水產養殖廢水處理技術

LXD6969 2010-10-23

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除了流入湖泊的河流給湖泊帶來的氮磷污染物外，水產養殖產生的廢水也是湖泊富營養化的一個不可忽視的因素。人們已認識到治理水產養殖廢水對環境的重要性,水產養殖廢水的處理方法主要有物理處理法、化學處理法、物理化學處理法、生物處理法。一般認為生物處理是最經濟有效的手段,并且符合生態學及可持續發展的觀點。

1　物理處理技術
1.1　過濾技術
1.2　泡沫分離技術

2　化學處理技術
2.1　電化學
2.2　臭　氧

3　生物處理技術
3·1　活性污泥法
3·2　生物膜法
3·2·1　生物濾池
3·2·2　生物轉盤
3·2·3　生物轉筒
3·2·4　生物硫化床

4 自然生物處理技術
4.1 濕地生態系統
4.2 魚塘水生生態系統

過濾技術

由于養殖廢水中的剩余殘餌和養殖生物排泄物等大部分以懸浮態大顆粒形式存在，因此采用物理過濾技術去除是最為快捷、經濟的方法。常用的過濾設備有機械過濾器、壓力過濾器、沙濾器等。在實際處理工程中，機械過濾器(微濾機)是應用較多、過濾效果較好的方式。沸石過濾器兼有過濾與吸附功能，不僅可以去除懸浮物，同時又可以通過吸附作用有效去除重金屬、氨氮等溶解態污染物。

過濾裝置是從傳統的砂濾池不斷發展起來的，其基本原理是阻隔吸附作用。在處理水產養殖水體中，用砂濾池能很好地去除SS，但是去除N和P效果不佳;改用斜發沸石去可以吸附一定量的氨。Palacios等在砂濾床種植植物，控制滲透率和干濕循環時間，在水力負荷為3.5 cm/d，去除93%總磷;在處理鮭魚養殖廢水中，其水力負荷分別為1.35、25、80~240和2000~2700 cm/d，SS去除效果差異性不大。

對于機械過濾裝置，美國開發的一種筒狀的過濾機，筒體四周附有濾網，筒體置于水中工作時，部分濾網浸沒在水中，廢水從開口端流入筒內，污物被留在網上，過濾過的水又回流到池中，而污物被噴頭沖到漏斗內而排出。瑞典一種高度為3140~4725mm，直徑900~1910 mm的過濾機在工作時，污水由裝置的下部經過中心管和吸附污物的砂混合在一起，由升液器上升到裝置上部，在此分離，污物清除后，經管道流入沉淀池，沙子靠錐形分解器的作用均勻降下，上升的水和下降的沙相遇，這樣，水被凈化后從另一根管道放回到魚池。日本有一種過濾機，其工作原理是水泵將池水吸上后，經噴灑管噴入過濾池，過濾池內一層小顆粒沸石和一個特制過濾器，過濾后的水流回養魚池。

泡沫分離技術

泡沫分離根據表面吸附的原理，利用通氣鼓泡在液相中形成的氣泡為載體對液相中的溶質或顆粒進行分離，因此又稱泡沫吸附分離。

自20世紀70年代,泡沫分離技術已在工業廢水處理中得到廣泛應用。其原理是向被處理水體中通入空氣，使水中的表面活性物質被微小氣泡吸著，并隨氣泡一起上浮到水面形成泡沫，然后分離水面泡沫，從而達到去除廢水中溶解態和懸浮態污染物的目的。由于泡沫分離技術不僅可以將蛋白質等有機物在未被礦化成氨化物和其他有毒物質前就已被去除，避免了有毒物質在水體中積累，而且可向養殖水體提供所必需的溶解氧，對維護養殖水體生態環境有良好作用。

泡沫分離技術是近十幾年發展起來的新型分離技術之一。泡沫分離是根據吸附的原理，向含表面活性物質的液體中鼓泡，使液體內的表面活性物質聚集在氣液界面（氣泡的表面）上，在液體主體上方形成泡沫層，將泡沫層和液相主體分開，就可以達到濃縮表面活性物質（在泡沫層）和凈化液相主體的目的。被濃縮的物質可以是表面活性物質，也可以是能與表面活性物質相絡合的物質，但它們必須具備和某一類型的表面活性物質能夠絡合或鰲合的能力。人們通常把凡是利用氣體在溶液中鼓泡，以達到分離或濃縮目的的這類方法總稱為泡沫吸附分離技術，簡稱泡沫分離技術。

