循環水養殖系統中懸浮顆粒物去除裝備研究進展*

周亮，唐榮，劉興國，程果鋒，顧兆俊，劉士坤

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海市,200092)

0 引言

隨著集約化養殖技術的不斷發展,無公害生態養殖模式已成為技術更新的方向,工廠化循環水養殖已經提上日程。循環水養殖系統(Recirculating Aquaculture System,以下簡稱RAS)是一種通過物理和生物等處理方式對池塘養殖尾水進行循環利用,使養殖安全生產可持續化的高效環保系統[1]。與傳統的池塘養殖模式相比,RAS節約保護耕地資源,并將傳統的“靜水”養魚模式轉變成了“流水”養魚模式,在保持養殖池內水環境質量相對較好的同時,又能提高成品養殖魚類的產量,并且在廢水利用、病害防控等方面有著無與倫比的優勢[2-4]。目前,構建技術先進、結構緊湊、高效處理的RAS已成為高密度水產養殖先進生產力的研究熱點,但懸浮顆粒物作為影響養殖水體和養殖對象的主要因素,一直難以得到徹底解決,主要是因為在RAS中,95%以上的懸浮顆粒物直徑小于20 μm,懸浮顆粒物密度較小,難以去除[5-7]。因此,控制和去除高密度養殖過程中產生的固體懸浮顆粒物,成為RAS是否能夠穩定高效運行的前提。

基于此,本文首先介紹懸浮顆粒物的來源和危害,引出水產養殖過程中使用的懸浮物顆粒物去除裝備,從沉淀、旋流、泡沫分離、臭氧氧化、孔過濾和生物過濾幾大方面介紹目前裝備的研究進展,最后對后續裝備研發進行展望。

1 懸浮顆粒物

1.1 產生和危害

懸浮顆粒物是影響養殖水質的重要因素之一,泥沙等無機懸浮顆粒物占到主要部分,有機懸浮顆粒物中,腐質和細菌是主要的組成部分[8],根據Holan等[9]的研究發現,25%的飼料會轉換成懸浮物。若在沒有去除懸浮顆粒物的情況下繼續投喂,大量堆積的懸浮顆粒物得不到有效處理,養殖水體中的懸浮顆粒物會不斷累積并分解鈣化,則會導致水質渾濁,水體中產生氨氮等有害物,大顆粒的懸浮物還會損害魚鰓,直接危害水體中魚體的健康。水產品安全與人體健康密切相關,在這種嚴峻的形勢下,環保相關部門出臺政策,對水產養殖過程中產生的排放水進行監管,保證養殖品種健康生長[10]。因此,為了使排放水達標、魚類能夠健康生長,循環水養殖系統中亟需研發出能夠快速有效去除懸浮顆粒物的設備。

1.2 懸浮顆粒物的評估

懸浮顆粒物的質量濃度及粒徑分布(Particle Size Distribution,PSD),是評估水體中懸浮顆粒物的成分及分布特征的重要參數,具體為:養殖水體中不同粒徑顆粒物占總顆粒物的百分比。養殖系統中懸浮顆粒物的粒徑范圍會受許多因素的影響而波動,例如投料量、水流大小、魚類活動、季節更替等人為和環境因素[11-13]。楊建雷等[14]研究發現,養殖草魚、鰱魚和鯉魚混養的池塘中懸浮顆粒物的濃度受到魚類活動影響較多,具體的懸浮顆粒物濃度范圍為18.89～116.27 mg/L,其中顆粒有機物占到50.08%,以此為指標設計構建了一種魚類混養模式,在混養共同作用下,水體中懸浮顆粒物得到了穩定性控制。段姍杉等[15]研究了大西洋鮭循環水養殖系統中懸浮顆粒物的影響因素,結果顯示,懸浮顆粒物粒徑范圍較為穩定,98.36%為1～3 μm的顆粒物,1.63%為3～15 μm的顆粒物,分布規律為:粒徑越大,數量越小,體積也越大,表面積先減小后增大。試驗中使用的泡沫分離器和浸沒式生物濾池對懸浮顆粒物都一定的去除能力,而微濾機沒有起到去除作用。Xu等[16]為了收集懸浮顆粒物的粒徑分布狀況,從50個池塘收集了50份池塘水樣品,試驗顯示懸浮顆粒物濃度范圍為0.7～485 mg/L,其中投料對水體中懸浮顆粒物濃度影響最大。Sarkar等[17]設計了一種生態可持續的池塘尾水處理系統,經過監測,池塘表層水體的懸浮顆粒物濃度范圍為60～400 mg/L,下層水體的懸浮顆粒物濃度范圍較大(80～510 mg/L),然而隨著尾水在處理系統中循環使用,下層水體的懸浮顆粒物濃度沉降速率比上層快。說明在養殖水體中,大重量的懸浮顆粒物會下降到池底,微細顆粒懸浮物會隨著魚類活動一直漂浮在中層水體中,因此,懸浮顆粒物去除裝備對魚類健康、生態環保具有重要意義。

