工业化水产养殖系统中溶解有机物清除方法的比较分析

孙谦　杜青波　蒲红宇

摘要 工业化水产养殖生产的技术难点是养殖废水的净化和高效利用，养殖过程中产生的溶解有机物是水质污染的重要来源，及时、高效地清除水中溶解有机物能够显著提升净化效率。本文对工业化水产养殖系统中溶解有机物的种类特性、清除设备方法与清除效果、技术发展趋势等进行了初步的比较分析，旨在对优化工业化水产养殖的水质净化处理技术提供一定的参考。

关键词 工业化水产养殖系统；溶解有机物；清除；比较

中图分类号 X714 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）16-0238-02

Abstract The key technologies of industrial aquaculture system are purification and reuse of waste water.Dissolved organic matter is one of the important sources of water pollution，timely and efficient removal of dissolved organic matter in water can significantly improve the water purification efficiency.Characteristics of dissolved organic matter，methods and effect of removal equipments，and technical progress on water purification of industrial aquaculture system were discussed in the article，which aimed to provide some references for optimizing the water purification technology of industrial aquaculture.

Key words industrial aquaculture system；dissolved organic matter；removal；comparison

溶解有机物是养殖废水中重要的污染物质，主要来源于残剩饵料和养殖动物的排泄物、体表黏液等。养殖水体中溶解有机物包括溶解蛋白质、肽类、有机酸、脂肪等物质，其中溶解有机氮类物质占较大比例。这类物质在水中通常以胶体或极微小悬浮有机颗粒形式存在于养殖废水中，养殖环境中较高的溶解有机物含量导致水的胶黏性与浑浊度增加，一方面严重影响养殖动物的呼吸代谢，造成摄食生长状况的恶化，大量消耗水中溶解氧；另一方面容易被微生物分解后转化为危害更大、更难于处理的无机污染物。对于工业化水产养殖系统而言，有效清除水中溶解有机物是水质净化的重要技术环节。

1 工业化养殖系统中溶解有机物的去除方法

1.1 絮凝沉降法

溶解有机物通常在养殖水中以胶体或悬浮微粒形式存在，简单的静水沉降方法效果较差。目前水质处理基本采用添加絮凝剂的途径使其成为可沉降絮状物后再静置清除。

絮凝沉降是廣泛应用于养殖废水、城市污水等处理过程的一种水处理方法。通过向水体中加入絮凝剂使得胶体粒子失去稳定作用或发生电性中和，不稳定的胶体粒子再互相碰撞而形成较大的颗粒。搅拌及布朗运动可使粒子间产生碰撞，当粒子逐渐接近时，氢键及范德华力促使粒子结成更大的颗粒。碰撞一开始，粒子便经不同的物理化学作用而开始凝集，较大颗粒的粒子便可以从水中分离沉降出来。絮凝剂按照其化学成分总体可分为无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂2类，其中无机絮凝剂又包括无机凝聚剂和无机高分子絮凝剂。另外，近年来生物絮凝剂的研究与开发不断取得进展。

无机絮凝剂主要包括铝盐和铁盐2类，近年来多使用聚合铝盐和聚合铁盐。由于铁离子过高会对养殖生物产生较大影响，水产养殖目前常用无机絮凝剂为聚合氯化铝[1]。聚合氯化铝作为有机废水净化混凝剂，由于聚合氯化铝结构中氢氧根离子的架桥作用和多价阴离子的聚合作用而使其成为分子量较大、电荷较高的无机高分子水处理剂。聚合氯化铝因在水中具有稳定性好、水解速度快、吸附能力强等优点而被广泛使用。

高分子有机絮凝剂主要采用聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺絮凝剂与废水中胶体的絮凝作用是通过化学吸附和物理聚集这2种形式产生的。聚丙烯酰胺有许多化学活性基团能和悬浮微粒产生很多连接而形成较大的絮凝物，絮凝物中聚集了各种各样的微粒。絮凝物的尺寸越大，它的沉降速度越快，因而聚丙烯酰胺作为水质净化材料具有较好的絮凝沉降效果[2]。

