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海水循环水饲养体系研讨
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作者:徐升 单位:福建工程学院 环境与设备工程系

海水循环水处理工艺

根据海水养殖过程中产生的废物及其特点,常见的RAS工艺集沉淀、过滤、消毒、增氧、温控、脱氮等为一体,并通过优化组合充分发挥各净化单元的作用,以满足不同养殖对象对水质的要求。如图1所示,养殖单元出水经沉淀池去除悬浮物、紫外线杀菌、生物滤池去除氨氮后,再进入养殖池循环使用。在处理过程中,氨态氮的去除是应该考虑的首要问题,RAS工艺大多都有生物硝化处理,但有关反硝化工艺有待进一步研究。

海水循环水养殖系统脱氮工艺

1常用海水循环水生物脱氮工艺由于海水的高盐度与养殖废水的贫营养,增加了养殖废水脱氮处理的难度。国外对于海水RAS脱氮处理的工艺选择、运行条件、工艺参数及处理效果等研究较多,而国内相关报道较少。其中部分国内外对海水循环水生物脱氮的主要研究概况见表1。对于贫营养的海水养殖废水多采用生物膜法进行处理,如生物滤池、生物转盘、流化床,尤以生物滤池最为常见,而A/O、SBR等活性污泥法应用较少。表1中的海水循环水生物脱氮速率为1.4~100.0mg/(h•L),这很可能与不同的操作参数有关,如反应器结构、填料类型、电子供体的种类、反应器中的氧化还原电位、水中硝酸盐浓度等。通过反应器的优化、填料与碳源类型的选择,可以减少反应器的有效容积、控制生物膜厚度、保证填料均匀分布、提高脱氮效率。研究表明,乙醇是RAS生物脱氮的有效外加碳源,但近年来,利用内源性碳源的方法也日益受到关注,即利用RAS本身含碳物质如残饵、粪便、水解产物作为反硝化电子供体。Klas等建立了关于RAS利用内源碳源反硝化过程的化学计量方程:虽然内源性碳源不如乙醇等外源性碳源易吸收利用,但可降低运行成本,并可达到净水与综合利用废弃物的目的。

2复合菌─藻系统生物脱氮工艺近年来,复合菌─藻系统已广泛应用于污水处理中,好氧细菌通过分解作用为藻类提供光合作用所需的碳源与营养物质,藻类通过光合作用将水中的CO2与N、P等营养盐合成为自身有机物质,从而达到净化水质的目的。利用复合菌─藻生物脱氮是海水循环水脱氮工艺的一大发展方向,但可用于海水养殖废水处理的水生植物种类相对较少,目前常用的海藻主要有石花菜、石莼、江蓠等。该工艺在海水RAS实际应用中,需注意以下几方面的问题:首先,藻类夜间基本停止光合作用而不产氧,阴天的DO也较低,必须采取合理的增氧措施以避免养殖过程中间代谢产物NO2--N的积累;其次,藻类的大量繁殖易造成出水中的悬浮物浓度增高,应采用微滤除藻等工艺严格控制出水中的藻类;此外,如何选择培育适合的藻菌品种,如何控制养殖环境的藻菌种类组成与比例等技术问题也有待解决。

3固定化脱氮系统从20世纪80年代起,也有研究者将固定化包埋技术应用于养殖废水处理中,如Park等曾利用PVA为载体进行海水RAS固定化脱氮研究,但由于养殖废水成分复杂,再加上环境因素的影响,目前水产养殖的固定化脱氮系统还仅限于实验室规模的研究。

海水RAS常见的问题及解决方案

总的来说,目前对于海水RAS主要还是采用传统工艺脱氮,即需经历好氧硝化与缺氧反硝化2个不同的过程。而水产养殖废水高DO与低C/N比的特点,使得厌氧反硝化菌在水产中的应用一直受到很大限制,存在一些亟待解决的问题。

1外加碳源解决低C/N比的问题C/N比为脱氮处理的关键参数之一,根据传统脱氮理论,实现完全反硝化的理论C/N比为2.86。考虑到微生物生长所需的碳素营养(约占碳源总值的15%),以及有机碳源的性质与反硝化菌种的不同,对于易利用碳源,反硝化所需的实际C/N比为3~6。在C/N比充足的条件下,N2O、NO2-等中间产物的浓度迅速降低;碳源不足将导致NO2-的积累;碳源过量又会使NO3-还原为氨,甚至产生有毒硫化物。而海水养殖水体中的C/N比较低,在1~2之间,因此需外加碳源或自养反硝化。国内外研究者采用了不同的方法试图解决碳源不足的问题,并取得了一定的效果,但也存在着各自的不足。如前所述,乙醇是RAS有效的外加碳源,但会增加运行成本。虽然利用养殖固体废弃物作碳源可变废为宝,降低成本,但反硝化速率较低。此外,一种新型的固体碳源———非水溶性可生物降解多聚物(BDPs)材料因其易控制、低残留等优点而被投入于实验室规模的研究,但其生物利用性较低,且价格较高,从而阻碍了其在实际生产中的应用。若以混合物质为碳源或许可使工艺系统在处理效果、成本、管理等方面得到优化,但目前尚无此方面的具体报道。