2 懸浮顆粒物去除裝備

養殖過程中,魚類活動會影響水體中懸浮顆粒物的質量濃度及粒徑分布,水體中的懸浮顆粒物的濃度和粒徑還會隨著人為和環境因素變化,不同的懸浮顆粒物的濃度和粒徑對應著不同的去除工藝,目的是達到RAS中循環水的水質要求。根據懸浮顆粒物濃度范圍,羅國芝等[18]給出了循環水中不同粒徑的顆粒物對應的去除方法(圖1),可以看出大致分為沉淀和過濾兩大方面。

目前,在環保業、農業、工業中,用于處理懸浮顆粒物的去除設備有很多,下面將從大粒徑顆粒去除(沉淀、旋流和孔過濾)和微細顆粒去除(泡沫分離、臭氧氧化和生物過濾)兩大方面進行介紹。

圖 1 不同粒徑顆粒物的去除方法

2.1 沉降分離

沉降分離是利用懸浮顆粒物自身的重力進行沉淀處理,因此分離出的顆粒物大多是質量較大的。沉降分離技術簡單、運行費用較低,沉淀池在早期被廣泛應用,但因其占地面積較大,產生難聞臭味等原因逐漸被固定式裝置取代[19]。目前在循環水的預處理過程中,使用較多的是固定式沉降桶。

Fleite等[20]設計了一種分散式片層沉降器,該設備可以很好地去除有機物,試驗完成后,可以清楚看到渾濁度明顯下降,經檢測,化學需氧量去除率為98%,磷去除率為95%。這種分散式片層沉降器結構簡單,成本低廉,在水力驅動下顆粒物處理效果較好,但是沉淀物后續處理困難,較多的沉淀物在清理不干凈的情況下會導致二次污染。為此,張成林等[21]設計了一種多向流的重力沉淀裝置(圖2),該裝備添加了集污倉和排污口,可以有效排出收集到的沉淀顆粒物,試驗在流水條件下進行,以懸浮顆粒物去除率為參數,評估了裝置的性能,最終數據顯示,顆粒物最高去除率可達68.57%,粒徑大于60 μm的顆粒物去除率高達90.3%。柴金龍等[22]利用水力旋轉的離心沉降原理,在魚池底部安裝一種雙層結構的沉淀分離設備(圖3),該設備利用水動力學,將沉淀物和清水分離,分離過程高效簡單,后續水處理環節大大減少,同時,具有節水、節能、節地以及可為農業生產提供高濃度優質有機肥的特點。在預處理循環水環節被廣泛應用,但其處理效果有限,只能去除90%以上的大粒徑顆粒物,因此,還需要進行下一步處理環節。

2.2 旋流分離

旋流分離是利用差速離心沉降原理,水體中的粗顆粒和細顆粒之間存在粒徑差異和密度差異,在水力達到要求的情況下形成旋流,粗顆粒會從排污口排出,而細顆粒進入溢流管,從而達到分離的目的。李建平等[23]通過計算流體模擬試驗設計了一種養殖水體固液分離設備(圖4),試驗表明,驗證試驗結果與模擬結果誤差在10%以內,旋流分離設備能夠較好地去除水體中的大顆粒懸浮物。Pfeiffer等[24]在羅非魚養殖池中設置了旋流分離系統(圖5)來去除懸浮顆粒物,并且測試了其去除效率,試驗結果顯示,粒徑大于250 μm的懸浮顆粒物去除效率較高(90%),而粒徑較小的懸浮顆粒物去除效率為50%,加大旋流分離器中的水流速度能夠提升去除效率,但是成本會增加。

圖4 固液分離設備

圖5 旋流分離器系統

旋流分離相對于沉降分離更加高效,維護成本低,占用空間小,并聯可提高水處理效率。但缺點也存在:對于比重較小的懸浮顆粒物去除效率較低,排污口容易堵塞需要人工定時清理。因此,這就需要研究學者在后續工藝上做出改善。

