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冷水性鱼类循环水养殖的水处理技术


冷水性鱼类循环水养殖的水处理技术
冷水性鱼类工厂化循环水养殖的技术关键之一是处理水体中的养 殖废弃物,使养殖水体能够循环使用。有资料显示,鲑鳟鱼类养殖饲 料中的 13%蛋白质、8%的脂肪、40%的碳水化合物、17%的有机质、 50%灰粉和 23%的干物质被鱼类作为代谢物排入水中,既有可溶性物 质如氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐等,也有固体物、悬浮物和可溶性气体, 有些物质的积累会对养殖鱼类产生生理影响和毒性作用。因此,从养 殖水体中去除或转化这些养殖废弃物,保持养殖水体的水质质量,对 工厂化养殖鱼类的健康、快速生长是非常重要的。 养殖水体的处理工艺主要包括增氧、分离(分离固体物、悬浮物和 可溶性有害化合物)、生物过滤(降低 BOD、氨氮和亚硝酸盐)、暴气(去 除二氧化碳等)和消毒(杀死细菌、寄生虫预防疾病)等处理过程。是涉 及物理、化学、生物和微生态变化的复杂处理过程,需要解决一系列 应用技术问题。 随着世界各国对水域环境的重视,水产养殖对水域的污染受到越 来越多的限制。20 世纪 90 年代,西方一些国家制定法律,要求水产养 殖用水达到零污染排放,从而使水产养殖水处理技术获得了较快发展, 学者们深入研究了水产养殖用水的处理方法和技术,取得很多理论研 究和应用技术成果。范围包括养殖水体中的悬浮物和氨氮的产生原因、 存在形式、特性、相应的处理技术及在工厂化水产养殖系统设计中技 术参数的确定等,为实际应用奠定了基础。 1、增氧技术 养殖水体的溶解氧是养殖鱼类赖以生存和处理设备中的微生物生 长的必备条件。在冷水性鱼类工厂化循环水养殖系统中,鱼类正常生 长的溶解氧应该达到饱和溶解度的 60%,或者在 5mg/l 以上;溶解氧

低于 2mg/l,用于循环水养殖的水体处理硝化细菌就失去硝化氨氮的 作用。一般情况下,工厂化循环水养殖系统溶解氧消耗主要来自养殖 鱼类代谢、代谢物的分解、微生物、氨氮处理等,系统所需溶解氧根 据所养鱼类的不同而有所变化,并随着养殖密度和投饵的增加而增加。 因此,在工厂化水产养殖的工艺设计中,要根据养殖对象、养殖密度、 水体循环量等因素来确定增氧方式。 (1)空气增氧 由于各种增氧机械和设备在工厂化养殖池很难应用,因此,空气 增氧多采用风机加充气器的办法,以小气泡的形式增氧。这种办法虽 然具有使用方便、 投资小的特点, 但是增氧效率低, 一般在 1.3kgO2/kw· h(20℃温度),28℃时仅为 0.455kgO2 /kw·h,养殖密度也只能达到 30-50kg/m 。设计工厂化养殖的增氧专用设备,是降低成本,提高效 率的重要途径。 (2)纯氧增氧 纯氧增氧根据选择的方便性可分为氧气瓶纯氧,液体氧罐和纯氧 发生器三种。无论采用那种纯氧增氧,利用充气砂滤器进行增氧的办 法都是非常浪费的,最高只有 40%的纯氧可以利用,其余没有溶解的 氧气逸出水面而浪费。因此,必须有专门的设备充分利用氧气。常用 的办法是压力过饱和法,即在高压容器里使水气充分混合,在高压下 使水体达到饱和浓度,释放到常压下的养殖水体,成为常压下的过饱 和溶解氧水体,以分子的形式向周围水体渗透,达到增氧的目的。该 方法氧气的利用率约为 90%,养殖密度可达 100 kg/m 以上。 (3)微气泡增氧 在利用空气和氧气增氧的研究中,为了提高增氧效率和氧气的利 用率,产生微气泡的技术是提高氧气利用率的有效途径,通过分析氧 气气泡在水中的形成与溶解变化过程,确定增氧过程适宜氧气气泡大
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小。可以利用超声波击碎小气泡的办法,产生平均直径小于 20um 的微 气泡,增加增氧效率。也可以利用设计良好的射流装置,产生微小气 泡进行增氧。 2、养殖水体中的悬浮物及其处理技术 (1)养殖水体中的悬浮物及其特性 工厂化循环水养殖中的悬浮物主要由于饵料的投喂而引起。在一 次性过流高密度养殖水体试验中,根据饵料投喂量的不同,其含量在 5-50mg/l 左右。在饲料系数 0.9-1.0 情况下,鱼体每增重 1kg 就会产 生 150-200g 悬浮物。因此,作为循环使用的养殖水体,悬浮物在水中 的积累是非常迅速的。 养殖水体中鱼类的固体排泄物,在正常代谢的情况下,以悬浮物 的形式存在于水体中。 在流动的养殖水体中, 悬浮物大部分以小于 30um 的颗粒存在于水中。悬浮物的比重略大于水,颗粒小、流动性好、有 一定的黏附性, 在有水流的条件下呈悬浮状态。 从养殖水体中去除 30um 以下的悬浮物,是冷水性鱼类工厂化循环水养殖工艺设计考虑的重点。 养殖水体中的悬浮物的积累,使水体浑浊,影响养殖鱼类鳃体的 过滤和皮肤的呼吸,增加鱼类环境胁迫压力,恶化水质、消耗水中的 溶解氧。在工厂化循环水养殖过程中及时清除养殖水体中的悬浮物是 非常必要的。 (2)悬浮物处理技术 固定式滤床 固定过滤床一般由粗滤、中滤和细滤三层滤料组成。根据其工作 水 流 的 不 同 可 分 为 喷 水 式 滤 床 ( Trickling

