罗国芝,陈晓庆,谭洪新

(上海海洋大学水产与生命学院,上海201306)

养殖用水重复利用过程中悬浮固体物的性质及控制

罗国芝,陈晓庆,谭洪新

(上海海洋大学水产与生命学院,上海201306)

颗粒物不仅对养殖对象有直接影响,也会影响到其它水处理单元的效率,是水产养殖水体重复利用和排放的限制性指标。本文概述了水产养殖水体中固体物质性质的描述指标,根据水产养殖活动的特点对养殖过程中颗粒物的来源途径进行了分析,可以根据水体的投饲量估算需要去除的颗粒产生量;介绍了使用双排管将残饵和粪便尽快地排出养殖池的方法;根据颗粒物的粒径、沉降速率等特征,总结了几种常见的固液分离技术。选择固液分离技术时,需要考虑去除的粒径、水头损失、水力负荷以及总体去除效率,还要考虑是否可能在去除的过程中会把大粒径颗粒碎成小粒径颗粒因而增加总体去除难度。

水产养殖;循环水;颗粒物;固液分离

2014年世界水产养殖产量占水产品总产量的44%,水产养殖也是近30年来动物蛋白供应领域增长最快的产业[1]。水资源的短缺促使水产养殖对水的利用更加高效,提高养殖密度和养殖用水重复利用是提高水资源使用效率的有效举措,近年来已成为国内外水产养殖可持续发展的重要研究内容之一。由于鱼虾的高营养需求和低消化吸收能力[2],养殖过程需要投喂高蛋白含量(25%～55%)的配合饲料,但鱼虾只能利用29.7%的碳(C)、38.2%的氮(N)和30.7%的磷(P)[3]。不能被利用的营养物质中,7%～32%的N、30%～84%的P和30%～50%的C存在于粪便和残饵中,成为养殖水体中固体废弃物的主要来源[4]。

一般水产养殖水体中含5～50mg/L总悬浮颗粒物(TSS)[5]。如果定期更换养殖水,对养殖对象不至于产生明显的负面影响。但如果重复利用养殖水,则必须将养殖水体中的固体悬浮物(SS)控制在一定的浓度范围内。SS会降解,并消耗水体氧气、增加CO2、寄生致病菌,同时会堵塞鱼鳃和生物过滤器等[6],因此,SS是养殖水重复利用过程中要重点降低的水质指标之一。同时,越来越多的国家开始立法限制水产养殖过程中有机物的排放,养殖场不得不将固体颗粒物的处理纳入整改、规划和设计中去[7-9]。

本文分析了高密度养殖过程中固体物质的性质和产生规律,并对国内外现有的去除方法进行了陈述和比较,可为提高高密度养殖系统的养殖用水重复利用效率提供参考。

1 水产养殖循环水体中的固体悬浮物

1.1 概念

固体物指在设定温度条件下(103℃～105℃)蒸发后在容器中留下的物质。水样过滤后,滤液蒸干所得固体为溶解固体物(TDS);被滤纸截留的物质烘干后所得即为固体悬浮物(SS)。滤纸的孔径、孔隙率、面积、厚度、颗粒物的粒径和被滤纸截留物质的数量等对TSS和TDS的测定都有明显影响。根据文献[10],被孔径2.0μm(或者更小)的滤纸截留的物质称为TSS,通过滤纸的被称为TDS。关于滤纸的孔径,文献[11]中用的是1.2μm,文献[12]规定的是0.45μm。粪便和残饵是水体中TSS的主要来源。养殖水体中关注的主要是TSS。从化学成分上分,颗粒物又被划分为挥发性固体物质(VS)和固定性固体物质(FS)。

1.2 SS的粒径

养殖系统中,SS的粒径小到微米(μm)级,大至厘米(cm)级,绝大多数悬浮颗粒物的粒径大小范围都在0.4～900μm[13]。如果按重量划分,重复利用率比较高的水体中,粒径<35μm的SS占TSS的80%～90%[6];按体积分,23%～39%的颗粒物的粒径<100μm[14]。 牙鲆(Paralichthys olivaceus)养殖循环水中,≥100μm的固体颗粒水力粒径占比50%左右,<60μm的颗粒占比37%左右[15]。粒径5～10μm的SS被证明对养殖动物的危害性最大[16]。所以,那些较大颗粒SS(≥200μm)要尽快及时去除,否则,随着它们在系统内变得越来越小,会更加难以去除,对养殖过程的负面影响更加明显。[17]。

