循環(huán)水水質(zhì)養(yǎng)殖固體廢棄物的處理

循環(huán)水水質(zhì)養(yǎng)殖固體廢棄物的處理

環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（ras）已成為當前的水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)關(guān)注的主要因素之一，由于其不受區(qū)域限制、環(huán)境影響小、節(jié)水省地等特點，未來的水保護養(yǎng)殖行業(yè)將越來越受到重視。這也是未來水保護養(yǎng)殖由技術(shù)要素向技術(shù)要素的主要模式之一。水處理技術(shù)是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié),其中固體顆粒物的去除又是水處理工程中的重要技術(shù)單元。固體廢物的積累直接影響到養(yǎng)殖對象的生長、生物凈化效果、系統(tǒng)運行成本等諸多重要因素。一般采用過濾方法使固體廢物濃縮成污泥隨出水排出系統(tǒng)。淡水系統(tǒng)中的固體顆粒物可用于土地堆肥、掩埋等,海水系統(tǒng)中的固體顆粒物則因為含有鹽分,需要進行無害化處理。我國循環(huán)水養(yǎng)殖模式尚處于起步和示范階段,水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的固體顆粒物的處理尚未引起重視。目前隨著環(huán)境資源的日益匱乏以及相關(guān)環(huán)境保護法規(guī)的完善,政府將逐步要求養(yǎng)殖單位在養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)部對固體廢棄物進行處理。城市污水的污泥處理方法比較成熟,但水產(chǎn)養(yǎng)殖的顆粒物的性質(zhì)與城市污泥的性質(zhì)有很大差異。一些在城市污水的污泥處理中應(yīng)用較為成熟的方法在應(yīng)用于處理水產(chǎn)養(yǎng)殖顆粒物質(zhì)時有一定的限制,但可以提供參考和借鑒。本文總結(jié)了國內(nèi)外在水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物處理方面的研究進展,為后繼研究提供思路。1納米礦物的類型RAS中固體顆粒物的性質(zhì)主要取決于養(yǎng)殖系統(tǒng)類型、管理方法、飼料質(zhì)量以及養(yǎng)殖對象。不同學(xué)者對不同養(yǎng)殖對象的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的污泥性質(zhì)作了分析(表1)。表中,TS(totalsolids):總固體;VS(volatilesolids):揮發(fā)性固體;TN(totalnitrogen):總氮;TKN(totalKyeldhalnitrogen):總凱氏氮;TP(totalphosphorus):總磷;COD(chemicaloxygendemand):化學(xué)需氧量;BOD5(fivedaysbiochemicaloxygendemand):五日生物需氧量;C/N:碳氮比。固體廢物來源于飼料,主要由殘餌和糞便組成,含有大量氮(N)和磷(P),積累成固體污泥且消耗大量溶氧。固體顆粒物中含有7%～32%的TN和30%～84%的TP,其余的TN和TP則溶解在水中。大部分顆粒物質(zhì)直徑<30μm,且這些顆粒物總體積遠小于那些粒徑>30μm的顆粒物的總體積,處理這些細微顆粒物對處理設(shè)備提出了更高的要求。廢水的出水口與濃縮池相連,增加污泥濃度從而提高后續(xù)污泥處理效率。2去除方法和技術(shù)2.1海水養(yǎng)殖系統(tǒng)廢水處理通過循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的固液分離設(shè)備排出系統(tǒng)的固體污泥常常用于施肥、掩埋甚至焚燒。淡水養(yǎng)殖系統(tǒng)的固體廢棄物可以用作堆肥和灌溉,海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中產(chǎn)生的固體廢棄物則因含有一定濃度的鹽分而需作進一步的無害化處理。在人口密集區(qū)域,污泥臭味問題亦是限制施肥處理的原因,運輸費用也是污泥處理上一項花費頗多的因素,而焚燒更是消耗大量能源。用于直接施肥須考慮固體廢棄物中可能含有病原體、重金屬等污染物質(zhì)。2.2微生物代謝及吸附人工濕地對養(yǎng)殖系統(tǒng)中的有機污染物的去除能力較強。不溶性有機質(zhì)在流經(jīng)濕地系統(tǒng)中被過濾、沉淀,被截留下來為微生物分解利用;可溶性有機質(zhì)則通過植物根系生物膜的吸附、吸收及微生物代謝被去除。人工濕地具有使用范圍廣、投資運行成本低、綜合效益高等優(yōu)勢在廢水處理中日益受到青睞。