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(dāng)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(diǎn)，未來的水保護(hù)養(yǎng)殖行業(yè)將越來越受到重視。這也是未來水保護(hù)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(yùn)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?yàn)楹宣}分,需要進(jìn)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(hù)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(yuǎn)小于那些粒徑>30μm的顆粒物的總體積,處理這些細(xì)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(jìn)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(yùn)輸費(fèi)用也是污泥處理上一項(xiàng)花費(fèi)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(jī)污染物的去除能力較強(qiáng)。不溶性有機(jī)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(jī)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(yùn)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(dá)96%～98%,化學(xué)需氧量去除率達(dá)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(yùn)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(xiàng)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(jìn)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(shí)吸附這些固體顆粒物質(zhì)形成絮凝體,同時(shí)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(biāo)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(gè)相對復(fù)雜的微生物過程,還很難將它進(jìn)行定量的分析,相關(guān)機(jī)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(jìn)一步研究,包括絮凝的工藝、工況、機(jī)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(jī)物分解并產(chǎn)生沼氣。廢水污泥能否進(jìn)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(gè)循環(huán)水海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的廢水污泥性質(zhì)進(jìn)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(jìn)行。有機(jī)固體廢物中含有大量可生化降解的物質(zhì),蘊(yùn)含著大量的生物質(zhì)能,有效利用這類生物質(zhì)能源對實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)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(dá)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(jìn)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(dá)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(jī)固廢處理中可與其他處理設(shè)備有機(jī)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)行消化。他們的實(shí)驗(yàn)由于含固率較低,整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jī)物都高度穩(wěn)定化。Gebauer采用CSTRs對海水養(yǎng)殖場中的污泥進(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(gè)反應(yīng)過程相當(dāng)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(dá)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(dá)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(jìn)行厭氧消化,通過對BAS進(jìn)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(dá)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(jìn)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(qiáng)烈抑制,VFA濃度高達(dá)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(gè)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(jìn)一步研究。2.4.3有機(jī)固體物質(zhì)的去除Yossi等設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)含氮化合物和有機(jī)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(jìn)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(jì),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(jī)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(jī)物包括分散的固體,應(yīng)采用某些適當(dāng)?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(xiàng)指標(biāo)達(dá)到水產(chǎn)養(yǎng)殖排放標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)一步的深入研究。有機(jī)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