围水体渗透，达到增氧的目的。该方法氧气的利用率约为90%，养殖密度可达100kg/m3。目前，国内外主要使用的纯氧混合装置有U型管、加压填充筒、锥型氧接触器、射流增氧法等。Losordo等报道了U型管需要埋入地下10m以产生大约100kPa的工作压力；锥型氧接触器吸收腔的工作压力在100kPa左右。这些特点都使得循环水养殖系统中增氧处理环节的能耗偏高。近10a来研制一种既能满足高密度循环水养殖系统水体对溶氧的需求，能耗又低的新型纯氧混合装置。低压纯氧混合装置主要根据气液传质的双膜理论，通过连续、多次吸收来提高氧气的吸收效率。其氧气利用率约为70%左右，但其结构简单，造价低，无需机械动力，所需能量仅为0.6m的水体势能，耗能不到氧锥的6%，性价比较好，此项技术在国内外已经在高密度养殖中得到良好的应用。 1.3微气泡增氧 在利用空气和氧气增氧的研究中，为了提高增氧效率和氧气的利用率，各项研究集中在产生微气泡的技术上，研究氧气气泡在水中的形成与溶解变化过程，以确定适宜氧气气泡大小。日本东京大学研究了利用超声波击碎小气泡的办法，可产生平均直径小于20μm的微气泡，增加了增氧处理的效率。 2.物理过滤水处理 循环水养殖系统中固体颗粒物由鱼粪、残饵和细菌生物团3部分组成，主要来源是饲料，饲料的投喂量决定了系统中固体悬浮物的数量。鱼粪是养殖水体中总固体悬浮物的表现形式，当饲料系数在1～2时，约80%的被摄食的饲料转化成鱼粪和固体颗粒物。 物理过滤是循环水养殖水处理中的一个重要环节，其主要目的是去除水中悬浮固体物。水中细小的悬浮固体物会阻塞鱼鳃妨碍鱼的呼吸；悬浮固体物腐败会消耗溶解氧，并产生氨氮；悬浮固体物还会堵塞生物滤床，影响生物处理的效果。鱼池集排污的工艺，在作为水处理系统的第一道工艺具有十分重要的地位，它是实现水质净化的前提，也是去除SS的主要前处理。根据国外的康纳尔双排水模式(CornellDual-DrailDesign)和ECO-TRAPTM双通道排污排水技术的转化，目前国内主要采用的集污方式有3种：一种是传统的单通道底排模式，此种方式较为简单，无法去除鱼池表面的泡沫和油污等；第二种是底排与表层溢流相结合的模式，即通过大量的底部排水，有效地排除大型颗粒物和沉淀的污物，在鱼池上方水体表面设置水平的溢流管，使漂浮于鱼池表面的油污和泡沫有效地去除，同时在系统发生故障的时候还起到保水位的作用，此种现在是集排污的主流模式；第三种是上排水与底部集排污相结合的模式，即大量的表面排水和底部排污形成漩涡，致使向底部沉淀大量颗粒物和污物并在底部排出。这些模式基本都被冷水和温水鱼系统广泛采用。 2.1漩涡水力 分离器分离器是利用残饵的颗粒重力和水力的旋转冲流，致使水中的大型颗粒物污物沉淀。与康纳尔双排水模式，ECO-TRAPTM双通道排污排水技术相结合。 水力分离器(Hydrocyclones)是一种利用离心沉淀原理，对含大颗粒较多的水体进行有效固液分离的新型预处理装置。结合鱼池排污颗粒收集装置，该装置可通过5%～15%的鱼池排水，去除约50%的固体颗粒，其水力负荷约为30m3/(m3.d)，是常规沉淀方式的8～30倍，且结构简单，维护方便，是一种具有良好应用前景的新设备。每日定时进行排污，将沉淀的颗粒物去除。 2.2机械式微滤机 转鼓式微滤机(Microscreendrumfil-ter)是目前使用最为广泛的粗过滤装置，具有适用性强、能耗低、占地少、使用维护方便等优点。其处理效果与水力负荷率、滤网孔径、颗粒含量、反冲强度等参数密切相关，孔径越小，固形物含量越高，则水力负荷率越低。