基于多介質(zhì)土壤滲濾技術(shù)的養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)研究

摘 要：海水養(yǎng)殖常見污染物主要包括總磷、懸浮物、總氮等，主要來源是養(yǎng)殖過程中的糞便、水生植物昆蟲尸體、殘存餌料和底泥等。沿海地區(qū)的海水養(yǎng)殖業(yè)中在排污換水時多采用將養(yǎng)殖尾水直接排入大海，使得有毒有害藻類、細菌病毒大量繁殖且難以控制，超出近岸海洋的環(huán)境承載力和自凈能力導致海洋生態(tài)環(huán)境的破壞。該文主要根據(jù)海水養(yǎng)殖業(yè)污水特點和排放特征，結(jié)合工程技術(shù)性和經(jīng)濟性要求，基于多介質(zhì)土壤滲濾技術(shù)，運用理論分析、系統(tǒng)設(shè)計、現(xiàn)場試驗等研究方法，對養(yǎng)殖污水處理方案優(yōu)化設(shè)計，以滿足養(yǎng)殖污水的閉環(huán)處理和循環(huán)使用，提出海水養(yǎng)殖污水治理的建議，實現(xiàn)養(yǎng)殖污水的近零排放。

關(guān)鍵詞：海水養(yǎng)殖；污水處理；多介質(zhì)土壤滲濾；近零排放；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：X714 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0023-04

Abstract： Common pollutants in mariculture mainly include total phosphorus， suspended solids， total nitrogen， etc. The main sources are manure， aquatic plant and insect carcasses， residual bait， sediment， etc. durinrm9V8mwaKHOaSsVeofxjvA==g the breeding process. In the mariculture industry in coastal areas， it is often used to discharge the aquaculture tail water directly into the sea when sewage discharge and water exchange， which makes toxic and harmful algae， bacteria and viruses multiply in large quantities and difficult to control， exceeding the environmental carrying capacity and self-purification capacity of the coastal ocean， resulting in the destruction of the marine ecological environment. Based mainly on the characteristics and discharge characteristics of mariculture sewage， according to engineering technical and economic requirements， using multi-media soil infiltration technology， and adopting theoretical analysis， system design， field tests and other research methods， this paper proposes to optimize the design of aquaculture sewage treatment plan， so as to meet the closed-loop treatment and recycling of aquaculture sewage， and puts forward suggestions on the treatment of mariculture sewage， so as to achieve near-zero discharge of aquaculture sewage.

Keywords： mariculture; sewage treatment; multi-media soil infiltration; near-zero emissions; optimal design

海水養(yǎng)殖是利用淺海、灘涂、港灣和圍塘等近海海域進行人工飼養(yǎng)和繁殖海產(chǎn)經(jīng)濟動植物的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。過去，粗放式海水養(yǎng)殖污水排放成為近海污染的重要原因之一。黨的十九大以來，生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委、自然資源部印發(fā)《渤海綜合治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》，并根據(jù)GB 8978—1996《污水綜合排放標準》提出“禁止新建排污口，現(xiàn)有排污口應(yīng)按水體功能要求實行污染物總量控制”，天津市出臺了《天津市入海排污口排查整治專項行動工作方案》。目前的養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)中，尚沒有能達到“近零排放”的經(jīng)濟合理的工藝，養(yǎng)殖污水處理成為亟需解決的環(huán)境和民生問題，研發(fā)環(huán)保經(jīng)濟的海水養(yǎng)殖工藝尤為必要[1]。

1 海水養(yǎng)殖污水的成因分析

我國海水養(yǎng)殖方式從傳統(tǒng)的低密度、粗放型的養(yǎng)殖方式向高密度、高投入、高產(chǎn)出的集約化、工廠化養(yǎng)殖發(fā)展，養(yǎng)殖技術(shù)開發(fā)取得了長足進步。在養(yǎng)殖過程中，為了增加水產(chǎn)品的產(chǎn)量，人們向養(yǎng)殖水體中投放了大量人工餌料，未被攝食的殘余餌料，以及養(yǎng)殖對象糞便等成為了養(yǎng)殖水體污染物的主要來源。另一方面，為了防治病害，清除有害生物，保證養(yǎng)殖水體環(huán)境健康穩(wěn)定，養(yǎng)殖人員需要經(jīng)常使用殺蟲劑、殺藻劑、除草劑等化學藥劑，清除養(yǎng)殖水體中的有害生物，殘留的農(nóng)藥進入養(yǎng)殖水體，成為了養(yǎng)殖水體污染物的另一來源[2]。

