生物濾池處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水研究進(jìn)展

朱聰沛，陳賀涵，李澤龍，尹立鵬，謝春生,3*

[1.肇慶學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，廣東肇慶 526061；2.觀星(肇慶)農(nóng)業(yè)科技有限公司，廣東肇慶 526070；3.廣東省環(huán)境健康與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東肇慶526061]

水產(chǎn)養(yǎng)殖在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，近年來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展良好。然而，由于落后的養(yǎng)殖模式和養(yǎng)殖技術(shù)，以及不恰當(dāng)?shù)酿B(yǎng)殖方法，養(yǎng)殖水體極易受到污染，導(dǎo)致養(yǎng)殖基地附近的水資源和生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。因此，加深對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水污染的了解，研究水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水高效處理技術(shù)，有助于減輕養(yǎng)殖廢水造成的環(huán)境污染，是我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[1]。

前人研究表明，養(yǎng)殖廢水的水質(zhì)會(huì)受到養(yǎng)殖水產(chǎn)品的種類及飼料使用、投放是否規(guī)范等因素的影響[2]。目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖方式逐步趨向集約型，這樣會(huì)導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖密度過(guò)高，從而造成水體中的代謝物積累嚴(yán)重，若不能及時(shí)處理，很可能會(huì)造成水體污染，嚴(yán)重?fù)p害生態(tài)環(huán)境。由于水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中水消耗很大，循環(huán)水利用已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖污水治理中必須重視的問(wèn)題[3]。利用生物法處理養(yǎng)殖廢水比物理、化學(xué)方法能節(jié)省更多成本，目前常用的生物處理方法有生態(tài)處理法、間歇式活性污泥法[4]、生物膜法[5]等。在生物膜法中，較常用的是生物濾池法，其具有操作簡(jiǎn)單、占地面積少、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、處理效果穩(wěn)定等特點(diǎn)，在生活污水治理、工業(yè)廢水處理及水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中都能見(jiàn)到這種工藝的存在[6]。由于具有工藝簡(jiǎn)單、管理方便等特點(diǎn)，生物濾池法已廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中[7-8]。

1 生物濾池處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的效果

1.1 在傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式中的處理效果

喬衛(wèi)龍開(kāi)展了曝氣生物濾池（組合填料）對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水（含抗生素）的研究。在綜合了濾池系統(tǒng)的研究結(jié)果后，認(rèn)為該組合填料濾池能夠較好地去除常規(guī)污染物和魚(yú)用藥物，通過(guò)優(yōu)化濾池參數(shù)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水達(dá)標(biāo)排放[9]。李紅麗等人對(duì)前置反硝化濾池進(jìn)行改進(jìn)，研究其對(duì)低碳氮比水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中NH4+-N、CODMn等典型污染物的去除效率。結(jié)果表明：采用此工藝，在水力負(fù)荷q=18 m3·m-2·d-1，A/O 體積比為1.8，硝化液回流比為100%，氣水比為6∶1 時(shí)，出水水質(zhì)較好，上述工藝中典型污染物的去除效率均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，且在夏秋兩季對(duì)磺胺甲噁唑的去除效果十分顯著[10]。

1.2 在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的處理效果

循環(huán)水養(yǎng)殖法是20 世紀(jì)80 年代后期出現(xiàn)的一種養(yǎng)殖方式，在中國(guó)沿海的不同養(yǎng)殖區(qū)域得到了廣泛應(yīng)用和重視[11]，是一種環(huán)境友好型養(yǎng)殖模式，發(fā)展十分迅速。在我國(guó)環(huán)境與資源嚴(yán)峻的形勢(shì)下，具有良好生態(tài)效益和可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)的循環(huán)水養(yǎng)殖勢(shì)必會(huì)取代傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，成為主流[12]。循環(huán)水養(yǎng)殖的單位產(chǎn)量高于其他養(yǎng)殖模式，可節(jié)能70%以上，能實(shí)現(xiàn)高密度養(yǎng)殖和節(jié)能減排的養(yǎng)殖目標(biāo)[6,13]。循環(huán)水養(yǎng)殖模式控制水質(zhì)環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)供給的方法比傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式更為合理[14]，具有生物生長(zhǎng)快、密度高、管理簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境污染較小等優(yōu)勢(shì)。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，生物過(guò)濾凈化是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)[15]，因此循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的研究主要集中在如何高效去除危害水產(chǎn)生物的NH4+-N和NO2--N等方面[16]。

周洪玉等運(yùn)用不同過(guò)濾系統(tǒng)的填料反應(yīng)器模擬處理循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，研究分析該反應(yīng)器的硝化速率等特征。結(jié)果表明，與移動(dòng)生物膜反應(yīng)器相比，掛簾式生物濾池的掛膜速度更快，掛膜生物量更多，而且生物量更穩(wěn)定，NH4+-N、NO2--N 的去除率也更高[17]。呂劍等研制出一種生物濾池反應(yīng)器，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的循環(huán)水養(yǎng)殖體系的不足。該反應(yīng)器對(duì)養(yǎng)殖廢水中的NH4+-N、COD、NO2--N 的去除率較高，出水水質(zhì)可以滿足魚(yú)類生長(zhǎng)，具有成本低、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)改善、環(huán)境保護(hù)有著重要作用[18]。

