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生物过滤(Living BiologicalFiltration)是指任何采用活体生物去除水中杂质的废水处理技术,主要包括植物过滤、微生物过滤、动物过滤等。目前集约化水产养殖水处理中使用最广泛的是微生物过滤,即各种类型的生物膜滤器。传统的生物膜滤器因具有产生污泥少、运行管理方便、动力消耗少等特点,在水产养殖废水处理中得到了广泛应用。但生物膜滤器存在生物膜熟化时间长,需要定期反冲洗,容易造成硝态氮积累等缺点。植物滤器结构简单,可以有效吸收养殖废水中溶解态的氮、磷污染物,并将其转化为经济产品,但是单独使用对养殖废水中有机物去除效率较低。滤食性动物可以有效去除养殖水体中的颗粒物质。大型海藻过滤、生物膜过滤和动物过滤复合处理养殖循环水技术通过优势互补,达到水质净化和废物综合利用的目的。我国在该领域的研究还为数不多。

1复合生物过滤技术的原理

植物过滤是指通过水生植物对污染物的吸收、降解、转移等作用,达到减少或最终消除养殖循环水污染的目的,使循环水得到净化。如常用的作为植物滤器的大型藻类通常生命周期长、生长快,能通过光合作用吸收水体中溶解态的氮、磷等营养物质来合成自身,有效降低养殖水体中的氨氮含量。对大型海藻化学成分的分析表明,大型海藻组织中具有丰富的氮库,可以有效吸收、存储大量的营养盐,而且大型藻类吸收氨对光照的要求较低,更有利于其对富营养水体中氨的去除和吸收。当这些海藻收获时,营养盐就从循环系统内部转移到系统外部,将环境污染物转化为海藻产品。因此,该技术具有低成本、低能耗等优点。诸多研究表明,水生植物还能有效增加养殖水体的溶解氧,并可回收植物产品作为养殖生物的饵料,大大增加了水产养殖系统的生产率。但单独利用水生植物净化养殖水体,有机物的去除效率比较低。

微生物滤器能将水中有机物和氨氮分别降解、氧化为毒性相对较低的硝酸盐,使养殖水体得到一定程度的净化,但不会将溶解态的氮从封闭养殖系统中去除,而是将氨氮转化为硝酸盐,从而导致硝酸盐的大量积累。据报道,水中硝酸盐的积累会影响鱼体的渗透压和血细胞的运氧能力,特别是引起鱼体色泽和肉质下降,而且富含硝酸盐的养殖废水直接排放,还会造成水体富营养化。

动物过滤是指滤食性动物在养殖系统中通过滤食水中的颗粒态物质,从而起到净化水质的作用。双壳贝类具有很强的滤水能力,如扇贝、贻贝、文蛤和牡蛎的滤水率均可以达到5 L/(g·h)。腐屑食性的鱼类通过摄食养殖过程中产生的大颗粒残饵及底质中的有机质而成为水产养殖环境清洁者。此外,海绵也有很高的滤水率,它们能够过滤大量细小的颗粒物质,包括浮游植物、浮游动物、微生物、有机碎屑等,使养殖循环系统有机物负荷大大降低。

复合生物过滤技术根据生态学中的食物链关系,最佳配置生物种群,使环境资源得以充分利用,增加系统生产力,并将系统中的营养盐、有机物等废弃物最大限度地转化为环境友好型产品。复合生物过滤技术是遵循生态学原理的工厂化水产养殖工艺设计。

2复合生物过滤技术净化养殖水体研究

2.1复合生物过滤技术的种类

目前复合生物过滤技术主要有大型海藻+微生物过滤,水草+滤食性动物(贝类、海绵等)过滤,以及人工湿地过滤技术。就植物滤器的选择而言,对营养物的吸收能力、生长速度和经济价值是需要考虑的主要因素。动物滤器选择的标准有动物的颗粒物去除效率、生长速度、经济价值高低等。动物滤器主要有滤食性的贝类,如牡蛎、扇贝、文蛤、贻贝等;腐屑食性鱼类,如梭鱼;此外还有最新研究证实的海绵也可以作为动物滤器,用于水产养殖的废水处理。

2.2复合生物过滤技术在水产养殖废水处理中的特点

复合生物过滤技术具有以下特点: (1)提高水产养殖废水中氨氮和有机物的去除效率,弥补使用单一生物滤器的缺点。如微生物滤器生物膜成熟时间长,需要定期进行反冲洗,此时植物滤器可以替代其功能保持系统的正常运转。(2)提高闭合水产养殖系统的生产力。利用复合生物过滤技术净化养殖废水具有相当大的潜力,因植物和动物的收获会产生一定的经济效益和生态效益,最大限度地将投入系统的饵料转化为环境友好的水产品。(3)实现真正意义上的“养殖污水零排放”,成功解决养殖循环系统中硝酸盐的积累问题。(4)同时为养殖循环水提供新鲜氧气,减少能源消耗,有助于降低生产成本。因此,复合生物过滤技术在水产养殖水处理中具有广阔的应用前景。

