肖茂華,李亞杰,汪小旵*,Harsha RATNAWEERA,徐良,朱虹

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇 南京 210031;2.Norwegian University of Life Sciences,0516 OSLO;3.江蘇博克斯科技股份有限公司,江蘇 鹽城 224700;4.江蘇省農(nóng)機(jī)具開發(fā)應(yīng)用中心,江蘇 南京 210017)

近年來,水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展為我國經(jīng)濟(jì)增長和人民生活水平提高做出了突出的貢獻(xiàn),但在產(chǎn)量增長的同時(shí)卻是水資源的快速消耗和水污染的持續(xù)加重。我國作為人均水資源占有量不到世界1/4的國家,節(jié)水和水處理任重而道遠(yuǎn),水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理自然也不例外[1-2]?，F(xiàn)階段,尾水處理一般都要經(jīng)過三級(jí)處理,根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖方式和養(yǎng)殖品種的不同,并非所有養(yǎng)殖尾水都要經(jīng)過上述全部過程。按照處理機(jī)制尾水處理方法可分為物理法、化學(xué)法、生物法三大類。本文綜述了水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理在物理法、化學(xué)法和生物法原理下各種技術(shù)與裝備的研究進(jìn)展,并簡要介紹目前常用的4種工藝流程及問題,以期為水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理的機(jī)械化、智能化發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水特點(diǎn)

我國地域遼闊,水產(chǎn)養(yǎng)殖類型眾多,按照養(yǎng)殖水體鹽度的高低可分為淡水、海水養(yǎng)殖,根據(jù)養(yǎng)殖水域的不同又可以分為江河、湖泊、水庫、稻田、池塘、淺海、灘涂和港灣養(yǎng)殖。根據(jù)2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),江蘇省水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積達(dá)63萬多公頃,其中池塘養(yǎng)殖面積占總面積的56.4%;在池塘養(yǎng)殖中,淡水養(yǎng)殖面積約為海水養(yǎng)殖面積的9.8倍,可見池塘淡水養(yǎng)殖在江蘇省水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中占有舉足輕重的地位。本文以江浙地區(qū)的大宗淡水魚池塘尾水為例,各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的范圍如表1所示。2021年6月3日江蘇省制訂了《池塘養(yǎng)殖尾水排放標(biāo)準(zhǔn):DB 32/4043—2021》,連片100畝以上池塘、單塘水面大于50畝和工廠化封閉式養(yǎng)殖水體均按照此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)檢測方法、排放限值和標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 江浙地區(qū)大宗淡水魚池塘尾水水質(zhì)指標(biāo)范圍、檢測方法和排放限值標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The range,testing methods and discharge standards of tailwater water quality in bulk freshwater fish ponds in Jiangsu and Zhejiang regions

圖1 水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中的污染物及其危害Fig.1 Pollutants and hazards in aquaculture tailwater

2 物理法及其裝備的研究進(jìn)展

目前國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為突破常規(guī)生化法為核心的礦化模式,構(gòu)建以物理分離法為核心的資源化模式,減少化學(xué)藥品的使用以減少二次污染,是全球綠色發(fā)展的難題之一[7]。物理分離是一種低能耗、低排放、低污染的資源化分離方法,主要是利用物理原理實(shí)現(xiàn)尾水中大分子的分離、降解、轉(zhuǎn)化和資源化,該技術(shù)主要適用于水產(chǎn)尾水處理中第一級(jí)和第三級(jí)處理[8]。

2.1 沉淀分離技術(shù)與裝備

沉淀分離技術(shù)在實(shí)際工程中僅可以將尾水中密度比水大的顆粒去除,適用于粒徑>75 μm的大顆粒,如殘餌糞便等[9]。柴金龍等[10]等利用重力沉降原理進(jìn)行了沉淀分離裝置的研究,在工廠化養(yǎng)魚池水的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這種裝置具有節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地以及為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有機(jī)肥的特點(diǎn)。面對一體化凈水沉淀設(shè)備中的斜板安裝困難且易產(chǎn)生死水的問題,蔣紹階等[11]開發(fā)了2種適用于圓柱形一體化凈水設(shè)備的新型螺旋斜板技術(shù)和新型同向流斜板技術(shù)。一種帶有新型強(qiáng)化絮凝裝置的沉淀設(shè)備結(jié)合了上述2種技術(shù)的優(yōu)勢,不僅降低了設(shè)備高度,減小了設(shè)備體積,還降低了原水初期投資和運(yùn)行成本[12]。

