3種常見水產養殖尾水處理技術的研究進展

陳小鳳 黎瑋欣 李敏倩 蔡澤銘 公晗 嚴慕婷

(華南農業大學海洋學院,廣州 510642)

我國是水產養殖大國,也是世界上唯一一個養殖量超過自然捕撈量的國家[1]。近年來,隨著水產養殖業集約化、規模化的不斷發展,水產養殖方式和技術不斷改進,但養殖尾水帶來的污染問題也日益嚴峻[2]。傳統養殖模式中廣泛采用的“大引大排”模式還造成了可利用水資源的嚴重浪費[3]。尋找高效且經濟的水產養殖尾水處理技術對推動水產養殖業可持續發展有著重要意義。本文對物理、化學和生物處理等3種常見養殖尾水處理技術進行概述,對目前我國養殖尾水處理技術的研究進展進行分類分析,以期為水產養殖尾水處理提供參考,促進水產養殖業的健康、綠色、可持續發展。

1 水產養殖尾水中的污染物和主要來源

水產養殖尾水中的主要污染物有氨氮、亞硝酸鹽、有機污染物、磷以及污損生物等。研究證實,在養殖過程中,以飼料方式進入到養殖水體的磷、氮只有1/4～1/2能被養殖動物吸收利用,其余部分則溶解于水中[4]。養殖品種、飼料種類、投飼方式和管理水平等均會影響水產養殖尾水的水質狀況。不適當的投喂會造成養殖水體中污染物嚴重超標,養殖尾水如得不到及時、有效的處理,排放后會污染周邊的水域環境,引發一系列魚類疾病和生態環境問題。此外,為預防疾病或降低管理難度,一些養殖戶在養殖過程中使用大量的抗生素、抗菌素等藥物,也會急劇地破壞水產養殖的水域環境,減少養殖水域中有益微生物群落的比例[5-6]。殘留的藥物還可能誘導細菌產生抗藥性,從而威脅人體健康[7]。這不但會限制水產養殖業的快速發展,還可能導致附近水域生態系統的失衡[8]。

2 常見水產養殖尾水處理技術

水產養殖尾水處理技術主要分為物理處理技術、化學處理技術和生物處理技術3大類。目前對養殖尾水的處理大多以生物處理技術為主,部分輔以物理和化學處理技術。

2.1 物理處理技術

物理處理技術是指通過過濾、沉淀等方法除去養殖水體中的固體物質和少量的油脂[9]。該技術對大顆粒和懸浮物的去除效果顯著,處理成本較低,但人工消耗較大,且對水體中的氮、磷等營養元素的去除效果甚微。目前物理處理技術主要包括過濾法、泡沫分離法和沉淀法等。

2.1.1 過濾法

過濾法是利用含有許多孔狀的物質作為過濾介質,將養殖尾水中的固體物分離除去,從而使水質變得澄清。在尾水處理實踐中,機械過濾方法的效果較好且最為常用[10]。使用砂濾器能較好地處理含懸浮物較多的養殖尾水,但不能有效去除尾水中的氮、磷等營養元素。Saini等[11]利用水生植物和砂濾池凈化養殖尾水,水中的溶解性總固體(TDS)、渾濁度、化學需氧量(COD)含量分別降低91.0%、99.8%、88.0%。張園園等[12]使用機械設備能夠有效清除養殖水體中80%以上的懸浮顆粒。宋紅橋等[13]采用微濾機有效去除了養殖尾水中80%的固態污染物。還有研究證實,采用以風力為主的反滲透膜技術最高可去除養殖尾水中97%的氮[14]。

2.1.2 泡沫分離技術

泡沫分離技術自20世紀60年代中期開始被運用在污水處理中。其技術原理是將空氣充入水體中形成氣泡,氣泡在上升過程中吸附水中微小的懸浮顆粒和部分溶解物質后在水體表面形成泡沫,通過清除這些泡沫即可實現污染物的去除。研究表明,泡沫分離技術更適合用于海水循環養殖系統中[13]。在淡水循環水養殖系統(RAS)中,De Jesus Gregersen等[15]發現,該技術能夠去除養殖虹鱒尾水中58%的懸浮顆粒,使水體的渾濁度降低了62%,并降低了54%的細菌活性等,因此證實,該技術可以有效控制淡水RAS中的有機物積累和細菌負荷;他們還發現,結合臭氧法使用該技術能夠進一步優化尾水水質,使懸浮顆粒減少89%、水體渾濁度降低79%、細菌活性降低90%。Barrut等[16]研究了不同條件下真空氣提裝置(vacuum airlift)對循環水養殖長須鯨尾水中顆粒有機物(POM)的去除效果:在海水中,真空氣提裝置每小時可以除去20%的初始POM;在飼養條件下,其去除效果會隨著POM濃度的增加而增強。單建軍等[17]使用泡沫分離技術處理養殖羅非魚的半咸水尾水,試驗結果顯示,尾水中總磷、總氮的去除率分別為(19.38±5.27)%、(30.52±3.62)%。

