水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)
文章綜述了水產(chǎn)養(yǎng)殖處理的物理化學處理技術(shù)和生物處理技術(shù)，以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的循環(huán)利用工藝流程和生物工程在水產(chǎn)養(yǎng)殖處理中的應(yīng)用。并展望隨著世界性水資源短缺環(huán)境污染的日趨嚴重，養(yǎng)殖廢水的綜合利用與無害化排放技術(shù)具有極大的研究開發(fā)價值和廣泛的應(yīng)用前景。
1 引 言
近20年來，集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在國內(nèi)外迅速發(fā)展。世界水產(chǎn)量在1996年達到112億t，其中25%為人工養(yǎng)殖。在此條件下，養(yǎng)殖過程中投放的飼料所含的氮、磷大約只有9.1%和17.4%被魚同化，其殘剩飼料和魚類排泄物形成的污染物對水體、沉積物等造成嚴重污染，引起淺水湖泊的退化，造成局部海域發(fā)生赤潮;水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的各類化學藥品和抗生素的殘留物也污染了水域環(huán)境，使一些生物棲息地遭到破壞，干擾了野生種群的繁衍和生存，使生物多樣性減少;同時水體污染反過來制約水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展，因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的處理和循環(huán)利用逐漸受到關(guān)注。
2 水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水物理化學處理技術(shù)
2.1 機械過濾
過濾裝置是從傳統(tǒng)的砂濾池不斷發(fā)展起來的，其基本原理是阻隔吸附作用。在處理水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中，用砂濾池能很好地去除SS，但是去除N和P效果不佳;改用斜發(fā)沸石去可以吸附一定量的氨。Palacios等[8]在砂濾床種植植物，控制滲透率和干濕循環(huán)時間，在水力負荷為3.5cm/d，去除93%總磷;在處理鮭魚養(yǎng)殖廢水中，其水力負荷分別為1.35、25、80～240和2000～2700cm/d，SS去除效果差異性不大。對于機械過濾裝置，美國開發(fā)的一種筒狀的，筒體四周附有，筒體置于水中工作時，部分浸沒在水中，廢水從開口端流入筒內(nèi)，污物被留在網(wǎng)上，過濾過的水又回流到池中，而污物被噴頭沖到漏斗內(nèi)而排出。
瑞典一種高度為3140～4725mm，直徑900～1910mm的在工作時，污水由裝置的下部經(jīng)過中心管和吸附污物的砂混合在一起，由升液器上升到裝置上部，在此分離，污物清除后，經(jīng)管道流入，沙子靠錐形分解器的作用均勻降下，上升的水和下降的沙相遇，這樣，水被凈化后從另一根管道放回到魚池。日本有一種，其工作原理是水泵將池水吸上后，經(jīng)噴灑管噴入過濾池，過濾池內(nèi)一層小顆粒沸石和一個特制，過濾后的水流回養(yǎng)魚池。
2.2 臭氧
臭氧的凈化原理在于它在水中的氧化還原電位為2.07V，高于氯(1.36V)和二氧化氯(1.5V)。它能夠破壞和分解細胞的細胞壁(膜)，迅速擴散滲入細胞內(nèi)，從而殺死病原菌。臭氧在水中分解的中間物質(zhì)羥基自由基(·OH)，具有很強的氧化性，可以分解一般氧化劑難分解的有機物。因此，用臭氧處理廢水，既能夠迅速滅除細菌、病毒和氨等有害物質(zhì)，又能增加水中溶解氧，從而達到凈化養(yǎng)殖廢水的目的。有報道，臭氧在魚蝦養(yǎng)殖中應(yīng)用效果顯著，Jack在1994～1995年進行13次臭氧水處理試驗，其臭氧投放量0.59mg/L，滅菌率可達99.12%;日本伊騰慎悟用臭氧處理海水研究表明，海水中99.9%各種細菌可被臭氧消滅。臭氧與生物濾池結(jié)合，出水中溶解氧含量高，回用可以提高養(yǎng)殖密度。
2.3電化學