沉淀分離技術(shù)對于難溶性大顆粒具有很好的去除效果,是目前水處理廠中第一級(jí)尾水處理最常用的一種固液分離技術(shù)?；谠撛硌邪l(fā)的設(shè)備大多具有占地面積大的問題,如一整套沉淀砂濾處理系統(tǒng)占地至少為廠區(qū)的30%,一個(gè)年產(chǎn)不到50億尾蝦苗的育苗廠區(qū),沉淀池、蓄水池的總?cè)莘e少則兩三千m2,多則近萬m2。此外,物理沉淀具有耗時(shí)長的問題,在不考慮土地和時(shí)間成本時(shí),該技術(shù)仍具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 過濾技術(shù)與裝備

過濾技術(shù)包括微網(wǎng)過濾、介質(zhì)過濾等?；谖⒕W(wǎng)過濾原理而研發(fā)的設(shè)備主要是微濾機(jī)、弧形篩。傅雪軍等[13]等將微濾機(jī)用于封閉式循環(huán)水產(chǎn)性半滑舌鰨養(yǎng)殖系統(tǒng)中,發(fā)現(xiàn)微濾機(jī)的使用能顯著去除化學(xué)需氧量和固體懸浮物。一體化納米凈水設(shè)備是在超聲波生物濾池中加入了納米濾料,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該設(shè)備對錦鯉的尾水處理效果良好[14]。微濾機(jī)較適合集約化工廠化養(yǎng)殖,海水工廠化養(yǎng)殖專用微濾機(jī)目前已經(jīng)在市場上廣泛應(yīng)用。尤聯(lián)資[15]在前人基礎(chǔ)上,發(fā)明了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖用弧形篩,可調(diào)式的支架設(shè)計(jì)擴(kuò)大了設(shè)備的使用范圍并提高了穩(wěn)定性;在傳統(tǒng)弧形篩上加入曝氣裝置,可提高篩網(wǎng)裝置的過濾效果,減少篩網(wǎng)裝置的反沖洗頻率[16];張正等[17]研究發(fā)現(xiàn),“弧形篩+4級(jí)生物進(jìn)化池”處理后的養(yǎng)殖尾水中溶解氧、電導(dǎo)率等多項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到自然海水的常規(guī)值,該系統(tǒng)可能是一種適合中國國情的理想的陸基工廠化海水養(yǎng)殖尾水處理模式。

介質(zhì)材料是介質(zhì)過濾法研究的基礎(chǔ)和重點(diǎn),當(dāng)前在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理中常用的介質(zhì)有石英砂、陶粒、塑料顆粒、纖維濾料等。Ridha等[18]用塑料生物過濾介質(zhì)對簡易羅非魚循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行尾水過濾,取得了很好的凈化效果。彗星式纖維濾料一直是近幾年研究的重點(diǎn),以此為濾元的過濾器即為彗星式纖維過濾器。彗星式纖維濾料過濾器具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、濁度小、過濾精度高、水頭損失小、易反沖洗等特性[19]。薛正銳等[20]研制的彗星式纖維過濾器濾料濾速可達(dá)8 080 m·h-1,粒徑大于2 μm的顆粒去除率為95%,反沖用水僅2%,具有高速高效節(jié)能等優(yōu)勢。

機(jī)械過濾設(shè)備的使用,加快了固液分離速度,與沉淀分離技術(shù)相比,大大節(jié)省了時(shí)間,且根據(jù)濾網(wǎng)或者篩隙的大小,可以很好控制過濾顆粒物的大小,在第一級(jí)粗濾環(huán)節(jié)具有99%的極高去除率[21],被認(rèn)為是第一級(jí)處理中最為經(jīng)濟(jì)有效的手段[22],但該技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對可溶性污染物的有效去除。