養(yǎng)殖污水通常不經(jīng)處理或初步處理后就排入自然水體，不僅浪費了大量水資源，也將水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的污染物質(zhì)帶入了周邊環(huán)境，造成了周邊水體污染，破壞了水域生態(tài)平衡。因此，如何使養(yǎng)殖污水在閉環(huán)中得到處理，實現(xiàn)養(yǎng)殖污水近零排放，降低養(yǎng)殖污染，成為有待解決的問題。本文分析海水水產(chǎn)養(yǎng)殖污水處理的技術(shù)工藝，分析工藝的優(yōu)劣勢和適應(yīng)性效果，設(shè)計多介質(zhì)土壤滲濾技術(shù)養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)養(yǎng)殖污水的近零排放。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖污水處理技術(shù)分析

海水循環(huán)水養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖污水閉環(huán)處理的一種先進形式，它是以工業(yè)化手段主動控制水環(huán)境，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，具有節(jié)水、節(jié)能，提高養(yǎng)殖成活率，縮短養(yǎng)殖周期的作用。但是，目前的海水循環(huán)水處理主要沿用水處理領(lǐng)域常規(guī)生物處理技術(shù)凈化海水養(yǎng)殖水體，降低養(yǎng)殖水體中的化學耗氧量、氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽和懸浮物等，其優(yōu)點在于系統(tǒng)占地面積小，處理效能高。然而海水養(yǎng)殖廢水與常見陸源污水還存在鹽度效應(yīng)的差異，這也增加了采用傳統(tǒng)生物方法處理工廠化海水養(yǎng)殖廢水的難度[2]。

2.1 海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是將養(yǎng)殖廢水經(jīng)過復合生物凈化后重復利用，適用于對蝦和魚類的海水養(yǎng)殖。該系統(tǒng)包括海水泵站、海水沉淀池、海水沉淀池泵站、分水池、生物凈化系統(tǒng)、給水渠道、養(yǎng)殖池和回水渠道。其中生物凈化系統(tǒng)由一級生物凈化池、二級生物凈化池、三級生物凈化池組成。一級生物凈化池采用土池結(jié)構(gòu)，主要功能是懸掛生物填料，利用生物填料表面生長的活性生物膜去除水中有害物。然而生物凈化土池未能有效發(fā)揮池底土壤層的凈化功效，土壤層與污水接觸面積小，不能利用土壤層形成厭氧環(huán)境，反硝化作用較弱，總氮TN（水體中所有含氮化合物）的去除效果較弱。二、三級生物凈化池利用川蔓藻類去除水中有害物，不過川蔓藻類生長繁殖需要有適宜溫度，冬季溫度較低時不利于川蔓藻類生長，因此二、三級生物凈化池凈化效果受季節(jié)影響較大[3]。

2.2 雙重自動制氧復氧多介質(zhì)土壤層地下污水處理系統(tǒng)

雙重自動制氧復氧多介質(zhì)土壤層地下污水處理系統(tǒng)設(shè)置兩層布水方式，使得系統(tǒng)整體均勻布水，氧氣分布均勻，提高了系統(tǒng)利用效率。該污水處理系統(tǒng)主要包括進藥器和布水管，還包括自上而下設(shè)置的表土覆蓋層、碎石層、制氧復氧多介質(zhì)土壤層、礫石層、出水層和防滲層。但是此方式的系統(tǒng)碎石層的好氧環(huán)境和土壤層厭氧環(huán)境設(shè)置在同一裝置內(nèi)，好氧環(huán)境和厭氧環(huán)境相互制約，難以平衡硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)作用[4]。

2.3 垂直流生物滴濾-水平流多介質(zhì)土壤滲濾污水處理系統(tǒng)

此養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)采用水平流，有效提高水力滯留時間，水平流淹沒出水，改善了厭氧環(huán)境。污水處理系統(tǒng)分為前段垂直流生物滴濾系統(tǒng)和處于前段下方的后段水平流多介質(zhì)土壤滲濾系統(tǒng)。同雙重自動制氧復氧多介質(zhì)土壤層地下污水處理系統(tǒng)一樣，也存在天然沸石填料層好氧環(huán)境和密封土壤層厭氧環(huán)境設(shè)置在同一裝置內(nèi)，好氧環(huán)境硝化反應(yīng)和厭氧環(huán)境反硝化反應(yīng)相互制約問題[5]。