2.1.3 沉淀法

沉淀法是利用養殖水體中懸浮顆粒的可沉降性,通過平流式或輻流式沉淀池的處理工藝,使懸浮顆粒在重力的作用下下沉,達到固液分離的目的[18-19]。該方法不需要復雜的設施和專業操作技術等,常作為水產養殖尾水處理的第一個步驟。李玉全等[20]通過沉淀法、網篩過濾法、泡沫及細沙分離法處理養殖尾水,發現在沉淀池深度為1.5 m時,沉淀效果會隨著沉淀時間的增加而增強,其中總磷、總氮在沉淀12 h后達到最佳去除效果(去除率均在50%以上),COD的去除率在沉淀24 h后達到最大值90.8%。

2.2 化學處理技術

化學處理技術是指利用化學反應過程中相關物質的氧化還原,使水體中污染物的理化性質發生改變,進而將其去除的過程。該方法還能同時調節水體的pH,但在施用時務必嚴格控制化學物質的投入量,以免產生二次污染。

2.2.1 臭氧氧化法

臭氧屬于強氧化劑,能夠氧化各種有機物,并具有很強的殺菌效果。臭氧還可以抑制魚類病原微生物和有害物質的生成,并能降低水體的懸浮物含量(SS)和化學需氧量(COD)[21]。大部分尾水處理廠會使用催化劑提高臭氧處理尾水的效率。凌威[22]采用催化臭氧氧化法研究了模擬工廠化海水養殖尾水中抗生素的去除效果,并以某海參育苗基地的養殖尾水為對象進行了實際處理效果研究,結果顯示,在最佳條件下該方法對海參育苗尾水中氟苯尼考的去除率可達100%,對四環素的去除率可達86.2%,對腐植酸、氨基酸、蛋白質有一定的去除效果,反應結束后的水質均符合海參育苗安全標準。張延青[23]研究表明,臭氧處理可降低貝類苗種養殖尾水中的COD、提高溶解氧含量、去除60%～80%的氨氮和亞硝酸鹽;在其他條件不變的情況下,提高臭氧的濃度,對氨氮和亞硝酸鹽的去除率可提高20%;當臭氧濃度達到0.591 mg/L、接觸時長大于10 min時,可去除99.93%的細菌。研究表明,通過一種臭氧-陶瓷膜耦合系統處理水產養殖循環水,可使水體渾濁度降低100%,水體總氨氮≤0.1 mg/L、COD≤3 mg/L,出水水質達到二類海水水質標準[24]。

在實際生產中,使用臭氧氧化處理養殖尾水對工廠化、集約化水產養殖效果較好,但成本較高。此外,應注意控制臭氧的使用量,防止其殘留在水體中產生毒性并影響養殖動物的生長[25]。由于臭氧具有不穩定性,通常可以借助曝氣等方法去除。

2.2.2 電化學法

電化學法是根據電化學原理,將一定強度的電流導入到養殖尾水中發生電解作用,利用電位差的性質,稀釋尾水中具有溶解性的COD、亞硝酸鹽、氨氮等,通過減少尾水中的營養物質來凈化尾水[26-27]。電化學法是一種綠色、高效、設備規模小、污泥生成少的處理技術,對養殖尾水中磷、氮的處理效果十分顯著[28]。Ghazouani等[29]用硼摻雜的金剛石電極進行電化學氧化,發現可以除去水體中97%的COD和99%的硝酸鹽。殷小亞等[30]研究了電化學技術對海水養殖尾水中氨氮和亞硝酸鹽的處理效果,結果表明,在27個試驗組中,分別有14個組的氨氮、9個組的亞硝酸鹽去除率在90%以上;其中,氨氮的最高去除率為96%,亞硝酸鹽的最高去除率為98.9%。王志剛[31]采用負極性填充床對重慶市某牛奶廠的廢液和自行配制的含有抗生素、激素、重金屬的儲備液進行研究,發現電化學法可以去除儲備液中殘留的至少96%的抗生素和激素,以及至少50%的重金屬(重鉻酸鉀除外)等。張鵬等[32]優化并驗證了電化學法同步脫氮響應面在水產養殖尾水處理中的脫氮效率,發現該方法可同時除去總氨氮和硝酸鹽,其中,總氨氮的去除率均在80.0%以上,硝酸鹽的去除率在29.8%～80.9%;在最適反應條件下,總氨氮的去除率為87.3%,硝酸鹽的去除率為81.5%。電化學處理養殖尾水中的氨氮,其主要產物為氮氣,去除效果好,反應過程中不需要添加任何試劑,產物無毒害作用,但該方法成本相對較高[33]。