泡沫分離技術的研究開發工作已開展了近一個世紀，為統一泡沫分離的概念，1964 年Karger，Grieves[2]等人共同推薦并向IUPAC 提出一項建議，把泡沫分離技術方法分類如表1-1：
表1-1 泡沫分離技術方法分類
I 泡沫分離 Foam separation
A 泡沫分離法 Foam fractionation
B 泡沫浮選法Froth Flotation
1. 礦物浮選 Ore Flotation
2. 粗離子浮選 Macro Flotation
3. 細粒子浮選 Micro Flotation
4. 沉淀浮選 Precipitate Flotation
5. 離子浮選 Ion Flotation
6. 分子浮選 Molecular Flotation
C 吸附膠體浮選 Adsorbing Flotation
Ⅱ非泡沫分離Nonfoaming adsorptive bubble separations
A 鼓泡分離法 Bubble fractionation
B 萃取浮選法 Solvent sublation

臭氧處理技術

海水工廠化養殖廢水存在養殖生物排泄物等懸浮物，以及氨氮、可生物降解有機物等物質，而且也存在難生物降解有機物。因此，利用臭氧、過氧化氫、二氧化氯、漂白液等化學氧化劑的氧化作用，氧化分解難生物降解溶解態有機物是養殖廢水深度處理的主要手段。臭氧氧化技術已在西歐、美國和日本被廣泛應用于海水養殖系統的循環水處理。此外，臭氧不僅能快速降低海水COD ，而且還可大大降低水體中氨氮和亞硝酸鹽濃度。但所消耗的臭氧量很大。因此采用O3/UV工藝，既能提高處理效率又可減少臭氧的用量。用O3/UV技術凈化湖水可達到水質凈化及水體增氧的目的。

臭氧

臭氧的凈化原理在于它在水中的氧化還原電位為2.07 V，高于氯(1.36 V)和二氧化氯(1.5 V)。它能夠破壞和分解細胞的細胞壁(膜)，迅速擴散滲入細胞內，從而殺死病原菌。臭氧在水中分解的中間物質羥基自由基(·OH)，具有很強的氧化性，可以分解一般氧化劑難分解的有機物。因此，用臭氧處理廢水，既能夠迅速滅除細菌、病毒和氨等有害物質，又能增加水中溶解氧，從而達到凈化養殖廢水的目的。有資料報道，臭氧在魚蝦養殖中應用效果顯著，Jack在1994~1995年進行13次臭氧水處理試驗，其臭氧投放量0.59 mg/L，滅菌率可達99.12%;日本伊騰慎悟用臭氧處理海水研究表明，海水中99.9%各種細菌可被臭氧消滅。臭氧與生物濾池結合，出水中溶解氧含量高，回用可以提高養殖密度。

電化學技術

電化學是研究電和化學反應相互關系的科學。電和化學反應相互作用可通過電池來完成，也可利用高壓靜電放電來實現，二者統稱電化學，后者為電化學的一個分支，稱放電化學。在物理化學的眾多分支中，電化學是唯一以大工業為基礎的學科。它的應用主要有：電解工業，其中的氯堿工業是僅次于合成氨和硫酸的無機物基礎工業；鋁、鈉等輕金屬的冶煉，銅、鋅等的精煉也都用的是電解法；機械工業使用電鍍、電拋光、電泳涂漆等來完成部件的表面精整；環境保護可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物；化學電源；金屬的防腐蝕問題，大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題；許多生命現象如肌肉運動、神經的信息傳遞都涉及到電化學機理。應用電化學原理發展起來的各種電化學分析法已成為實驗室和工業監控的不可缺少的手段。
在水產養殖廢水的處理中，用電化學法去除水中溶解的亞硝酸鹽和氨氮的研究結果表明,亞硝酸鹽完全去除的時間和能耗隨著傳導率的增加而降低,輸入電流最大為2A時,耗能最少,pH相對于輸入電流和電導率來說幾乎沒有影響;在酸性條件下有利于亞硝酸鹽的去除,堿性條件有利于氨的去除,氨的去除速度低于亞硝酸鹽的去除速度。

活性污泥法

活性污泥法是以活性污泥為主體的廢水生物處理的主要方法。活性污泥法是向廢水中連續通入空氣，經一定時間后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥狀絮凝物。其上棲息著以菌膠團為主的微生物群，具有很強的吸附與氧化有機物的能力。

典型的活性污泥法是由曝氣池、沉淀池、污泥回流系統和剩余污泥排除系統組成。

污水和回流的活性污泥一起進入曝氣池形成混合液。從空氣壓縮機站送來的壓縮空氣，通過鋪設在曝氣池底部的空氣擴散裝置，以細小氣泡的形式進入污水中，目的是增加污水中的溶解氧含量，還使混合液處于劇烈攪動的狀態，形懸浮狀態。溶解氧、活性污泥與污水互相混合、充分接觸，使活性污泥反應得以正常進行。