不同粒径的SS处理方式会有不同。可沉降颗粒(粒径≥100μm)可用沉淀收集法去除[18]。悬浮颗粒在1 h之内则不会沉降,因此用传统的重力沉淀方法去除,效果不理想。微细颗粒(粒径<35μm)和胶体颗粒(粒径小于1μm)容易在系统中积累[19]。溶解颗粒的粒径在0.001μm以下,广义上可以包括以溶解态存在的有机和无机的离子、分子(比如金属离子)。微细颗粒、胶体颗粒和溶解颗粒用重力方法不能去除,需要进一步深度处理[20]。

1.3 比重和沉降速度

APHA[10]对SS比重的定义为:充分吸水膨胀的固体颗粒与其所在水体的密度之比。研究表明,水体中颗粒物的平均比重为1.19,略重于其所在的水[21],用简单的快速沉降方法难以将其完全从养殖水体中去除。Patterson等[22]对10家养殖场的调查表明,颗粒的密度范围为1.01～1.20 g/cm3。沉降速度被用来描述颗粒物质的沉降性能。颗粒饲料的沉降速度为15～33 cm/s[23];循环水养殖水体中SS的沉降速度是 0.01～6.40 cm/s[23];虹 鳟(Oncorhynchusmykiss)养殖水体中可沉降颗粒的沉淀速度为1.7 cm/s[24];大西洋鲑(Salmo salar)的粪便颗粒沉降速度为4～6 cm/s[25];亚特兰大鲑(Actinopterygii salmonidae)的粪便颗粒沉降速度为5.1～6.4 cm/s[26]。尽管投喂相同的饲料,鲤鱼(Cyprinus carpio)和尼奥罗非鱼(Oreochromis niloticus)养殖水体中的颗粒物沉降速度分别为0.05 ～0.75 cm/s和0.18～1.5 cm/s[27]。

颗粒物的沉降速率是其尺寸、密度、形状以及养殖水的密度和粘滞度的函数,颗粒尺寸和沉降速率之间的关系符合斯托克斯定律[28]。但计算参数在实际应用时多不可得,所以需要对颗粒和水体的物理性质做假设[29]。

除了上述指标外,还要关注某些特殊状况,比如鮰鱼(Clarias gariepinus)养殖废水比其它养殖鱼类产生的废水带有更多难以去除的粘性物质[30];大多数鱼虾产生的是长线状粪便,但也有例外[31];淡水和海水养殖系统所产生的固体颗粒物质以及要求的去除手段也不同[29]。

1.4 其它理化性质指标

在已经发表的文献中,常把收集到的TSS称为污泥,用以下指标进行描述:溶氧(DO),pH,氧化还原电位(ORP),导电率(EC),总悬浮颗粒物浓度(TSS),挥发性悬浮固体(VSS),污泥体积指数(SVI),SO24-,H2S,凯氏氮(TKN),五日生化需氧量(BOD5),总磷(TP),总有机碳(TOC),化学耗氧量(COD)。SVI指SS∶TSS的值[32]。 上述指标的测定方法在APHA(10,11,12)及相关测试标准中均有标准测试流程。检测DO和ORP是为了检测环境中氧化和还原的状态。厌氧环境的ORP在-400 mV以下[33]。污泥的pH是一个重要指标,可以影响污泥的化学反应和生物反应,其指标基本呈中性[33]。EC是污泥盐度的一个指标,研究较少。

养殖废水中,7%～32%的N和30%～84%的P存在于固体物质中,固体物质中还含有一定数量的Na、K、Ca、Mg和Cl[34]。不同养殖对象生产过程中产生的污泥组分不同(表1),从表1可看出,差别比较明显[35]。

2 TSS的来源和产生量

广义上说,水产养殖系统中的废物指被收获的渔获物以外的其它任何物质[43]。水体中增加的所有废物都源于额外投入的饲料,主要是残饵和鱼类以固体、液体及气体形式排出的排泄物[17]。密度越高,每单位水体投入的饲料就越多,产生的TSS也就越多。一般认为11%～40%的投喂饲料(干重)会在养殖系统中以固体废弃物的形式存在[41]。据估算,循环水养殖鲑鳟鱼类8 138 t/年,会产生1 602 t/年的固体废弃物[42]。根据投饲计划可以估算TSS的产生量,为制定去除计划提供依据。