根据Vinci等的研究结果，对于60～100μm的颗粒，当进水质量浓度小于50mg/L时，去除率为31%～67%；进水质量浓度大于50mg/L时，去除率可达到68%～94%。但是，转鼓式微滤机在运行时易造成较大颗粒的破碎，产生大量的微小颗粒，在一定程度增加了精过滤和生物处理的难度。宿墨等的试验研究结果表明，200目滤网的技术经济效果最为明显，其TSS去除率达到(54.90±10.42)%，而反冲洗频率为2.1次/h，电耗为6.902k.Wh/d，耗水量为1.68m3/d。 转鼓式过滤机是利用不锈钢网筛拦阻水中的有机固体颗粒，以重力排水或水泵抽水的方式将循环水引入过滤系统，不停转动的轮鼓上部有不锈钢的微细网以筛除悬浮固体。当滤网阻塞，水位上升触动液位控制器时，会驱动圆筒滚动装置及高压冲水水泵，直到滤网畅通为止。冲刷下来的固体，由收集管导入集污槽。为提升转鼓式过滤机的效率，可将多口鱼池的循环水管路串联，使串联的鱼池可以共享1台过滤机。转鼓式过滤机对水中悬浮颗粒物的去除率约为10%～30%。目前该技术发展较快，颗粒直径、材质和反冲洗工艺在不断改进中，是一种极具推广价值的新工艺。 2.3弧形 筛弧形筛是目前在国内外养殖系统中逐步推广的另一种微筛过滤器，优点是无动力消耗、结构简单、维护成本低，但自动化程度低，缺点是国内还没解决弧形筛面的自动清洗难题，养殖负荷高需每天不定时的进行人工清洗。弧形筛主要利用筛缝排列垂直于进水水流方向的圆弧形固定筛面实现水体固液分离。最常用的筛缝是0.25mm，可有效去除约80%的粒径大于70μm的固体悬浮物质。 2.4固定式滤床 在出水的前部加置设备，去除大型悬浮物和固体物。 (1)沙滤系统是将养殖水通过由沙粒所构成的滤床，以滤除水中的鱼粪、残饵等沉降性固体物。过滤机理包含沙粒对固体物的筛除、拦阻，污染颗粒的相互吸附、碰撞，大型固体物的重力沉淀等。在沙滤系统中，水的特性及砂粒粒径大小是影响过滤效果的重要因素。常见的型式有沙滤罐、虹吸滤池等。 (2)网袋式过滤系统利用水泵将污染物抽入过滤袋中，网袋使用越久，过滤效果越佳，但过滤所需要的阻力越大，所以当污染物质贮存至一定量时，要使用手动或时间控制器使机械产生反冲洗作用，将污染物排除。本过滤系统使用需注意滤袋阻塞造成袋内水压太强引起接头处或滤袋破裂，而且在清洗后需清理滤袋、过滤系统管线内所沉积的杂物、废水，以免发臭或引起病菌滋生。 2.5自然沉淀处理 自然沉淀技术应用在鱼池特殊结构或沉淀池，致使悬浮物沉淀、积聚并不断排出。设计良好的沉淀池可去除50%～90%的悬浮物(TSS)，其中设计的关键在于确定悬浮物的沉降流速。有资料表明，应用自然沉淀处理，过流流速应低于4m/min，适宜流速为1m/min；单位面积的流量为1.0～2.7m3/m2.h。自然沉淀虽然具有较好的效果，但是限制了水体循环的流量，从而使结构庞大，增加了系统设备空间和成本。 2.6气浮处理 泡沫分离是一种适合有效去除水体中微小颗粒、可溶性有机物，减少水体细菌数量的精处理的净化工艺，还具有一定的增氧和脱二氧化碳气体的功能。溶气气浮和射流气浮是2种常用的泡沫分离形式，前者在环保行业使用较广，效率较高，占地小，使用简便，但效率相对较低，能耗偏高，在大规模养殖水体处理上的应用有一定的局限性。近年来在环保行业气浮技术的基础上，日本开发了一种机械式气浮装置，并形成了系列化的产品。与常规气浮方式相比，其单位能耗与处理能力明显提高；在海水中，每千瓦时电耗可处理30m3以上的水量，并有增氧1.5kg的增氧能力。