養殖用水重復利用過程中懸浮固體物的性質及控制

羅國芝,陳曉慶,譚洪新

(上海海洋大學水產與生命學院,上海201306)

養殖用水重復利用過程中懸浮固體物的性質及控制

羅國芝,陳曉慶,譚洪新

(上海海洋大學水產與生命學院,上海201306)

顆粒物不僅對養殖對象有直接影響,也會影響到其它水處理單元的效率,是水產養殖水體重復利用和排放的限制性指標。本文概述了水產養殖水體中固體物質性質的描述指標,根據水產養殖活動的特點對養殖過程中顆粒物的來源途徑進行了分析,可以根據水體的投飼量估算需要去除的顆粒產生量;介紹了使用雙排管將殘餌和糞便盡快地排出養殖池的方法;根據顆粒物的粒徑、沉降速率等特征,總結了幾種常見的固液分離技術。選擇固液分離技術時,需要考慮去除的粒徑、水頭損失、水力負荷以及總體去除效率,還要考慮是否可能在去除的過程中會把大粒徑顆粒碎成小粒徑顆粒因而增加總體去除難度。

水產養殖;循環水;顆粒物;固液分離

2014年世界水產養殖產量占水產品總產量的44%,水產養殖也是近30年來動物蛋白供應領域增長最快的產業[1]。水資源的短缺促使水產養殖對水的利用更加高效,提高養殖密度和養殖用水重復利用是提高水資源使用效率的有效舉措,近年來已成為國內外水產養殖可持續發展的重要研究內容之一。由于魚蝦的高營養需求和低消化吸收能力[2],養殖過程需要投喂高蛋白含量(25%～55%)的配合飼料,但魚蝦只能利用29.7%的碳(C)、38.2%的氮(N)和30.7%的磷(P)[3]。不能被利用的營養物質中,7%～32%的N、30%～84%的P和30%～50%的C存在于糞便和殘餌中,成為養殖水體中固體廢棄物的主要來源[4]。

一般水產養殖水體中含5～50mg/L總懸浮顆粒物(TSS)[5]。如果定期更換養殖水,對養殖對象不至于產生明顯的負面影響。但如果重復利用養殖水,則必須將養殖水體中的固體懸浮物(SS)控制在一定的濃度范圍內。SS會降解,并消耗水體氧氣、增加CO2、寄生致病菌,同時會堵塞魚鰓和生物過濾器等[6],因此,SS是養殖水重復利用過程中要重點降低的水質指標之一。同時,越來越多的國家開始立法限制水產養殖過程中有機物的排放,養殖場不得不將固體顆粒物的處理納入整改、規劃和設計中去[7-9]。

本文分析了高密度養殖過程中固體物質的性質和產生規律,并對國內外現有的去除方法進行了陳述和比較,可為提高高密度養殖系統的養殖用水重復利用效率提供參考。

1 水產養殖循環水體中的固體懸浮物

1.1 概念

固體物指在設定溫度條件下(103℃～105℃)蒸發后在容器中留下的物質。水樣過濾后,濾液蒸干所得固體為溶解固體物(TDS);被濾紙截留的物質烘干后所得即為固體懸浮物(SS)。濾紙的孔徑、孔隙率、面積、厚度、顆粒物的粒徑和被濾紙截留物質的數量等對TSS和TDS的測定都有明顯影響。根據文獻[10],被孔徑2.0μm(或者更小)的濾紙截留的物質稱為TSS,通過濾紙的被稱為TDS。關于濾紙的孔徑,文獻[11]中用的是1.2μm,文獻[12]規定的是0.45μm。糞便和殘餌是水體中TSS的主要來源。養殖水體中關注的主要是TSS。從化學成分上分,顆粒物又被劃分為揮發性固體物質(VS)和固定性固體物質(FS)。

1.2 SS的粒徑

養殖系統中,SS的粒徑小到微米(μm)級,大至厘米(cm)級,絕大多數懸浮顆粒物的粒徑大小范圍都在0.4～900μm[13]。如果按重量劃分,重復利用率比較高的水體中,粒徑<35μm的SS占TSS的80%～90%[6];按體積分,23%～39%的顆粒物的粒徑<100μm[14]。 牙鲆(Paralichthys olivaceus)養殖循環水中,≥100μm的固體顆粒水力粒徑占比50%左右,<60μm的顆粒占比37%左右[15]。粒徑5～10μm的SS被證明對養殖動物的危害性最大[16]。所以,那些較大顆粒SS(≥200μm)要盡快及時去除,否則,隨著它們在系統內變得越來越小,會更加難以去除,對養殖過程的負面影響更加明顯。[17]。