2.3 生物處理技術

生物處理技術可分為生物過濾和模擬天然環境兩大類。其中,生物過濾是借助生物(包括植物、動物、微生物)的特性來吸收、轉移、降解養殖尾水中的氨氮、亞硝酸鹽、有機物等污染物[34];模擬天然環境主要是建造人工濕地等設施,通過物理、化學和生物等途徑有效去除水體中的氮、磷、有機物等污染物[35]。生物處理技術具有生態性和再生性,綜合處理能力較好,不會產生二次污染[3,36-37]。但該技術相對復雜,在實際應用中受到一定限制。

2.3.1 生物膜處理法

生物膜處理法發展于20世紀60年代,原理是利用微生物附著在一些固體物表層,繁殖增生而形成生物膜,生物膜利用這些生物群落來吸附、降解養殖尾水中的有機污染物。生物膜處理水產養殖尾水具備適應沖擊能力強、生物量豐富、操作簡單、容易管理、剩余污泥產量少等優點[38]。其中,生物濾池抗沖擊性較強,不會產生污泥膨脹,養殖尾水凈化后較穩定,是最常見的生物膜法處理技術之一。鄧來富[39]研究發現,生物膜低碳養殖技術對養殖凡納濱對蝦的3種水體中的總氮、總磷、亞硝酸鹽均有良好的降解效果,對淡水和海水池塘中總氮和亞硝酸鹽的處理效果顯著優于半咸水池塘,而對半咸水池塘中總磷和氨氮的處理效果優于淡水和海水池塘。李紅麗等[40]采用以竹絲為填料的生物濾池,結合內循環曝氣生物濾池處理養殖尾水,結果表明,此改良技術對脫氮具有顯著的效果,可去除88.86%的氨氮和84.67%的總氮,對抗生素磺胺甲惡唑的去除率在93%以上。萬紅等[41]使用添加有組合填料的序批式生物膜反應系統,對參照養殖池塘的水質配置的尾水進行研究,發現該系統可減少水體中89.5%的磷和75.8%的氮,經處理后的水可循環用于養殖。養殖尾水經生物膜處理后,不僅能夠達到污水排放要求,還具有良好的穩定性[42]。許多生物膜處理養殖尾水的研究都在實驗室條件下進行,與傳統污水處理技術相比,生物膜處理法應用時間較短,相關技術還不夠成熟,在實際應用中還存在許多有待解決的問題,相關技術的應用有待于進一步深入研究。

2.3.2 活性污泥法

活性污泥法由英國的克拉克(Clark)和蓋奇(Gage)于1912年發明,是一種好氧生物處理法,包括循環式活性污泥法和序批式活性污泥法。該方法的原理是向污水中連續注入空氣,與各種微生物充分混合、攪拌并曝氣,經一定時間后形成污泥狀絮狀物,再通過活性污泥上微生物群落的吸附、氧化、絮凝除去污水中的污染物[43]。研究發現,活性污泥法在養殖水產品的尾水處理中有顯著的效果[42]。王哲[44]研究了序批式活性污泥法(SBR)和序批式生物膜法(SBBR)對模擬海水養殖尾水的處理效果,結果表明,SBBR處理效果優于SBR, SBBR在最優條件下可除去尾水中99%的COD和92.5%的氨氮;此外,土霉素的濃度會嚴重影響SBR和SBBR對尾水的處理效果。高錦芳等[45]采用序批式活性污泥反應器處理循環養殖尾水,并接種生物絮凝養殖羅非魚的生物絮體,在該試驗中,孵育好氧顆粒的平均粒徑可達到150 μm,氮、磷的去除率可達90%以上。單建軍等[46]研究發現,間歇式活性污泥法可以較好地處理高密度養殖胡子鯰尾水中的總氮、氨氮、COD。

目前,活性污泥法在污水處理中的應用十分廣泛,相關技術的研究也比較成熟,但在實際運用過程中還存在污泥膨脹的控制、曝氣池溶解氧的保持等問題尚待解決。

2.3.3 生態處理法

生態處理法包括人工濕地、生態浮床、生態溝渠、水生植物等[2]。該方法主要是利用植物根部的吸收能力來去除養殖尾水中的營養物質,既能保持生態平衡,又能凈化水質。

人工濕地系統主要由土壤、人工介質、植物、微生物等組成,并通過物理、化學、生物的三重協同作用,起到污水凈化作用[47]。種植鹽生植物可以有效去除高鹽度養殖尾水中的磷和氮[48]。Tang等[49]打造了四級綜合生態系統,可以有效處理南方農村地區的水產養殖尾水,對總氮、總磷、氨氮、COD的去除率分別為81%、85%、75%、59%,達到了污水處理二級排放標準。趙倩等[50]討論了潛流人工濕地處理尾水的機制與效果,提出依靠基質、植物和微生物三者之間的共同作用有效處理養殖尾水。人工濕地系統可以有效去除養殖尾水中的污染物[51],還可以提升養殖高價值魚類的潛力,帶來顯著的經濟效益[52]。然而,構建人工濕地系統的工程量較大,其自身性能也不如天然濕地系統穩定,其廣泛應用還有待實現[34]。