第一階段，污水中的有機污染物被活性污泥顆粒吸附在菌膠團的表面上，這是由于其巨大的比表面積和多糖類黏性物質。同時一些大分子有機物在細菌胞外酶作用下分解為小分子有機物。

第二階段，微生物在氧氣充足的條件下，吸收這些有機物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供給自身的增殖繁衍。活性污泥反應進行的結果，污水中有機污染物得到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增長，污水則得以凈化處理。

經過活性污泥凈化作用后的混合液進入二次沉淀池，混合液中懸浮的活性污泥和其他固體物質在這里沉淀下來與水分離，澄清后的污水作為處理水排出系統。經過沉淀濃縮的污泥從沉淀池底部排出，其中大部分作為接種污泥回流至曝氣池，以保證曝氣池內的懸浮固體濃度和微生物濃度；增殖的微生物從系統中排出，稱為“剩余污泥”。事實上，污染物很大程度上從污水中轉移到了這些剩余污泥中。

活性污泥法的原理形象說法：微生物“吃掉”了污水中的有機物，這樣污水變成了干凈的水。它本質上與自然界水體自凈過程相似，只是經過人工強化，污水凈化的效果更好。Meske等通過活性污泥法處理水產養殖循環用水研究表明，NH+4-N含量不能達到回用的要求；Umble等在水產養殖排水溝渠中用接近SBR的操作方式進行好氧厭氧處理，效果良好；Nugual等用SBR法處理海水養殖廢水，探討鹽度影響，結果表明，在鹽度不是很高情況下，脫氮效果良好。

生物膜法

生物膜法主要有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化設備和生物硫化床等,這些技術因為其微生物的多樣化,在水產養殖廢水的封閉循環使用中得到廣泛利用。

是與活性污泥法并列的一類廢水好氧生物處理技術，是一種固定膜法，是土壤自凈過程的人工化和強化；主要去除廢水中溶解性的和膠體狀的有機污染物。

生物膜法是利用附著生長于某些固體物表面的微生物（即生物膜）進行有機污水處理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厭氧菌、兼性菌、真菌、原生動物以及藻類等組成的生態系統，其附著的固體介質稱為濾料或載體。生物膜自濾料向外可分為慶氣層、好氣層、附著水層、運動水層。生物膜法的原理是，生物膜首先吸附附著水層有機物，由好氣層的好氣菌將其分解，再進入厭氣層進行厭氣分解，流動水層則將老化的生物膜沖掉以生長新的生物膜，如此往復以達到凈化污水的目的。生物膜法具有以下特點：（1）對水量、水質、水溫變動適應性強；（2）處理效果好并具良好硝化功能；（3）污泥量小（約為活性污泥法的3／4）且易于固液分離；（4）動力費用省。

生物膜法又稱固定膜法，基本特征是：
　　
在污水處理構筑物內設置微生物生長聚集的載體（一般稱填料），在充氧的條件下，微生物在填料表面聚附著形成生物膜，經過充氧的污水以一定的流速流過填料時，生物膜中的微生物吸收分解水中的有機物，使污水得到凈化，同時微生物也得到增殖，生物膜隨之增厚。當生物膜增長到一定厚度時，向生物膜內部擴散的氧受到限制，其表面仍是好氧狀態，而內層則會呈缺氧甚至厭氧狀態，并最終導致生物膜的脫落。隨后，填料表面還會繼續生長新的生物膜，周而復始，使污水得到凈化。
　　
微生物在填料表面聚附著形成生物膜后，由于生物膜的吸附作用，其表面存在一層薄薄的水層，水層中的有機物已經被生物膜氧化分解，故水層中的有機物濃度濃度比進水要低得多，當廢水從生物膜表面流過時，有機物就會從運動著的廢水中轉移到附著在生物膜表面的水層中去，并進一步被生物膜所吸附，同時，空氣中的氧也經過廢水而進入生物膜水層并向內部轉移。
　　
生物膜上的微生物在有溶解氧的條件下對有機物進行分解和機體本身進行新陳代謝，因此產生的二氧化碳等無機物又沿著相反的方向，即從生物膜經過附著水層轉移到流動的廢水中或空氣中去。這樣一來，出水的有機物含量減少，廢水得到了凈化。