微生物絮凝剂是由微生物产生的具有絮凝活性的代谢产物 ，它能使水环境体系中的胶体和悬浮颗粒物相互聚集，形成絮体沉淀从体系中分离出来，是微生物在生长过程中产生的聚合物。细菌、真菌、 酵母等许多微生物可以分泌生物聚合絮凝剂，多数是从土壤和废水中被分离出来的。包括直接利用微生物细胞净化水质的细胞絮凝剂、从微生物细胞提取絮凝物质的提取物絮凝剂等[3-4]。水产养殖研究使用的微生物絮凝有2种，一种是需要具备光照条件的微藻—细菌共生絮凝，又称生物絮团；另一种是可以在暗光条件进行的细菌絮凝。微藻—细菌共生絮凝可以通过直接在养殖水体中添加碳源和充分的曝气进行微生物絮体的培养[5-6]。细菌絮凝通常采用序批式反应器（seq-uencing batch reactors，SBR）技术，培养好后收集絮体进行使用，这种方法通常与循环水养殖结合起来使用[7-8]。已有微生物絮凝剂的特性及应用研究显示，用微生物絮凝剂进行水产养殖水质净化具有较好的发展前景。目前在絮凝剂产生菌的筛选鉴定、培养条件等基础的研究上还有许多工作需要开展，微生物絮凝剂大规模应用于水产养殖废水处理是发展方向。endprint

1.2 吸附法

吸附方法是清除水中溶解有机物质的重要手段。吸附剂分为2种，一种是可再生的吸附剂，如活性炭；另一种是不可再生的吸附剂，如天然矿物等[9-10]。溶解性有机物的吸附一般采用活性炭和沸石2种处理方式。

活性炭是一种多孔性物质，凭借其微孔吸附达到很好的净水效果。活性炭的多孔性质使水中1种或多种有害物质被吸附在固体表面而去除。活性炭吸附对于去除水中有机物、胶体等具有良好的效果。近年来，人们将活性炭作为载体与净化水质的微生物结合，开发出生物活性炭产品。活性炭分为化学物质活化法炭和气体活化法炭2种，化学物质活化法炭的孔隙比较发达，特别适合于液相吸附，而气体活化法炭微孔发达适合于气相吸附，水产养殖多采用化学物质活化法活性炭。活性炭的多孔、细孔结构和巨大的比表面积，使其对溶解性有机物类杂质有极强的吸附作用。活性炭处理装置占地少，易于自动控制，运转管理简单，对水量、水质、水温的变化适应性强。活性炭吸附技术一般是用来去除水中的溶解有机物，对分子量为500～3 000的有机物去除效果最好，大部分比较大的有机物分子都能够牢固吸附在活性炭表面上或孔隙中，并且腐殖质、合成有机物也能被活性炭吸附去除，活性炭对溶解度小、亲水性差、极性弱的有机物具有较强的吸附能力。目前活性炭净化水质主要采用固定床型式粒状炭。粉末活性炭（PAC）的吸附能力强，具有应用方便和可再生的优点[11]。

天然沸石具有架状结构，它们的晶体内分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多空腔。沸石的骨架结构是指由氧、硅和铝3种原子构成的复杂的三维空间结构。结构基本单元是以1个硅（或铝）原子为中心、4个氧为顶点而形成的硅（铝）氧四面体；各四面体连接成环状，形成沸石的次级结构单，沸石的结构中有时还有其他多面体，可连接成多元环，它们是沸石结构的三级单位。作为次级和三级单位的各种环以整体形式相互连接，就形成沸石的骨架。各种沸石之间的差别主要就在于其骨架结构。当沸石中的水散出后会形成一个个内表面积很大的孔穴，可以吸附并储存大量分子。沸石的内表面非常大，1 g沸石的内表面积近1 000 m2。沸石晶体内部有占沸石晶体总体积的50%以上的孔穴和孔道，孔穴、孔道大小均匀、固定，和普通分子的大小相当。只有那些直径比较小的分子，才能通过沸石孔道被吸附，而直径大的分子由于不能进入沸石孔道因而不能被吸附，因而沸石能够选择吸附不同大小的分子。利用沸石吸附清除养殖废水中溶解有机物研究表明，沸石能有效去除大分子的有机物，对于溶解蛋白质类污染物的吸附效果显著。