2.3 泡沫分離

泡沫分離技術對于微小顆粒物的去除極其有效,目前在造紙業、食品業都有一定的技術涉及,隨著集約化養殖帶來的廢水處理問題日趨嚴重,國內RAS中懸浮顆粒物去除遭遇技術瓶頸,泡沫分離技術引起了研究學者的重點關注。

泡沫分離技術,是利用水體中的溶解物和懸浮物能夠吸附在氣泡上的原理,氣泡的浮力將這些顆粒物帶到水面富集于泡沫,經過排污口排出,水中的溶解物和懸浮物通過這樣的方式得到去除。孫大川等[25]研究了泡沫分離器(圖6)運用于養殖系統水質凈化時的性能,在研究過程中,使用了不同工況下的養殖尾水,經過數據對比發現,泡沫分離器對懸浮顆粒物的去除效果較好,增加水力停留時間可以提高懸浮顆粒物的去除效率,在最優運行條件下泡沫分離器的去除效率高達72.66%。泡沫分離器的性能和產生的泡沫息息相關,泡沫越小,性能越好。季明東[12]設計了一種射流式泡沫分離器(圖7),該泡沫分離器產生的氣泡規格可控制,在對不同粒徑的懸浮顆粒物進行分離試驗后,數據顯示,粒徑小于90 μm的懸浮顆粒物去除效果比較理想,尤其是小于10 μm和50～90 μm的懸浮顆粒物去除效果尤為明顯,但是,對于粒徑在90 μm以上的懸浮顆粒物去除效果并不理想。為此,Gregersen等[26]在虹鱒魚池中設計了對比試驗,將泡沫分離器和臭氧分開進行試驗,結果顯示,單獨使用泡沫分離器,水體中的懸浮顆粒物數量和體積降低(58%和62%),水濁度降低了62%,細菌活性減少54%,生化需氧量(BOD)減少51%;兩者結合,水體中的懸浮顆粒物數量顯著降低89%,水濁度降低了79%,細菌活性減少90%,BOD減少75%。Gesto等[27]嘗試將泡沫分離器與臭氧技術相結合,試驗結果顯示,懸浮顆粒物的數量和體積分別減少了89%和76%,水濁度明顯提升。這證實了泡沫分離器和臭氧相結合可能成為控制淡水RAS中有機物富集和細菌負荷的有用工具。

圖6 泡沫分離器

圖7 射流式泡沫分離器

泡沫分離器對于細微懸浮顆粒物的去除效果較為理想,但是還存在某方面的短板,例如,泡沫分離器不能用在淡水水體,這是因為淡水中缺乏電解質,而形成泡沫需要電解質的參與,所以在淡水中形成的泡沫少而易破碎,直接影響泡沫分離器的分離效率。另外,泡沫分離器還會去除尾水中的微量元素,因此,當尾水處理回用時,需要適當控制。

2.4 臭氧氧化

臭氧具有強氧化性,在處理循環水中懸浮物、殺滅有害病菌方面具有很大優勢,另外臭氧在水中的最終產物主要是氧氣,相比于其他殺菌物,臭氧綠色環保無公害,因此臭氧發生器在RAS處理循環水中得到了廣泛的應用。運用在水產養殖中的臭氧發生器,最早是由Honn等[28]設計的,這種小型的高輸出臭氧發生器(圖8)最高輸出的臭氧可達14.2 L/min。宋奔奔等[29]設計了一套養殖系統,并將臭氧運用在系統中,評估了臭氧處理系統中循環水的性能,數據顯示,水體中的懸浮顆粒物去除率為59%,顆粒物濃度為8 mg/L。單獨配一套臭氧發生器價格比較昂貴,為此,陶雷等[30]將增氧和臭氧消毒結合,設計成一體機(圖9),該臭氧機的增氧能力為4.5 kg/h、臭氧濃度為0.1～0.3 mg/L,具有殺菌和增氧雙重功效。

圖8 臭氧發生器結構圖

圖9 一體機結構圖

為增強臭氧去除懸浮顆粒物效果,Guo等[31]設計了一種利用臭氧增強的陶瓷膜—生物活性炭混合工藝系統(圖10)來處理污水,結果表明去除顆粒物可達99%,但臭氧預處理改變了原水組分,對有機物和亞硝酸鹽的去除產生了負面的影響。

