水产养殖尾水处理技术与装备的研究进展

肖茂华,李亚杰,汪小旵*,Harsha RATNAWEERA,徐良,朱虹

(1.南京农业大学工学院,江苏 南京 210031;2.Norwegian University of Life Sciences,0516 OSLO;3.江苏博克斯科技股份有限公司,江苏 盐城 224700;4.江苏省农机具开发应用中心,江苏 南京 210017)

近年来,水产养殖行业的快速发展为我国经济增长和人民生活水平提高做出了突出的贡献,但在产量增长的同时却是水资源的快速消耗和水污染的持续加重。我国作为人均水资源占有量不到世界1/4的国家,节水和水处理任重而道远,水产养殖尾水处理自然也不例外[1-2]。现阶段,尾水处理一般都要经过三级处理,根据水产养殖方式和养殖品种的不同,并非所有养殖尾水都要经过上述全部过程。按照处理机制尾水处理方法可分为物理法、化学法、生物法三大类。本文综述了水产养殖尾水处理在物理法、化学法和生物法原理下各种技术与装备的研究进展,并简要介绍目前常用的4种工艺流程及问题,以期为水产养殖尾水处理的机械化、智能化发展提供理论依据。

1 水产养殖尾水特点

我国地域辽阔,水产养殖类型众多,按照养殖水体盐度的高低可分为淡水、海水养殖,根据养殖水域的不同又可以分为江河、湖泊、水库、稻田、池塘、浅海、滩涂和港湾养殖。根据2019年统计数据,江苏省水产养殖总面积达63万多公顷,其中池塘养殖面积占总面积的56.4%;在池塘养殖中,淡水养殖面积约为海水养殖面积的9.8倍,可见池塘淡水养殖在江苏省水产养殖业中占有举足轻重的地位。本文以江浙地区的大宗淡水鱼池塘尾水为例,各项水质指标的范围如表1所示。2021年6月3日江苏省制订了《池塘养殖尾水排放标准:DB 32/4043—2021》,连片100亩以上池塘、单塘水面大于50亩和工厂化封闭式养殖水体均按照此标准执行,标准中的相关检测方法、排放限值和标准如表1所示。

表1 江浙地区大宗淡水鱼池塘尾水水质指标范围、检测方法和排放限值标准Table 1 The range,testing methods and discharge standards of tailwater water quality in bulk freshwater fish ponds in Jiangsu and Zhejiang regions

图1 水产养殖尾水中的污染物及其危害Fig.1 Pollutants and hazards in aquaculture tailwater

2 物理法及其装备的研究进展

目前国内外学者认为突破常规生化法为核心的矿化模式,构建以物理分离法为核心的资源化模式,减少化学药品的使用以减少二次污染,是全球绿色发展的难题之一[7]。物理分离是一种低能耗、低排放、低污染的资源化分离方法,主要是利用物理原理实现尾水中大分子的分离、降解、转化和资源化,该技术主要适用于水产尾水处理中第一级和第三级处理[8]。

2.1 沉淀分离技术与装备

沉淀分离技术在实际工程中仅可以将尾水中密度比水大的颗粒去除,适用于粒径>75 μm的大颗粒,如残饵粪便等[9]。柴金龙等[10]等利用重力沉降原理进行了沉淀分离装置的研究,在工厂化养鱼池水的试验中发现这种装置具有节水、节能、节地以及为农业生产提供有机肥的特点。面对一体化净水沉淀设备中的斜板安装困难且易产生死水的问题,蒋绍阶等[11]开发了2种适用于圆柱形一体化净水设备的新型螺旋斜板技术和新型同向流斜板技术。一种带有新型强化絮凝装置的沉淀设备结合了上述2种技术的优势,不仅降低了设备高度,减小了设备体积,还降低了原水初期投资和运行成本[12]。

沉淀分离技术对于难溶性大颗粒具有很好的去除效果,是目前水处理厂中第一级尾水处理最常用的一种固液分离技术。基于该原理研发的设备大多具有占地面积大的问题,如一整套沉淀砂滤处理系统占地至少为厂区的30%,一个年产不到50亿尾虾苗的育苗厂区,沉淀池、蓄水池的总容积少则两三千m2,多则近万m2。此外,物理沉淀具有耗时长的问题,在不考虑土地和时间成本时,该技术仍具有很好的经济性。

