3种常见水产养殖尾水处理技术的研究进展

陈小凤 黎玮欣 李敏倩 蔡泽铭 公晗 严慕婷

(华南农业大学海洋学院,广州 510642)

我国是水产养殖大国,也是世界上唯一一个养殖量超过自然捕捞量的国家[1]。近年来,随着水产养殖业集约化、规模化的不断发展,水产养殖方式和技术不断改进,但养殖尾水带来的污染问题也日益严峻[2]。传统养殖模式中广泛采用的“大引大排”模式还造成了可利用水资源的严重浪费[3]。寻找高效且经济的水产养殖尾水处理技术对推动水产养殖业可持续发展有着重要意义。本文对物理、化学和生物处理等3种常见养殖尾水处理技术进行概述,对目前我国养殖尾水处理技术的研究进展进行分类分析,以期为水产养殖尾水处理提供参考,促进水产养殖业的健康、绿色、可持续发展。

1 水产养殖尾水中的污染物和主要来源

水产养殖尾水中的主要污染物有氨氮、亚硝酸盐、有机污染物、磷以及污损生物等。研究证实,在养殖过程中,以饲料方式进入到养殖水体的磷、氮只有1/4～1/2能被养殖动物吸收利用,其余部分则溶解于水中[4]。养殖品种、饲料种类、投饲方式和管理水平等均会影响水产养殖尾水的水质状况。不适当的投喂会造成养殖水体中污染物严重超标,养殖尾水如得不到及时、有效的处理,排放后会污染周边的水域环境,引发一系列鱼类疾病和生态环境问题。此外,为预防疾病或降低管理难度,一些养殖户在养殖过程中使用大量的抗生素、抗菌素等药物,也会急剧地破坏水产养殖的水域环境,减少养殖水域中有益微生物群落的比例[5-6]。残留的药物还可能诱导细菌产生抗药性,从而威胁人体健康[7]。这不但会限制水产养殖业的快速发展,还可能导致附近水域生态系统的失衡[8]。

2 常见水产养殖尾水处理技术

水产养殖尾水处理技术主要分为物理处理技术、化学处理技术和生物处理技术3大类。目前对养殖尾水的处理大多以生物处理技术为主,部分辅以物理和化学处理技术。

2.1 物理处理技术

物理处理技术是指通过过滤、沉淀等方法除去养殖水体中的固体物质和少量的油脂[9]。该技术对大颗粒和悬浮物的去除效果显著,处理成本较低,但人工消耗较大,且对水体中的氮、磷等营养元素的去除效果甚微。目前物理处理技术主要包括过滤法、泡沫分离法和沉淀法等。

2.1.1 过滤法

过滤法是利用含有许多孔状的物质作为过滤介质,将养殖尾水中的固体物分离除去,从而使水质变得澄清。在尾水处理实践中,机械过滤方法的效果较好且最为常用[10]。使用砂滤器能较好地处理含悬浮物较多的养殖尾水,但不能有效去除尾水中的氮、磷等营养元素。Saini等[11]利用水生植物和砂滤池净化养殖尾水,水中的溶解性总固体(TDS)、浑浊度、化学需氧量(COD)含量分别降低91.0%、99.8%、88.0%。张园园等[12]使用机械设备能够有效清除养殖水体中80%以上的悬浮颗粒。宋红桥等[13]采用微滤机有效去除了养殖尾水中80%的固态污染物。还有研究证实,采用以风力为主的反渗透膜技术最高可去除养殖尾水中97%的氮[14]。

2.1.2 泡沫分离技术

泡沫分离技术自20世纪60年代中期开始被运用在污水处理中。其技术原理是将空气充入水体中形成气泡,气泡在上升过程中吸附水中微小的悬浮颗粒和部分溶解物质后在水体表面形成泡沫,通过清除这些泡沫即可实现污染物的去除。研究表明,泡沫分离技术更适合用于海水循环养殖系统中[13]。在淡水循环水养殖系统(RAS)中,De Jesus Gregersen等[15]发现,该技术能够去除养殖虹鳟尾水中58%的悬浮颗粒,使水体的浑浊度降低了62%,并降低了54%的细菌活性等,因此证实,该技术可以有效控制淡水RAS中的有机物积累和细菌负荷;他们还发现,结合臭氧法使用该技术能够进一步优化尾水水质,使悬浮颗粒减少89%、水体浑浊度降低79%、细菌活性降低90%。Barrut等[16]研究了不同条件下真空气提装置(vacuum airlift)对循环水养殖长须鲸尾水中颗粒有机物(POM)的去除效果:在海水中,真空气提装置每小时可以除去20%的初始POM;在饲养条件下,其去除效果会随着POM浓度的增加而增强。单建军等[17]使用泡沫分离技术处理养殖罗非鱼的半咸水尾水,试验结果显示,尾水中总磷、总氮的去除率分别为(19.38±5.27)%、(30.52±3.62)%。