圖10 混合工藝系統示意圖

2.5 孔過濾

孔過濾技術的原理十分簡單,利用孔濾膜的均一孔徑性質,來攔截水中的顆粒物。常見的設備有固定篩、弧形篩、轉鼓式微濾機和浮式濾床等。過濾設備的核心就是過濾網,通常根據水體中要處理的顆粒物大小,來選擇不同孔徑大小的過濾網。

2.5.1 固定篩、振動篩和微濾機

固定篩(圖11)是應用最早的水處理裝置之一,其結構簡單,去除效率由篩孔的大小決定,通常循環水經過固定篩后,粒徑大于篩孔大小的顆粒物會被截留下來,隨著裝置工作一段時間后,篩孔會被堵塞。因此,固定篩需要暫停工作,將濾網取出并進行清洗。當篩孔較小時,機械方法清洗不干凈,濾網只能采用高壓水槍清洗,當堵塞嚴重時,還需更換濾網。

圖11 固定篩結構圖

為了避免篩孔堵塞,研究學者研發出振動篩裝置,其原理與固定篩相似,不同在于振動篩增加了一個振動裝置(圖12),更小粒徑的顆粒物會經過比自身孔徑更大的篩網,并不斷下落,最終落在比自身孔徑更小的篩網上。不同粒徑的顆粒物被截留在不同的篩網上,由于篩網一直振動,所以很少有篩網堵塞情況。江滔等[32]介紹了固定篩和振動篩的區別,固定篩的去除效率在10%～35%之間,而振動篩的去除效率在12%～25%之間。

圖12 振動篩結構圖

微濾機廣泛應用于循環水養殖系統中,是循環水處理系統中的關鍵設備,微濾機的原理與固定篩相似,不同于振動篩,微濾機的防堵塞措施是增加了一個反沖洗裝置(圖13),當顆粒物聚集堵塞濾網時,濾網內的水位會上升,當液位傳感器監測到水位上升到設定高度時,會打開反沖洗裝置進行反沖洗,在高壓水槍的沖洗下,堵塞的濾網孔會被疏通,濾網內的水位會下降到設定高度以下,反沖洗裝置關閉。如此往復,水體中的懸浮顆粒物得到去除。

圖13 微濾機結構圖

潘雁艷[33]對微濾機的反沖洗裝置進行了設計和選型,并用在池塘尾水處理環節,懸浮顆粒物去除效果較好,但微濾機占地大、易堵塞、能耗高等問題也日益凸顯。針對易堵塞問題,陳建平等[34]以微濾理論模型為基礎,研究出可以提高微濾機過濾能力的方法,并設計了一種新型連續水處理微濾機,該微濾機可以在不停機的情況下,定期自動更換濾網,大大增加了循環水處理效率。為了降低能耗,提高顆粒物處理效率,Ali[35]設計和評價了一種由下推水輪驅動的微濾機(圖14),并用于羅非魚循環水養殖系統。該微濾機的濾網孔直徑為100 um,篩面面積最大為27.87 m2,轉鼓轉速最高為8.4 r/min,試驗結果顯示,后2個月濾網效率較前2個月有所提升,前2個月濾網效率平均為34.22%,后2個月濾網效率平均為52.41%。

(a) 正視圖

2.5.2 壓濾機和離心機

固定篩、振動篩的原理是利用顆粒自身重力經過微孔,從而達到過濾的目的,而壓濾機(圖15)的原理是利用外力,將水和小顆粒物壓出濾帶,大的顆粒物會截留在濾帶上,隨著履帶輪轉動濾帶上的顆粒物會被刮刀或沖洗噴頭剝落。Walker等[36]對比了絮凝劑輔助前后壓濾機的糞水的固相分離效率,試驗數據顯示懸浮顆粒物去除率相差不大(94.7%和93.9%)。因為壓濾機價格昂貴,去除顆粒物也以大粒徑為主,因此通常用在處理城市廢水和工業煤泥水中。

圖15 壓濾機結構圖

離心機原理與旋流分離類似,離心機械通過高速旋轉產生強大的離心力,在離心力的作用下,固液混合物中的液、固差速分離,從而得到固液分離的效果[37]。國外使用最廣泛的是臥式螺旋離心機,該處理效率高,自動化程度高,工作環境衛生,占地面積小,主要應用在污泥脫水中,也可應用于去除RAS中懸浮顆粒物,但因設備成本及運行成本問題推廣十分緩慢。閆瑛[38]將臥式離心機應用于處理再造煙葉白水,結果顯示,懸浮顆粒物去除率高達65.38%,懸浮顆粒物含量最低可達0.09%。