生物膜的形成過程：含有營養物質和接種微生物的污水在填料的表面流動，一定時間后，微生物會附著在填料表面而增殖和生長，形成一層薄的生物膜。生物膜的成熟：在生物膜上由細菌及其它各種微生物組成的生態系統以及生物膜對有機物的降解功能都達到了平衡和穩定。

生物濾池

生物濾池(biologicalfilter，tricklingfilter)是由碎石或塑料制品填料構成的生物處理構筑物。污水與填料表面上生長的微生物膜間隙接觸，使污水得到凈化。其性能特點：

1）生物濾池的處理效果非常好，在任何季節都能滿足各地最嚴格的環保要求。
2）不產生二次污染。
3）微生物能夠依靠填料中的有機質生長，無須另外投加營養劑。因此停工后再使用啟動速度快，周末停機或停工1至周后再啟動能立即達到很好的處理效果，幾小時后就能達到最佳處理效果。停止運行3至4周再啟動立即有很好的處理效果，幾天內恢復最佳的處理效果。
4）生物濾池緩沖容量大，能自動調節濃度高峰使微生物始終正常工作，耐沖擊負荷的能力強。
5）運行采用全自動控制，非常穩定，無須人工操作。易損部件少，維護管理非常簡單，基本可以實現無人管理，工人只需巡視是否有機器發生故障。
6）生物濾池的池體采用組裝式，便于運輸和安裝；在增加處理容量時只需添加組件，易于實施；也便于氣源分散條件下的分別處理。
7）此類過濾形式的生物濾池能耗非常低，在運行半年之后濾池的壓力損失也只有500Pa左右。

在集約化養魚裝置中配用的生物濾池有平流式、升流式和降流式。生物濾池中填料是生物的載體，填料主要有碎石、卵石、焦炭、煤渣、塑料蜂窩和各種人工合成產品等;生物濾池能連續使用，不需要更換濾料。生物濾池設計中很重要的就是填料的選擇，填料的結構和表面積要有利于生物膜的生長和有機懸浮顆粒的捕集。在臺灣，Yang等用一個十字交叉的高孔隙率的填料(塑料鮑爾環，孔隙率87%)的生物濾池，后跟一個有很大表面積填料(粉末焦炭顆粒，孔隙率35%)的生物濾池，在停留時間為2.5h，SS和BOD去除率分別為98.8%和80.2%。在新加坡，China等用沉淀池→生物濾池→二沉池→生物過濾器工藝，其中填料為混合纖維(表面積>1000m2/m3，孔隙率85%)，對河口大面積集約化養殖水體處理后可回用。在澳大利亞，Abeysinghe等用好氧淹沒升流式生物濾池去除鮭魚養殖廢水中TOC和N，其中填料有效表面積141m2/m3，停留時間為4h時，去除40%的磷，氮完全硝化和40%反硝化，TOC可以降到12mg/L。曝氣后從生物濾池出水應有足夠的溶解氧滿足回用需要，Eikebrokk利用一個淹沒式的鼓風升流式的生物過濾器，在這個生物過濾器里可以進行消化和氧的傳遞，把其放在魚塘里，使得污染物減少了90%~95%，池塘的溶解氧可保持在5mg/L。另外可通過控制溶解氧進行生物濾池的硝化和反硝化作用，Sauthier等用池塘(曝氣)→機械濾池→紫外光消毒→淹沒式生物濾池(反硝化池)→魚塘回用，其中填料孔隙率>30%，氮負荷為2.4kgN/m3.d，反沖洗時間為3d。

生物轉盤

生物轉盤(rotating biological disk)由水槽和部分浸沒于污水中的旋轉盤體組成的生物處理構筑物。盤體表面上生長的微生物膜反復地接觸槽中污水和空氣中的氧，使污水獲得凈化。
　　
生物轉盤工藝是生物膜法污水生物處理技術的一種，是污水灌溉和土地處理的人工強化，這種處理法使細菌和菌類的微生物、原生動物一類的微型動物在生物轉盤填料載體上生長繁育，形成膜狀生物性污泥－－－生物膜。污水經沉淀池初級處現后與生物膜接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的有機污染物作為營養，使污水得到凈化。在氣動生物轉盤中，微生物代謝所需的溶解氧通過設在生物轉盤下側的曝氣管供給。轉金表面覆有空氣罩，從曝氣管中釋放出的壓縮空氣驅動空氣罩使轉金轉動，當轉金離開污水時，轉金表面上形成一層薄薄的水層，水層也從空氣中吸收溶解氧。