2 生物濾池處理養(yǎng)殖廢水的影響因素

2.1 濾料

生物濾池利用濾料將懸浮物攔截下來(lái)，從而使其濃度下降。同時(shí)，濾池內(nèi)的微生物也會(huì)依附于過(guò)濾材料進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，對(duì)污染物進(jìn)行吸附、降解。填料是濾池最為核心的部分，它直接決定污染物的去除效果，同時(shí)也關(guān)系到濾池的建造和運(yùn)行成本。因此，對(duì)具有優(yōu)良特性的生物濾池過(guò)濾材料的研制已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[19]。Shitu 等人利用一種新型的海綿載體，在流動(dòng)床生物反應(yīng)器中對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的污水進(jìn)行處理，分析其處理效果。結(jié)果表明，采用新型海綿填料的移動(dòng)床生物反應(yīng)器能夠達(dá)到較高的硝化性能，并提高生物活性[20]。Lindholm-Lehto 等人在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，使用裝滿樺木的木片生物反應(yīng)器中進(jìn)行脫氮，再用砂子過(guò)濾，并對(duì)過(guò)濾后的水質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，利用木材碎片作填料，能獲得較高的脫氮率，而砂過(guò)濾能有效去除水中的溶解物質(zhì)和微粒[21]。Watari 等人利用懸浮式海綿反應(yīng)器與上層污泥毯式反應(yīng)器相結(jié)合，對(duì)循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行脫氮，并對(duì)反應(yīng)后的水質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果證明這種混合反應(yīng)器對(duì)總銨態(tài)氮的脫除效果很好[22]。

2.2 溶解氧

好氧微生物對(duì)氨氮、有機(jī)物的氧化分解效率與溶解氧關(guān)系密切，隨著溶解氧濃度下降而下降，因此生物濾池的處理效果與溶解氧關(guān)系密切[23]。Deng 等人探究了在循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)污水處理中，聚丁二酸丁二醇酯生物反硝化反應(yīng)器中的鹽濃度和溶解氧對(duì)脫硝微生物群落的影響，結(jié)果表明溶解氧對(duì)水體中的微生物群落影響不大[24]。宋偉龍研究了MBR 工藝對(duì)海水養(yǎng)殖污水中氨氮、TOC 等的影響。結(jié)果表明，隨著溶氧量的降低，濾池中的氨氮含量也相應(yīng)升高，但是過(guò)高的溶氧也會(huì)降低脫氮效果[25]。任紀(jì)龍以溶解氧為變量，馴化培養(yǎng)海水循環(huán)水生物濾池中的生物填料30 d，探究不同溶解氧梯度對(duì)微生物群落的影響。結(jié)果表明，當(dāng)DO 濃度為0～2 mg·L-1時(shí)，濾池對(duì)NH4+-N 的去除率最低；當(dāng)DO濃度為10～12 mg·L-1時(shí)，濾池對(duì)NH4+-N的去除率最高；在不同DO 濃度處理組中，NO2--N 的積累量均隨著溶解氧濃度升高而升高[26]。

2.3 氣水比

氣水比會(huì)影響曝氣生物濾池的工作性能，在低濃度時(shí)對(duì)好氧生物的生長(zhǎng)繁殖有明顯抑制作用，高濃度則會(huì)對(duì)過(guò)濾材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流沖刷作用，從而影響有機(jī)物的溶解[27]。因此，合理的氣水比是保證曝氣生物過(guò)濾系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。趙思使用曝氣生物濾池處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CODMn和NH4+-N的去除率隨著曝氣量增多而逐漸上升。當(dāng)氣水比由1∶1 升至2∶1 時(shí)，曝氣量增多會(huì)使TP、TN 的去除率上升；而當(dāng)氣水比由2∶1 升至3∶1 時(shí)，曝氣量增多反而會(huì)使TP、TN 的去除率下降[28]。馬曉娜等人使用移動(dòng)床生物濾池處理海水養(yǎng)殖廢水，研究不同氣水比對(duì)其處理效能的影響。結(jié)果表明，COD 的去除率隨著氣水比增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，氨態(tài)氮的去除率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)；當(dāng)氣水比為6∶1時(shí)，氨態(tài)氮和COD 的平均去除率最大，NO2--N 的平均積累率相對(duì)較小，比其他氣水比擁有更好的水質(zhì)凈化效果[29]。霍靜對(duì)魚(yú)塘養(yǎng)殖廢水治理工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，討論了該技術(shù)的應(yīng)用效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著氣水比增大，濾池中CODMn的去除速率逐漸增大，但當(dāng)氣水比為（12～16）∶1 時(shí)，水中的溶解氧接近飽和，CODMn的去除速率幾乎沒(méi)有提高[30]。

