閉合循環(huán)養(yǎng)殖車間水處理技術(shù)的應(yīng)用研究

閉合循環(huán)養(yǎng)殖車間水處理技術(shù)的應(yīng)用研究

采用封閉循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，由于其節(jié)水、區(qū)位和環(huán)境友好，近年來(lái)在中國(guó)引起了迅速的發(fā)展。在閉合循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中,搭配合理、性能穩(wěn)定的水處理單元是保證養(yǎng)殖用水較高重復(fù)利用的關(guān)鍵。常用的閉合循環(huán)養(yǎng)殖車間水處理技術(shù)構(gòu)成包括生物過(guò)濾技術(shù)、固液分離技術(shù)、臭氧(紫外線)消毒技術(shù)、蔬菜水培技術(shù)等。本試驗(yàn)中,作者研究了這幾種核心技術(shù)在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用的效果,旨在為閉合循環(huán)養(yǎng)殖模式的進(jìn)一步推廣提供參考。1材料和方法1.1u2004養(yǎng)殖過(guò)程試驗(yàn)在上海水產(chǎn)大學(xué)設(shè)施漁業(yè)研究所設(shè)計(jì)開發(fā)的閉合循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖車間進(jìn)行。水處理部分主要由滴濾式生物過(guò)濾器、固液分離裝置、流著凈化渠、泡沫分離等單元組成(圖1)。系統(tǒng)總水量為1000m3,共7個(gè)養(yǎng)殖池,每個(gè)養(yǎng)殖池水體為35m3。試驗(yàn)用魚為暗紋東方鲀Fuguobscurus,分幾次投放:試驗(yàn)開始,先投放3000尾,平均體重為14g;運(yùn)轉(zhuǎn)30d后,投放平均體重為65g的魚種2700尾,平均體重為95g的魚種5100尾,次日再投放平均體重為350g的魚種2800尾。試驗(yàn)時(shí)間為140d,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)負(fù)載為8.5～20kg/m3。養(yǎng)殖期間,每日補(bǔ)充因日常管理和蒸發(fā)而損失的水分,不換水。水溫為25～27℃,溶解氧為5.5～7.2mg/L,用生石灰調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的pH,使養(yǎng)殖用水的pH保持在7.5～8.5。試驗(yàn)期間,投餌量為魚體重的10%～12%。飼料的營(yíng)養(yǎng)成分(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:粗蛋白≥44.0,粗纖維≤3.0,粗灰分≤17.0,鈣3.5～5.5,總磷1.0,食鹽0.8～2.5,粗脂肪4.0,賴氨酸4,胱氨酸≥1.5,水分≤10.0。1.2微生物和活性氣體分離裝置系統(tǒng)中所用的過(guò)濾材料為斜發(fā)沸石、麥飯石和貝殼,按7∶2∶1的比例組成,比表面積約為370m2/m3。每個(gè)生物過(guò)濾器裝有約3m3濾料,每個(gè)子系統(tǒng)共有8個(gè)生物過(guò)濾器。系統(tǒng)水體日循環(huán)8次,通過(guò)每個(gè)生物濾器的水流速度為0.24m3/min,水體在生物過(guò)濾器中的停留時(shí)間為5min。試驗(yàn)期間,每日給系統(tǒng)中補(bǔ)充一定的蒸發(fā)水量和反沖水量,不換水。每周反沖2次生物過(guò)濾器,每次反沖時(shí),每個(gè)生物過(guò)濾器耗水約0.8m3。1.2.2臭氧-泡沫分離器車間所用臭氧-泡沫分離裝置為復(fù)合裝置。反應(yīng)塔柱高為2m,直徑為0.8m。試驗(yàn)期間,臭氧投放量為4～5g/h,試驗(yàn)裝置反應(yīng)塔的入水流量為0.17m3/min,加入臭氧在水中的濃度為0.35～0.40g/m3,利用效率為80%左右。臭氧發(fā)生器開啟時(shí),泡沫分離器中通入臭氧化氣體,進(jìn)行泡沫分離和臭氧消毒;臭氧發(fā)生器關(guān)閉時(shí),該裝置即為泡沫分離器。水培種類為生菜和草莓。共有5條水培渠(46m×0.9m×0.2m),水培面積為200m2。其中100m2栽培生菜,共850株,間距為25cm×25cm;100m2栽培草莓,共850株,間距為25cm×25cm。