3 TSS对养殖水体的负面影响

TSS对鱼类及养殖系统的影响主要表现在:损害鱼鳃功能,降低鱼类生长速率[43];为致病微生物提供生活及隐蔽隐蔽场所,增加鱼致病的敏感性[44];堵塞生物滤器,降低生物处理的有效性[43];堵塞水路管道、水泵,造成水流不畅;TSS降解耗氧,产生二氧化碳、氨氮,增加生物过滤器的处理负担[41]。Liao等[45]认为养殖废水中有70%的氨氮来源与有机颗粒的降解有关。TSS的C∶N为8～30,会对硝化过程产生限制作用[48]。TSS在水体中停留的时间越长,碎裂成更小颗粒的几率就越大,去除难度也就更大[13,17]。粪便中营养物质释放的速度比颗粒饲料快3倍[49],15%的C、N、P会在数分钟内释放到水体之中(表2)。释放速率与粪便性质及温度有关,但不是线性关系。

表2 水产养殖水体中SS的DOC、DON和DOP释放Tab.2 Release of DOC,DON and DOP of SS from aquaculture water

国内相关标准中没有对养殖水体中TSS给予限定[52]。有研究者推荐20～40 mg/L为安全限度[5]。不同的养殖对象对SS浓度的耐受力也不同;其它水质参数可能也会影响鱼虾耐受高浓度TSS的能力。充足的氧气是提高养殖动物对TSS耐受能力的方式之一。

4 TSS的控制方法

控制TSS,首先要做好饲料选择和投饲管理,尽量提高饲料的利用效率,减少甚至避免残饵的产生。但如上文所述,在做好投饲管理和饲料选择后,仍会有11%～40%(饲料干重)的固体废物产生[3]。要有效去除这部分固废对水体的影响,至少需要做好两个环节:首先要从养殖池中及时、有效地把TSS移出来;其次是将SS和养殖水分离。去除水体中TSS的过程属于固液分离过程。常用的固液分离方法有沉淀、过滤、絮凝、浮选等。粒径大于100μm的TSS可通过沉淀池或机械网筛过滤去除,颗粒介质滤器能有效去除粒径20μm以上的 TSS(图1)[43,53-55]。除了考虑能耗、需要的反冲水量和去除效率等,还要关注是否在去除过程中把大粒径SS打碎成小粒径SS。

图1 水产养殖循环水中TSS的粒径分布、分类及处理方法Fig.1 Size distribution,classification and handling method of TSS in circulating aquaculture water

为了避免较大粒径TSS在经过水泵时被打碎成较小TSS,应在水流进入水泵前就将较大粒径TSS尽可能去除。水产养殖循环水中TSS的粒径分布、分类及处理方法见图1。

4.1 双排管法

把TSS从养殖池中尽快、有效地取出才能让后续的固液分离过程充分发挥作用。双排管是安装于养殖水槽中用于移出TSS的装置。在养殖池中使用双排管能够在几分钟内将产生的50%的残饵和粪便移出养殖池,实现养殖池的自我清洁[56]。双排管基于水力旋转的离心沉淀原理(图2),在圆形池底部中心和池壁中上部分别设管,颗粒物受到重力和向心力的影响,在水中向下、向中心迁移,移向底部的中心排水管后由专设的边排管路直接排到SS收集系统。流经中心管和边排管的水量占总交换水量的5%～15%,其余85%～95%的水量则通过池壁排水孔排出[57],池壁排水口出水含TSS较少,可不必进入固液分离装置。

4.2 沉淀

图2 双排管在养殖池(槽)的使用(左)和中央管工艺(右)Fig.2 Application of double-rowed pipe in aquaculture tank(Left)and process of central pipe (Right)

利用沉淀池去除大粒径TSS节能且简单。沉淀池普遍采用矩形水槽,按其功能分为进水区、沉淀区、污泥区和出水区。推荐水力停留时间为15～30min,水流速度低于0.5 cm/s,沉淀池长宽比以4∶1～8∶1为宜,水深1 m以上,能够去除至少80%的可沉淀SS[24],但水力负荷小,去除粒径小于100μm的SS效率低。与固液分离装置和填料滤器相比,沉淀池需要较大的空间。沉降后的残饵、粪便等颗粒物质,如果清理不及时,极易产生硫化氢(H2S),对养殖系统而言是极大的污染源。

