水产养殖废水处理技术及应用
摘要：文章综述了水产养殖废水处理的物理化学处理技术和生物处理技术，以及水产养殖废水的循环利用工艺流程和生物工程在水产养殖废水处理中的应用。并展望随着世界性水资源短缺环境污染的日趋严重，养殖废水的综合利用与无害化排放技术具有极大的研究开发价值和广泛的应用前景。
1 引 言
近20年来，集约化水产养殖业在国内外迅速发展。世界水产量在1996年达到112亿t，其中25%为人工养殖。在此条件下，养殖过程中投放的饲料所含的氮、磷大约只有9.1%和17.4%被鱼同化，其残剩饲料和鱼类排泄物形成的污染物对水体、沉积物等造成严重污染，引起浅水湖泊的退化，造成局部海域发生赤潮；水产养殖中使用的各类化学药品和抗生素的残留物也污染了水域环境，使一些生物栖息地遭到破坏，干扰了野生种群的繁衍和生存，使生物多样性减少；同时水体污染反过来制约水产养殖的发展，因此，水产养殖废水的处理和循环利用逐渐受到关注。
2 水产养殖废水物理化学处理技术
2.1 机械过滤
过滤装置是从传统的砂滤池不断发展起来的，其基本原理是阻隔吸附作用。在处理水产养殖水体中，用砂滤池能很好地去除SS，但是去除N和P效果不佳；改用斜发沸石去可以吸附一定量的氨。Palacios等[8]在砂滤床种植植物，控制渗透率和干湿循环时间，在水力负荷为3.5cm/d，去除93%总磷；在处理鲑鱼养殖废水中，其水力负荷分别为1.35、25、80～240和2000～2700cm/d，SS去除效果差异性不大。对于机械过滤装置，美国开发的一种筒状的过滤机，筒体四周附有滤网，筒体置于水中工作时，部分滤网浸没在水中，废水从开口端流入筒内，污物被留在网上，过滤过的水又回流到池中，而污物被喷头冲到漏斗内而排出。
瑞典一种高度为3140～4725mm，直径900～1910mm的过滤机在工作时，污水由装置的下部经过中心管和吸附污物的砂混合在一起，由升液器上升到装置上部，在此分离，污物清除后，经管道流入沉淀池，沙子靠锥形分解器的作用均匀降下，上升的水和下降的沙相遇，这样，水被净化后从另一根管道放回到鱼池。日本有一种过滤机，其工作原理是水泵将池水吸上后，经喷洒管喷入过滤池，过滤池内一层小颗粒沸石和一个特制过滤器，过滤后的水流回养鱼池。
2.2 臭氧
臭氧的净化原理在于它在水中的氧化还原电位为2.07V，高于氯(1.36V)和二氧化氯(1.5V)。它能够破坏和分解细胞的细胞壁(膜)，迅速扩散渗入细胞内，从而杀死病原菌。臭氧在水中分解的中间物质羟基自由基(·OH)，具有很强的氧化性，可以分解一般氧化剂难分解的有机物。因此，用臭氧处理废水，既能够迅速灭除细菌、病毒和氨等有害物质，又能增加水中溶解氧，从而达到净化养殖废水的目的。有资料报道，臭氧在鱼虾养殖中应用效果显著，Jack在1994～1995年进行13次臭氧水处理试验，其臭氧投放量0.59mg/L，灭菌率可达99.12%；日本伊腾慎悟用臭氧处理海水研究表明，海水中99.9%各种细菌可被臭氧消灭。臭氧与生物滤池结合，出水中溶解氧含量高，回用可以提高养殖密度。
2.3电化学
用电化学法去除水中溶解的亚硝酸盐和氨氮的研究结果表明，亚硝酸盐完全去除的时间和能耗随着传导率的增加而降低，输入电流最大为2A时，耗能最少，pH相对于输入电流和电导率来说几乎没有影响；在酸性条件下有利于亚硝酸盐的去除，碱性条件有利于氨的去除，氨的去除速度低于亚硝酸盐的去除速度。
3 水产养殖废水的生物处理技术
3.1 活性污泥法活性污泥法
处理系统是污水生物处理技术的主要技术之一，在传统的活性污泥法上发展成氧化沟、间歇式活性污泥法(SBR)和AB法处理工艺等。Meske等通过活性污泥法处理水产养殖循环用水研究表明，NH+42N含量不能达到回用的要求；Umble等在水产养殖排水沟渠中用接近SBR的操作方式进行好氧厌氧处理，效果良好；Nugual等用SBR法处理海水养殖废水，探讨盐度影响，结果表明，在盐度不是很高情况下，脱氮效果良好。
3.2生物膜法
生物膜法主要有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化设备和生物硫化床等，这些技术因为其微生物的多样化，在水产养殖废水的封闭循环使用中得到广泛利用。
3.2.1 生物滤池