生物轉盤由一串固定在軸上的圓盤組成，盤片之間有一間隔，盤片一半放在水中，另一半露出水面。水和空氣中的微生物附在盤片的表面上，結成一層生物膜。轉動時，浸沒在水中的片露出水面，盤片上的水因自重而沿著生物膜表面下流，空氣中的氧通過吸收、混合、擴散和滲透等作用，隨轉盤轉動而被帶入水中，使水中溶解氧增加，水質得到凈化。

生物轉筒

生物轉筒是一種包含有氧化槽、進出水管、轉軸的具有填充物的生物轉筒(鼓)的污水處理裝置，其特征在于：它由帶支架的氧化槽、擋板、進水管、轉軸、螺母、具有填充物的生物轉筒(鼓)、轉軸套筒、出水管共同連接構成，其相互位置和連接關系為：帶支架的氧化槽，其截面為半圓形結構，氧化槽內用擋板將其分隔成多個單元，槽的左下部安裝有進水管，槽的右上部安裝有出水管，每個單元裝置一個具有填充物的生物轉筒 (鼓)，多個轉筒(鼓)可形成多級串聯的反應器；生物轉筒(鼓)由帶有多條筋板和多個凸塊的圓筒和蓋板連接構成，蓋板通過螺釘及圓筒內凸塊與圓筒形成可裝拆的緊固連接，每個圓筒(鼓)的整個圓筒并包括筒內筋板及轉筒蓋板的表面開設有足夠面積的多個孔洞，每個轉筒內腔里填充有所需的填充物，具有填充物的轉筒(鼓)通過轉軸穿過每個轉筒(鼓) 內的套筒形成可轉動連接，并通過轉軸、套筒及螺母使多個具有填充物的生物轉筒(鼓)串聯在一起，轉軸兩端通過滾動軸承固定裝置在氧化槽兩側的支架上。

生物轉筒是生物轉盤的變型，是從20世紀70年代中期發展起來的，在丹麥、德國發展很快。丹麥研制了單轉筒型，德國則發展了多轉筒型，轉筒內的填料有塑料球、塑料環和波紋盤片等。有些生物轉筒外還設有集氣裝置以增加水中溶氧量。其典型的3種生物轉筒形式為:(1)外殼結構為硬聚乙烯塑料，內裝聚氯乙烯波紋圓盤片，轉筒由16只小轉筒組成，轉筒直徑約1.8 m，轉速為0.24~1.2 r/min，轉筒耗能0.37 kW;(2)筒體外殼為鋼制，長1.57 m，外殼開6個孔，每個孔長1.5 m，寬0.32 m，筒內固定在軸上硬聚乙烯波紋的盤面呈多邊形，外接圓直徑3m，盤面總表面積120 m2;(3)轉筒的筒體四周裝有小容器，當轉筒向上轉時，小容器內盛滿了水，向下轉動時，水被灑在塑料球上，空容器內充滿空氣進入水中，凈化水的體積為生物轉筒體積的15~25倍。

生物硫化床

生物流化床是指為提高生物膜法的處理效率，以砂（或無煙煤、活性炭等）作填料并作為生物膜載體，廢水自下向上流過砂床使載體層呈流動狀態，從而在單位時間加大生物膜同廢水的接觸面積和充分供養，并利用填料沸騰狀態強化廢水生物處理過程的構筑物。構筑物中填料的表面積超過3300m2/m3填料，填料上生長的生物膜很少脫落，可省去二次沉淀池。床中混合液懸浮固體濃度達8000-40000mg/L，氧的利用率超過90%，根據半生產性試驗結果，當空床停留時間為16-45分鐘時BOD和氮的去除率均大于90%，此時填料粒徑為1mm，膨脹率為100%，BOD負荷16.6kg(BOD5)/( m3.d)。生物硫化床工藝效率高、占地少、投資省，在美、日等國已用于污水硝化、脫氮等深度處理和污水二級處理及其他含酚、制藥等工業廢水處理。

生物硫化床是高負荷的一種生物膜法，Arbiv等用好氧的硝化滴濾和缺氧反硝化硫化床相結合的反應器，懸浮在表面的富含硝酸鹽和溶解的有機物送到硫化床，處理效果良好。Jewell等在水產養殖水體循環中利用膨脹床的硝化和反硝化作用同時，處理BOD5、SS和氮，出水氨氮低于0.5 mg/L。