filter)和 压 力 式 滤 床

(Pressed filter ),是比较普遍的过滤方式。固定式滤床可根据需要 调整滤料的粒度和过滤层的厚度,过滤不同大小的悬浮颗,达到理想 的过滤效果。其应用难度在于设备庞大、效率低、长时间运转容易堵

塞,反冲困难。 滤网过滤 滤网过滤是用细筛网进行悬浮物的过滤,主要有平盘滤网过滤和 转鼓滤网过滤。其中转鼓滤网过滤在不断过滤的同时进行反冲洗,过 滤效率高、效果好,应用普遍。滤网的网目一般约为 30-100um,可过 滤 36-67%的悬浮物,网目越小过滤越彻底,但是网目小于 60um 就会 影响过水性能。为了改善其过滤性能,增加过滤面积,防止堵塞,减 少尺寸和反冲用水是设计过程的重点。 浮式滤床 浮式滤床是应用比水比重小的塑料球作为过滤介质,在过滤过程 中悬浮于水中形成过滤层。塑料浮球具有表面积大、吸附性强、过水 阻力小的特点,形成过滤层可有效过滤悬浮物。浮球直径为 3mm 左右 滤床,可过滤 100%的 30 um 以上 79%的 30 um 以下的悬浮物颗粒, 获得很好过滤效果。由于养殖水体中的悬浮物具有结块的特性,为了 防止反冲时堵塞和较好的过流量,浮球生物滤器需要频繁的反冲,增 加了用水量和应用成本。为了改善其应用效果,必须进一步研究防止 堵塞的结构和方法。 自然沉淀处理 自然沉淀技术是应用鱼池特殊结构或沉淀池,使悬浮物沉淀、集 聚并不断排出。设计良好的沉淀池可去除 59%-90%悬浮物,其中设计 的关键是确定悬浮物的沉降流速。有资料表明,应用自然沉淀处理, 过 流 流 速 应 低 于 4m/min , 适 宜 流 速 为 1m/min ; 单 位 面 积 的 流 量 为 1.0-2.7m /m h。自然沉淀虽然具有较好的效果,但是限制了水体循环 的流量,从而使结构庞大,增加了成本。 气泡浮选处理 气泡浮选处理的原理是通过气泡发生器持续不断的在水中释放气
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泡,使气泡形成象筛网一样的过滤屏幕,并利用气泡表面的张力吸附 水中的悬浮物。产生微小气泡(直径为 10-100um),使气泡均匀持续与 水体有效混合,可有效去除水产养殖水体中的悬浮物。气泡越小,效 率越高。因此,研究产生微小气泡的发生装置,是该项技术应用的关 键。 3、循环水养殖中的氨氮及其处理技术 (1)工厂化水产养殖水体中的氨氮及其特性 工厂化养殖水体中的氨氮主要是由于养殖鱼类的代谢、残饵和有 机物的分解而引起。一次性过流试验表明,高密度流水养殖排水中的 氨氮浓度一般为 1.4mg/1 左右。投喂的饲料中,大约有 40%饲料蛋白 的氮被鲑鳟鱼类转化成氨氮(NH 3+NH 4 ),在饵料系数为 1.0 的情况下, 鲑鳟鱼类每增长 1kg 就会产生 33gN。如不进行处理,氨氮在循环养殖 水体中的积累呈快速直线上升的趋势。 养殖鱼类排泄的氨氮中,大约只有 7-32%的总氮是包含在悬浮物 中,大部分溶解于养殖水体中,分别以离子铵 NH 4 和非离子氨 NH 3 的形 式存在,并且随着 pH 值和温度的变化而相互转化。利用各种物理、化 学和生物的氨氮处理先进技术和有效方法,是工厂化循环水养殖工艺 设计的重要课题。 氨氮在养殖水体中的积累会对鱼类产生毒性作用,其中非离子氨 对鱼类毒性作用很大。工厂化养殖水体的氨氮总量一般不应超过 1mg/l,非离子氨不应超过 0.05mg/l。由于离子铵 NH 4 和非离子氨 NH 3 在不同 pH 值和温度条件下相互转换,因此在控制养殖水体氨氮积累的 同时,应注意根据温度的变化调节 pH 值,从而使非离子氨保持在较低 水平。 (2)氨氮处理技术 空气吹脱
+ + +