在集约化养鱼装置中配用的生物滤池有平流式、升流式和降流式[9]。生物滤池中填料是生物的载体，填料主要有碎石、卵石、焦炭、煤渣、塑料蜂窝和各种人工合成产品等；生物滤池能连续使用，不需要更换滤料。生物滤池设计中很重要的就是填料的选择，填料的结构和表面积要有利于生物膜的生长和有机悬浮颗粒的捕集。在台湾，Yang等用一个十字交叉的高孔隙率的填料(塑料鲍尔环，孔隙率87%)的生物滤池，后跟一个有很大表面积填料(粉末焦炭颗粒，孔隙率35%)的生物滤池，在停留时间为2.5h，SS和BOD去除率分别为98.8%和80.2%。
在新加坡，China等用沉淀池→生物滤池→二沉池→生物过滤器工艺，其中填料为混合纤维(表面积>1000m2/m3，孔隙率85%)，对河口大面积集约化养殖水体处理后可回用。在澳大利亚，Abeysinghe等[17]用好氧淹没升流式生物滤池去除鲑鱼养殖废水中TOC和N，其中填料有效表面积14.m2/m3，停留时间为4h时，去除40%的磷，氮完全硝化和40%反硝化，TOC可以降到12mg/L。曝气后从生物滤池出水应有足够的溶解氧满足回用需要，Eikebrokk利用一个淹没式的鼓风升流式的生物过滤器，在这个生物过滤器里可以进行消化和氧的传递，把其放在鱼塘里，使得污染物减少了90%～95%，池塘的溶解氧可保持在5mg/L。另外可通过控制溶解氧进行生物滤池的硝化和反硝化作用，Sauthier等用池塘(曝气)→机械滤池→紫外光消毒→淹没式生物滤池(反硝化池)→鱼塘回用，其中填料孔隙率>30%，氮负荷为2.4kgN/m3·d，反冲洗时间为3d。
3.2.2 生物转盘
生物转盘由一串固定在轴上的圆盘组成，盘片之间有一间隔，盘片一半放在水中，另一半露出水面。水和空气中的微生物附在盘片的表面上，结成一层生物膜。转动时，浸没在水中的片露出水面，盘片上的水因自重而沿着生物膜表面下流，空气中的氧通过吸收、混合、扩散和渗透等作用，随转盘转动而被带入水中，使水中溶解氧增加，水质得到净化。
3.2.3 生物转筒
生物转筒是生物转盘的变型，是从20世纪70年代中期发展起来的，在丹麦、德国发展很快。丹麦研制了单转筒型，德国则发展了多转筒型，转筒内的填料有塑料球、塑料环和波纹盘片等。有些生物转筒外还设有集气装置以增加水中溶氧量。其典型的3种生物转筒形式为:(1)外壳结构为硬聚乙烯塑料，内装聚氯乙烯波纹圆盘片，转筒由16只小转筒组成，转筒直径约1.8m，转速为0.24～1.2r/min，转筒耗能0.37kW；(2)筒体外壳为钢制，长1.57m，外壳开6个孔，每个孔长1.5m，宽0.32m，筒内固定在轴上硬聚乙烯波纹的盘面呈多边形，外接圆直径3m，盘面总表面积120m2；(3)转筒的筒体四周装有小容器，当转筒向上转时，小容器内盛满了水，向下转动时，水被洒在塑料球上，空容器内充满空气进入水中，净化水的体积为生物转筒体积的15～25倍。
3.2.4 生物硫化床
生物硫化床是高负荷的一种生物膜法，Arbi等用好氧的硝化滴滤和缺氧反硝化硫化床相结合的反应器，悬浮在表面的富含硝酸盐和溶解的有机物送到硫化床，处理效果良好。Jewell等在水产养殖水体循环中利用膨胀床的硝化和反硝化作用同时，处理BOD5、SS和氮，出水氨氮低于0.5mg/L。
3.3水产养殖技术的自然生物处理
用自然生物处理水产养殖水体主要有湿地、定塘和土地处理系统等，其优点是处理含氮和磷的水体，能达到比较彻底的处理效果。
3.3.1 湿地生态系统
人工湿地具有一定的污水处理能力，对氮、磷有机物悬浮物等的去除有良好的效果，人工湿地净化工农业废水已有大量研究，近年来，用人工湿地处理水产养殖废水取得一定进展。非集约化水产养殖的自然水域本身是一个典型湿地系统，具有良好的自净能力，只要合理利用和加强其自净能力，会有良好的环境效应和经济效应；Kruzie等综合土地处理湿地池塘水生植物系统进行水产养殖水体循环。Wood等利用人工湿地系统处理水体，湿地系统中藻类密度高，在地表水利负荷1315cm/d时，COD的去除率59.2%、NH+42N为34.6%、PO-42P-为3.19%和SS为78%；如果水力停留时间在3d，则COD的去除率79.4%、NH+42N为82.8%、PO3-42P为54.1%、蛋白质产率50t/hm2·a。Lin等用人工湿地处理水产养殖水体，在水力负荷为1.8～13.5cm/d之间，则NH+42N去除率为86%～98%，总无机氮(TIN)为95%～98%，磷的去除为32%～71%，出水NH+42N浓度<0.3mg/L，NO-22N<0.01mg/L。对于盐度高的水体，用耐盐性植物种植在沙性湿地上，可去除养殖水体中98%的总氮、94%的无机氮、99%的总磷和97%的溶解态磷。