不同粒徑的SS處理方式會有不同。可沉降顆粒(粒徑≥100μm)可用沉淀收集法去除[18]。懸浮顆粒在1 h之內則不會沉降,因此用傳統的重力沉淀方法去除,效果不理想。微細顆粒(粒徑<35μm)和膠體顆粒(粒徑小于1μm)容易在系統中積累[19]。溶解顆粒的粒徑在0.001μm以下,廣義上可以包括以溶解態存在的有機和無機的離子、分子(比如金屬離子)。微細顆粒、膠體顆粒和溶解顆粒用重力方法不能去除,需要進一步深度處理[20]。

1.3 比重和沉降速度

APHA[10]對SS比重的定義為:充分吸水膨脹的固體顆粒與其所在水體的密度之比。研究表明,水體中顆粒物的平均比重為1.19,略重于其所在的水[21],用簡單的快速沉降方法難以將其完全從養殖水體中去除。Patterson等[22]對10家養殖場的調查表明,顆粒的密度范圍為1.01～1.20 g/cm3。沉降速度被用來描述顆粒物質的沉降性能。顆粒飼料的沉降速度為15～33 cm/s[23];循環水養殖水體中SS的沉降速度是 0.01～6.40 cm/s[23];虹 鱒(Oncorhynchusmykiss)養殖水體中可沉降顆粒的沉淀速度為1.7 cm/s[24];大西洋鮭(Salmo salar)的糞便顆粒沉降速度為4～6 cm/s[25];亞特蘭大鮭(Actinopterygii salmonidae)的糞便顆粒沉降速度為5.1～6.4 cm/s[26]。盡管投喂相同的飼料,鯉魚(Cyprinus carpio)和尼奧羅非魚(Oreochromis niloticus)養殖水體中的顆粒物沉降速度分別為0.05 ～0.75 cm/s和0.18～1.5 cm/s[27]。

顆粒物的沉降速率是其尺寸、密度、形狀以及養殖水的密度和粘滯度的函數,顆粒尺寸和沉降速率之間的關系符合斯托克斯定律[28]。但計算參數在實際應用時多不可得,所以需要對顆粒和水體的物理性質做假設[29]。

除了上述指標外,還要關注某些特殊狀況,比如鮰魚(Clarias gariepinus)養殖廢水比其它養殖魚類產生的廢水帶有更多難以去除的粘性物質[30];大多數魚蝦產生的是長線狀糞便,但也有例外[31];淡水和海水養殖系統所產生的固體顆粒物質以及要求的去除手段也不同[29]。

1.4 其它理化性質指標

在已經發表的文獻中,常把收集到的TSS稱為污泥,用以下指標進行描述:溶氧(DO),pH,氧化還原電位(ORP),導電率(EC),總懸浮顆粒物濃度(TSS),揮發性懸浮固體(VSS),污泥體積指數(SVI),SO24-,H2S,凱氏氮(TKN),五日生化需氧量(BOD5),總磷(TP),總有機碳(TOC),化學耗氧量(COD)。SVI指SS∶TSS的值[32]。 上述指標的測定方法在APHA(10,11,12)及相關測試標準中均有標準測試流程。檢測DO和ORP是為了檢測環境中氧化和還原的狀態。厭氧環境的ORP在-400 mV以下[33]。污泥的pH是一個重要指標,可以影響污泥的化學反應和生物反應,其指標基本呈中性[33]。EC是污泥鹽度的一個指標,研究較少。

養殖廢水中,7%～32%的N和30%～84%的P存在于固體物質中,固體物質中還含有一定數量的Na、K、Ca、Mg和Cl[34]。不同養殖對象生產過程中產生的污泥組分不同(表1),從表1可看出,差別比較明顯[35]。

2 TSS的來源和產生量

廣義上說,水產養殖系統中的廢物指被收獲的漁獲物以外的其它任何物質[43]。水體中增加的所有廢物都源于額外投入的飼料,主要是殘餌和魚類以固體、液體及氣體形式排出的排泄物[17]。密度越高,每單位水體投入的飼料就越多,產生的TSS也就越多。一般認為11%～40%的投喂飼料(干重)會在養殖系統中以固體廢棄物的形式存在[41]。據估算,循環水養殖鮭鱒魚類8 138 t/年,會產生1 602 t/年的固體廢棄物[42]。根據投飼計劃可以估算TSS的產生量,為制定去除計劃提供依據。