用電化學法去除水中溶解的亞硝酸鹽和氨氮的研究結(jié)果表明，亞硝酸鹽完全去除的時間和能耗隨著傳導率的增加而降低，輸入電流最大為2A時，耗能最少，pH相對于輸入電流和電導率來說幾乎沒有影響;在酸性條件下有利于亞硝酸鹽的去除，堿性條件有利于氨的去除，氨的去除速度低于亞硝酸鹽的去除速度。
3 水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的生物處理技術(shù)
3.1 活性污泥法活性污泥法
處理系統(tǒng)是污水生物處理技術(shù)的主要技術(shù)之一，在傳統(tǒng)的活性污泥法上發(fā)展成氧化溝、間歇式活性污泥法(SBR)和AB法處理工藝等。Meske等通過活性污泥法處理水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)用水研究表明，NH+42N含量不能達到回用的要求;Umble等在水產(chǎn)養(yǎng)殖排水溝渠中用接近SBR的操作方式進行好氧厭氧處理，效果良好;Nugual等用SBR法處理海水養(yǎng)殖廢水，探討鹽度影響，結(jié)果表明，在鹽度不是很高情況下，脫氮效果良好。
3.2生物膜法
生物膜法主要有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化設(shè)備和生物硫化床等，這些技術(shù)因為其微生物的多樣化，在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的封閉循環(huán)使用中得到廣泛利用。
3.2.1 生物濾池
在集約化養(yǎng)魚裝置中配用的生物濾池有平流式、升流式和降流式[9]。生物濾池中填料是生物的載體，填料主要有碎石、卵石、焦炭、煤渣、塑料蜂窩和各種人工合成產(chǎn)品等;生物濾池能連續(xù)使用，不需要更換。生物濾池設(shè)計中很重要的就是填料的選擇，填料的結(jié)構(gòu)和表面積要有利于生物膜的生長和有機懸浮顆粒的捕集。在臺灣，Yang等用一個十字交叉的高孔隙率的填料(塑料鮑爾環(huán)，孔隙率87%)的生物濾池，后跟一個有很大表面積填料(粉末焦炭顆粒，孔隙率35%)的生物濾池，在停留時間為2.5h，SS和BOD去除率分別為98.8%和80.2%。
在新加坡，China等用→生物濾池→二沉池→生物工藝，其中填料為混合纖維(表面積>1000m2/m3，孔隙率85%)，對河口大面積集約化養(yǎng)殖水體處理后可回用。在澳大利亞，Abeysinghe等[17]用好氧淹沒升流式生物濾池去除鮭魚養(yǎng)殖廢水中TOC和N，其中填料有效表面積14.m2/m3，停留時間為4h時，去除40%的磷，氮完全硝化和40%反硝化，TOC可以降到12mg/L。曝氣后從生物濾池出水應(yīng)有足夠的溶解氧滿足回用需要，Eikebrokk利用一個淹沒式的鼓風升流式的生物，在這個生物過濾器里可以進行消化和氧的傳遞，把其放在魚塘里，使得污染物減少了90%～95%，池塘的溶解氧可保持在5mg/L。另外可通過控制溶解氧進行生物濾池的硝化和反硝化作用，Sauthier等用池塘(曝氣)→機械濾池→紫外光消毒→淹沒式生物濾池(反硝化池)→魚塘回用，其中填料孔隙率>30%，氮負荷為2.4kgN/m3·d，反沖洗時間為3d。
3.2.2 生物轉(zhuǎn)盤
生物轉(zhuǎn)盤由一串固定在軸上的圓盤組成，盤片之間有一間隔，盤片一半放在水中，另一半露出水面。水和空氣中的微生物附在盤片的表面上，結(jié)成一層生物膜。轉(zhuǎn)動時，浸沒在水中的片露出水面，盤片上的水因自重而沿著生物膜表面下流，空氣中的氧通過吸收、混合、擴散和滲透等作用，隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動而被帶入水中，使水中溶解氧增加，水質(zhì)得到凈化。
3.2.3 生物轉(zhuǎn)筒