空气吹脱的原理是应用气液相平衡和介质传递亨利定律,在大量 充气的条件下,减少了可溶气体的分压,溶解于水体中的氨 NH 3 穿过界 面,向空中转移,达到去除氨氮的目的。空气吹脱的效率直接受到 pH 值的影响,在高 pH 值的条件下,氨氮大部分以非离子氨的形式存在, 形成溶于水的氨气: NH4 +0H
+ -

NH 40H→H20+NH3↑

在 pH 值为 11.5 时,水气体积比为 1:107 的条件下,空气吹脱可 去除 95%的氨氮,在正常养殖水体也可获得一定的效果。 空气吹脱应用的关键是 pH 值的调整,使处理过程既能提高处理的 效率,又能适应养殖鱼类对水体 pH 值的要求。同时空气吹脱需要空气 的流量大,养殖水体水温易受影响。 离子交换吸附 离子交换吸附是应用氟石或交换树脂对水体中的氨氮进行交换和 吸附。氟石的吸附能力约为 1mg/g,设计适宜可吸附 95%的氨氮,在 达到吸附容量后,可用 10%的盐水喷林 24 小时进行再生,重复使用。 在工厂化循环水养殖中,应用氟石有较好的效果,但其再生操作烦琐、 时间长。有一种技术是利用氟石作为生物处理的介质,在氟石上接种 硝化细菌,达到提高生物处理效率的目的。 生物处理 生物处理是利用硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌对水中的氨 氮 进 行 转 化 和 去 除 。 亚 硝 化 细 菌 (Nitrosomonas
europaea and Nitrosococcus

mobilis ) 把氨氮转化为亚硝酸盐、硝化细菌 (Nitrobacter winogradski and Genus Nitrospira ) 把亚硝酸盐转化为硝酸盐。如果进行彻底脱氮处理,可利用

反硝化细菌进行处理。由于反硝化过程是在厌氧条件下(溶解氧低于 1mg/1)进行,应用于水产养殖有一定的困难。研究表明,硝酸盐对鱼 类的影响很小,一些养殖鱼类可抵抗大于 200mg/l 浓度的硝酸盐。因

此,水产养殖水体的处理,很少应用反硝化过程。 生物处理具有投资少,效率高的特点,受到广泛的关注和应用。 有资料显示,应用硝化和亚硝化细菌附着浮球进行氨氮处理,氨氮的 转化率为 380g/(m ·day) ,饵料负荷能力为 32kg/(m ·day) 。
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但是,硝化细菌的最佳生长温度在 30℃以上,温度降低其活性降 低,处理能力下降,低于 15℃已经很难利用。对于冷水性鱼类循环水 养殖,只能利用低温下优势细菌的培养和保持技术来进行氨氮的低温 处理。 臭氧氧化处理 臭氧作为消毒和去除悬浮物在水产养殖上获得广泛应用,其也有 一定的氨氮氧化效果。研究表明臭氧的直接氧化可去除水体中氨氮的 25.8% (Shen
L Lin and Chang L Wu ,1995 ),在加入催化剂的条件下,可大幅 Haruki MYOGA ,1999) 。臭氧氧化氨氮的方法