3 TSS對養殖水體的負面影響

TSS對魚類及養殖系統的影響主要表現在:損害魚鰓功能,降低魚類生長速率[43];為致病微生物提供生活及隱蔽隱蔽場所,增加魚致病的敏感性[44];堵塞生物濾器,降低生物處理的有效性[43];堵塞水路管道、水泵,造成水流不暢;TSS降解耗氧,產生二氧化碳、氨氮,增加生物過濾器的處理負擔[41]。Liao等[45]認為養殖廢水中有70%的氨氮來源與有機顆粒的降解有關。TSS的C∶N為8～30,會對硝化過程產生限制作用[48]。TSS在水體中停留的時間越長,碎裂成更小顆粒的幾率就越大,去除難度也就更大[13,17]。糞便中營養物質釋放的速度比顆粒飼料快3倍[49],15%的C、N、P會在數分鐘內釋放到水體之中(表2)。釋放速率與糞便性質及溫度有關,但不是線性關系。

表2 水產養殖水體中SS的DOC、DON和DOP釋放Tab.2 Release of DOC,DON and DOP of SS from aquaculture water

國內相關標準中沒有對養殖水體中TSS給予限定[52]。有研究者推薦20～40 mg/L為安全限度[5]。不同的養殖對象對SS濃度的耐受力也不同;其它水質參數可能也會影響魚蝦耐受高濃度TSS的能力。充足的氧氣是提高養殖動物對TSS耐受能力的方式之一。

4 TSS的控制方法

控制TSS,首先要做好飼料選擇和投飼管理,盡量提高飼料的利用效率,減少甚至避免殘餌的產生。但如上文所述,在做好投飼管理和飼料選擇后,仍會有11%～40%(飼料干重)的固體廢物產生[3]。要有效去除這部分固廢對水體的影響,至少需要做好兩個環節:首先要從養殖池中及時、有效地把TSS移出來;其次是將SS和養殖水分離。去除水體中TSS的過程屬于固液分離過程。常用的固液分離方法有沉淀、過濾、絮凝、浮選等。粒徑大于100μm的TSS可通過沉淀池或機械網篩過濾去除,顆粒介質濾器能有效去除粒徑20μm以上的 TSS(圖1)[43,53-55]。除了考慮能耗、需要的反沖水量和去除效率等,還要關注是否在去除過程中把大粒徑SS打碎成小粒徑SS。

圖1 水產養殖循環水中TSS的粒徑分布、分類及處理方法Fig.1 Size distribution,classification and handling method of TSS in circulating aquaculture water

為了避免較大粒徑TSS在經過水泵時被打碎成較小TSS,應在水流進入水泵前就將較大粒徑TSS盡可能去除。水產養殖循環水中TSS的粒徑分布、分類及處理方法見圖1。

4.1 雙排管法

把TSS從養殖池中盡快、有效地取出才能讓后續的固液分離過程充分發揮作用。雙排管是安裝于養殖水槽中用于移出TSS的裝置。在養殖池中使用雙排管能夠在幾分鐘內將產生的50%的殘餌和糞便移出養殖池,實現養殖池的自我清潔[56]。雙排管基于水力旋轉的離心沉淀原理(圖2),在圓形池底部中心和池壁中上部分別設管,顆粒物受到重力和向心力的影響,在水中向下、向中心遷移,移向底部的中心排水管后由專設的邊排管路直接排到SS收集系統。流經中心管和邊排管的水量占總交換水量的5%～15%,其余85%～95%的水量則通過池壁排水孔排出[57],池壁排水口出水含TSS較少,可不必進入固液分離裝置。

4.2 沉淀

圖2 雙排管在養殖池(槽)的使用(左)和中央管工藝(右)Fig.2 Application of double-rowed pipe in aquaculture tank(Left)and process of central pipe (Right)

利用沉淀池去除大粒徑TSS節能且簡單。沉淀池普遍采用矩形水槽,按其功能分為進水區、沉淀區、污泥區和出水區。推薦水力停留時間為15～30min,水流速度低于0.5 cm/s,沉淀池長寬比以4∶1～8∶1為宜,水深1 m以上,能夠去除至少80%的可沉淀SS[24],但水力負荷小,去除粒徑小于100μm的SS效率低。與固液分離裝置和填料濾器相比,沉淀池需要較大的空間。沉降后的殘餌、糞便等顆粒物質,如果清理不及時,極易產生硫化氫(H2S),對養殖系統而言是極大的污染源。