2.4 多介質(zhì)折流曝氣生物濾池污水處理系統(tǒng)

多介質(zhì)折流曝氣生物濾池包括兩級曝氣生物濾池和過水孔，兩級曝氣生物濾池通過下側(cè)的過水孔連通，兩級曝氣生物濾池均設(shè)有填料層。該系統(tǒng)兩級曝氣生物濾池均存在曝氣充氧，溶解氧濃度高，好氧環(huán)境硝化反應(yīng)作用明顯，處于同一裝置下的厭氧環(huán)境反硝化反應(yīng)作用較弱，不利于反硝化反應(yīng)發(fā)生，脫氮效果弱[6]。

3 水產(chǎn)養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)研究設(shè)計

3.1 研究思路

根據(jù)目前水產(chǎn)養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)技術(shù)的分析和對比，水產(chǎn)養(yǎng)殖污水要達到近零排放目標，設(shè)計原則應(yīng)該充分考慮以下幾個方面。

1）優(yōu)先將水污染治理與生態(tài)修復結(jié)合起來，采用與生態(tài)技術(shù)相應(yīng)聯(lián)系的海水循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)；

2）采取處理工藝在運行上要有較大靈活性和可調(diào)節(jié)性，以適應(yīng)水質(zhì)、水量的變化；

3）利用和保護現(xiàn)有的植被、水域、自然地形等景觀條件，原位治理、因地制宜、節(jié)省投資；

4）保證水體維護和河道排瀝等功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，不產(chǎn)生二次污染；

5）強調(diào)設(shè)計功能的長期有效性。

3.2 設(shè)計技術(shù)路線

擬采取的研究方法包括搜集資料、理論分析、系統(tǒng)設(shè)計和現(xiàn)場試驗等。查閱文獻搜集整理水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)問題現(xiàn)狀，調(diào)研國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖海水處理工藝及其發(fā)展水平，對不同工藝及其不同功能模塊進行理論分析。根據(jù)理論分析成果，依托具體項目開展海水循環(huán)養(yǎng)殖組合處理工藝，并進行現(xiàn)場試驗，進一步優(yōu)化水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)海水系統(tǒng)設(shè)計，為水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)海水系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)參考。

1）分析現(xiàn)有污水處理技術(shù)：物理技術(shù)（曝氣吹脫法、過濾法、泡沫分離技術(shù)），化學技術(shù)（絮凝沉降法、臭氧處理法），生態(tài)技術(shù)（活性污泥法、藻類）等，并有機結(jié)合設(shè)計養(yǎng)殖污水處理工藝。

2）將養(yǎng)殖污水技術(shù)和海水循環(huán)養(yǎng)殖技術(shù)結(jié)合起來，建立在養(yǎng)殖過程中達到污水處理目標的系統(tǒng)工藝。

3）研究海水養(yǎng)殖污水的關(guān)鍵因素，通過結(jié)合已有工程進行現(xiàn)場試驗，對鹽度、pH、溫度和溶解氧等水質(zhì)參數(shù)進行監(jiān)測控制，完善養(yǎng)殖系統(tǒng)。

3.3 養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

經(jīng)過方案比選，基于土壤滲濾技術(shù)，提出多介質(zhì)土壤滲透養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)方案。養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)包括沉淀過濾池、好氧池、厭氧池和除磷池。在好氧池內(nèi)投放生物填料；在生物填料下方設(shè)曝氣管；在厭氧池內(nèi)設(shè)沸石通水層；在沸石通水層中設(shè)有多介質(zhì)土壤層。本方案將硝化與反硝化反應(yīng)分開設(shè)置在好氧池和厭氧池，避免了二者的相互制約，脫氮效果更佳。多介質(zhì)土壤滲濾技術(shù)的養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)工藝如圖1所示。