2反硝化环境的脱氧DO是脱氮处理中的另一个重要参数。一般认为,反硝化反应在缺氧条件下才能正常进行,当氧含量超过3%时,将导致NO的反硝化去除率明显下降。而海水养殖水DO含量高,一般在4~8mg/L之间,对于反硝化而言应脱氧预处理。Menasveta等所研究的斑节对虾亲虾循环封闭养殖系统脱氮工艺,就在反硝化处理中增加了脱氧工艺,其反硝化工艺由1个脱氧柱、1个反硝化柱与再曝气箱组成。

通过向脱氧柱通入氮气的方式脱氧,使反硝化柱的进水DO低于0.5mg/L,进而保证了比较高的反硝化效率。Labelle等对封闭循环养殖系统进行海水脱氮实验,海水盐度为28g/L,在反硝化之前,往反硝化生物滤器中投加甲醇以及定期反冲洗进行循环脱氧预处理,将水中DO调整为1mg/L以下,结果表明:脱氧处理对水pH值以及可溶性有机物浓度的影响不大。

人为投加碳源和脱氧处理可提供适合缺氧反硝化的环境,但是该环境中硫酸盐还原菌对反硝化菌的竞争抑制却较少被提及。在海水生物脱氮过程中,若存在高浓度硫酸盐的干扰,那么生物膜内部的硫酸盐还原菌会发生硫酸盐还原,期间会竞争反硝化所必需的碳源,并产生H2S。而H2S对生物具有毒性,会抑制N2O还原为氮气。在利用生物膜法处理海洋污水的过程中,对于缺氧环境中硫酸盐高降解速率的关注,更甚于对于混合死角与填料污染问题的关注,因此,在海水RAS中,不论是采用何种方法进行脱氧,其脱氧阶段均须保持海水的特性,尤其是海水中有机物、硝酸盐与亚硝酸盐的浓度,但反硝化过程脱氧预处理又意味着成本的增加。

3生物脱氮新工艺近年来,许多研究发现:硝化反应既可由自养菌完成,也可由某些异养菌完成;许多反硝化菌在好氧条件下也能进行反硝化,这使同时硝化反硝化成为可能。目前,基于这些新发现开发出了一些脱氮新工艺,如同步硝化反硝化、短程反硝化工艺、一体化完全自养脱氮系统等,这些新工艺解决了传统脱氮工艺存在的不足,并在水处理领域得到了广泛的应用,为RAS系统脱氮提供了解决问题的新途径。

3.1同步硝化反硝化脱氮工艺自20世纪80年代,Robertson等在除硫和反硝化处理系统中,首次分离出好氧反硝化菌后,国内外不少实验证实了同步硝化和反硝化现象,尤其在有氧条件下,流化床反应器、生物转盘、SBR、氧化沟、CAST等不同的生物处理系统中,均有同步硝化与反硝化现象的存在。同步硝化反硝化脱氮工艺(SimultaneousNitrificationandDenitrification,SND)是在一个反应器内同时进行硝化与反硝化反应,具有降低曝气量、节省能耗、无需酸碱中和、简化系统操作、缩短反应时间等优点,可较好地解决传统脱氮工艺中出现的一些问题,是一种具有广泛应用前景与开发价值的生物脱氮新工艺。目前,国内外已报道的好氧反硝化菌包括产碱杆菌属(Alcaligenes)、芽孢杆菌属(Bacillus)、异养球硫菌属(Thiosphaerapantotropha)、丛毛单胞菌属(Comamonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)、草螺菌属(Herbaspirillum)、副球菌属(Paracoccus)和代尔夫特菌属(Delftia)等,以假单胞菌属(Pseudomonas)最为常见[30-40]。但来源于养殖水体的好氧反硝化菌的相关报道较少,且多由淡水环境中分离而得,能用于海水养殖水处理且针对亚硝酸盐还原能力的报道极少。如高喜燕等在处理海水循环水生物滤器的生物膜中,分离出了1株耐盐好氧反硝化假单胞菌属(Pseudomonas),该菌株以柠檬酸钠为唯一碳源,在硝酸盐初始浓度为140g/L、C/N比为15、pH为7.5、NaCl浓度为30g/L、30℃摇床培养的条件下,48h内的脱氮率可达92%,且无NO2--N的积累。由此可知,选育具有耐盐特性的好氧反硝化菌株用于SND工艺为寻求海水养殖水净化提供了新思路。