為盡可能減少沉淀池占地面積,可以通過在內部增加阻塞物(如斜面沉降管)來增加沉降率。傾斜管沉降能有效去除微小SS。用復合管沉降對粒徑70μm以上的 SS去除率達到80%,對>1.5μm的SS去除率達到55%[58]。斜面沉降管的缺點是不能自我清潔,必須使用其它方法來防止收集到的TSS發臭,因此要及時清理。

水力旋轉去除方法(圖3)利用離心沉淀原理[53],SS在隨水流旋轉的同時,受到向心加速度作用而向旋轉中心遷移,當進水沿圓形槽切線方向進入即可產生旋轉水流,無需專用攪動設備。水流負荷控制旋轉速度。SS密度越大,分離效率就越高。養殖池設計成圓形有助于形成旋轉流。采用水力旋轉去除粒徑小于50μm SS的效率不高,但去除TSS的效果尚可。在水力負荷122～ 124 L/(min·m2)的系統中,占總水流交換量5%～15%的中心管出水能去除80%～85%以上大于70μm的SS和90%以上粒徑大于250μm的TSS[56]。低壓水力旋流器(LPH)是常用的一種裝置,適宜于去除密度在2 g/cm3以上的SS,可以去除56%～71%干重的顆粒物[27,60]。

4.3 微孔過濾

圖3 旋流去除方法工藝(左)及低壓水力旋流沉淀池(右)Fig.3 A swirl separator(Left)and low-pressure hydrocyclone setting tank (Right)

微孔過濾(圖4)是指用篩網攔截流經水體中粒徑比網篩孔徑大的顆粒物的方式,與沉淀池相比所需空間較小,不需要為水流通過增加額外的水頭壓力,是目前養殖水體TSS應用最廣泛的方式[59]。依據過濾面的不同,分為轉筒式、轉盤式、履帶式、靜斜面式和弧形篩等。微孔過濾器能去除22%～70%的粒徑60μm以上的SS[61]。但因過濾面積有限,在密度較高的養殖系統中,需要反沖洗的頻率也比較高,因此網篩的孔徑不可能太小,對60μm以下粒徑的TSS去除效果不明顯。用沉淀池作為微孔過濾器的前處理,可以將微濾器對60～100μm粒徑的 SS去除效率提高到97%,反沖周期從4 d延長到3周[61]。

圖4 典型網篩過濾方式工藝及過濾器Fig.4 Typical filtering with mesh screen and filter

土工布過濾是近5年才被用于養殖固體廢棄物的去除和濃縮的。土工布最大的優點是不需要什么構筑物,投資成本較少,但運行成本高,需要更換,為了提高過濾效率,需要加入絮凝劑[62]。土工布能夠最大程度地縮小污泥體積,可用于養殖系統尾排水的污泥濃縮或應急用。

4.4 填料過濾

填料濾器(圖5)借助填料的截留功能,通過攔截、吸附、聚凝等在水流通過濾床時截留SS[59]。填料過濾器的運行需要增加足夠的水頭壓力,也被稱為機械濾器或壓力濾器。常見的填料有顆粒介質(GM)和多孔介質(PM),相應的處理器常被稱為顆粒濾器和介質濾器。

顆粒濾器運作于有單一介質(直徑3～5 mm的聚乙稀球或石英砂)或復合介質、下流水式或上流水式,或幾種形式的組合,其操作方式相同,且都需反沖。下流水加壓砂濾器能夠在低水力負荷條件下去除源水中微小TSS,被廣泛應用于養殖用水的預處理,但很少用于養殖廢水的初級過濾。因為即使設計負載能力再合理,也無法承受高密度養殖產生的大量SS和由此帶來的不斷的反洗工作。為了使濾器保持一定的運行效率,須用電動螺旋槳或曝氣的方法沖洗填料。被填料截留的SS會一直留在濾器中直到開始反洗,其間有30%～40%的SS被降解,增加氧氣消耗量、異養菌數量、化學需氧量及氨氮的量[59],需要及時清理。

流化床是顆粒過濾器的一種形式,可以同時具有硝化作用和SS過濾作用。Davidson等[63]的研究表明,在膨化率15%～80%、砂礫直徑0.11～ 0.19mm、水流速度61～151 L/min的條件下,進水的TSS低于10mg/L,TSS的去除效率為33%～ 52%;進水的TSS為20 mg/L時,TSS的去除效率為58%～71%。