2.3 泡沫分離技術(shù)與裝備

泡沫分離技術(shù)的原理是在氣泡上浮到水體表面形成泡沫的過程中吸附尾水中的微小顆粒,然后通過收集水面泡沫以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖尾水中懸浮態(tài)及溶解態(tài)污染物的去除[23],基于該理論研發(fā)的設(shè)備主要為泡沫分離器,原理如圖2所示。諸多學(xué)者在水力停留時(shí)間和氣液比2個(gè)參數(shù)上進(jìn)行了研究,孫大川等[24]在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)的試驗(yàn)中得出,隨著水力停留時(shí)間的延長,泡沫分離器對不同規(guī)格微小固體懸浮顆粒物的去除效率逐漸增加;張延青[25]在海水養(yǎng)殖貝類的尾水處理中確定了最佳氣液比。還有通過將泡沫分離技術(shù)與臭氧氧化技術(shù)結(jié)合研發(fā)的蛋白質(zhì)分離器。國外的蛋白質(zhì)分離器技術(shù)已比較成熟,主要有兩大類型:逆流曝氣式和文丘里射流式[26]。Ranjan等[27]設(shè)計(jì)了包含文丘里型蛋白質(zhì)撇渣器的系統(tǒng),德爾泰克有限公司研發(fā)了專門適用于鹽水族箱用的蛋白質(zhì)分離器。該設(shè)備雖然處理效能很高,但價(jià)格太高,不適用于國內(nèi)大規(guī)模養(yǎng)殖。

泡沫分離技術(shù)的使用存在很大的局限性,在淡水生物的養(yǎng)殖尾水處理中基本不適用,因?yàn)樵诘须娊赓|(zhì)的缺失嚴(yán)重影響泡沫的產(chǎn)生,所以難以達(dá)到理想效果。目前我國的泡沫分離技術(shù)主要應(yīng)用于海水工廠化養(yǎng)殖的尾水處理中,在有效降低污染指標(biāo)的基礎(chǔ)上還實(shí)現(xiàn)了消毒、增氧[28]。

圖2 泡沫分離技術(shù)、蛋白質(zhì)分離器的原理圖與實(shí)物圖Fig.2 Principle and physical map of foam separation technology and protein separator

2.4 紫外線消毒技術(shù)與裝備

水產(chǎn)行業(yè)中的氧化消毒法以紫外線消毒應(yīng)用最多。紫外線消毒具有運(yùn)行操作簡單、成本低、殺菌廣泛、無污染和無殘留等優(yōu)點(diǎn),但由于其即照即殺的特點(diǎn),不具有持續(xù)消毒能力,此外由于受到紫外線波長的影響,該技術(shù)在渾濁度較低的水體中效果一般。這種技術(shù)主要用于殺死水體中對魚類有害的微生物,對污染物的去除沒有影響。紫外消毒設(shè)備可殺滅循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中99%的大腸桿菌[29]。一種紫外線-臭氧消毒裝置結(jié)合了紫外消毒和臭氧消毒2種消毒方式,具有無藥物殘留、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)[30]。魯陽[31]將臭氧和紫外水處理技術(shù)結(jié)合,構(gòu)建了一種臭氧/紫外耦合對抗生素抗性基因處理技術(shù),以含有不同抗性基因的大腸桿菌為處理對象,結(jié)果顯示該技術(shù)對喹諾酮類和磺胺類抗性基因的去除效率最高。

3 化學(xué)處理方法及其裝備的研究進(jìn)展

3.1 臭氧氧化技術(shù)與裝備

臭氧處理快速、高效,不產(chǎn)生二次污染,但該技術(shù)存在造價(jià)高和不易儲(chǔ)存的問題,主要因?yàn)槌粞蹙哂胁环€(wěn)定性,臭氧氣體無法用常規(guī)方式儲(chǔ)存,一般在消毒時(shí)現(xiàn)場制取,且臭氧與水不易混合,混合設(shè)備的好壞直接關(guān)系到臭氧的消毒效果和使用成本。周烜亦[35]研發(fā)了鼓泡塔溶解裝置,并開發(fā)了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng),裝置取得滿意的試驗(yàn)效果。從目前發(fā)展來看,解決臭氧的儲(chǔ)存問題仍是現(xiàn)階段專家學(xué)者正在研究的熱點(diǎn)。