2.1.3 沉淀法

沉淀法是利用养殖水体中悬浮颗粒的可沉降性,通过平流式或辐流式沉淀池的处理工艺,使悬浮颗粒在重力的作用下下沉,达到固液分离的目的[18-19]。该方法不需要复杂的设施和专业操作技术等,常作为水产养殖尾水处理的第一个步骤。李玉全等[20]通过沉淀法、网筛过滤法、泡沫及细沙分离法处理养殖尾水,发现在沉淀池深度为1.5 m时,沉淀效果会随着沉淀时间的增加而增强,其中总磷、总氮在沉淀12 h后达到最佳去除效果(去除率均在50%以上),COD的去除率在沉淀24 h后达到最大值90.8%。

2.2 化学处理技术

化学处理技术是指利用化学反应过程中相关物质的氧化还原,使水体中污染物的理化性质发生改变,进而将其去除的过程。该方法还能同时调节水体的pH,但在施用时务必严格控制化学物质的投入量,以免产生二次污染。

2.2.1 臭氧氧化法

臭氧属于强氧化剂,能够氧化各种有机物,并具有很强的杀菌效果。臭氧还可以抑制鱼类病原微生物和有害物质的生成,并能降低水体的悬浮物含量(SS)和化学需氧量(COD)[21]。大部分尾水处理厂会使用催化剂提高臭氧处理尾水的效率。凌威[22]采用催化臭氧氧化法研究了模拟工厂化海水养殖尾水中抗生素的去除效果,并以某海参育苗基地的养殖尾水为对象进行了实际处理效果研究,结果显示,在最佳条件下该方法对海参育苗尾水中氟苯尼考的去除率可达100%,对四环素的去除率可达86.2%,对腐植酸、氨基酸、蛋白质有一定的去除效果,反应结束后的水质均符合海参育苗安全标准。张延青[23]研究表明,臭氧处理可降低贝类苗种养殖尾水中的COD、提高溶解氧含量、去除60%～80%的氨氮和亚硝酸盐;在其他条件不变的情况下,提高臭氧的浓度,对氨氮和亚硝酸盐的去除率可提高20%;当臭氧浓度达到0.591 mg/L、接触时长大于10 min时,可去除99.93%的细菌。研究表明,通过一种臭氧-陶瓷膜耦合系统处理水产养殖循环水,可使水体浑浊度降低100%,水体总氨氮≤0.1 mg/L、COD≤3 mg/L,出水水质达到二类海水水质标准[24]。

在实际生产中,使用臭氧氧化处理养殖尾水对工厂化、集约化水产养殖效果较好,但成本较高。此外,应注意控制臭氧的使用量,防止其残留在水体中产生毒性并影响养殖动物的生长[25]。由于臭氧具有不稳定性,通常可以借助曝气等方法去除。

2.2.2 电化学法

电化学法是根据电化学原理,将一定强度的电流导入到养殖尾水中发生电解作用,利用电位差的性质,稀释尾水中具有溶解性的COD、亚硝酸盐、氨氮等,通过减少尾水中的营养物质来净化尾水[26-27]。电化学法是一种绿色、高效、设备规模小、污泥生成少的处理技术,对养殖尾水中磷、氮的处理效果十分显著[28]。Ghazouani等[29]用硼掺杂的金刚石电极进行电化学氧化,发现可以除去水体中97%的COD和99%的硝酸盐。殷小亚等[30]研究了电化学技术对海水养殖尾水中氨氮和亚硝酸盐的处理效果,结果表明,在27个试验组中,分别有14个组的氨氮、9个组的亚硝酸盐去除率在90%以上;其中,氨氮的最高去除率为96%,亚硝酸盐的最高去除率为98.9%。王志刚[31]采用负极性填充床对重庆市某牛奶厂的废液和自行配制的含有抗生素、激素、重金属的储备液进行研究,发现电化学法可以去除储备液中残留的至少96%的抗生素和激素,以及至少50%的重金属(重铬酸钾除外)等。张鹏等[32]优化并验证了电化学法同步脱氮响应面在水产养殖尾水处理中的脱氮效率,发现该方法可同时除去总氨氮和硝酸盐,其中,总氨氮的去除率均在80.0%以上,硝酸盐的去除率在29.8%～80.9%;在最适反应条件下,总氨氮的去除率为87.3%,硝酸盐的去除率为81.5%。电化学处理养殖尾水中的氨氮,其主要产物为氮气,去除效果好,反应过程中不需要添加任何试剂,产物无毒害作用,但该方法成本相对较高[33]。