Summerfelt等利用人工濕地來處理循環(huán)水養(yǎng)殖鱒魚過程中產(chǎn)生的固體污泥,總固體懸浮顆粒去除率達96%～98%,化學(xué)需氧量去除率達72%～91%,并去除了82%～93%的凱氏氮、磷以及溶解性磷酸鹽,取得了良好的污泥去除與穩(wěn)定效果。但是人工濕地占地大,運轉(zhuǎn)效率受天氣、季節(jié)等客觀因素影響較大,因此應(yīng)用在循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)廢水處理中具有一定的局限性。2.3殘餌料及糞便營養(yǎng)生物絮凝技術(shù)(Bio-flocTechnology,BFT)是一項新的生物技術(shù)手段,可用來控制養(yǎng)殖系統(tǒng)中的水質(zhì)。通過減少換水量、使系統(tǒng)中的營養(yǎng)物質(zhì)進行再循環(huán),減少固體廢棄物的排放,從而降低環(huán)境污染。微生物利用殘餌和糞便中的營養(yǎng)物質(zhì)用于自身生長并同時吸附這些固體顆粒物質(zhì)形成絮凝體,同時養(yǎng)殖對象可以吸收消化這些絮凝體。Avnimelech在1m3的水池中圈養(yǎng)羅非魚,在水池中加入從集約化羅非魚養(yǎng)殖池塘中取出生物絮凝體(加入標記N15的NH4(SO4)2和淀粉),檢測羅非魚對生物絮凝體的吸收情況。結(jié)果表明,生物絮凝體可24h不間斷地為羅非魚提供蛋白質(zhì),占到羅非魚所需蛋白質(zhì)含量的50%。目前這一技術(shù)已成功應(yīng)用于魚池和蝦池的養(yǎng)殖系統(tǒng)中,減少了對飼料的投喂量。但是,生物絮凝是一個相對復(fù)雜的微生物過程,還很難將它進行定量的分析,相關(guān)機理還在探索中,用于處理循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的固體顆粒物還需進一步研究,包括絮凝的工藝、工況、機理等。2.4污泥沉降性能厭氧消化是在厭氧微生物的分解作用下,使污泥中的有機物分解并產(chǎn)生沼氣。廢水污泥能否進行厭氧消化取決于污泥的理化性質(zhì),包括:溫度、pH、營養(yǎng)物質(zhì)、反應(yīng)抑制性物質(zhì)、預(yù)處理等。Mirzoyan等對3個循環(huán)水海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的廢水污泥性質(zhì)進行分析,污泥的平均pH值為7.0～7.7,氧化還原電位(ORP)平均值為-80mV,溶氧<1mg/L,表明存在厭氧條件;污泥中揮發(fā)性固體(可被微生物利用并轉(zhuǎn)化為甲烷)占污泥干重的56%～76%,污泥沉降指數(shù)為44～69mL/g,表明了良好的沉降性能;這些條件都有利于厭氧消化反應(yīng)的進行。有機固體廢物中含有大量可生化降解的物質(zhì),蘊含著大量的生物質(zhì)能,有效利用這類生物質(zhì)能源對實現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。已有學(xué)者采用厭氧消化法來處理循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的固體物質(zhì),取得了良好的消化效果,達到減量化、穩(wěn)定化和環(huán)境友好的目的。厭氧消化處理固體廢物以濕式混合厭氧消化、厭氧干發(fā)酵、兩相厭氧消化等3種工藝為主。循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖中引進厭氧消化技術(shù)來處理出水中的固體廢物不僅可以取得良好的處理效果,而且能與循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的其它處理工藝結(jié)合,打造日趨完善的系統(tǒng)化的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。2.4.1對污泥的厭氧消化濕式混合發(fā)酵中固體濃度通常維持在10%以下,通過加水稀釋漿液處于完全混合的狀態(tài),但是容易受到氨氮、鹽分等物質(zhì)的抑制,產(chǎn)氣率較低。厭氧干發(fā)酵固體含量可達到20%～35%,該工藝需水量少,單位容積處理量大,產(chǎn)氣量高,消化后的沼渣無需脫水即可作為肥料。隨著固體濃度的加大,需解決干發(fā)酵系統(tǒng)中輸送流體粘度大以及高固體濃度帶來的抑制問題。兩相厭氧消化在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)有機固廢處理中可與其他處理設(shè)備有機結(jié)合。