系統(tǒng)中淡水養(yǎng)殖魚池的廢水,經(jīng)一級(jí)水處理后排入水培渠作為蔬菜水培區(qū)的營(yíng)養(yǎng)源。1.3進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定試驗(yàn)期間,每天8:00～10:00分別在試驗(yàn)水處理單元進(jìn)出水口取樣,比較進(jìn)出水口主要水質(zhì)指標(biāo)的差異,以衡量該水處理單元一次性處理效能,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行每日監(jiān)測(cè)。主要水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為pH、總氨氮(TNH3-N)、NO2-N、COD、DO、NO3-N。1.4tnh3-n及cod用pHs—3D多功能pH計(jì)測(cè)定pH;采用納氏試劑比色法測(cè)定TNH3-N;采用重氮—偶氮比色法測(cè)定NO2-N;采用酸式高錳酸鉀法測(cè)定COD;采用碘量法和YSI—多功能溶氧儀測(cè)定溶解氧;采用鎘-銅還原法測(cè)定硝態(tài)氮;采用消化法測(cè)定總氮和總磷。2結(jié)果2.1生物濾器的一次性試驗(yàn)系統(tǒng)中生物濾器處理效能穩(wěn)定。由表1可見:生物濾器對(duì)進(jìn)水中TNH3-N一次性去除率為44.79%,對(duì)NO2-N的一次性去除率為20.31%,對(duì)COD一次性去除率為20.10%。2.2tnh3-n、no2-n的去除效果由表2可見:兩種情況下,試驗(yàn)裝置對(duì)流經(jīng)反應(yīng)塔水體中的TNH3-N、NO2-N均有明顯的去除作用。開啟泡沫分離-臭氧裝置對(duì)TNH3-N、NO2-N的去除率分別為39%和38.1%;僅開啟泡沫分離器時(shí),對(duì)TNH3-N、NO2-N的去除率分別為42.45%和24.71%。方差分析表明,泡沫分離-臭氧裝置和泡沫分離器對(duì)流經(jīng)反應(yīng)塔水體的TNH3-N去除率之間不存在明顯差異,對(duì)NO2-N的去除率之間存在明顯差異。兩種情況下,試驗(yàn)裝置均能使流經(jīng)水體中的pH和DO明顯升高。開啟臭氧—泡沫分離裝置能明顯去除水體中的異養(yǎng)細(xì)菌,去除率達(dá)93.58%,出水中含異養(yǎng)菌數(shù)為56CFU/mL,但對(duì)COD卻無(wú)明顯去除效果。經(jīng)差異顯著性檢驗(yàn),進(jìn)水、出水口中COD的濃度無(wú)明顯差異。泡沫分離器對(duì)水體中COD的去除作用較為明顯,對(duì)異養(yǎng)菌有一定的去除能力。2.3蔬菜對(duì)tnh3-n的去除效果系統(tǒng)中水培蔬菜生長(zhǎng)狀況良好。經(jīng)45d水培可收獲一茬生菜,其單株平均濕重為350g,平均株高為25～35cm,最長(zhǎng)須根長(zhǎng)為60～75cm;草莓植入后15d開始開花,掛果率較高。植物或花卉在水栽培過(guò)程中能形成發(fā)達(dá)的根系,在根系部位能形成獨(dú)特的水體-植物根系-微生物生態(tài)系統(tǒng),其對(duì)氮元素的利用主要有植物的直接吸收和微生物的硝化-反硝化作用。從水處理的角度分析,養(yǎng)殖廢水中TNH3-N不通過(guò)微生物的硝化作用,而直接被植物吸收,這樣有利于養(yǎng)殖水體的維護(hù)和降低水處理設(shè)備成本。在TNH3-N、NO2-N和NO3-N同時(shí)存在的情況下,植物根系優(yōu)先吸收TNH3-N,其次是NO3-N,最后是NO2-N。從表3和圖2可見,隨著蔬菜生物量的增加,蔬菜對(duì)TNH3-N的去除率(凈化效率)也隨之增加。方差分析結(jié)果表明,植物生物量對(duì)TNH3-N去除率有顯著影響。生長(zhǎng)狀況最好的2號(hào)生菜水培渠中,平均TNH3-N去除率為22.83%,最大值為57.46%;其次為4號(hào)生菜水培渠,平均TNH3-N去除率為10.83%,最大值為18.52%;試驗(yàn)后期植入的草莓生物量比生菜少,因而1號(hào)和3號(hào)草莓水培渠中TNH3-N的去除率比2、4號(hào)生菜水培渠的去除率低,TNH3-N去除率平均分別為9.15%(最大值為16.19%)、9.40%(最大值為18.43%)。