2.4 水力負(fù)荷

在生物濾池中，水力負(fù)荷會(huì)影響生物膜與污水的接觸時(shí)間，同時(shí)也會(huì)對(duì)生物膜的強(qiáng)度、厚度、微生物的生長(zhǎng)和新陳代謝造成一定影響[31]。水力負(fù)荷的增加，可以促進(jìn)生物量和基質(zhì)的均勻分配，促使硝化細(xì)菌對(duì)基質(zhì)的進(jìn)一步利用，從而縮短掛膜時(shí)間；水力負(fù)荷的減少，微生物無(wú)法充分吸收養(yǎng)分，造成養(yǎng)分短缺。因此，合理的水力負(fù)荷對(duì)于污染物的去除具有十分重要的作用。

唐智洋等人采用生物接觸氧化組合工藝對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水進(jìn)行處理，對(duì)接觸氧化池中滴濾的水力負(fù)荷、停留時(shí)間等因素進(jìn)行研究，通過(guò)分析氨氮、TN、CODMn等參數(shù)，明確該工藝的處理效果。研究表明，隨著水力負(fù)荷的增加，水中TN 的去除率出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，反應(yīng)器中DO 濃度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其他指標(biāo)均隨著DO 濃度降低而降低[32]。朱歷等人采用上流式生物濾池模擬處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，優(yōu)化濾池中水力負(fù)荷、消化液回流比、氣水體積比3 個(gè)因素，通過(guò)分析出水水質(zhì)，確定濾池的最佳運(yùn)行參數(shù)。研究表明，系統(tǒng)對(duì)總氮、總磷、氨氮和COD 去除率隨著水力負(fù)荷升高而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)[33]。Godoy-Olmos 等人研究了循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中硝化生物滴濾器的溫度、氨負(fù)荷和水力負(fù)荷對(duì)處理效果的影響。結(jié)果顯示，氮負(fù)荷、溫度、水力負(fù)荷均會(huì)影響到氨去除效果，增大水力負(fù)荷能提高硝化速率[34]。

2.5 水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間（HRT）會(huì)對(duì)生物濾池中污染物與填料、生物膜的接觸反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，COD 負(fù)荷會(huì)隨著水力停留時(shí)間減少而升高，使生物濾池的硝化性受到抑制。因此確定合適的水力停留時(shí)間，對(duì)生物濾池性能提高有著重要意義。Song 等人研究了在循環(huán)海水養(yǎng)殖系統(tǒng)污水處理過(guò)程中，水力停留時(shí)間和入水硝酸鹽氮含量對(duì)好氧反硝化反應(yīng)器的脫氮率和微生物群落構(gòu)成的影響。研究表明，在硝酸鹽氮濃度小于150 mg·L-1、HRT 5 h 的情況下，氮?dú)馊コ士蛇_(dá)98%以上，氨氮和亞硝酸鹽氮含量降至1 mg·L-1以下；在硝酸鹽氮濃度為150 mg·L-1，HRT 為6 h 或7 h 時(shí)，有最大的脫氮速率和脫氮率[35]。Ding 等人研究了缺氧過(guò)濾器與膜生物反應(yīng)器組合系統(tǒng)在不同水力停留時(shí)間、進(jìn)水堿度和進(jìn)水氨氮負(fù)荷下海水養(yǎng)殖廢水的處理性能。研究發(fā)現(xiàn)，在HRT 8 h 條件下，TOC 和全氮的脫除效果稍好于其他HRT，隨著HRT的增大，磷酸鹽的去除效率逐漸下降[36]。Mathis 等人研究了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，不同的碳氮比和水力停留時(shí)間對(duì)固定床脫硫設(shè)備性能的影響，并對(duì)出水水質(zhì)進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，在無(wú)限制碳氮比的條件下，隨著HRT 的降低，硝酸鹽的去除率持續(xù)增加，硝酸鹽的去除效率則有所降低[37]。

3 結(jié)論與展望

與以氧化塘為代表的傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理工藝相比，生物濾池具有處理效率高、占地面積小、工藝運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。研究表明，生物濾池對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的有機(jī)物、氨氮和磷等有機(jī)物有良好的去除效果，在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中有著較高的應(yīng)用價(jià)值。生物濾池在實(shí)際研究應(yīng)用中仍有許多問(wèn)題需要關(guān)注，例如，生物濾池的濾料要根據(jù)水質(zhì)等具體情況來(lái)選擇，需要進(jìn)一步探索耐腐蝕性好、性價(jià)比高、適用于大多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)特點(diǎn)的新型填料；生物濾池池體越大，處理量也越大，但是其布水、布?xì)獾木鶆蛐跃驮诫y保證，因此必須針對(duì)生物脫氮的需要，研制出具有創(chuàng)新性的布?xì)?、布水設(shè)備；恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)對(duì)提高生物濾池處理養(yǎng)殖廢水的效率，尤其是脫氮效率至關(guān)重要。改善生物濾池的不足，增強(qiáng)其處理性能，有助于其在養(yǎng)殖廢水處理中的廣泛應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展具有重要作用。