水產養殖廢水的自然生物處理

濕地生態系統

用自然生物處理水產養殖水體主要有濕地、穩定塘和土地處理系統等，其優點是處理含氮和磷的水體，能達到比較徹底的處理效果。

人工濕地具有一定的污水處理能力，對氮、磷有機物懸浮物等的去除有良好的效果，人工濕地凈化工農業廢水已有大量研究，近年來，用人工濕地處理水產養殖廢水取得一定進展。非集約化水產養殖的自然水域本身是一個典型濕地系統，具有良好的自凈能力，只要合理利用和加強其自凈能力，會有良好的環境效應和經濟效應;Kruzie等綜合土地處理\濕地\池塘\水生植物系統進行水產養殖水體循環。Wood等利用人工濕地系統處理水體，濕地系統中藻類密度高，在地表水利負荷13.5cm/d時，COD的去除率59.2%、NH+4-N為34.6%、PO-4-P-為31.9%和SS為78%;如果水力停留時間在3 d，則COD的去除率79.4%、NH+4-N為82.8%、PO3-4-P為54.1%、蛋白質產率50 t/hm2.a。Lin等[27]用人工濕地處理水產養殖水體，在水力負荷為1.8~13.5 cm/d之間，則NH+4-N去除率為86%~98%，總無機氮(TIN)為95%~98%，磷的去除為32%~71%，出水NH+4-N濃度< 0.3 mg/L，NO-2-N< 0.01 mg/L。對于鹽度高的水體，用耐鹽性植物種植在沙性濕地上，可去除養殖水體中98%的總氮、94%的無機氮、99%的總磷和97%的溶解態磷。

魚塘水生生態系統

魚塘水生生態系統本身有很強的凈污能力，在水產養殖水體的處理中完全可以利用魚塘對污染物的凈化能力來凈化污水。養殖水體的綜合利用主要是用池塘的自凈能力和魚類生理特性，如充氧、魚藻共生系統、魚類白天和晚上不同活動時間混養、耐污能力不同魚類混養和對魚類生理修正。Kirke從曝氣方面進行了研究，對魚塘采用風力曝氣;Logsdon從改變水生植物結構著手，利用浮萍對氮和磷的吸收(1 km2的浮萍能吸收約802 kg氮和146kg的磷)和對重金屬的累積能力處理水產養殖水體。Wang用雙殼類去除藻類，沉降法去除懸浮物，通過蝦塘、蠔形成水的循環利用。Umble等用魚塘處理城市污水二級處理出水，利用二級處理出水提供的營養，調節營養比例(N∶P在16~23)，使得水生植物繁殖，作為魚類的食料。養殖水體的綜合利用的安全是人們關心的問題，Adamsson等進行的研究結果表明，只要投加飼料成分恰當，影響不大，但從保守的觀點來說，有待于進一步證實。

生物工程在水產養殖廢水處理中的應用

伴隨著生物技術的發展，水產養殖業越來越多地運用生物工程技術來減少廢水排放量和污染物數量。比如用微生物發酵生產和遺傳工程技術將合成特定氨基酸的基因克隆進入微生物的細胞質中，然后借助微生物的增殖來生產蛋白質魚類飼料，可以提高魚對飼料的利用率，降低氮的排泄物，減少廢水中氮的濃度；利用生物篩選技術和基因工程培育一些去污能力強的植物(特別是藻類)和微生物來凈化水產養殖廢水；利用生物工程對魚類進行生理修正，使魚類提高耐污能力和減少排泄物，比如Phelps培育的魚類對沙門氏菌屬形成抗體，這種魚類就可以在污染水體中生長。鄭耀通等對具有高效凈化水產養殖水體的紫色非硫光合細菌進行了分離和篩選，篩選出來的紫色非硫光合細菌既有很強的凈水能力，又是魚類的飼料。目前國內的研究主要集中在光合細菌在水產養殖水體凈化中的應用。

水產養殖廢水的循環利用工藝流程

進行水處理裝置有多種，其結構各不相同，其工藝流程也不一樣，下面介紹幾種典型的流程。魚池排水→集水池塘→氧化池→沉淀池→增溫增氧池→魚池回用的工藝在德國使用較多，這種工藝流程中氧化池為生物轉筒，水力負荷4.5~5.4 m3/m3.d，沉淀池回流50%~100%到氧化池。魚池排水→沉淀池→升流式生物濾池→淋水塔式增氧→加熱、消毒→魚池回用的工藝在加拿大使用較多，在沉淀池能夠去除60%的SS，在升流式生物濾池的填料粒徑為1~10 mm左右，可以去除99%氨氮，新鮮水/回用水為1/9。魚池排水→充氧→升流式石灰巖濾池→沉淀池→增氧→回用的工藝在美國使用較多，其中新鮮水/循環水為1/5。魚池排水→升流式碎石濾池→降流式碎石濾池→增溫池→回用的工藝在上海集約化水產養殖業水體循環中使用較為普遍，其中濾池水力負荷110.5~140.0 m3/m3。魚池排水→集水池→升流式沸石濾池→降流式沸石濾池→補充新鮮水、調溫→魚池回用在北京集約化水產養殖業水體循環中使用較多，其中濾池水力負荷為150~194m3/m3。