1.3 气浮分离法

气浮分离法（flotation）利用溶液中的胶体等吸附在上升气流上而与母液分离。泡沫分离方法是通过使表面活性物质吸附在水中气泡上升，从而达到分离目的。大分子气浮常用于矿物气浮、矿物浓集或除杂。小分子气浮则指胶体、小分子有机物气浮。

泡沫分离法设备简单、操作方便、条件温和、成本低廉、效果良好，用在工业化养殖废水处理过程中，可以有效去除蛋白质，避免环境污染。泡沫分离法用于水产养殖系统，能有效去除水中的小颗粒固形物和有机物，避免水中溶解蛋白质过多引发溶解无机氮的大量产生，加大水质净化难度[3]。

溶解蛋白质泡沫分离技术的作用效果受到许多外部条件的影响，主要包括表面气体速率、颗粒物粒径、气泡直径、蛋白质浓度、pH值、氣体空隙比、泡沫溢流高度、柱液体流速等。泡沫分离技术可以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。泡沫分离在去除悬浮物颗粒、降低氨氮浓度等方面具有很好的效果，处理后海水的各项理化指标均明显地向有利于养殖种类的方向发展。在循环水养殖系统，泡沫分离方法能去除60%以上的悬浮物，同时能不同程度地去除COD等污染物。

为提高泡沫分离的处理效果，在系统中加入表面活性剂是养殖水质净化处理的常用方法。表面活性剂能起到降低表面张力、改变界面状态的作用。表面活性剂是由非极性的憎水基（烃基）和极性的亲水基（如-OH、-COOH、-NH2、-SO3H 等）组成的双亲分子，它有优先聚集于气液界面的性质（表面吸附原理）。当向液相中通入气体时，表面活性较强的物质吸附在气泡表面，其中疏水基伸入到气泡中的气相，而亲水基与水溶液结合，在气泡的气液界面形成1层单分子膜，随着气泡的上升被带到液相表面。当气泡露出液相表面时，由于非极性集团的相互吸引，气泡上携带的表面活性物质又与液相表面原本存在的表面活性物质结合，形成一个稳定的双分子层气泡体，有效提升泡沫分离器的效率。

2 应用前景展望

研究表明，当废水中的溶解有机物浓度较低时，通常不会对养殖生物造成影响。然而，工业化水产养殖是一种高度集约化的生产方式，养殖过程中会产生大量溶解性有机物，及时清除溶解有机物对于减轻后续水质处理压力具有重要意义。

对于目前常用的溶解有机物清除方法而言，气浮分离方法效果最为显著和有效，然而气浮分离方法效果通常受到设备条件的影响较大，例如气流速度、设备尺寸、气泡大小等影响。提高气体流量会增加表面面积，气体流速大于表面气泡的形成速度，塔内充满液体的部分发生气泡合并有利于溶解有机物清除，然而增加气体流量却不能继续增加分离速度。当气体流量较大时，分离器柱形塔的直径大小也会影响运行，在其他参数不变时，塔的直径增加，使总滤出量减少，表面浓缩比也会减小。气泡分离器形成的气泡越小，泡沫携带的液体量和表面积较大，有助于提高分离率和回收率，然而过小的气泡却不利于提高富集率。絮凝和吸附方法相对设备简单，但有机质清除率偏低。

目前水产养殖企业一般采用多种方法结合的处理方式，对于较高浓度的有机物含量首先通过絮凝或吸附处理，然后经过气浮分离装置进一步处理，从而取得较为理想的效果，对于有机质含量较低的养殖废水直接采用气浮分离可以获得较好效果，设计合理气浮分离设备并控制好处理条件是基本前提。

3 参考文献

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