生物轉(zhuǎn)筒是生物轉(zhuǎn)盤的變型，是從20世紀70年代中期發(fā)展起來的，在丹麥、德國發(fā)展很快。丹麥研制了單轉(zhuǎn)筒型，德國則發(fā)展了多轉(zhuǎn)筒型，轉(zhuǎn)筒內(nèi)的填料有塑料球、塑料環(huán)和波紋盤片等。有些生物轉(zhuǎn)筒外還設(shè)有集氣裝置以增加水中溶氧量。其典型的3種生物轉(zhuǎn)筒形式為:(1)外殼結(jié)構(gòu)為硬聚乙烯塑料，內(nèi)裝聚氯乙烯波紋圓盤片，轉(zhuǎn)筒由16只小轉(zhuǎn)筒組成，轉(zhuǎn)筒直徑約1.8m，轉(zhuǎn)速為0.24～1.2r/min，轉(zhuǎn)筒耗能0.37kW;(2)筒體外殼為鋼制，長1.57m，外殼開6個孔，每個孔長1.5m，寬0.32m，筒內(nèi)固定在軸上硬聚乙烯波紋的盤面呈多邊形，外接圓直徑3m，盤面總表面積120m2;(3)轉(zhuǎn)筒的筒體四周裝有小容器，當轉(zhuǎn)筒向上轉(zhuǎn)時，小容器內(nèi)盛滿了水，向下轉(zhuǎn)動時，水被灑在塑料球上，空容器內(nèi)充滿空氣進入水中，凈化水的體積為生物轉(zhuǎn)筒體積的15～25倍。
3.2.4 生物硫化床
生物硫化床是高負荷的一種生物膜法，Arbi等用好氧的硝化滴濾和缺氧反硝化硫化床相結(jié)合的反應(yīng)器，懸浮在表面的富含硝酸鹽和溶解的有機物送到硫化床，處理效果良好。Jewell等在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體循環(huán)中利用膨脹床的硝化和反硝化作用同時，處理BOD5、SS和氮，出水氨氮低于0.5mg/L。
3.3水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的自然生物處理
用自然生物處理水產(chǎn)養(yǎng)殖水體主要有濕地、定塘和土地處理系統(tǒng)等，其優(yōu)點是處理含氮和磷的水體，能達到比較徹底的處理效果。
3.3.1 濕地生態(tài)系統(tǒng)
人工濕地具有一定的污水處理能力，對氮、磷有機物懸浮物等的去除有良好的效果，人工濕地凈化工農(nóng)業(yè)廢水已有大量研究，近年來，用人工濕地處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水取得一定進展。非集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的自然水域本身是一個典型濕地系統(tǒng)，具有良好的自凈能力，只要合理利用和加強其自凈能力，會有良好的環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟效應(yīng);Kruzie等綜合土地處理濕地池塘水生植物系統(tǒng)進行水產(chǎn)養(yǎng)殖水體循環(huán)。Wood等利用人工濕地系統(tǒng)處理水體，濕地系統(tǒng)中藻類密度高，在地表水利負荷1315cm/d時，COD的去除率59.2%、NH+42N為34.6%、PO-42P-為3.19%和SS為78%;如果水力停留時間在3d，則COD的去除率79.4%、NH+42N為82.8%、PO3-42P為54.1%、蛋白質(zhì)產(chǎn)率50t/hm2·a。Lin等用人工濕地處理水產(chǎn)養(yǎng)殖水體，在水力負荷為1.8～13.5cm/d之間，則NH+42N去除率為86%～98%，總無機氮(TIN)為95%～98%，磷的去除為32%～71%，出水NH+42N濃度<0.3mg/L，NO-22N<0.01mg/L。對于鹽度高的水體，用耐鹽性植物種植在沙性濕地上，可去除養(yǎng)殖水體中98%的總氮、94%的無機氮、99%的總磷和97%的溶解態(tài)磷。
3.3.2 魚塘水生生態(tài)系統(tǒng)
魚塘水生生態(tài)系統(tǒng)本身有很強的凈污能力，在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的處理中完全可以利用魚塘對污染物的凈化能力來凈化污水。養(yǎng)殖水體的綜合利用主要是用池塘的自凈能力和魚類生理特性，如充氧、魚藻共生系統(tǒng)、魚類白天和晚上不同活動時間混養(yǎng)、耐污能力不同魚類混養(yǎng)和對魚類生理修正。Kirke從曝氣方面進行了研究，對魚塘采用風力曝氣;Logsdon從改變水生植物結(jié)構(gòu)著手，利用浮萍對氮和磷的吸收(1km2的浮萍能吸收約802kg氮和146kg的磷)和對重金屬的累積能力處理水產(chǎn)養(yǎng)殖水體。Wang用雙殼類去除藻類，沉降法去除懸浮物，通過蝦塘、蠔形成水的循環(huán)利用。Umble等用魚塘處理污水二級處理出水，利用二級處理出水提供的營養(yǎng)，調(diào)節(jié)營養(yǎng)比例(N∶P在16～23)，使得水生植物繁殖，作為魚類的食料。養(yǎng)殖水體的綜合利用的安全是人們關(guān)心的問題，Adamsson等進行的研究結(jié)果表明，只要投加飼料成分恰當，影響不大，但從保守的觀點來說，有待于進一步證實。