在水產養殖廢水處理中的生物修復技術

目前國內外使用最多的微生物凈化技術是投菌技術和生物膜技術等。投菌技術是直接向污染水體中接入外源的污染降解菌，然后利用投加的微生物激活水體中原本存在的可以自凈的、但被抑制而不能發揮其功效的微生物，并通過它們的迅速增殖，強有力地鉗制有害微生物的生長和活動，從而消除水域中的有機污染及水體的富營養化。目前國內外常用的有集中式生物系統(central biological system，CBS)、高效復合微生物菌群(EM)及固定化細菌等技術。

CBS技術是由美國CBS公司的科學家開發研制的一種高科技生物修復技術，它是由幾十種具備各種功能的微生物組成的一個良性循環的微生物系統。重慶桃化溪在2000年3-4月間曾使
用CBS技術凈化河水。結果顯示，BOD的去除率為83.1%~86.6%，COD的去除率為74.3%~80.9%，氮的去除率為53%~68.2%，磷的去除率為74.3%~80.9%，凈化效果十分明顯。固定化微生物技術是通過一定的包埋方式將生化處理菌種固定在一個適宜其繁殖、生長的微環境中的技術，從而達到有效降解養殖廢水中某些特定污染物的目的。目前一般是經過富集、培養、篩選得到的高密度生化處理混合菌，包埋在海藻酸鈉、PVA等凝膠材料中，結果使天然海水環境中相對貧乏的菌種在包埋體系中形成優勢菌種，并且使包埋體系中的生化處理菌不易隨意流失，從而達到有效處理養殖廢水的目的。由于固定化微生物密度高、活性強、反應速度快，與常規的微生物掛膜生化處理技術相比，對氨氮和某些難生物降解有機物具有顯著去除作用，因此該技術有望成為海水工廠化養殖廢水處理的重要生化處理技術。

生物膜技術是廢水連續流經固體填料(碎石、塑料填料等)，在填料上就會生成生物膜，生物膜繁殖著大量的微生物，起到凈化廢水的作用，生物膜法有多種處理構筑物，其中有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化和生物流化床等。也可通過共代謝作用，利用微生物和植物或動物的共同作用來得到除污效果。

植物作用

大型藻類能通過光合作用吸收固定水體的C、N、P等營養物質來合成自身，同時增加水體溶解氧。對大型海藻化學成分的分析表明，大型海藻組織中具有豐富的氮庫，可以高效地吸收儲存大量的營養鹽。大型海藻組織中的營養庫一般包括:無機氮庫、氨基酸氮庫和非蛋白可溶性有機氮庫(如葉綠素、藻紅素等)、蛋白質氮庫(如酶類)等。在小水體的魚類養殖系統中，利用海藻吸收養殖廢水中的無機營養鹽，能減少水體中約50%的NH4-N，同時海藻的凈產量可以提高18%，另外，大型海藻對污染環境也具有較強的耐受力和清潔作用，有報道表明在受金屬和有機污染的海區種植大型海藻，可以提高水體DO，降低BOD、POC以及銅、鋅、鉛和鎘等金屬含量，促進污染區環境的恢復。藻類可以有效地富集和降解農藥、烷烴、偶氮染料、淀粉、酚類、鄰苯二甲酸酯及金屬有機染料物等多種有機化合物。

水生動物作用

近年來，國內外許多學者和研究人員致力于利用水生動物對水體中有機和無機物質的吸收和利用來凈化污水，通過水生動物直接吸收營養鹽類、有機碎屑、細菌和浮游植物，取得明顯的效果。能凈化污水的水生動物主要有濾食性魚類，雙殼貝類以及水氵蚤等小型浮游動物等。

魚類的凈化作用　遮目魚在海中生活時以底棲藻類及多細胞植物碎屑為餌，它是我國臺灣省蝦池中混養的主要魚類，另外，梭魚、鯔魚、莫桑比克羅非魚等也能利用藻類及有機碎屑，可與對蝦混養，起凈化水質的作用。據對鯔魚食性分析，腐敗有機物占38%~50%，砂粒28%~30%，藍綠藻12%~16%，硅藻15%~18%，無脊椎動物0.2%~2%(費鴻年，1960)。