2.3 生物处理技术

生物处理技术可分为生物过滤和模拟天然环境两大类。其中,生物过滤是借助生物(包括植物、动物、微生物)的特性来吸收、转移、降解养殖尾水中的氨氮、亚硝酸盐、有机物等污染物[34];模拟天然环境主要是建造人工湿地等设施,通过物理、化学和生物等途径有效去除水体中的氮、磷、有机物等污染物[35]。生物处理技术具有生态性和再生性,综合处理能力较好,不会产生二次污染[3,36-37]。但该技术相对复杂,在实际应用中受到一定限制。

2.3.1 生物膜处理法

生物膜处理法发展于20世纪60年代,原理是利用微生物附着在一些固体物表层,繁殖增生而形成生物膜,生物膜利用这些生物群落来吸附、降解养殖尾水中的有机污染物。生物膜处理水产养殖尾水具备适应冲击能力强、生物量丰富、操作简单、容易管理、剩余污泥产量少等优点[38]。其中,生物滤池抗冲击性较强,不会产生污泥膨胀,养殖尾水净化后较稳定,是最常见的生物膜法处理技术之一。邓来富[39]研究发现,生物膜低碳养殖技术对养殖凡纳滨对虾的3种水体中的总氮、总磷、亚硝酸盐均有良好的降解效果,对淡水和海水池塘中总氮和亚硝酸盐的处理效果显著优于半咸水池塘,而对半咸水池塘中总磷和氨氮的处理效果优于淡水和海水池塘。李红丽等[40]采用以竹丝为填料的生物滤池,结合内循环曝气生物滤池处理养殖尾水,结果表明,此改良技术对脱氮具有显著的效果,可去除88.86%的氨氮和84.67%的总氮,对抗生素磺胺甲恶唑的去除率在93%以上。万红等[41]使用添加有组合填料的序批式生物膜反应系统,对参照养殖池塘的水质配置的尾水进行研究,发现该系统可减少水体中89.5%的磷和75.8%的氮,经处理后的水可循环用于养殖。养殖尾水经生物膜处理后,不仅能够达到污水排放要求,还具有良好的稳定性[42]。许多生物膜处理养殖尾水的研究都在实验室条件下进行,与传统污水处理技术相比,生物膜处理法应用时间较短,相关技术还不够成熟,在实际应用中还存在许多有待解决的问题,相关技术的应用有待于进一步深入研究。

2.3.2 活性污泥法

活性污泥法由英国的克拉克(Clark)和盖奇(Gage)于1912年发明,是一种好氧生物处理法,包括循环式活性污泥法和序批式活性污泥法。该方法的原理是向污水中连续注入空气,与各种微生物充分混合、搅拌并曝气,经一定时间后形成污泥状絮状物,再通过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]。研究发现,活性污泥法在养殖水产品的尾水处理中有显著的效果[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)对模拟海水养殖尾水的处理效果,结果表明,SBBR处理效果优于SBR, SBBR在最优条件下可除去尾水中99%的COD和92.5%的氨氮;此外,土霉素的浓度会严重影响SBR和SBBR对尾水的处理效果。高锦芳等[45]采用序批式活性污泥反应器处理循环养殖尾水,并接种生物絮凝养殖罗非鱼的生物絮体,在该试验中,孵育好氧颗粒的平均粒径可达到150 μm,氮、磷的去除率可达90%以上。单建军等[46]研究发现,间歇式活性污泥法可以较好地处理高密度养殖胡子鲶尾水中的总氮、氨氮、COD。

目前,活性污泥法在污水处理中的应用十分广泛,相关技术的研究也比较成熟,但在实际运用过程中还存在污泥膨胀的控制、曝气池溶解氧的保持等问题尚待解决。

2.3.3 生态处理法

生态处理法包括人工湿地、生态浮床、生态沟渠、水生植物等[2]。该方法主要是利用植物根部的吸收能力来去除养殖尾水中的营养物质,既能保持生态平衡,又能净化水质。

人工湿地系统主要由土壤、人工介质、植物、微生物等组成,并通过物理、化学、生物的三重协同作用,起到污水净化作用[47]。种植盐生植物可以有效去除高盐度养殖尾水中的磷和氮[48]。Tang等[49]打造了四级综合生态系统,可以有效处理南方农村地区的水产养殖尾水,对总氮、总磷、氨氮、COD的去除率分别为81%、85%、75%、59%,达到了污水处理二级排放标准。赵倩等[50]讨论了潜流人工湿地处理尾水的机制与效果,提出依靠基质、植物和微生物三者之间的共同作用有效处理养殖尾水。人工湿地系统可以有效去除养殖尾水中的污染物[51],还可以提升养殖高价值鱼类的潜力,带来显著的经济效益[52]。然而,构建人工湿地系统的工程量较大,其自身性能也不如天然湿地系统稳定,其广泛应用还有待实现[34]。