度提高其氧化效率 (Min Yang and

在水产养殖上还没有深入研究,利用催化方法提高臭氧氧化氨氮的效 率,应用于养殖水体的处理,可为水产养殖的氨氮处理开辟新途径。 臭氧有消毒杀菌和沉淀悬浮物的作用,如果能提高其氧化氨氮的 效率,将会得到广泛的应用。 电渗析处理 电渗析处理的原理是水体在电场的两极流动时,水中的带电离子 在直流电场的作用下定向移动,阴离子透过阴膜进入阴离子集水槽, 阳离子通过阳膜进入阳离子集水槽,从而可把水体中的离子氨去除。 由于氨氮在 pH 值为 7 的中性条件下, 非离子氨仅为氨氮总量的 0.55%, 99%以上是离子氨,所以电渗析处理可获得好的处理效果。 电渗析处理具有分离效率高、装置紧凑、自动化容易的特点,已 经广泛地应用于化工、食品、冶金和航天领域的水处理工程。结合工 厂化水产养殖的实际,设计可用于养殖水体处理的电渗析设备,是工

厂化循环水养殖工艺设计的创新点。 4、有害气体处理 工厂化养殖水体中的有害气体主要是鱼类代谢呼吸产生的二氧化 碳气体,以微气泡的形式存在于水中。水中的二氧化碳对鱼类健康非 常有害,二氧化碳气体含量超过 20mg/1 时,养殖鱼类就会产生气体压 力反应,表现为向水面或增氧设备集中,摄饲明显减少。在一定条件 下二氧化碳气体可与水结合进行可逆反应形成碳酸。碳酸是弱酸,也 会降低养殖水体的 pH 值,从而影响水质。碳酸极不稳定,在空气中很 容易分解为水与二氧化碳。因此,采取措施使养殖水体充分与空气接 触,就可及时去除养殖水体中的二氧化碳气体。 (1)机械设备去除 利用增氧机或暴气设备,在养殖水体中形成上下交换的水流,使 水体充分与大气接触,达到分解碳酸,去除二氧化碳的目的。 (2)水力设计去除 在设计过程中,回水管和回水槽间留有一定高度的落差,使水流 在回水过程中充分暴露在大气中,分解碳酸,去除二氧化碳。 (3)充气去除 在水流通过的水道上设置微气泡释放装置,利用气泡相互积累的 特性,使散布于水中的二氧化碳与释放的气泡结合,由气泡把二氧化 碳带上水面,达到去除的目的。 5、消毒杀菌 冷水性鱼类的工厂化循环水产养殖由于养殖密度高、饵料负载量 大,鱼类的代谢在水体中富集了大量营养物资,为细菌的繁殖和生长 提供了很好的环境条件,如不及时杀菌消毒,很容易发生疾病,在高 密度养殖条件下,发生疾病,很快就会蔓延,对养殖生产造成灾难性 的后果。因此,在系统设计中设置有效的灭菌消毒设备是十分必要的。

消毒杀菌主要有臭氧杀菌消毒和紫外线杀菌消毒。 (1)臭氧杀菌消毒 臭氧是一种极不稳定的强氧化剂,在一定浓度下可破坏细菌、病 毒和寄生虫的细胞膜,杀死病原。有资料表明,根据不同需要,养殖 水体中含有 0.1-0.2mg/l 的臭氧,持续 1-30min 就可以达到杀菌消毒 的理想效果。臭氧还具有沉淀悬浮物和氧化氨氮的作用,如果能提高 其综合利用效率,臭氧将会在工厂化水产养殖中得到广泛的应用。 (2)紫外线杀菌消毒 研究表明,一定波长的紫外线(180-300nm)具有很好的灭菌消毒效 果。一般养殖水体中消毒的强度为 15,000-30,000uwsec/cm ,在紫外 线强度为 30,000uw/cm 时,紫外辐射消毒对几种常见鱼病具有良好的 防治效果,如 100%杀灭对虾白斑病需 2.67s;鲤科鱼类的水霉病和病 毒性出血性败血症都只需 1.60s。 有些研究进行了紫外线臭氧发生器的 试验,在紫外线消毒杀菌的同时,产生一定浓度的臭氧,进行消毒和 氨氮的氧化,达到了综合利用目的。
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