雙殼貝類的凈化作用　雙殼貝類多是濾食水中的浮游生物、有機碎屑等餌料的，通過其濾食活動，起到凈化水質的作用。在對蝦養殖池塘中，可混養縊蟶、牡蠣、文蛤、扇貝等，來減輕池水的富營養化，而且其本身也具有較高的經濟價值。據張德玉報道(1991)蝦池混養適量扇貝會起到凈水的作用，放養扇貝前化學耗氧量在6.5mg/L，放養扇貝后到8月10日降到2.70mg/L，8月15日降到2.24 mg/L。

水氵蚤等小型浮游動物的凈化作用　水氵蚤等小型浮游動物的食物主要是細菌、單細胞藻類和有機碎屑等，其濾食活動也有凈化水質的作用。

固定化微生物

固定化微生物技術是20世紀60年代發展起來的一門新興生物技術。該技術利用物理或化學的措施將游離微生物細胞或酶定位于限定的空間區域，并使其保持活性從而反復利用，具有效率高、穩定性強、反應易控制、對環境耐受力強、保持菌種高效等優點。目前經常采用的生物固定化方法主要有吸附法、包埋法、交聯法和共價結合法，尤以包埋法和吸附法最為常用。選擇合適的固定化細胞載體是這項技術的關鍵，固定化細胞載體主要有天然高分子凝膠載體(瓊脂、海藻酸鈣等)和有機合成高分子凝膠載體(如聚乙烯醇PVA、聚丙烯酰胺ACAM等)。因為PVA凝膠具有無毒、廉價、對細胞活性損傷小、抗微生物分解和機械強度高等特點，被認為是目前最有效的固定化載體之一。Nagadomi等使用由PVA-硼酸和海藻酸材料固定化的光合細菌處理水產廢水，試驗結果表明，固定化PVA球的水質凈化能力比海藻酸鹽固定化球強。

目前對處理水產養殖廢水的固定化菌株研究得較多的是光合細菌和硝化細菌。將光合細菌同載體結合并固定化，不僅可以增強沉降性，使水質凈化效率提高、穩定性增強，微生物質量分數提高；同時還具有抗環境因子影響能力強，可長期保持包埋菌占優勢而防止其它有害菌生長等優點。鄭耀通等[16]凈化模擬養殖水質的試驗結果表明，經PVA、SiO2、CaCO3、海藻酸鈉組成的凝膠液固定化后的光合細菌可顯著提高氨氮和COD的去除率，并能增加溶解氧。加入固定化光合細菌15d后，氨氮含量下降98.9 %，溶解氧增加63.4%，COD去除率為70.6%。由此可以看出，固定化光合細菌在去除氨氮、有機物質和增加溶解氧方面有明顯的優越性。硝化細菌主要用于生物脫氮。黃正等選用PVA作為硝化細菌包埋體，添加適量粉末活性炭包埋固定化硝化污泥，制備固定化小球，經6周馴化后處理養殖廢水，COD的去除率為74.9 %，氨氮的去除率達82.5 %。Kim等為評估固定化硝化細菌處理海水循環養殖系統廢水的脫氮特性，以PVA-硼酸法制備凝膠固定硝化細菌，試驗結果表明，運行30~40 d后，氨氮的去除率達98%，亞硝酸鹽的累計質量分數從6 mg/L降到0.1 mg/L以下；當海水鹽度不同時，硝化細菌的活性恢復時間相同；在條件適宜、RHT為0.3 h時，氨氮的最高去除率可達82 g/m3.d。可見固定化硝化細菌技術對處理海水循環養殖廢水表現出很好的脫氮效果。

藻類固定化技術起始于20世紀80年代，與游離藻類相比，固定化藻類具有細胞密度高、反應速度快、運行穩定可靠、藻細胞流失少等優點。嚴國安用海藻酸鈣凝膠包埋固定斜生柵藻凈化廢水，試驗結果表明，固定化斜生柵藻對氨氮和正磷酸鹽的凈化效果明顯高于未固定斜生柵藻。W ilkinson對活性藻類的固定化研究結果表明，固定化藻類對重金屬的去除效率要比懸浮藻高，速率更快。藻類固定化技術在廢水處理中具有廣闊的應用前景，但是，該技術目前主要處于實驗研究階段，在實際應用中還存在許多問題，如對固定化微生物的凈化機制及其保存、批量生產等的研究尚未完善。

微生物固定化技術能夠有效凈化養殖水體，降低環境污染并有利于建立高效率的循環養殖系統，降低生產成本，從而促進養殖業的發展。相信經過不斷的研究和改進，固定化微生物技術一定能在養殖廢水生物處理的實際應用中發揮巨大潛力。

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