4水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的循環(huán)利用工藝流程
進行水處理裝置有多種，其結(jié)構(gòu)各不相同，其工藝流程也不一樣，下面介紹幾種典型的流程。魚池排水→集水池塘→氧化池→→增溫增氧池→魚池回用的工藝在德國使用較多，這種工藝流程中氧化池為生物轉(zhuǎn)筒，水力負荷4.5～514m3/m3·d，沉淀池回流50%～100%到氧化池。魚池排水→沉淀池→升流式生物濾池→淋水塔式增氧→加熱、消毒→魚池回用的工藝在加拿大使用較多，在沉淀池能夠去除60%的SS，在升流式生物濾池的填料粒徑為1～10mm左右，可以去除99%氨氮，新鮮水/回用水為1/9。魚池排水→充氧→升流式石灰?guī)r濾池→沉淀池→增氧→回用的工藝在美國使用較多，其中新鮮水/循環(huán)水為1/5。魚池排水→升流式碎石濾池→降流式碎石濾池→增溫池→回用的工藝在上海集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)水體循環(huán)中使用較為普遍，其中濾池水力負荷110.5～140.0m3/m3。魚池排水→集水池→升流式沸石濾池→降流式沸石濾池→補充新鮮水、調(diào)溫→魚池回用在北京集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)水體循環(huán)中使用較多，其中濾池水力負荷為150～194m3/m3。
5生物工程在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用
伴隨著生物技術(shù)的發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)越來越多地運用生物工程技術(shù)來減少廢水排放量和污染物數(shù)量。比如用微生物發(fā)酵生產(chǎn)和遺傳工程技術(shù)將合成特定氨基酸的基因克隆進入微生物的細胞質(zhì)中，然后借助微生物的增殖來生產(chǎn)蛋白質(zhì)魚類飼料，可以提高魚對飼料的利用率，降低氮的排泄物，減少廢水中氮的濃度;利用生物篩選技術(shù)和基因工程培育一些去污能力強的植物(特別是藻類)和微生物來凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水;利用生物工程對魚類進行生理修正，使魚類提高耐污能力和減少排泄物，比如Phelps培育的魚類對沙門氏菌屬形成抗體，這種魚類就可以在污染水體中生長。鄭耀通等對具有高效凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的紫色非硫光合細菌進行了分離和篩選，篩選出來的紫色非硫光合細菌既有很強的凈水能力，又是魚類的飼料。目前國內(nèi)的研究主要集中在光合細菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體凈化中的應(yīng)用。
6 展望
展望隨著世界性水資源短缺和環(huán)境污染的日趨嚴重，今后各國將采用封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖方式。其中，養(yǎng)殖廢水的綜合利用與無害化排放技術(shù)具有極大的研究開發(fā)價值和廣泛的應(yīng)用前景。雖然生物濾池去除氨氮和有機物的效果比較好，卻會使水中硝酸鹽含量增加，硝酸鹽的毒性雖比氨氮低，但過度積累同樣會影響魚類生長，而且含氮高的廢水排放到環(huán)境中，又會引起二次污染。2l世紀的水產(chǎn)養(yǎng)殖將由單一型向生態(tài)型發(fā)展。近年來，美國、丹麥、日本和中國等國家發(fā)展魚菜共生、魚藻共生系統(tǒng);利用養(yǎng)殖廢水培育蔬菜、花卉、水果和藻類，既能最大限度地提高水產(chǎn)品和蔬菜等的產(chǎn)量，又能凈化水質(zhì)，把污染降至最低程度，從而形成小環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。
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