2.6 生物過濾

生物過濾系統是利用人工濕地中的特定植物和土壤微生物等的聯合作用,去除循環水中的懸浮顆粒物、氮磷等植物營養鹽和溶解有機物[39]。生物過濾系統主要由消化池、人工濕地和凈化水回用池組成,尾水首先進入消化池,其主要功能是厭氧分解尾水中的有機污染物,分解后的大顆粒物會沉淀在池底,后續由人工濕地處理,人工濕地對生活污水中的化學需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)、總懸浮物等都有顯著的去除效果。此外,該工藝是一個復雜的過程,與濕地類型、進水負荷、水力停留時間、植物選擇等諸多因素息息相關。高鋒等[40]采用的是秋茄作為濕地植物,研究了海水蝦的養殖廢水中COD、氨氮、TP等變化情況,由試驗數據可知,在濕地裝置(圖16)穩定運行17天后,COD、氨氮、TP的去除率分別為73.8%、72.4%、61.7%,選定的秋茄植物根部有大量活躍的微生物,能夠有效去除懸浮顆粒物。當表面水力負荷達到0.2 m3/(m2·d)時,懸浮顆粒物的最高去除率可達82.8%。這說明植物根部和底部土壤層能夠及時攔截并去除循環水體中的懸浮顆粒物。Cheng等[41]培育了微藻構建的人工濕地處理豬糞水,在5天的穩定運行后,對TP、NH3-N、TN和COD的去除率分別為90.0%、96.4%、71.0%和91.5%。選取不同植物作為人工濕地植物是一門學問,因為不同的養殖品種產生的尾水也不同,這需要長時間的試驗。

圖16 人工濕地裝置圖

在海水養殖中,高鹽度的尾水會抑制植物和微生物的生命活動,因此,許多學者篩選了耐鹽植物構建人工濕地。王芬等[42]模擬研究了鹽威脅對人工濕地植物根際影響,模擬結果顯示,在各鹽度水平下,氨氮去除率均大于95%,千屈菜根系豐富了土壤中微生物的多樣性。

傳統單種填料難以滿足凈化要求,采用填料組合,發揮濕地中植物與微生物的協同作用,可有效提高人工濕地系統整體去除效果。程夢雨等[43]選取美人蕉、互花米草、海三棱藨草3種耐鹽植物構建人工濕地裝置,在不同水質條件下,研究了裝置對懸浮顆粒物的去除效果,試驗數據顯示,互花米草裝置對TN、TP、COD去除效果最理想,去除率分別為95.56%、95.46%、63.61%,三種植物根部的微生物協同發揮各菌種優勢,有利于水質凈化。

3 展望

懸浮顆粒物去除裝置是RAS中不可或缺的一部分,本文針對懸浮顆粒物去除設備系統進行了梳理,根據沉降分離、旋流分離、泡沫分離、孔過濾和臭氧氧化幾大去除工藝,介紹了對應的設備或設施研究進展。

懸浮顆粒物去除是循環水養殖系統的關鍵問題,當前處理大粒徑顆粒物一般采用微濾機和沉降桶方式,可以有效去除大粒徑顆粒物,但微濾機等過濾環節很難去除微細懸浮顆粒物(<30 μm),水體中的微細懸浮顆粒物循環累積,對魚體帶來直接危害。若占地面積合適的情況下,可以采用人工濕地裝置,否則可以采用泡沫分離器。另外,在工廠化養殖循環水系統中還可以加入臭氧機,可以替代傳統紫外線殺菌器,去除循環水中的重金屬有機物。

由于成本問題,介紹的設備或設施并沒有全部運用到商業循環水養殖系統中,另外微細懸浮顆粒物在RAS中的研究較少,若要進一步提升水處理質量,還需對微細懸浮顆粒物源頭進行高效管控,開展精準投喂策略研究,有效提升飼料品質,降低餌料系數,從而降低殘餌和糞便產生量,從源頭把控微細懸浮顆粒物的形成,或對膜過濾等精細工藝方面開展相關研究,爭取早日研究出低成本、高效率的懸浮物去除裝置。