Kugelman等利用持續(xù)攪拌池反應(yīng)器(ContinuouslyStirredTankReactors,CSTRs)對閉合水產(chǎn)養(yǎng)殖中的濃縮污泥(TS濃度為4%～6%,TN為3.5g/L)及稀釋1倍的污泥(TS濃度為2%～3%,TN為1.3～1.8g/L)在35℃下進行厭氧消化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),濃縮污泥的反應(yīng)器中揮發(fā)性脂肪酸濃度高達7.8%,顯著抑制了反應(yīng)過程,但通過加水稀釋1倍可消除污泥中高濃度的氨氮帶來的抑制性作用。Lanari等對養(yǎng)魚場出水污泥(TS濃度為1.3%～2.4%,NH+4-N濃度<250mg/L)在厭氧過濾池中進行常溫消化。McDermott等于18～20℃下在半持續(xù)攪拌消化池中對水產(chǎn)養(yǎng)殖出水中的污泥(TS濃度為0.4%,NH+4-N濃度<300mg/L)進行消化。他們的實驗由于含固率較低,整個實驗過程都沒有受到明顯抑制作用或是高濃度揮發(fā)性脂肪酸(VFA,VolatileFattyAcid)的積累,而且有機物都高度穩(wěn)定化。Gebauer采用CSTRs對海水養(yǎng)殖場中的污泥進行中溫(35℃)厭氧消化,分別以未稀釋的污泥和經(jīng)稀釋的污泥進行實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),未稀釋組反應(yīng)過程受到Na+的影響和揮發(fā)性脂肪酸特別是高濃度丙酸的影響使得整個反應(yīng)過程相當不穩(wěn)定,而經(jīng)稀釋組克服了上述限制且反應(yīng)穩(wěn)定。通過對污泥的厭氧消化可以減少36%～60%的COD,且每增加1gCOD可生產(chǎn)出0.114～0.184L的甲烷。雖然稀釋組達到了良好的處理效果,但是稀釋后增加了反應(yīng)器的容量,為達到反應(yīng)要求的溫度不得不增加能耗,從而加大了生產(chǎn)成本。2.4.2生物需氧量的檢測Mirzoyan等在升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UpflowAnaerobicSludgeBlanketDigester,UASB)中對海水水產(chǎn)養(yǎng)殖污泥(BrackishAquacultureSludge,BAS)進行厭氧消化,通過對BAS進行理化分析,幾乎未發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽、硝酸鹽、硫化物等常見的抑制厭氧消化反應(yīng)的物質(zhì)。雖然BAS中硫酸鹽濃度較高對厭氧消化反應(yīng)抑制作用明顯,但是高濃度的生物需氧量抵消了這種抑制作用。污泥降解率高達70%,平均產(chǎn)甲烷率為40%,取得了良好的污泥消化效果。Gebauer等對大西洋鮭魚孵化場中的濃縮污泥(TS濃度6.3%～12.3%)在35℃條件下于CSTRs中進行厭氧消化。COD的去除率為44%～54%,甲烷產(chǎn)量為0.140～0.154L/gCOD。反應(yīng)過程受到強烈抑制,VFA濃度高達28g/L,但是污泥中蛋白質(zhì)含量高,反應(yīng)器中的堿度足以使pH維持在7.4～7.5。反應(yīng)得到的甲烷能量可占到整個孵化場耗能的2%～4%。甲烷的回收利用需要額外的投資,對于小規(guī)模的厭氧處理設(shè)備而言,一般直接在廢棄燃燒器中燒掉。如何合理有效的利用甲烷能源值得進一步研究。2.4.3有機固體物質(zhì)的去除Yossi等設(shè)計了一套完備的循環(huán)海水養(yǎng)殖系統(tǒng)飼養(yǎng)金頭海鯛(Sparusaurata),取得了良好的養(yǎng)殖效果。該系統(tǒng)有機結(jié)合了包括硝化、脫氮和厭氧消化在內(nèi)的一系列生物處理過程,有效地去除了無機含氮化合物和有機固體物質(zhì)。通過污泥酸化池與脫氮池相連,酸化產(chǎn)物上清液(含有揮發(fā)性脂肪酸)可以為反硝化提供部分碳源,剩下的污泥則進入?yún)捬跸牡诙A段產(chǎn)甲烷(圖1)。據(jù)筆者推斷,以1.5的餌料系數(shù)和魚類75%的飼料吸收率為計,那么每生產(chǎn)1t魚只需去除10.5kg干固體物質(zhì),而根據(jù)目前RAS中采用的技術(shù)生產(chǎn),同樣重量的魚需要去除375kg固體廢物。厭氧處理只能去除可生物降解的有機物,一般不能去除氨氮和硫化物。因此,為了去除這些化合物和殘留的有機物包括分散的固體,應(yīng)采用某些適當?shù)暮筇幚?。厭氧處理后繼續(xù)采用好氧生物處理,使出水中的各項指標達到水產(chǎn)養(yǎng)殖排放標準。3厭氧消化技術(shù)隨著工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的固體廢棄物的去向問題正不斷受到關(guān)注。傳統(tǒng)的堆肥、掩埋等方法越來越受到挑戰(zhàn)。人工濕地法受到場地、天氣等客觀因素影響比較大,而生物絮凝法仍待進一步的深入研究。有機固體廢棄物的厭氧消化技術(shù)已引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。根據(jù)生命周期定義分