多孔介質濾器是指用矽藻土、活性碳等孔隙豐富和比表面積較大的材料作填料的濾器。它利用填料的吸附功能,因而具有良好的去除微小粒徑SS的效果,但容易飽和,處理負荷有限,多被用于養殖源水的二級處理,或作應急使用,也可用于對水質有較高要求的循環水養殖系統的水質優化處理,如育苗系統等[58]。

4.5 泡沫分離

圖5 沉淀工藝(左)、壓力砂濾器工藝及裝置(中和右)Fig.5 Sedimentation process(Left),pressurized sand filter process and equipment (Middle and Right)

泡沫分離過程是指向水體中通入空氣,使水中的表面活性物質被微小氣泡吸附,并借氣泡的浮力上升到水面形成泡沫,從而去除水中溶解物和微小懸浮物。典型的泡沫分離器(圖6)可由一個簡單的氣泡圓柱體表示。氣泡圓柱體由兩部分組成,下部為液體段,上部為泡沫段,也可稱為泡沫層反應器[59]。溶解物和懸浮物從溶液中向氣泡轉移的吸附過程主要發生在上段,而泡沫的富集則在下段。

泡沫分離過程可以有效去除膠體物質和粒徑小于30μm的SS,對粒徑較大的SS也有效。有研究表明,30min時間內,泡沫分離能夠去除流經水體中40%的粒徑0.5～50μm的SS[53]。有效去除小微小粒徑的SS,對于保持水體的透明度、減少生物過濾器反沖次數有明顯作用。泡沫分離過程應用比較簡單,但因水力停留時間比較長,處理量也有限,雖然單次效果不錯,但對整個系統中SS的去除貢獻有限。淡水中使用泡沫分離的效果不及海水。

4.6 貝類凈化

圖6 泡沫分離原理(左)及泡沫分離器(右)Fig.6 Foam separation principle(Left)and foam separator (Right)

養殖水SS可以作為貝類需要的營養物質,因此利用貝類去除養殖水中的SS是一種廢物的多級利用方式。Jones等[64]的研究表明,24 h內牡蠣可去除養蝦池中12%的TSS。Ramos等[65]研究了進水濃度為2～5 g/L的養蝦水體,6h的水力停留時間可去除50%～70%的TSS。不過貝類對SS也有一定的承受范圍,所以在實際使用過程中需要先沉淀,再進入貝類凈化池。目前主要應用于含鹽水體的凈化。

5 結論

顆粒物不僅對養殖對象有直接影響,對其他水處理單元的效率也有影響,是水產養殖水體重復利用和排放的限制性指標。可以根據水體的投飼量估算需要去除的顆粒產生量。提高飼料利用效率,能夠減少顆粒物的產生量;顆粒物在水體中會在數分鐘內釋放相當數量的C、N、P等營養物質,應盡可能快地把SS從養殖池中移出;大粒徑顆粒物容易去除,5～10μm粒徑的顆粒對養殖動物的負面影響最明顯,且最不易被去除。使用雙排管可以有效地將養殖池中的SS排出養殖池;選擇固液分離技術時,除了要考慮去除的粒徑、水頭損失、水力負荷以及總體去除效率,還需考慮有沒有在去除過程中會把大粒徑顆粒碎成小粒徑顆粒從而增加總體去除難度。沉淀池需要及時清理沉淀物;網篩過濾只能去除60μm以上的粒徑;填料濾器處理效率較高,但在處理高密度養殖系統出水時容易堵塞,需要頻繁反洗。泡沫分離在處理0.5～30μm粒徑時非常有效。貝類凈化也是去除水體中顆粒的有效方法。

[1] FAO.The State of World Fisheries and Aquaculture:Contributing to food security and nutrition for all[M].Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations,2016:2-4.

[2] AMIRKOLAIE A,LEENHOUWERS J,VERRETH J,et al. Type of dietary fibre(soluble versus insoluble)influences digestion,faeces characteristics and faecal waste production in Nile tilapia(Oreochromis niloticus)[J].Aquaculture Research,2005,36(12):1157-1166.

[3] BOUWMAN A F,BEUSEN A H W,OVERBEEK C C,et al. Hindcasts and future projections of global inland and coastal nitrogen and phosphorus loads due to finfish aquaculture[J]. Reviews in Fisheries Science,2013,21(2):112-156.

[4] OLSEN L M,HOLMER M,OLSEN Y.Perspectives of nutrient mission from fish aquaculture in coastal waters.Literature review with evaluated state of knowledge [R].FHF-Fishery and Aquaculture Industry Research Fund,2008:5-11.

[5] CRIPPS S J,BERGHEIM A.Solids management and removal for intensive land-based aquaculture production systems[J]. Aquacultural Engineering,2000,22(1):33-56.