为尽可能减少沉淀池占地面积,可以通过在内部增加阻塞物(如斜面沉降管)来增加沉降率。倾斜管沉降能有效去除微小SS。用复合管沉降对粒径70μm以上的 SS去除率达到80%,对>1.5μm的SS去除率达到55%[58]。斜面沉降管的缺点是不能自我清洁,必须使用其它方法来防止收集到的TSS发臭,因此要及时清理。

水力旋转去除方法(图3)利用离心沉淀原理[53],SS在随水流旋转的同时,受到向心加速度作用而向旋转中心迁移,当进水沿圆形槽切线方向进入即可产生旋转水流,无需专用搅动设备。水流负荷控制旋转速度。SS密度越大,分离效率就越高。养殖池设计成圆形有助于形成旋转流。采用水力旋转去除粒径小于50μm SS的效率不高,但去除TSS的效果尚可。在水力负荷122～ 124 L/(min·m2)的系统中,占总水流交换量5%～15%的中心管出水能去除80%～85%以上大于70μm的SS和90%以上粒径大于250μm的TSS[56]。低压水力旋流器(LPH)是常用的一种装置,适宜于去除密度在2 g/cm3以上的SS,可以去除56%～71%干重的颗粒物[27,60]。

4.3 微孔过滤

图3 旋流去除方法工艺(左)及低压水力旋流沉淀池(右)Fig.3 A swirl separator(Left)and low-pressure hydrocyclone setting tank (Right)

微孔过滤(图4)是指用筛网拦截流经水体中粒径比网筛孔径大的颗粒物的方式,与沉淀池相比所需空间较小,不需要为水流通过增加额外的水头压力,是目前养殖水体TSS应用最广泛的方式[59]。依据过滤面的不同,分为转筒式、转盘式、履带式、静斜面式和弧形筛等。微孔过滤器能去除22%～70%的粒径60μm以上的SS[61]。但因过滤面积有限,在密度较高的养殖系统中,需要反冲洗的频率也比较高,因此网筛的孔径不可能太小,对60μm以下粒径的TSS去除效果不明显。用沉淀池作为微孔过滤器的前处理,可以将微滤器对60～100μm粒径的 SS去除效率提高到97%,反冲周期从4 d延长到3周[61]。

图4 典型网筛过滤方式工艺及过滤器Fig.4 Typical filtering with mesh screen and filter

土工布过滤是近5年才被用于养殖固体废弃物的去除和浓缩的。土工布最大的优点是不需要什么构筑物,投资成本较少,但运行成本高,需要更换,为了提高过滤效率,需要加入絮凝剂[62]。土工布能够最大程度地缩小污泥体积,可用于养殖系统尾排水的污泥浓缩或应急用。

4.4 填料过滤

填料滤器(图5)借助填料的截留功能,通过拦截、吸附、聚凝等在水流通过滤床时截留SS[59]。填料过滤器的运行需要增加足够的水头压力,也被称为机械滤器或压力滤器。常见的填料有颗粒介质(GM)和多孔介质(PM),相应的处理器常被称为颗粒滤器和介质滤器。

颗粒滤器运作于有单一介质(直径3～5 mm的聚乙稀球或石英砂)或复合介质、下流水式或上流水式,或几种形式的组合,其操作方式相同,且都需反冲。下流水加压砂滤器能够在低水力负荷条件下去除源水中微小TSS,被广泛应用于养殖用水的预处理,但很少用于养殖废水的初级过滤。因为即使设计负载能力再合理,也无法承受高密度养殖产生的大量SS和由此带来的不断的反洗工作。为了使滤器保持一定的运行效率,须用电动螺旋桨或曝气的方法冲洗填料。被填料截留的SS会一直留在滤器中直到开始反洗,其间有30%～40%的SS被降解,增加氧气消耗量、异养菌数量、化学需氧量及氨氮的量[59],需要及时清理。

流化床是颗粒过滤器的一种形式,可以同时具有硝化作用和SS过滤作用。Davidson等[63]的研究表明,在膨化率15%～80%、砂砾直径0.11～ 0.19mm、水流速度61～151 L/min的条件下,进水的TSS低于10mg/L,TSS的去除效率为33%～ 52%;进水的TSS为20 mg/L时,TSS的去除效率为58%～71%。

多孔介质滤器是指用矽藻土、活性碳等孔隙丰富和比表面积较大的材料作填料的滤器。它利用填料的吸附功能,因而具有良好的去除微小粒径SS的效果,但容易饱和,处理负荷有限,多被用于养殖源水的二级处理,或作应急使用,也可用于对水质有较高要求的循环水养殖系统的水质优化处理,如育苗系统等[58]。