生態浮床技術具有操作簡單、成本低等特點,但由于水體表面被遮擋,常常導致水體中的溶解氧降低,因此需要適當增加養殖水體的溶解氧。魚-菜共生系統是目前廣泛被養殖戶采用的生態浮床技術之一,能明顯降低水體的渾濁度,增加水體溶解氧含量[53],平衡和穩定池塘水環境[54]。單一結構的生態浮床對水體的凈化能力有限,因此可以通過向浮床中引入細菌或加入人工填料,增強對污染物的去除能力[55]。張玲玲等[56]發現,組合填料、立體彈性料、生物繩填料浮床均能很好地凈化養殖魚塘水體中高濃度的磷,可以除去70%以上的COD,其中立體彈性填料生態浮床處理效果最好,可以去除69.3%的總磷、83.9%的總氮。顧兆俊等[57]構建了箱式生態浮床來凈化養殖池塘不同水層的養殖廢水,其對總氮、總磷、氨氮的平均去除率分別達到21%、8%、17%。

生態渠溝是在排水溝渠中引入植物、動物生物填料等,將其構建成具有自身獨特結構并發揮相應生態功能的溝渠系統。陶玲等[58]的研究結果表明,池塘養殖尾水流經固著藻類的生態渠溝后,水體溶解氧會顯著提高,氨氮、磷的去除率分別為19.46%、31.09%;養殖尾水流經水生植物生態渠溝后,總氮、總磷、氨氮的去除率分別為23.82%～32.95%、19.36%～27.42%、11.68%～29.16%。顧兆俊等[59]發現,4種生態溝渠對淡水池塘養殖尾水的處理效果依次為:生物浮床溝渠>生物填料溝渠>水生植物溝渠>鰱、鳙生物操控溝渠,其中生物浮床溝渠可除去26.91%的總磷、58.97%的總氮和75.92%的氨氮。

水生植物能夠降低水體中氮、磷的濃度,減少水體富營養化,凈化水質。研究表明,在亞熱帶氣候條件下,水生植物對水體中氮、磷的吸收效果較好[60]。姚春軍[61]在養殖黃鱔的池塘中放入幾種不同的水生植物,發現黃鱔的成活率均在93%以上,試驗池塘的水質均保持良好,氨氮、亞硝酸鹽也維持在較低的濃度。

3 水產養殖尾水處理技術的發展趨勢

在生產實踐中,組合使用兩種或多種處理技術,如“三池兩壩”技術、生態塘、集裝箱+生態池塘等,能夠獲得更為理想的處理效果。

“三池兩壩”技術采用沉淀池+過濾壩+曝氣池+過濾壩+生態池,結合物理和生物處理技術,對養殖尾水開展生態處理,實現尾水的循環利用[62]。劉梅等[63]研究發現,該技術能夠明顯改善內陸淡水養殖池塘尾水的水質,使其穩定達到淡水池塘的排放要求。

生態塘是由氧化塘發展而來的,原理是利用天然水體中的生物進行好氧和厭氧生物處理,再通過養殖池塘中的食物鏈進行物質、能量轉移[64]。蒙烽等[65]研究發現,生態塘每日可除去池塘養殖水體中40.9%的氨氮、36.2%的亞硝酸鹽,能夠達到淡水污水的排放要求。常雅軍等[66]研究發現,多功能生態塘對高密度養殖池塘尾水中的總氮、總磷、氨氮等均有較好的去除效果。

集裝箱+生態池塘系統結合了物理過濾和生物凈化技術,其核心原理為“分區養殖,異位處理”,可實現養殖尾水零排放、水資源循環利用[67]。有研究證實,通過“箱內斜面環流集污”和“箱外的固液分離”可實現固體糞污收集,收集率達到90%以上[68]。

4 結論與展望

近年來,我國水產養殖業發展迅速,大量養殖尾水如果不能得到科學有效的處理,會造成巨大的環境問題,最終也會影響到水產養殖業的健康發展。常見的物理、化學和生物處理技術在養殖尾水處理方面各有其優勢和局限,應根據實際情況進行選擇。生物處理技術作為當今水產養殖尾水處理的熱點,能夠有效提升尾水綜合處理效率,節省水資源,且不易產生二次污染。物理、化學和生物處理技術的聯合運用可獲得更理想的效果。不斷完善和創新現有的尾水處理技術,對實現水產養殖業健康、綠色、可持續發展具有重要意義。