3.2 絮凝技術(shù)與裝備

絮凝技術(shù)主要通過加入與物質(zhì)相反電性的鋁鹽、鐵鹽等絮凝劑來減少離子之間的排斥作用,也可以利用微生物起到凝絮效果,促進(jìn)離子凝聚下沉,從而達(dá)到去除水體中懸浮物的目的?；瘜W(xué)絮凝劑的不合理使用極易導(dǎo)致其在出水中殘存,再回流至養(yǎng)殖池對生物產(chǎn)生危害,影響生物的生長,因此把握使用劑量是主要問題。電絮凝技術(shù)是以犧牲陽極金屬電極來產(chǎn)生金屬陽離子,靠離子發(fā)揮作用起到絮凝作用,可以很好解決二次污染問題。采用電絮凝氣浮的方法去除養(yǎng)殖水體中有機(jī)物及懸浮物,具有良好的去除效果且完全無絮凝劑的二次污染[36]。

凝絮能使尾水中的離子沉降,后續(xù)還需要經(jīng)過固液分離才能完全從尾水中去除。將絮凝、沉淀和過濾技術(shù)集成為適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的一體化處理設(shè)備,具有較好的固液分離效果[37-38]。

3.3 電化學(xué)技術(shù)與裝備

從近年來的研究中可以看出,國內(nèi)外關(guān)于電化學(xué)技術(shù)處理污染物的研究主要集中在電極材料、電流密度、電壓、pH值、污染物初始濃度、處理時(shí)間、電極板間距的探索,還有電解反應(yīng)器的設(shè)計(jì)以及電化學(xué)技術(shù)對不同污染物去除作用機(jī)制等方面[40]。對于電解反應(yīng)器的研究,陳聰[41]研發(fā)了一套集成了電氣浮、電絮凝、電化學(xué)反應(yīng)等技術(shù)的電化學(xué)成套設(shè)備。電化學(xué)反應(yīng)一般在常溫常壓下就能實(shí)現(xiàn),設(shè)備比較簡單,可以單獨(dú)處理又可以與其他污水處理技術(shù)配合使用,由于養(yǎng)殖尾水中污染物受養(yǎng)殖模式和養(yǎng)殖品種的影響而成分復(fù)雜,因此在處理不同尾水時(shí)電化學(xué)技術(shù)處理的反應(yīng)機(jī)制、電極材料等也存在差異。

4 生物法及其裝備的研究進(jìn)展

隨著環(huán)境監(jiān)管的加強(qiáng)和人們環(huán)保意識(shí)的提高,生物方法處理尾水成為一個(gè)重要的研究方向。生物處理法主要依靠水生植物、微生物等的生態(tài)功能降解水中的N、P等有機(jī)物,在微生物處理方法中又以活性污泥法和生物膜法最為典型。

4.1 水生植物處理技術(shù)與裝備

生態(tài)浮床和人工濕地是2種常用的水生植物處理技術(shù)。生態(tài)浮床是以生物高分子材料為床基,根據(jù)需求種植合適的水生植物;若生態(tài)浮床技術(shù)與經(jīng)濟(jì)植物水培技術(shù)、能源技術(shù)相結(jié)合,還能實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益雙收。章永泰[42]設(shè)計(jì)了一套帶風(fēng)能曝氣裝置的尾水凈化浮床,充分利用風(fēng)能發(fā)電原理,推進(jìn)尾水處理的生態(tài)化。應(yīng)用管式反應(yīng)器增強(qiáng)生態(tài)浮床,可實(shí)現(xiàn)二次流出物的高氮處理[43]。人工濕地是一種復(fù)雜的多功能生態(tài)系統(tǒng),因其成本低廉、生態(tài)友好、便于與景觀結(jié)合等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于尾水處理中。用人工濕地法處理池塘養(yǎng)殖尾水,出水氮、高錳酸鉀指數(shù)可達(dá)到地表水一類標(biāo)準(zhǔn),出水總磷達(dá)地表水二類標(biāo)準(zhǔn)[44]。