2.2 过滤技术与装备

过滤技术包括微网过滤、介质过滤等。基于微网过滤原理而研发的设备主要是微滤机、弧形筛。傅雪军等[13]等将微滤机用于封闭式循环水产性半滑舌鳎养殖系统中,发现微滤机的使用能显著去除化学需氧量和固体悬浮物。一体化纳米净水设备是在超声波生物滤池中加入了纳米滤料,实验结果显示该设备对锦鲤的尾水处理效果良好[14]。微滤机较适合集约化工厂化养殖,海水工厂化养殖专用微滤机目前已经在市场上广泛应用。尤联资[15]在前人基础上,发明了一种水产养殖用弧形筛,可调式的支架设计扩大了设备的使用范围并提高了稳定性;在传统弧形筛上加入曝气装置,可提高筛网装置的过滤效果,减少筛网装置的反冲洗频率[16];张正等[17]研究发现,“弧形筛+4级生物进化池”处理后的养殖尾水中溶解氧、电导率等多项指标都达到自然海水的常规值,该系统可能是一种适合中国国情的理想的陆基工厂化海水养殖尾水处理模式。

介质材料是介质过滤法研究的基础和重点,当前在水产养殖尾水处理中常用的介质有石英砂、陶粒、塑料颗粒、纤维滤料等。Ridha等[18]用塑料生物过滤介质对简易罗非鱼循环养殖系统进行尾水过滤,取得了很好的净化效果。彗星式纤维滤料一直是近几年研究的重点,以此为滤元的过滤器即为彗星式纤维过滤器。彗星式纤维滤料过滤器具有出水水质稳定、浊度小、过滤精度高、水头损失小、易反冲洗等特性[19]。薛正锐等[20]研制的彗星式纤维过滤器滤料滤速可达8 080 m·h-1,粒径大于2 μm的颗粒去除率为95%,反冲用水仅2%,具有高速高效节能等优势。

机械过滤设备的使用,加快了固液分离速度,与沉淀分离技术相比,大大节省了时间,且根据滤网或者筛隙的大小,可以很好控制过滤颗粒物的大小,在第一级粗滤环节具有99%的极高去除率[21],被认为是第一级处理中最为经济有效的手段[22],但该技术无法实现对可溶性污染物的有效去除。

2.3 泡沫分离技术与装备

泡沫分离技术的原理是在气泡上浮到水体表面形成泡沫的过程中吸附尾水中的微小颗粒,然后通过收集水面泡沫以实现养殖尾水中悬浮态及溶解态污染物的去除[23],基于该理论研发的设备主要为泡沫分离器,原理如图2所示。诸多学者在水力停留时间和气液比2个参数上进行了研究,孙大川等[24]在循环水养殖系统(RAS)的试验中得出,随着水力停留时间的延长,泡沫分离器对不同规格微小固体悬浮颗粒物的去除效率逐渐增加;张延青[25]在海水养殖贝类的尾水处理中确定了最佳气液比。还有通过将泡沫分离技术与臭氧氧化技术结合研发的蛋白质分离器。国外的蛋白质分离器技术已比较成熟,主要有两大类型:逆流曝气式和文丘里射流式[26]。Ranjan等[27]设计了包含文丘里型蛋白质撇渣器的系统,德尔泰克有限公司研发了专门适用于盐水族箱用的蛋白质分离器。该设备虽然处理效能很高,但价格太高,不适用于国内大规模养殖。

泡沫分离技术的使用存在很大的局限性,在淡水生物的养殖尾水处理中基本不适用,因为在淡水中电解质的缺失严重影响泡沫的产生,所以难以达到理想效果。目前我国的泡沫分离技术主要应用于海水工厂化养殖的尾水处理中,在有效降低污染指标的基础上还实现了消毒、增氧[28]。

图2 泡沫分离技术、蛋白质分离器的原理图与实物图Fig.2 Principle and physical map of foam separation technology and protein separator

2.4 紫外线消毒技术与装备

水产行业中的氧化消毒法以紫外线消毒应用最多。紫外线消毒具有运行操作简单、成本低、杀菌广泛、无污染和无残留等优点,但由于其即照即杀的特点,不具有持续消毒能力,此外由于受到紫外线波长的影响,该技术在浑浊度较低的水体中效果一般。这种技术主要用于杀死水体中对鱼类有害的微生物,对污染物的去除没有影响。紫外消毒设备可杀灭循环水养殖系统中99%的大肠杆菌[29]。一种紫外线-臭氧消毒装置结合了紫外消毒和臭氧消毒2种消毒方式,具有无药物残留、结构简单、使用方便、运行成本低的优点[30]。鲁阳[31]将臭氧和紫外水处理技术结合,构建了一种臭氧/紫外耦合对抗生素抗性基因处理技术,以含有不同抗性基因的大肠杆菌为处理对象,结果显示该技术对喹诺酮类和磺胺类抗性基因的去除效率最高。