生态浮床技术具有操作简单、成本低等特点,但由于水体表面被遮挡,常常导致水体中的溶解氧降低,因此需要适当增加养殖水体的溶解氧。鱼-菜共生系统是目前广泛被养殖户采用的生态浮床技术之一,能明显降低水体的浑浊度,增加水体溶解氧含量[53],平衡和稳定池塘水环境[54]。单一结构的生态浮床对水体的净化能力有限,因此可以通过向浮床中引入细菌或加入人工填料,增强对污染物的去除能力[55]。张玲玲等[56]发现,组合填料、立体弹性料、生物绳填料浮床均能很好地净化养殖鱼塘水体中高浓度的磷,可以除去70%以上的COD,其中立体弹性填料生态浮床处理效果最好,可以去除69.3%的总磷、83.9%的总氮。顾兆俊等[57]构建了箱式生态浮床来净化养殖池塘不同水层的养殖废水,其对总氮、总磷、氨氮的平均去除率分别达到21%、8%、17%。

生态渠沟是在排水沟渠中引入植物、动物生物填料等,将其构建成具有自身独特结构并发挥相应生态功能的沟渠系统。陶玲等[58]的研究结果表明,池塘养殖尾水流经固着藻类的生态渠沟后,水体溶解氧会显著提高,氨氮、磷的去除率分别为19.46%、31.09%;养殖尾水流经水生植物生态渠沟后,总氮、总磷、氨氮的去除率分别为23.82%～32.95%、19.36%～27.42%、11.68%～29.16%。顾兆俊等[59]发现,4种生态沟渠对淡水池塘养殖尾水的处理效果依次为:生物浮床沟渠>生物填料沟渠>水生植物沟渠>鲢、鳙生物操控沟渠,其中生物浮床沟渠可除去26.91%的总磷、58.97%的总氮和75.92%的氨氮。

水生植物能够降低水体中氮、磷的浓度,减少水体富营养化,净化水质。研究表明,在亚热带气候条件下,水生植物对水体中氮、磷的吸收效果较好[60]。姚春军[61]在养殖黄鳝的池塘中放入几种不同的水生植物,发现黄鳝的成活率均在93%以上,试验池塘的水质均保持良好,氨氮、亚硝酸盐也维持在较低的浓度。

3 水产养殖尾水处理技术的发展趋势

在生产实践中,组合使用两种或多种处理技术,如“三池两坝”技术、生态塘、集装箱+生态池塘等,能够获得更为理想的处理效果。

“三池两坝”技术采用沉淀池+过滤坝+曝气池+过滤坝+生态池,结合物理和生物处理技术,对养殖尾水开展生态处理,实现尾水的循环利用[62]。刘梅等[63]研究发现,该技术能够明显改善内陆淡水养殖池塘尾水的水质,使其稳定达到淡水池塘的排放要求。

生态塘是由氧化塘发展而来的,原理是利用天然水体中的生物进行好氧和厌氧生物处理,再通过养殖池塘中的食物链进行物质、能量转移[64]。蒙烽等[65]研究发现,生态塘每日可除去池塘养殖水体中40.9%的氨氮、36.2%的亚硝酸盐,能够达到淡水污水的排放要求。常雅军等[66]研究发现,多功能生态塘对高密度养殖池塘尾水中的总氮、总磷、氨氮等均有较好的去除效果。

集装箱+生态池塘系统结合了物理过滤和生物净化技术,其核心原理为“分区养殖,异位处理”,可实现养殖尾水零排放、水资源循环利用[67]。有研究证实,通过“箱内斜面环流集污”和“箱外的固液分离”可实现固体粪污收集,收集率达到90%以上[68]。

4 结论与展望

近年来,我国水产养殖业发展迅速,大量养殖尾水如果不能得到科学有效的处理,会造成巨大的环境问题,最终也会影响到水产养殖业的健康发展。常见的物理、化学和生物处理技术在养殖尾水处理方面各有其优势和局限,应根据实际情况进行选择。生物处理技术作为当今水产养殖尾水处理的热点,能够有效提升尾水综合处理效率,节省水资源,且不易产生二次污染。物理、化学和生物处理技术的联合运用可获得更理想的效果。不断完善和创新现有的尾水处理技术,对实现水产养殖业健康、绿色、可持续发展具有重要意义。