4.2 活性污泥法與裝備

活性污泥法始于20世紀(jì)60年代,主要是利用懸浮生長的微生物絮團(tuán)對污染物進(jìn)行凝聚、吸附、氧化和分解以達(dá)到去污目的,其發(fā)展和基本流程如圖3所示。采用沸石強(qiáng)化活性污泥法改變系統(tǒng)內(nèi)生物相和微生物的存在方式,對尼羅羅非魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)尾水具有很好的處理效果,而且能促進(jìn)尼羅羅非魚生長[45]。天津一諾海牧公司研制的新型水處理設(shè)備,利用超能活性填料及高頻震蕩將氣態(tài)羥基與水形成水合羥基離子H3O2-(羥基強(qiáng)氧化源),離子結(jié)合水體中的強(qiáng)氧化物質(zhì)以達(dá)到去除的目的[46]。也有學(xué)者使用ANFIS與GLM回歸模型對活性污泥法出水進(jìn)行預(yù)測[47],如Du等[48]使用自適應(yīng)的PID算法控制活性污泥法的溶氧,這些新技術(shù)的應(yīng)用為該技術(shù)的智慧型發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

氧化溝是活性污泥法的一種變形,環(huán)形溝渠的設(shè)計(jì)極大減少了污水處理的占地面積,增加溝渠的長度,可以在一條溝渠內(nèi)實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化作用,提高污水處理效率。Xu等[49]提出了與活性污泥模型2(ASM2)集成的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型,并將其應(yīng)用于設(shè)備的全尺寸外徑,該模型有助于解決高能量消耗和污泥沉淀對氧化溝的限制問題,證實(shí)ASM2積分模型在數(shù)值上能夠優(yōu)化氧化溝的運(yùn)行策略。采用新型外置污泥處理和回流方式在含雙區(qū)澄清池的一體化氧化溝中快速培養(yǎng)厭氧顆粒污泥(AGS),在低濃度生活污水的處理中已經(jīng)取得成功,在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面仍需進(jìn)一步試驗(yàn)[50]。目前我國已經(jīng)熟練掌握曝氣設(shè)備的位置對溶解氧濃度梯度的影響規(guī)律,在進(jìn)行更深入的研究后,氧化溝中溶解氧等技術(shù)的掌握程度將越來越高。

活性污泥法作為有機(jī)水處理的主體,仍存在污泥膨脹、建筑物占地大、運(yùn)行費(fèi)用高、管理復(fù)雜等缺點(diǎn)。氧化溝作為活性污泥法的變形,雖其產(chǎn)污泥量降低了,占地面積有所減小了,但污泥膨脹的問題仍然存在。

圖3 活性污泥法的發(fā)展史、流程圖、曝氣設(shè)備圖及一種生物過濾器圖Fig.3 Development,flow chart,aeration equipment diagram and a biofilter diagram of activated sludge process

4.3 生物膜法與裝備

由活性污泥法進(jìn)一步演變的是生物膜法,微生物在載體上附著,掛膜啟動(dòng)后在載體表面形成一層生物膜,該方法能很好克服上述氧化溝技術(shù)存在的污泥膨脹問題。這項(xiàng)技術(shù)最早的應(yīng)用是生物濾池,方法簡單,處理效果好且能耗低,不產(chǎn)生二次污染,但是濾料使用時(shí)間長了會(huì)發(fā)生堵塞和難清洗的問題。由生物濾池演變的有生物轉(zhuǎn)盤和生物轉(zhuǎn)筒,隨后又進(jìn)一步演變成生物接觸氧化設(shè)備和生物流化床,這幾種工藝的特點(diǎn)如表2所示,雖各有利弊,但都在不斷應(yīng)用與發(fā)展中。

表2 生物法的幾種工藝對比Table 2 Comparison of several biological processes

雖然生物濾池具有處理效果好、運(yùn)行穩(wěn)定、易于管理、節(jié)約能源的優(yōu)勢,但占地面積大,處理大水量尾水時(shí)效果不甚理想,若持續(xù)處理時(shí)間過長,還會(huì)產(chǎn)生濾池蠅,并伴隨臭味產(chǎn)生。