3 化学处理方法及其装备的研究进展

3.1 臭氧氧化技术与装备

臭氧处理快速、高效,不产生二次污染,但该技术存在造价高和不易储存的问题,主要因为臭氧具有不稳定性,臭氧气体无法用常规方式储存,一般在消毒时现场制取,且臭氧与水不易混合,混合设备的好坏直接关系到臭氧的消毒效果和使用成本。周烜亦[35]研发了鼓泡塔溶解装置,并开发了基于模糊神经网络的工厂化养殖系统,装置取得满意的试验效果。从目前发展来看,解决臭氧的储存问题仍是现阶段专家学者正在研究的热点。

3.2 絮凝技术与装备

絮凝技术主要通过加入与物质相反电性的铝盐、铁盐等絮凝剂来减少离子之间的排斥作用,也可以利用微生物起到凝絮效果,促进离子凝聚下沉,从而达到去除水体中悬浮物的目的。化学絮凝剂的不合理使用极易导致其在出水中残存,再回流至养殖池对生物产生危害,影响生物的生长,因此把握使用剂量是主要问题。电絮凝技术是以牺牲阳极金属电极来产生金属阳离子,靠离子发挥作用起到絮凝作用,可以很好解决二次污染问题。采用电絮凝气浮的方法去除养殖水体中有机物及悬浮物,具有良好的去除效果且完全无絮凝剂的二次污染[36]。

凝絮能使尾水中的离子沉降,后续还需要经过固液分离才能完全从尾水中去除。将絮凝、沉淀和过滤技术集成为适用于水产养殖尾水的一体化处理设备,具有较好的固液分离效果[37-38]。

3.3 电化学技术与装备

从近年来的研究中可以看出,国内外关于电化学技术处理污染物的研究主要集中在电极材料、电流密度、电压、pH值、污染物初始浓度、处理时间、电极板间距的探索,还有电解反应器的设计以及电化学技术对不同污染物去除作用机制等方面[40]。对于电解反应器的研究,陈聪[41]研发了一套集成了电气浮、电絮凝、电化学反应等技术的电化学成套设备。电化学反应一般在常温常压下就能实现,设备比较简单,可以单独处理又可以与其他污水处理技术配合使用,由于养殖尾水中污染物受养殖模式和养殖品种的影响而成分复杂,因此在处理不同尾水时电化学技术处理的反应机制、电极材料等也存在差异。

4 生物法及其装备的研究进展

随着环境监管的加强和人们环保意识的提高,生物方法处理尾水成为一个重要的研究方向。生物处理法主要依靠水生植物、微生物等的生态功能降解水中的N、P等有机物,在微生物处理方法中又以活性污泥法和生物膜法最为典型。

4.1 水生植物处理技术与装备

生态浮床和人工湿地是2种常用的水生植物处理技术。生态浮床是以生物高分子材料为床基,根据需求种植合适的水生植物;若生态浮床技术与经济植物水培技术、能源技术相结合,还能实现生态效益和经济效益双收。章永泰[42]设计了一套带风能曝气装置的尾水净化浮床,充分利用风能发电原理,推进尾水处理的生态化。应用管式反应器增强生态浮床,可实现二次流出物的高氮处理[43]。人工湿地是一种复杂的多功能生态系统,因其成本低廉、生态友好、便于与景观结合等特点,广泛应用于尾水处理中。用人工湿地法处理池塘养殖尾水,出水氮、高锰酸钾指数可达到地表水一类标准,出水总磷达地表水二类标准[44]。

4.2 活性污泥法与装备

活性污泥法始于20世纪60年代,主要是利用悬浮生长的微生物絮团对污染物进行凝聚、吸附、氧化和分解以达到去污目的,其发展和基本流程如图3所示。采用沸石强化活性污泥法改变系统内生物相和微生物的存在方式,对尼罗罗非鱼循环水养殖系统尾水具有很好的处理效果,而且能促进尼罗罗非鱼生长[45]。天津一诺海牧公司研制的新型水处理设备,利用超能活性填料及高频震荡将气态羟基与水形成水合羟基离子H3O2-(羟基强氧化源),离子结合水体中的强氧化物质以达到去除的目的[46]。也有学者使用ANFIS与GLM回归模型对活性污泥法出水进行预测[47],如Du等[48]使用自适应的PID算法控制活性污泥法的溶氧,这些新技术的应用为该技术的智慧型发展奠定了基础。