[6] CHEN S,TIMMONS M B,ANESHANSLEY D J,et al. Suspended solids characteristics from recirculatingaquacultural systems and design implications [J]. Aquaculture,1993,112(2/3):143-155.

[7] BRAZIL B L,SUMMERFELT ST.Aerobic treatment of gravity thickening tank supernatant [J].Aquacultural Engineering, 2006,34(2):92-102.

[8] EBELING J M,TIMMONS M B,BISOGNI J J.Engineering analysis of the stoichiometry of photoautotrophic,autotrophic, and heterotrophic removal of ammonia-nitrogen in aquaculture systems [J].Aquaculture,2006,257(1):346-358.

[9] S?NCHEZ J,CALLARISA L,RODRIíGUEZ R M,et al. Perceived value of the purchase of a tourism product[J]. Tourism Management,2006,27(3):394-409.

[10]APHA.Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater[M].21st ed.Washington,DC:American Public Health Association,American Water Works Association,and Water Pollution Control Federation,2005.

[11]APHA.Standard Methods for the Examination of water and Wastewater[M].19th ed.Washington,DC:American Public Health Association,American Water Works Association,and Water Pollution Control Federation,1995.

[12]APHA.Standard methods for the examination of water and wastewater[M].Washington,DC:American Public Health Association,American Water Works Association,and Water Pollution Control Federation,1985.

[13]MCMILLAN J D,WHEATON F W,HOCHHEIMER JN,et al. Pumping effect on particle sizes in a recirculating aquaculture system [J].Aquacultural Engineering,2003,27(1):53-59.

[14]BRINKER A,KOPPE W,R?SCHA R.Optimised effluent treatment by stabilised trout faeces [J].Aquaculture,2005, 249(1):125-144.

[15]張俊新,劉長發,何潔,等.工廠化養殖循環水固液分離特性及處理工藝選擇分析[J].農業環境科學學報,2008(3): 1173-1176.

[16]CHEN S,MALONE R F.Suspended solids control recirculating aquacultur systems [C]//In:Engineering Aspects of Intensive Aquaculture,Proceedings from the Aquaculture Symposium at Cornell University, Northeast Regional Aquacultural Engineering Service,Ithaca,NY NRAES,1991:170.

[17]TIMMONS M B,EBELING J M.Recirculating Aquaculture [M].2nd ed.Ithaca,NY:Cayuga Aqua Ventures,2010:769.

[18]COUTURIER M,TROFIMENCOFF T,BUIL JU,et al.Solids removal ata recirculating salmon-smolt farm[J].Aquacultural Engineering,2009,41(2):71-77.

[19]HOLAN A B,WOLD P A,LEIKNES T O.Membrane performance and fouling behavior of membrane bioreactors installed in marine recirculating aquaculture systems [J]. Aquacultural Engineering,2014,58(1):45-51.

[20]MARTINSC I M,OCHOLA D,ENDE S SW,et al.Is growth retardation present in Nile tilapia Oreochromis niloticus cultured in low water exchange recirculating aquaculture systems [J].Aquaculture,2009,298(1):43-50.

[21]CHEN S,TIMMONS M B,ANESHANSLEY D J.Suspended solids characteristics from recirculating aquacultural systems and design implications [J].Aquaculture,1993,112(2): 143-155.

[22]PATTERSON R N,WATTSK C,GILL T A.Micro-particles in recirculating aquaculture systems:determination of particle density by density gradient centrifugation[J].Aquacultural Engineering,2003,27(2):105-115.

[23]JUELL JE.Hydroacoustic detection of food waste-A method to estimate maximum food intake of fish populations in sea cages [J].Aquacultural Engineering,1991,10(3):207-217.

[24]WONG K B,PIEDRAHITA R H. Settling velocity characterization of aquacultural solids [J].Aquacultural Engineering,2000,21(4):233-246.

[25]GOWEN R,BRADBURY N.The Ecological Impactof Salmonid Farming in Coastal Waters-a Review [J].Oceanography& Marine Biology,1987,25(2):563-575.

[26]CHEN Y S,BEVERIDGEM CM,TELFER TC,et al.Nutrient leaching and settling rate characteristics of the faeces of Atlantic salmon (Salmo salar L.)and the implications for modelling of solid waste dispersion[J].Aquaculture Research,2003,19(2):114-117.

[27]LEE J.Practical applications of low-pressure hydrocyclone (LPH)for feed waste and fecal solid removal in a recirculating aquaculture system [J].Aquacultural Engineering,2015,69: 37-42.