生物轉(zhuǎn)盤和生物轉(zhuǎn)筒技術(shù)很好解決了活性污泥法中污泥膨脹的問題,基本不會(huì)發(fā)生濾料堵塞,能承受高負(fù)荷、高濃度的污水,但是由于其造價(jià)高和盤片材料的限制使該技術(shù)更適合大流量的有機(jī)污水,如工業(yè)污水、餐飲污水、生活污水等,在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域,該技術(shù)對于工廠化型高密度養(yǎng)殖較為合適,在小規(guī)模的養(yǎng)殖中采用該設(shè)備無疑會(huì)增大處理成本。

生物接觸氧化技術(shù)雖具有較廣的適用范圍,掛膜簡單且啟動(dòng)快,污泥量少,但存在生物膜過厚堵塞填料的問題,填料的設(shè)置使構(gòu)造較為復(fù)雜,曝氣設(shè)備的安裝和維護(hù)也不便。

4.3.5 膜生物反應(yīng)器技術(shù)與裝備膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)被認(rèn)為是最具前景的尾水處理技術(shù),該技術(shù)雖然在其他領(lǐng)域已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果,但是在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理中研究較少。目前學(xué)者們的研究主要致力于MBR技術(shù)的高效利用、膜污染的控制和反沖洗水的回收利用。超濾膜MBR對海洋循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)中細(xì)懸浮固體和膠體顆粒去除效果更佳[69]。翟雅男等[70]研制了一體式生物膜反應(yīng)器,對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)曝氣量、水力停留時(shí)間(HRT)、混合液污泥濃度(MLSS)對膜污染的貢獻(xiàn)率逐漸降低。將MBR技術(shù)應(yīng)用在虹鱒魚的RAS系統(tǒng)中,系統(tǒng)的補(bǔ)給水要比傳統(tǒng)系統(tǒng)少65%,實(shí)現(xiàn)了虹鱒魚養(yǎng)殖中RAS和MBR的集成改進(jìn),也節(jié)約了大量水資源[71]。由MBR膜技術(shù)延伸的設(shè)備有經(jīng)濟(jì)性好的動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器(DMBR)[72-74],同步硝化和反硝化的曝氣膜生物反應(yīng)器(MABR)[75-77],脫氫除磷效果更佳的序批式膜生物反應(yīng)器(SB-MBR)[78-81]以及適用于海洋水族館等一類的封閉式海洋系統(tǒng)中離子交換膜生物反應(yīng)器(IEMB)[82]等。其中,浸沒式MBR流程及膜的分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

MBR技術(shù)省去了二沉池,微生物完全保留在反應(yīng)器內(nèi),實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離,無污泥膨脹,運(yùn)行更加穩(wěn)定、靈活,這種技術(shù)的主要問題就在于膜污染和能耗高,而利用膜技術(shù)解決水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理問題的關(guān)鍵就在于如何在保持高去除率的同時(shí)還能保持高滲透通量,這將成為后續(xù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖4 浸沒式膜生物反應(yīng)器(MBR)流程及反應(yīng)器中膜的分層結(jié)構(gòu)Fig.4 Submerged membrane bioreactor process and membrane layered structure in membrane bioreactor(MBR) A.原水箱Wasterwater tank;B.進(jìn)水泵Feeding pup;C.流量計(jì)Flow meter;D.粉末活性炭Powder activated carbon;E.反應(yīng)器A Reactor A;F.反應(yīng)器B Reactor B;G.球閥Globe valve;H.真空表Vacuum meter;I.氣泵Air pump;J.真空泵Vacuum pump;K.取樣閥Sampling valve;L.時(shí)間繼電器Timer;M.儲(chǔ)水池Water storage tank;N.膜組件Membrane module.

圖5 幾種常見的尾水處理工藝流程Fig.5 Several common tail water treatment processes flowA(A)O:厭氧-缺氧-好氧法Anaerobic-anoxic-oxic;SBR:序批式活性污泥法Sequencing batch reactor activated sludge process.