该技术在苗种繁育水处理等方面得到广泛应用。 2.7膜处理技术 随着膜处理技术的发展以及有关设备和材料价格的降低，给膜技术在循环水中的应用提供了可能，包括利用膜技术去除微细悬浮颗粒和膜生物反应器在生物过滤中的应用。另外，循环水处理技术目前多采用固定膜过程(fixedfilmprocess)，然而，近年来的生产实践表明悬浮生长(suspendedgrowth)过程在温水鱼和养虾方面很有应用前景。因此，有关方面研究和实验已经引起了新的关注，并会是将来发展的趋势之一。 3.生物过滤水处理 在生物过滤中主要是去除氨氮。循环水养殖系统中的氨氮主要由鱼类残饵、鱼类的代谢物和有机物的分解而产生的。氨氮是鱼排泄物中的一个重要成分，它对鱼的毒性很大。一般鱼类养殖水体中要求总氨氮量不高于1mg/L，或非离子态氨小于0.025mg/L。生物过滤器的主要功能是通过细菌的作用，将氨氮转化为一般不具毒性的硝态氮以去除氨氮，是循环水养殖系统的重要装置。有资料显示，应用硝化和亚硝化菌附着填料进行氨氮处理，氨氮的转化率为380g/(m3.d)，饵料负荷能力为32kg/(m3.d)。硝化细菌是一类广泛存在于自然界的好氧性微生物，能将水中的氨氮转化成亚硝酸盐，进而转化成毒性低的硝酸盐。其反应式如下： 3.1移动床生物膜反应器(MovingBedBilfilmReactor，MBBR)又称悬浮填料生物膜工艺(SuspendedCarrierBiofilmProcess，SCBP)，MBBR工艺具有空间小、能扩容、操作简单、不易堵塞、生物易恢复活力等特点，广泛用于水产、污水的处理等。填料是MBBR的核心，它是生物膜附着生长和降解有机物的重要场所，是加强传质和改善反应器内水利条件的基本手段，是提高负荷的根本途径。填料性能的好坏，直接影响到挂膜的难易程度、反应器中生物量的多少及反应器处理效果的好坏。MBBR所使用的填料多为聚乙烯或聚丙烯塑料或聚氨酯填料，形状呈小圆柱体(直径与高度10～50mm不等)。圆柱体中心有十字支撑，载体密度略低于水(0.92～0.97g/L)，填料比表面积大(160～500m2/m3)。为了使填料能在反应器内自由运动，填料最大填充比例应小于70%，最好在67%左右。Del-ma在凡纳滨对虾养殖系统中采用原位生物膜法优化水质后发现氨氮和硝态氮含量下降，产量提高。 3.2浸没式生物滤池 浸没式生物滤池是滤料浸在水中，水自下而上的通过滤料而进行生物水处理的模式。滤料对水进行水体截留颗粒物，滤料上的生物膜对水体进行生物处理后，净化水质，降低水质的指数。浸没式滤器浸没在水里，溶解氧的含量往往成为氨氮转化的限制因素，如何为浸没式滤器提供连续、缓慢、含有高溶解氧的水流，是设计者需要充分考虑的问题。在大多数工况条件下，浸没式生物滤器需要空气供氧。事实上，在一个设计合理过滤系统中，砂粒、活性炭都可能成为良好的生物滤器介质，在不提高成本的前提下，提高系统工作效率。吴嘉敏等实验结果显示： (1)无曝气条件下，NH4-N转化率最大，为28.77%；NO2-N转化率随着水力停留时间增加而增加，最大为67.20%；COD去除率在36min时最高，达到6.56%；另外，不曝气各工况下出水溶氧和pH都有较明显下降。 (2)曝气量为1m3/h条件下，滤器水处理效率随时间延长而增加；NH4-N转化率和NO2-N转化率分别从9min时的7.54%和49.30%增加到36min时的39.03%和71.78%；COD去除率在36min时最高，为6.16%；曝气量为1m3/h，各工况下出水溶氧和pH略有增加。 (3)曝气量为2m3/h条件下，滤器水处理效率也随HRT延长而增加；NH4-N转化率和NO2-N转化率在36min时达到最高，分别为27.27%和74.9%，COD去除率在9min时最高，为5.30%；曝气量为2m3/h，各工况下出水溶氧和pH也都略有增加。 (4)对无曝气和有曝气各工况进行比较，结果显示有曝气组各工况水处理效率优于无曝气组，曝气水平为1m3/h时处理效率最好。 但是较长时间的过滤处理，系统中易残留较多的残饵和颗粒物等，对滤料进行反冲存在较多的不方便。浸没式生物滤池的单位有机负荷去除量较高时，去除率就会降低。 4.杀菌消毒处理 养殖鱼池及系统中，由于残饵和有机物的腐败，造成细菌和病毒的滋生，从而影响鱼的生长环境，需要对养殖水进行处理。主要的消毒处理方式如下： 4.1紫外杀菌 在循环系统中，杀菌消毒使用最多的是紫外杀菌装置。紫外杀菌装置与总循环水体相连接，水体进入装置中进行处理，处理后的水进入鱼池。 紫外线是一种肉眼看不到的光波，存在于光谱的紫外线端的外侧，依据波长有A、B、C3种波段，其中C波段波长在240～260nm，是最有效的杀菌波段，最强点波长是254nm。利用特殊设计的C波段紫外光(T254nm)发生装置，产生强紫外光照射水。当水中的病原微生物吸收波长在200～280nm的紫外线能量后，其遗传物质发生突变，导致细胞不再分裂繁殖，达到消毒杀菌的目的。紫外线消毒技术为物理消毒，具有广谱性杀菌能力，对任何微生物细菌都有杀灭效果，特别是对病毒的灭活效果比药物杀菌效率更强，已经成为一种高效环保的消毒技术。 4.2臭氧杀菌 臭氧又名活性氧，是氧气的同素异构体，易溶于水。在水中即刻发生还原反应，产生中间物质的单原子氧和羟基单原子氧氧化能力极强，羟基也是强氧化剂、催化剂。臭氧具有较强的消毒效果，并可以分解一般氧化剂难以破坏的有机物单原子氧和羟基。臭氧的强氧化性，使其对水中的各种微生物均具有较好的杀灭效果。据报道，20℃条件下将臭氧气体通入流动的水中，当水中臭氧浓度达0.43mg/L时可将大肠杆菌100%杀灭。由于臭氧的强氧化性，养殖用淡水和海水中对鱼类危害的亚硝酸盐、硫化氢、氨态氰等均可被氧化成为无毒的物质。同时无机物也可被降解，从而降低水中的生物耗氧量和化学耗氧量。 但是臭氧化副产物和臭氧化出水AOC(可同化有机碳)升高，已成为臭氧化技术应用的一个关键问题。研究表明，臭氧化会形成溴酸盐、甲醛等一些有害副产物。溴酸盐被国际癌症研究机构列为可能对人体致癌的化合物。如何控制出水中溴酸盐，成为臭氧化技术应用要考虑的一个重要问题，目前国外主要是采取臭氧多点投加、改变水的化学条件、生物过滤等方法来减少溴酸盐的生成。AOC是自来水管网中细菌再次繁殖的重要因素，也是管壁生长生物膜，管道腐蚀结垢的主要原因之一。臭氧化有机物的中间产物醛、酮、羧酸等使水中的AOC明显升高，采用适宜的臭氧投加量并结合生物过滤是控制臭氧化出水中AOC的主要途径。 5.有害气体去除 二氧化碳气体的去除：在工厂化养鱼过程中，由于养殖密度的大幅度提高，致使养殖水体中的二氧化碳浓度随着时间的推移显著上升，通常达到周围环境饱和浓度的20～100倍，其作用使得pH值快速下降，严重破坏了水体的酸碱平衡。高浓度的二氧化碳对于鱼类生长和发育都是有害的，当其浓度超过某一极值时就会产生毒性作用致使鱼类窒息。目前国内在高密度养殖水中采用去除二氧化碳的方式有水力设计去除、机械设备去除、曝气滴滤式去除法。