[28]MERINO G E.Bioengineering requirements for the intensive culture of california halibut(Paralichthys californicus)[D]. University of California, Davis, USA: Biological and Agricultural Engineering,2004.

[29]MERINO G E,PIEDRAHITA R H,CONKLIN D E.Settling characteristics of solids settled in a recirculating system for California halibut(Paralichthys californicus)culture[J]. Aquacultural Engineering,2007,37(2):79-88.

[30]LEENHOUWERS J,VELD M,VERRETH J,et al.Digesta characteristiscs and performance of African catfish(Clarias gariepinus)fed cereal grains that differ in viscosity[J]. Aquaculture,2007,264(1):330-341.

[31]PERES H,GUERREIRO I,PéREZ-JIMéNEZ A,etal.A nonlethal faeces collection method for Senegalese sole(Solea senegalensis)juveniles [J].Aquaculture,2013,414(2):100-102.

[32]BURTON F,STENSE H.Wastewater Engineering,Treatment and Reuse [J].4th ed.McGraw Hill,2003,73(1):50-51.

[33]PIND P F,ANGELIDAKI I,AHRING B K.Dynamics of the anaerobic process:effects of volatile fatty acids[J]. Biotechnology and Bioengineering,2003,82(7):791-801.

[34]HAQUE M M,BELTON B,ALAM M M,et al.Reuse of pond sediments as fertilizer for fodder grass production inBangladesh:potential for sustainable intensification and improved nutrition [J]. Agriculture Ecosystems& Environment,2016,216:226-236.

[35]李平,羅國芝,譚洪新.循環水養殖系統固體廢棄物厭氧消化處理技術與分析[J].漁業現代化,2009(6):16-19,24.

[36]MIRZOYAN N,PARNES S,SINGER A,et al.Quality of brackish aquaculture sludge and its suitability for anaerobic digestion and methane production in an upflow anaerobic sludge blanket(UA SB)reactor [J].Aquaculture,2008,279 (1):35-41.

[37]CHEN S,COFFIN D E,MALONE R F.Sludge production and management for recirculating aquacultural systems [J].Journal of theWorld Aquaculture Society,2010,28(28):303-315.

[38]LANAR I D,FRANCI C.Biogas production from solid wastes removed from fish farm effluents[J].Aquatic Living Resources,1998,11(4):289-295.

[39]GEBAUER R.Mesophilic anaerobic treatment of sludge from saline fish farm effluents with biogas production[J]. Bioresource Technology,2004,93(2):155-167.

[40]CRIPPS S J,BERGHEIM A.Solids management and removal for intensive land-based aquaculture production systems[J]. Aquacultural Engineering,2000,22(1):33-56.

[41]DAVIDSON J,SUMMERFELT S T.Solids removal from a cold water recirculating system—comparison of a swirl separator and a radial-flow settler [J].Aquacultural Engineering,2005, 33(1):47-61.

[42]DEL CAMPO L M,IBARRA P,GUTIERREZ X,et al. Utilization of Sludge From Recirculation Aquaculture Systems [M].Norway:No fima Marin AS,2010:22.

[43]ROSENTHAL Y,BOYLE E A,SLOWEY N.Temperature control on the incorporation ofmagnesium,strontium,fluorine, and cadmium into benthic foraminiferal shells from Little Bahama Bank:Prospects for thermocline paleoceanography [J].Geochimica Et Cosmochimica Acta,1997,61(17):3633-3643.

[44]ZHU S,CHEN S.Effects of organic carbon on nitrification rate in fixed film biofilters [J].Aquacultural Engineering,25(1): 1-11.

[45]LIAO P B,MAYO R D.Intensified fish culture combining water reconditioning with pollution abatement [J].Aquaculture, 1974,3(1):61-85.

[48]EBELING J M,TIMMONSM B,BISOGNIJ J.Engineering analysis of the stoichiometry of photoautotrophic,autotrophic, and heterotrophic removal of ammonia-nitrogen in aquaculture systems [J].Aquaculture,2006,257(1/4):346-358.

[49]FERNANDEZ-JOVER D,SANCHEZ-JEREZ P,BAYLESEMPERE J,etal.Addition of dissolved nitrogen and dissolved organic carbon from wild fish faeces and food around Mediterranean fish farms:implications for waste-dispersal models [J].Journal of Experimental Marine Biology& Ecology,2007,340(2):160-168.