3.3.2 鱼塘水生生态系统
鱼塘水生生态系统本身有很强的净污能力，在水产养殖水体的处理中完全可以利用鱼塘对污染物的净化能力来净化污水。养殖水体的综合利用主要是用池塘的自净能力和鱼类生理特性，如充氧、鱼藻共生系统、鱼类白天和晚上不同活动时间混养、耐污能力不同鱼类混养和对鱼类生理修正。Kirke从曝气方面进行了研究，对鱼塘采用风力曝气；Logsdon从改变水生植物结构着手，利用浮萍对氮和磷的吸收(1km2的浮萍能吸收约802kg氮和146kg的磷)和对重金属的累积能力处理水产养殖水体。Wang用双壳类去除藻类，沉降法去除悬浮物，通过虾塘、蚝形成水的循环利用。Umble等用鱼塘处理城市污水二级处理出水，利用二级处理出水提供的营养，调节营养比例(N∶P在16～23)，使得水生植物繁殖，作为鱼类的食料。养殖水体的综合利用的安全是人们关心的问题，Adamsson等进行的研究结果表明，只要投加饲料成分恰当，影响不大，但从保守的观点来说，有待于进一步证实。
4水产养殖废水的循环利用工艺流程
进行水处理装置有多种，其结构各不相同，其工艺流程也不一样，下面介绍几种典型的流程。鱼池排水→集水池塘→氧化池→沉淀池→增温增氧池→鱼池回用的工艺在德国使用较多，这种工艺流程中氧化池为生物转筒，水力负荷4.5～514m3/m3·d，沉淀池回流50%～100%到氧化池。鱼池排水→沉淀池→升流式生物滤池→淋水塔式增氧→加热、消毒→鱼池回用的工艺在加拿大使用较多，在沉淀池能够去除60%的SS，在升流式生物滤池的填料粒径为1～10mm左右，可以去除99%氨氮，新鲜水/回用水为1/9。鱼池排水→充氧→升流式石灰岩滤池→沉淀池→增氧→回用的工艺在美国使用较多，其中新鲜水/循环水为1/5。鱼池排水→升流式碎石滤池→降流式碎石滤池→增温池→回用的工艺在上海集约化水产养殖业水体循环中使用较为普遍，其中滤池水力负荷110.5～140.0m3/m3。鱼池排水→集水池→升流式沸石滤池→降流式沸石滤池→补充新鲜水、调温→鱼池回用在北京集约化水产养殖业水体循环中使用较多，其中滤池水力负荷为150～194m3/m3。
5生物工程在水产养殖废水处理中的应用
伴随着生物技术的发展，水产养殖业越来越多地运用生物工程技术来减少废水排放量和污染物数量。比如用微生物发酵生产和遗传工程技术将合成特定氨基酸的基因克隆进入微生物的细胞质中，然后借助微生物的增殖来生产蛋白质鱼类饲料，可以提高鱼对饲料的利用率，降低氮的排泄物，减少废水中氮的浓度；利用生物筛选技术和基因工程培育一些去污能力强的植物(特别是藻类)和微生物来净化水产养殖废水；利用生物工程对鱼类进行生理修正，使鱼类提高耐污能力和减少排泄物，比如Phelps培育的鱼类对沙门氏菌属形成抗体，这种鱼类就可以在污染水体中生长。郑耀通等对具有高效净化水产养殖水体的紫色非硫光合细菌进行了分离和筛选，筛选出来的紫色非硫光合细菌既有很强的净水能力，又是鱼类的饲料。目前国内的研究主要集中在光合细菌在水产养殖水体净化中的应用。
6 展望
展望随着世界性水资源短缺和环境污染的日趋严重，今后各国将采用封闭式循环水养殖方式。其中，养殖废水的综合利用与无害化排放技术具有极大的研究开发价值和广泛的应用前景。虽然生物滤池去除氨氮和有机物的效果比较好，却会使水中硝酸盐含量增加，硝酸盐的毒性虽比氨氮低，但过度积累同样会影响鱼类生长，而且含氮高的废水排放到环境中，又会引起二次污染。2l世纪的水产养殖将由单一型向生态型发展。近年来，美国、丹麦、日本和中国等国家发展鱼菜共生、鱼藻共生系统；利用养殖废水培育蔬菜、花卉、水果和藻类，既能最大限度地提高水产品和蔬菜等的产量，又能净化水质，把污染降至最低程度，从而形成小环境生态系统良性循环。
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