2.4養(yǎng)殖池內(nèi)no2-n、tnh3-n濃度基本情況由圖3可見,生產(chǎn)期間系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)基本保持穩(wěn)定。養(yǎng)殖池內(nèi)NO2-N濃度基本維持在低于0.8mg/L、TNH3-N濃度基本維持在低于1.5mg/L的范圍。2.5東黑素生長(zhǎng)效果試驗(yàn)期間,暗紋東方鲀的生長(zhǎng)狀況良好,平均尾增重50～90g,平均飼料系數(shù)為1.8,平均成活率為85%。3本試驗(yàn)的結(jié)果分析TNH3-N和NO2-N是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中被關(guān)注的主要水質(zhì)指標(biāo),是主要水處理單元功能設(shè)置考慮的對(duì)象。各種類型的生物過(guò)濾器(浸沒式、滴濾式、流化床等)對(duì)維持閉合循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)穩(wěn)定起著核心的作用,其主要功能是利用硝化細(xì)菌的硝化作用控制養(yǎng)殖用水中TNH3-N和NO2-N的濃度。影響生物過(guò)濾器處理效果的因素包括生物過(guò)濾器的工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù),水力停留時(shí)間是影響其一次性處理效果的兩方面參數(shù)的結(jié)合點(diǎn)。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的生物過(guò)濾器的水力停留時(shí)間只有5min,相關(guān)報(bào)道一般在30min左右。所以本系統(tǒng)生物過(guò)濾器的一次性處理效果低于相關(guān)報(bào)道的結(jié)果。一方面是因?yàn)樯鲜鲅芯康谋镜字递^高,容易得到較高的去除率;其次是這些系統(tǒng)中生物過(guò)濾器的水力停留時(shí)間較長(zhǎng)。泡沫分離器主要功能設(shè)置的目的是用來(lái)控制養(yǎng)殖水體中COD的濃度,不是必須功能單元,而臭氧是閉合循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中重要的日常消毒劑。將泡沫分離技術(shù)和臭氧消毒技術(shù)結(jié)合使用,可在同一個(gè)反應(yīng)塔內(nèi)同時(shí)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行兩種目的的凈化過(guò)程,既可以降低投資成本,節(jié)省占地空間,又可以提高臭氧和水體的接觸時(shí)間,充分發(fā)揮泡沫分離和臭氧氧化的雙重功效。本試驗(yàn)結(jié)果表明:該裝置在明顯降低養(yǎng)殖水體中COD濃度、控制異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的同時(shí),對(duì)降低水體中TNH3-N和NO2-N濃度,提高流經(jīng)水體的溶解氧含量有明顯效果,因而可以減輕生物過(guò)濾器的處理負(fù)荷。受處理量的限制,泡沫分離裝置對(duì)系統(tǒng)水質(zhì)穩(wěn)定的貢獻(xiàn)不如生物過(guò)濾器。閉合循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中控制硝酸鹽濃度的理論方法有很多種,但在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)榉N種因素的限制(如養(yǎng)殖水體碳源的不足等),目前尚無(wú)最佳的方法。將水培蔬菜作為閉合循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖車間一個(gè)重要的水處理單元,是利用了“魚”、“菜”兩種能量的生態(tài)互補(bǔ)性,將養(yǎng)魚水中總氨氮、磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)成分作為蔬菜的營(yíng)養(yǎng)源,在凈化水質(zhì)的同時(shí)收獲經(jīng)濟(jì)作物。但因大多數(shù)水培植物對(duì)TNH3-N、NO2-N的優(yōu)先吸收,從一次性處理效果來(lái)看,其對(duì)硝酸鹽的控制效果不明顯。但是,由于水培植物直接吸收了TNH3-N和NO2-N,減少了硝酸鹽的生成,所以對(duì)系統(tǒng)總體硝酸