氧化沟是活性污泥法的一种变形,环形沟渠的设计极大减少了污水处理的占地面积,增加沟渠的长度,可以在一条沟渠内实现硝化和反硝化作用,提高污水处理效率。Xu等[49]提出了与活性污泥模型2(ASM2)集成的计算流体动力学(CFD)模型,并将其应用于设备的全尺寸外径,该模型有助于解决高能量消耗和污泥沉淀对氧化沟的限制问题,证实ASM2积分模型在数值上能够优化氧化沟的运行策略。采用新型外置污泥处理和回流方式在含双区澄清池的一体化氧化沟中快速培养厌氧颗粒污泥(AGS),在低浓度生活污水的处理中已经取得成功,在水产养殖方面仍需进一步试验[50]。目前我国已经熟练掌握曝气设备的位置对溶解氧浓度梯度的影响规律,在进行更深入的研究后,氧化沟中溶解氧等技术的掌握程度将越来越高。

活性污泥法作为有机水处理的主体,仍存在污泥膨胀、建筑物占地大、运行费用高、管理复杂等缺点。氧化沟作为活性污泥法的变形,虽其产污泥量降低了,占地面积有所减小了,但污泥膨胀的问题仍然存在。

图3 活性污泥法的发展史、流程图、曝气设备图及一种生物过滤器图Fig.3 Development,flow chart,aeration equipment diagram and a biofilter diagram of activated sludge process

4.3 生物膜法与装备

由活性污泥法进一步演变的是生物膜法,微生物在载体上附着,挂膜启动后在载体表面形成一层生物膜,该方法能很好克服上述氧化沟技术存在的污泥膨胀问题。这项技术最早的应用是生物滤池,方法简单,处理效果好且能耗低,不产生二次污染,但是滤料使用时间长了会发生堵塞和难清洗的问题。由生物滤池演变的有生物转盘和生物转筒,随后又进一步演变成生物接触氧化设备和生物流化床,这几种工艺的特点如表2所示,虽各有利弊,但都在不断应用与发展中。

表2 生物法的几种工艺对比Table 2 Comparison of several biological processes

虽然生物滤池具有处理效果好、运行稳定、易于管理、节约能源的优势,但占地面积大,处理大水量尾水时效果不甚理想,若持续处理时间过长,还会产生滤池蝇,并伴随臭味产生。

生物转盘和生物转筒技术很好解决了活性污泥法中污泥膨胀的问题,基本不会发生滤料堵塞,能承受高负荷、高浓度的污水,但是由于其造价高和盘片材料的限制使该技术更适合大流量的有机污水,如工业污水、餐饮污水、生活污水等,在水产养殖领域,该技术对于工厂化型高密度养殖较为合适,在小规模的养殖中采用该设备无疑会增大处理成本。

生物接触氧化技术虽具有较广的适用范围,挂膜简单且启动快,污泥量少,但存在生物膜过厚堵塞填料的问题,填料的设置使构造较为复杂,曝气设备的安装和维护也不便。

4.3.5 膜生物反应器技术与装备膜生物反应器(MBR)技术被认为是最具前景的尾水处理技术,该技术虽然在其他领域已经取得了不错的效果,但是在水产养殖尾水处理中研究较少。目前学者们的研究主要致力于MBR技术的高效利用、膜污染的控制和反冲洗水的回收利用。超滤膜MBR对海洋循环水养殖系统(RAS)中细悬浮固体和胶体颗粒去除效果更佳[69]。翟雅男等[70]研制了一体式生物膜反应器,对比试验发现曝气量、水力停留时间(HRT)、混合液污泥浓度(MLSS)对膜污染的贡献率逐渐降低。将MBR技术应用在虹鳟鱼的RAS系统中,系统的补给水要比传统系统少65%,实现了虹鳟鱼养殖中RAS和MBR的集成改进,也节约了大量水资源[71]。由MBR膜技术延伸的设备有经济性好的动态膜生物反应器(DMBR)[72-74],同步硝化和反硝化的曝气膜生物反应器(MABR)[75-77],脱氢除磷效果更佳的序批式膜生物反应器(SB-MBR)[78-81]以及适用于海洋水族馆等一类的封闭式海洋系统中离子交换膜生物反应器(IEMB)[82]等。其中,浸没式MBR流程及膜的分层结构如图4所示。

MBR技术省去了二沉池,微生物完全保留在反应器内,实现了水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离,无污泥膨胀,运行更加稳定、灵活,这种技术的主要问题就在于膜污染和能耗高,而利用膜技术解决水产养殖尾水处理问题的关键就在于如何在保持高去除率的同时还能保持高渗透通量,这将成为后续研究的重点和难点。