3.2短程硝化─厌氧氨氧化工艺近年来,已有一些短程硝化─厌氧氨氧化工艺(Sharon-Anammox)成功用于污水处理厂的报道。Tal曾利用16S-rRNA基因序列分子生物学分析方法,分别对淡水与海水养殖循环系统生物滤池的厌氧与好氧菌群的特性进行了研究。Sharon-Anammox联合工艺先通过Sharon反应器将废水中50%NH4+氧化为NO2-,然后进入Anammox反应器使NH4+与NO2-混合发生反应产生N2。该工艺既减少了供氧量与能耗,又节省了碳源与碱量,其化学计量方程为:Sharon(短程硝化)工艺操作的关键是抑制硝化菌活性而使NO2-得到累积,从而阻止NO2-进一步氧化。根据国内外对于短程硝化影响因素的研究而得出的选择抑制理论,通过选择合适游离氨(FA)质量浓度范围(1~10mg/L),同时结合特定的反应条件,如较高的反应温度(30~36℃)、较高的pH值(通常大于7.5)或者较低的溶解氧质量浓度等来抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的生长,实现NO2-的积累。宋宏宾等设计了水产养殖用水的三级生物膜短程硝化─反硝化处理工艺[48],在设定进水pH值7.5~8.5、温度28~32℃、溶解氧0.5~1.0mg/L、游离氨浓度5~10mg/L的条件下,连续进出水,废水的COD、NH4+-N平均去除率分别达94.4%、91.6%,NO2--N平均浓度控制在5.2mg/L以下,低于鱼类的耐受浓度,基本达到养殖回用标准。由此可见,短程硝化工艺用于低C/N比、低FA水产养殖废水脱氮处理具有可行性。Anammox(厌氧氨氧化)工艺作为反硝化的替代技术,与Sharon要求低FA的条件刚好相反,大多数的Ana-mmox是在高氨氮浓度条件下研发的,因此在低C/N比、低氨氮浓度的水产养殖废水条件下,厌氧氨氧化仍有待进一步研究。此外,厌氧氨氧化菌普遍具有生长缓慢、对光和氧气敏感的特点[50],如何高效富集培养厌氧氨氧化菌、缩短厌氧氨氧化的启动时间是该工艺最大的限制因素。

3.3生物膜内自养脱氮工艺生物膜内自养脱氮工艺(CompletelyAutotrophicNitrogenRemovalOverNitrite,CANON)即在同一个反应内创造缺氧、好氧条件并存的环境,完成好氧菌亚硝化反应与厌氧氨氧化菌反硝化反应的一体化完全自养脱氮系统。CANON工艺与Sharon-Anammox工艺类似,不同之处在于其整个脱氮过程是在同一个反应内完成。FA与DO也是CANON工艺的关键因素,尤其对于水产养殖废水而言,FA浓度较低是该工艺的限制因子。由于菌种共存于同一个反应器,亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌势必竞争氨氮,而厌氧氨氧化菌的竞争能力较弱,削弱了厌氧反应,从而抑制反应进行,且出水中可能含有较高的NO2-,仍然需要对反应器出水进一步处理,以消除NO2-对水产养殖的潜在威胁。上述生物脱氮新工艺都有一个共同的特点,即要求达到低浓度DO或厌氧的环境才有利于反应的进行,而这与养殖系统富氧环境相矛盾,故均应进行脱氧处理。

海水循环水养殖系统生物脱氮研究前景

虽然海水RAS的生物脱氮技术已经取得了一定成果,但工艺还不够成熟,尤其是生物脱氮新工艺的应用还处于实验室模拟实验与小型实验设备的研究阶段。这些系统只能部分模拟商业养殖系统的实际条件。若要保证建成合适的脱氮反应器,还需对特定反应器内的碳、氮、磷等无机营养物的动力学进行较深入的研究,根据海水养殖的特点与海水循环水的水质特征,进一步获得RAS脱氮反应器的操作参数与工艺条件。此外,在实施脱氮处理之前,需要对营养物质的投入、运行成本进行预算,以控制运营成本,因此,上述因素限制了脱氮系统在商业养殖中的实际应用,但将脱氮工艺真正广泛应用于商业养殖系统具有广阔的前景。

海水循环水饲养体系研讨责任编辑:陈老师    阅读:人次
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