基于多介質(zhì)土壤滲濾技術(shù)的養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)，包括依次連接的沉淀過濾池、好氧池、厭氧池和除磷池，沉淀過濾池采用過濾隔墻Ⅰ隔成前后兩部分池槽；好氧池的底部設(shè)有承托層，承托層上設(shè)有生物填料；生物填料下方設(shè)有曝氣管，曝氣管與曝氣泵連接，曝氣泵安裝在好氧池的外面，沉淀過濾池的后部池槽通過水管與好氧池的頂部連接，水管上設(shè)有抽水泵Ⅰ；厭氧池的底部設(shè)有出水礫石層，厭氧池的頂端設(shè)有密封膜，出水礫石層上設(shè)有沸石通水層，沸石通水層中設(shè)有多介質(zhì)土壤層，多介質(zhì)土壤層上設(shè)有進水礫石層，進水礫石層設(shè)置在厭氧池的頂部、密封膜的下方，好氧池的底部通過水與厭氧池的頂部連接，水管上設(shè)有抽水泵Ⅱ。除磷池采用過濾隔墻Ⅱ隔成前后兩部分池槽，除磷池的后部池槽通過水管Ⅲ與厭氧池的底部連接，水管上設(shè)有抽水泵Ⅲ。

過濾隔墻Ⅰ和過濾隔墻Ⅱ結(jié)構(gòu)相同，均設(shè)有過水孔，在上游側(cè)墻面貼附有土工布。土工布的等效孔徑為0.07～0.2 mm。沉淀過濾池、好氧池、厭氧池和除磷池均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.4 養(yǎng)殖污水系統(tǒng)處理方法

1）養(yǎng)殖污水進入沉淀過濾池進行沉淀過濾，大于土工布等效孔徑的固體顆粒均被貼附有土工布的過濾隔墻Ⅰ，滯留在沉淀過濾池的前部池槽中，過濾后的水體進入到沉淀過濾池的后部池槽。土工布多次使用后如發(fā)生淤堵，可在沉淀過濾池無水情況下，對土工布進行清掃或更換。

2）經(jīng)沉淀過濾后的水體采用抽水泵Ⅰ從沉淀過濾池的前部水池抽進好氧池，啟動曝氣泵進行曝氣。通過曝氣管將氣體注入好氧池，在有氧條件下，硝化細菌具有較高的活性，在生物填料上繁殖形成生物膜，水體中的氨氮被硝化細菌轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽再被硝化細菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，完成硝化反應(yīng)，同時降低了水體溶解氧濃度。

3）啟動曝氣泵進行間歇曝氣，控制好氧池內(nèi)溶解氧濃度2～3 mg/L，維持該濃度1～2 d后，終止曝氣，水體再滯留好氧池2～3 d。控制厭氧池內(nèi)溶解氧濃度小于0.5 mg/L，水體滯留厭氧池時間控制在2～4 d。生物填料是硝化反應(yīng)主要發(fā)生場所。生物填料附著生物膜，在充分的溶解氧濃度下具有較高的活性，提高了有機物分解效果。

4）完成硝化反應(yīng)的水體采用抽水泵Ⅱ抽進厭氧池，水體中殘余的氨氮與沸石通水層上微量的硝化細菌再次發(fā)生硝化反應(yīng)，進一步降低了水體的溶解氧濃度，為多介質(zhì)土壤層反硝化反應(yīng)創(chuàng)造缺氧條件；然后在缺氧條件下，硝化反應(yīng)產(chǎn)生的硝酸鹽與多介質(zhì)土壤層上的反硝化細菌反應(yīng)，將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣，完成反硝化反應(yīng)，達到養(yǎng)殖污水脫氮的目的。

5）完成反硝化反應(yīng)的水體采用抽水泵Ⅲ抽進除磷池，完成除磷反應(yīng)，沉淀絮凝雜質(zhì)被過濾隔墻Ⅱ滯留在除磷池前部池槽，清水進入除磷池后部池槽，可供水產(chǎn)養(yǎng)殖再利用。

4 結(jié)束語

本研究側(cè)重于污染物的種類、污染機理的分析，圍繞“以防為主，防治結(jié)合”的原則，對污染源頭進行分析，注重分析污染物差異性，采用曝氣、多介質(zhì)土壤滲濾等先進技術(shù)，優(yōu)化養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)方案。本研究系統(tǒng)將硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)分開設(shè)置在好氧池和厭氧池，避免了二者的相互制約；并且在階段曝氣作用下，先通過好氧池生物填料上的生物膜發(fā)生硝化反應(yīng)，將有機物氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，再通過厭氧池中的多介質(zhì)土壤層發(fā)生反硝化反應(yīng)，從而將硝酸鹽和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮氣釋放，脫氮效果更佳。最后通過除磷池添加除磷劑單獨除磷，克服了將硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)分開除磷效果不佳的弊端。本方案可實現(xiàn)養(yǎng)殖污水的閉環(huán)處理和循環(huán)使用，為實現(xiàn)養(yǎng)殖污水的近零排放起到推進作用。

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