5 常見尾水處理工藝

上述內(nèi)容提到的各種技術(shù)均為獨(dú)立的處理單元,主要功能在于去除尾水中某一種或多種特定的污染因子,但在實(shí)際處理應(yīng)用中,往往都是多種技術(shù)組合形成一定的工藝以實(shí)現(xiàn)對尾水中污染因子的全去除,即物理、化學(xué)、生物法的多種組合共同實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的處理。

目前,在我國實(shí)際尾水處理中,多以“物理法+生物法+物化法”的順序進(jìn)行處理,最為常用的工藝有傳統(tǒng)活性污泥工藝、厭氧-缺氧-好氧[A(A)O]工藝、序批式活性污泥(SBR)工藝、MBR工藝等。幾種工藝的一般流程如圖5所示。

目前傳統(tǒng)活性污泥工藝在城市污水處理中已得到廣泛應(yīng)用,其具有處理效果好、能靈活進(jìn)行尾水處理的特點(diǎn),但在處理時(shí)也有污泥上浮、生物菌活性不增反降、沖擊負(fù)荷適應(yīng)能力差和泡沫等問題,使用時(shí)尤其注意前段缺氧后段氧富余情況的發(fā)生,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需根據(jù)尾水水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)和計(jì)算[83]。A(A)O 工藝在去除有機(jī)物的同時(shí)還能有效去除N、P元素,具有投資少、運(yùn)行費(fèi)用低和環(huán)境效益好的特點(diǎn),但是該工藝本身具有污泥齡矛盾、氮源競爭、硝酸鹽受溶氧量影響大的問題,應(yīng)用該工藝時(shí)在回流污泥量、剩余沉淀污泥和各段泥齡問題上需要嚴(yán)格規(guī)范操作[84]。SBR工藝具有運(yùn)行穩(wěn)定、凈化效果好、耐沖擊負(fù)荷、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、污泥膨脹弱、造價(jià)低的顯著優(yōu)勢,但運(yùn)行時(shí)存在間歇周期長、脫氮除磷效率低、污泥不穩(wěn)定等問題,不適合大型污水處理廠,而且其不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)出水,也限制了其與其他連續(xù)工藝的串聯(lián)使用[85]。MBR工藝設(shè)備緊湊、占地面積小、出水水質(zhì)穩(wěn)定、剩余污泥量少、操作簡單且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,但存在膜造價(jià)高、膜易受污染、能耗高等問題,正常膜片的使用壽命為3～5年,每年需更換20%的膜片,這些特點(diǎn)必然帶來較高的處理成本,對于養(yǎng)殖戶而言,絕非首選[86]。每種工藝各有特點(diǎn)和適用范圍,隨著科技的進(jìn)步和科研的不斷發(fā)展,水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理工藝也在不斷進(jìn)步。

6 總結(jié)與展望

綜合本文對于水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理各項(xiàng)技術(shù)與相關(guān)裝備的研究,我們了解到目前的尾水處理技術(shù)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展,且研究體系已經(jīng)十分成熟,但當(dāng)前研究大多是針對一種技術(shù)的工藝參數(shù)的變量化研究,在技術(shù)裝備的機(jī)械化創(chuàng)新研發(fā)方面成果不甚顯著。

水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)與裝備的研發(fā)推動(dòng)了水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展,但水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)和設(shè)備的使用范圍卻十分有限,實(shí)現(xiàn)全行業(yè)的應(yīng)用和推廣還需要做到以下幾步:1)加大對水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)投入,通過機(jī)械設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)三池兩壩的處理方式,解決傳統(tǒng)水處理占地面積大的問題,極大提高尾水處理的效率;2)借助算法模型高效率改進(jìn)工藝、優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu),開發(fā)出適用于不同養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖模式的專業(yè)性處理設(shè)備,降低設(shè)備研發(fā)成本,以合理的價(jià)格推向市場,填補(bǔ)目前中小型養(yǎng)殖場的空缺;3)將傳感技術(shù)、通信技術(shù)和智能檢測技術(shù)等集成到尾水處理設(shè)備中,智能檢測尾水處理設(shè)備進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù),為設(shè)備后續(xù)的智能化處理提供數(shù)據(jù)源,實(shí)時(shí)監(jiān)測出水水質(zhì)數(shù)據(jù),增設(shè)預(yù)警功能,保證出水在國標(biāo)限值范圍之內(nèi)。我國水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)和設(shè)備的全專業(yè)化、自動(dòng)化和智能化之路任重而道遠(yuǎn),但終將實(shí)現(xiàn)全行業(yè)應(yīng)用。