4.5 泡沫分离

图5 沉淀工艺(左)、压力砂滤器工艺及装置(中和右)Fig.5 Sedimentation process(Left),pressurized sand filter process and equipment (Middle and Right)

泡沫分离过程是指向水体中通入空气,使水中的表面活性物质被微小气泡吸附,并借气泡的浮力上升到水面形成泡沫,从而去除水中溶解物和微小悬浮物。典型的泡沫分离器(图6)可由一个简单的气泡圆柱体表示。气泡圆柱体由两部分组成,下部为液体段,上部为泡沫段,也可称为泡沫层反应器[59]。溶解物和悬浮物从溶液中向气泡转移的吸附过程主要发生在上段,而泡沫的富集则在下段。

泡沫分离过程可以有效去除胶体物质和粒径小于30μm的SS,对粒径较大的SS也有效。有研究表明,30min时间内,泡沫分离能够去除流经水体中40%的粒径0.5～50μm的SS[53]。有效去除小微小粒径的SS,对于保持水体的透明度、减少生物过滤器反冲次数有明显作用。泡沫分离过程应用比较简单,但因水力停留时间比较长,处理量也有限,虽然单次效果不错,但对整个系统中SS的去除贡献有限。淡水中使用泡沫分离的效果不及海水。

4.6 贝类净化

图6 泡沫分离原理(左)及泡沫分离器(右)Fig.6 Foam separation principle(Left)and foam separator (Right)

养殖水SS可以作为贝类需要的营养物质,因此利用贝类去除养殖水中的SS是一种废物的多级利用方式。Jones等[64]的研究表明,24 h内牡蛎可去除养虾池中12%的TSS。Ramos等[65]研究了进水浓度为2～5 g/L的养虾水体,6h的水力停留时间可去除50%～70%的TSS。不过贝类对SS也有一定的承受范围,所以在实际使用过程中需要先沉淀,再进入贝类净化池。目前主要应用于含盐水体的净化。

5 结论

颗粒物不仅对养殖对象有直接影响,对其他水处理单元的效率也有影响,是水产养殖水体重复利用和排放的限制性指标。可以根据水体的投饲量估算需要去除的颗粒产生量。提高饲料利用效率,能够减少颗粒物的产生量;颗粒物在水体中会在数分钟内释放相当数量的C、N、P等营养物质,应尽可能快地把SS从养殖池中移出;大粒径颗粒物容易去除,5～10μm粒径的颗粒对养殖动物的负面影响最明显,且最不易被去除。使用双排管可以有效地将养殖池中的SS排出养殖池;选择固液分离技术时,除了要考虑去除的粒径、水头损失、水力负荷以及总体去除效率,还需考虑有没有在去除过程中会把大粒径颗粒碎成小粒径颗粒从而增加总体去除难度。沉淀池需要及时清理沉淀物;网筛过滤只能去除60μm以上的粒径;填料滤器处理效率较高,但在处理高密度养殖系统出水时容易堵塞,需要频繁反洗。泡沫分离在处理0.5～30μm粒径时非常有效。贝类净化也是去除水体中颗粒的有效方法。

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Properties and control of suspended solids during reuse of aquaculture water

LUO Guozhi,CHEN Xiaoqing,TAN Hongxin
(College of Fisheries and Life Science,Shanghai Ocean University,Shanghai,201306)

Particles not only have direct influences on cultured species,but also affect the efficiency of other water processing elements,thus becoming a restrictive indicator for reuse and discharge of aquaculture water. This paper summarizes descriptive indicators of properties of solids in aquaculture water,analyzes the source of particles during cultivation based on characteristics of aquaculture,and estimates particles necessary to be removed based on water feeding quantity;italso introduces the method to remove residual feeds and excrement from the aquaculture tank with double-rowed pipe as quickly as possible;finally it concludes several common solid-liquid separation techniques.When solid-liquid separation techniques are selected,the size of particles removed,head loss,hydraulic loading and overall removal efficiency,as well as whether it is likely to break particles of large size into particles of small size during removal so that the difficulty in removal is increased on the whole should be considered.

aquaculture;circulating water;particle;solid-liquid separation

S959

A

1007-9580(2017)03-015-10

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.003

2017-05-05

上海市科学技术委员会资助项目(14320501900)

罗国芝(1974—),女,副教授,博士,研究方向:循环水养殖系统与工程。E-mail:gzhluo@shou.edu.cn