[50]ANDERSON J S,LALL S P,ANDERSON D M,et al. Availability of amino acids from various fish meals fed to Atlantic salmon (Salmo salar)[J].Aquaculture,1995,138 (1):291-301.

[51]SUGIURA SH,MERCHANT D D,KELSEY K,et al.Effluent profile of commercially used low-phosphorus fish feeds [J]. Environmental Pollution,2006,140(1):95-101.

[52]徐忠法,于東祥.水產養殖標準匯編[M].北京:中國標準出版社,1997:21-25.

[53]CHEN S,STETCHEY D,MALONE R F.Suspended solids control in recirculating aquaculture systems [C]// Developments in Aquaculture&Fisheries Science,1994:61-100.

[54]TIMMONS M B,LOSORDO T M.Aquaculture water reuse systems: engineering design and management[J]. Aquaculture.1996,139(1):169-170.

[55]TIMMONS M B,EBELING J M,WHEATON F W,et al. Recirculating aquaculture[M].New York,USA:Ithaca Publishing Company,2013.

[56]LOSORDO T M,HOBBS A O,DELONG D P D,et al.The design and operational characteristics of the CP&L/EPRI fish barn:a demonstration of recirculating aquaculture technology [J].Aquacultural Engineering,2000,22(1/2):3-16.

[57]PENTAIR AQUATIC ECO-SYSTEMS INC.New product announcement:eco-trap waste solids removal system[EB/ OL].(2017-01-01).http://www.aqua.cl/wp-content/ uploads/sites/3/2015/12/paes_eco-trap_npa_external_02-rgb.pdf.

[58]EASTER C.System componentperformance and water quality in a recirculating system producing hybrid striped bass[C]// Aquacultural Expo V.New Orleans,LA,1992.

[59]LEKANG O I.Aquaculture Engineering[M].Oxford: Blackwell Publishing,2007:44-62.

[60]TAVARES L M,SOUZA L L G,LIMA JR B,et al.Modeling classification in small-diameter hydrocyclones under variable rheological conditions [J].Minerals Engineering,2002,15 (8):613-622.

[61]SUMMERFELT,S T.An integrated approach to aquaculture waste management in flowing water systems[J].In Proceedings of the Second International Conference on Recirculating Aquaculture,1998:87-97.

[62]SHARRER M J,RISHEL K,SUMMERFELT S T.Evaluation of geotextile filtration applying coagulant and flocculant amendments for aquaculture biosolids dewatering and phosphorus removal[J].Aquacultural Engineering,2009,40 (1):1-10.

[63]DAVIDSON J,HELWIG N,SUMMERFELT S T.Fluidized sand biofilters used to remove ammonia,biochemical oxygen demand,total coliform bacteria,and suspended solids from anintensive aquaculture effluent [J].Aquacultural Engineering, 2008,39(1):6-15.

[64]JONES A B,DENNISON W C,PRESTON N P.Integrated treatment of shrimp effluent by sedimentation,oyster filtration and macroalgal absorption:a laboratory scale study[J]. Aquaculture,2001,193(1):155-178.

[65]RAMOS R,VINATEA L,SEIFFERT W,et al.Treatment of shrimp effluent by sedimentation and oyster filtration using Crassostrea gigas and C.rhizophorae [J].Brazilian Archives of Biology&Technology,2009,52(3):775-783.

Properties and control of suspended solids during reuse of aquaculture water

LUO Guozhi,CHEN Xiaoqing,TAN Hongxin
(College of Fisheries and Life Science,Shanghai Ocean University,Shanghai,201306)

Particles not only have direct influences on cultured species,but also affect the efficiency of other water processing elements,thus becoming a restrictive indicator for reuse and discharge of aquaculture water. This paper summarizes descriptive indicators of properties of solids in aquaculture water,analyzes the source of particles during cultivation based on characteristics of aquaculture,and estimates particles necessary to be removed based on water feeding quantity;italso introduces the method to remove residual feeds and excrement from the aquaculture tank with double-rowed pipe as quickly as possible;finally it concludes several common solid-liquid separation techniques.When solid-liquid separation techniques are selected,the size of particles removed,head loss,hydraulic loading and overall removal efficiency,as well as whether it is likely to break particles of large size into particles of small size during removal so that the difficulty in removal is increased on the whole should be considered.

aquaculture;circulating water;particle;solid-liquid separation

S959

A

1007-9580(2017)03-015-10

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.003

2017-05-05

上海市科學技術委員會資助項目(14320501900)

羅國芝(1974—),女,副教授,博士,研究方向:循環水養殖系統與工程。E-mail:gzhluo@shou.edu.cn