图4 浸没式膜生物反应器(MBR)流程及反应器中膜的分层结构Fig.4 Submerged membrane bioreactor process and membrane layered structure in membrane bioreactor(MBR) A.原水箱Wasterwater tank;B.进水泵Feeding pup;C.流量计Flow meter;D.粉末活性炭Powder activated carbon;E.反应器A Reactor A;F.反应器B Reactor B;G.球阀Globe valve;H.真空表Vacuum meter;I.气泵Air pump;J.真空泵Vacuum pump;K.取样阀Sampling valve;L.时间继电器Timer;M.储水池Water storage tank;N.膜组件Membrane module.

图5 几种常见的尾水处理工艺流程Fig.5 Several common tail water treatment processes flowA(A)O:厌氧-缺氧-好氧法Anaerobic-anoxic-oxic;SBR:序批式活性污泥法Sequencing batch reactor activated sludge process.

5 常见尾水处理工艺

上述内容提到的各种技术均为独立的处理单元,主要功能在于去除尾水中某一种或多种特定的污染因子,但在实际处理应用中,往往都是多种技术组合形成一定的工艺以实现对尾水中污染因子的全去除,即物理、化学、生物法的多种组合共同实现水产养殖尾水的处理。

目前,在我国实际尾水处理中,多以“物理法+生物法+物化法”的顺序进行处理,最为常用的工艺有传统活性污泥工艺、厌氧-缺氧-好氧[A(A)O]工艺、序批式活性污泥(SBR)工艺、MBR工艺等。几种工艺的一般流程如图5所示。

目前传统活性污泥工艺在城市污水处理中已得到广泛应用,其具有处理效果好、能灵活进行尾水处理的特点,但在处理时也有污泥上浮、生物菌活性不增反降、冲击负荷适应能力差和泡沫等问题,使用时尤其注意前段缺氧后段氧富余情况的发生,在实际应用时需根据尾水水质参数进行相关的设计和计算[83]。A(A)O 工艺在去除有机物的同时还能有效去除N、P元素,具有投资少、运行费用低和环境效益好的特点,但是该工艺本身具有污泥龄矛盾、氮源竞争、硝酸盐受溶氧量影响大的问题,应用该工艺时在回流污泥量、剩余沉淀污泥和各段泥龄问题上需要严格规范操作[84]。SBR工艺具有运行稳定、净化效果好、耐冲击负荷、设备结构简单、污泥膨胀弱、造价低的显著优势,但运行时存在间歇周期长、脱氮除磷效率低、污泥不稳定等问题,不适合大型污水处理厂,而且其不能实现连续出水,也限制了其与其他连续工艺的串联使用[85]。MBR工艺设备紧凑、占地面积小、出水水质稳定、剩余污泥量少、操作简单且易于实现自动控制,但存在膜造价高、膜易受污染、能耗高等问题,正常膜片的使用寿命为3～5年,每年需更换20%的膜片,这些特点必然带来较高的处理成本,对于养殖户而言,绝非首选[86]。每种工艺各有特点和适用范围,随着科技的进步和科研的不断发展,水产养殖尾水处理工艺也在不断进步。

6 总结与展望

综合本文对于水产养殖尾水处理各项技术与相关装备的研究,我们了解到目前的尾水处理技术持续稳步发展,且研究体系已经十分成熟,但当前研究大多是针对一种技术的工艺参数的变量化研究,在技术装备的机械化创新研发方面成果不甚显著。

水产养殖尾水处理技术与装备的研发推动了水产养殖的可持续发展,但水产养殖尾水处理技术和设备的使用范围却十分有限,实现全行业的应用和推广还需要做到以下几步:1)加大对水产养殖尾水处理技术和设备的研发投入,通过机械设备代替传统三池两坝的处理方式,解决传统水处理占地面积大的问题,极大提高尾水处理的效率;2)借助算法模型高效率改进工艺、优化设备结构,开发出适用于不同养殖品种和养殖模式的专业性处理设备,降低设备研发成本,以合理的价格推向市场,填补目前中小型养殖场的空缺;3)将传感技术、通信技术和智能检测技术等集成到尾水处理设备中,智能检测尾水处理设备进水水质数据,为设备后续的智能化处理提供数据源,实时监测出水水质数据,增设预警功能,保证出水在国标限值范围之内。我国水产养殖尾水处理技术和设备的全专业化、自动化和智能化之路任重而道远,但终将实现全行业应用。