2.3复合生物过滤技术在工厂化和池塘水产养殖中的应用

2.3.1植物滤器与微生物滤器联合使用复合生物过滤技术在养殖循环水系统中已有了一些研究,取得了较好的效果。一般将植物滤器和微生物滤器复合使用。如利用大型海藻(孔
石莼养殖密度1.0 g/L)与微生物复合生物过滤技术对养鱼循环水体的净化效果表明,由微生物和大型海藻滤器组成的复合生物过滤系统对鲍鱼循环水体中氨氮和有机物的去除率分别保持在80%和40%以上,并且对鲍鱼养殖水体溶氧和pH值有良好的调节和改善作用。采用水产养殖机械—细菌—草综合水处理系统养殖淡水白鲳,牧草的净化使主要污染物去率达到了90%。利用石莼生物滤器可吸收养殖过程中产生的50%以上的可溶性氮。大型植物滤池和固定生物膜滤池的复合生物过滤技术用于鲍鱼循环养殖系统水处理,植物(孔石莼)滤器对养殖水体中总氨氮(TAN))具有很高的吸收效率,从而降低了硝化滤器的硝化负荷,大大减少了TAN、NO2-N、NO3-N和COD的积累。

2.3.2动物滤器与植物滤器或微生物滤器联合使用

将植物滤器和动物滤器复合使用的生物过滤技术也有研究。大型海藻海带和石莼与牡蛎组成的复合生物过滤器,在海带养殖密度7.5 g/L、石莼养殖密度2 g/L、牡蛎的放养密度为
1 000 g/20 L条件下,对养殖废水中氨氮去除率达到67.1%,对悬浮颗粒物的去除率达到了82.5%;海带与牡蛎组成的复合生物滤器对氨氮去除率达到46%,对悬浮颗粒物的去除率达到了84.5%。大型海藻和微生物制剂在池塘水产养殖也有应用。利用微生物、底栖滤食性贝类、大型藻类复合生物过滤技术控制养殖池污染,微生物制剂质量浓度达到6mg/L时,即可显著降低池塘底泥的自污染速率,底泥中总氮积累速率仅为对照组的45.4%,对虾存活率提高53.25%。将龙须菜与贝类混养,结果发现加入大型藻的文蛤养殖系统中氨氮、亚硝酸盐、磷酸盐的含量显著降低,大型藻和文蛤的生长率也有所提高。毛玉泽等人也证实使用龙须菜作为生物滤器可以去除混养系统中氨氮的46.6% ~83.7%。岳维忠等用蛎菜(Ulva conglobata)和草叶马尾藻(Sargassum graminifolium)进行了NH4-N浓度梯度试验,在养殖水体模拟系统中加入蛎菜,对NH4-N及PO4-P有明显吸收效果。宫西尚一研发出一种使用“特殊生物包”的封闭式循环水海水无脊椎动物养殖系统,在该系统中,海产动物与多毛类动物、微生物、藻类之间形成了食物链关系。多毛类动物(沙蚕等)对海产动物(海胆、海参、魁蛤、文蛤等)的残饵和粪便起净化作用,对养殖生物有毒的氨氮经由微生物的硝化作用变成了无毒的硝态氮,而硝态氮是藻类的营养物质。线薇薇等发现梭鱼对养殖环境中颗粒态有机
氮的清洁能力。

2.3.3复合生物过滤技术初步研究

刘长发等[21]设计了包括沉淀池、水力旋流器、微生物滤器(硝化滤器)、大型海藻(孔石莼)滤器和紫外消毒装置为主要处理单元的牙鲆鱼养殖循环系统。鱼池和藻池水体积均为1.5 m3,水力停留时间5.6 h。试验进行9 d,氨氮质量浓度维持在0.3 mg/L以下,亚硝酸盐质量浓度在0.2 mg/L以下,微生物滤器—大型海藻复合生物过滤技术可以有效地控制氨氮的含量,将氨氮最终转化为海藻产品。结合斜板式沉淀池、水力旋流器和紫外消毒设备,复合生物过滤技术在养殖循环系统中的应用达到了更高的污染物去除效率。

2.4复合生物过滤技术发展新趋势

除了滤食性贝类可以用于养殖废水颗粒有机物的去除,还有人尝试了新的物种作为动物滤器去除水中的颗粒物。如繁茂膜海绵具有很强的滤食水产养殖废水中颗粒态残饵的能力,由于海绵的滤食作用,海水中饵料颗粒物含量随时间延长而呈指数曲线降低。不仅如此,繁茂膜海绵还具有滤食养殖水体中大肠杆菌和弧菌的能力。经24 h处理后,海水中总大肠菌群和弧菌的数量分别比初始数量降低55.1% ~91.3%和55.7% ~96.3%。这些研究表明,养殖循环水处理正在朝着生态型、环境友好型方向发展,处理效率逐渐提高,系统越来越稳定。

3结语

随着对养殖循环水处理技术的发展,单一的或者2种水处理技术简单组合已不适应水产养殖废水处理的需要。设计低成本、低耗能、高净化效率的符合生态学原理的水处理工艺,达到养殖废水的重复利用和对环境的无污染是今后养殖废水处理的发展方向。这些处理技术将更加强调生态系统中生产者、消费者、分解者之间动态和合理的平衡,进一步挖掘生物作用的潜力。复合生物过滤技术从“变废为宝”的角度出发,“治”“用”结合,是现代农业综合利用和可持续发展思想的体现,是对水产养殖污水处理方式的重要补充和发展。
复合生物过滤技术在我国还处于起步阶段,缺乏系统的研究资料和成果,其中各种生物滤器之间参数的优化组合、养殖循环系统脱氮技术等需要进一步研究。