水产养殖废水复合生态调控技术应用研究
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外养殖废水处理技术 1
1.3 生态浮床技术的简介 3
1.4 本课题的研究意义 4
1.5 研究内容及方法 4
2 实验部分 5
2.1 实验仪器和设备 5
2.2 实验药品 6
2.3 实验方案 7
3 实验结果与讨论 9
3.1 滤料层填料对水产养殖废水的净化效果 9
3.2 植物对水产养殖废水的净化效果 12
3.3 曝气充氧和循环布水对养殖废水的处理的影响 13
3.4 综合养殖实验 16
结论 24
致谢 25
参考文献 26
1 绪论
1.1 研究背景
中国是世界上最大的水产养殖国家[1]。根据有关数据，池塘养殖是我国面前水产养殖的主要方式[2]，至2011年，淡水池塘养殖面积2449.91千公顷，养殖产量2471.93万吨，占总产量的48.1%。池塘养殖存在的水资源浪费、食品安全、养殖污染等问题日益突出。据张大弟等人研究统计，我国池塘养殖每生产1kg鱼，需耗水3~13.4m3，照此推算，2011年，池塘养殖产量2471.93万吨的水产品的年需水量约为7.23~32.3×1010m3/年，相当于2011年全国总供水量6017.2亿m3的27%，在水资源的配置中占了很大的比重[3]。虽然养殖水最终返还自然，但是排放水是污染水，在养殖过程中，养殖水体的溶解氧（DO）含量、pH、水体透明度、化学需氧量（COD）、氨氮及亚硝态氮浓度是影响鱼、虾类生长与繁殖的关键因子。相关研究表明，氨氮或 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
亚硝态氮浓度过高会对鱼、虾类产生强烈的毒害作用，甚至造成死亡，水产养殖产生的富含氮磷的废水排放到河流、湖泊等水体中，容易造成水体的富营养化，同时，养殖废水的大量排放还污染了地下水源，制约农业生产的可持续发展。因此，对养殖废水的净化及循环再利用已成为水产养殖过程中降低水体污染、节约水资源的重要内容。虽然现如今已有工厂化循环水养殖，但工厂化循环水养殖能耗高，投入大，同时，在大规模的养殖过程中，为了减少鱼类病变感染，增加产量，缩短养殖周期，会投入大量的抗生素、激素等[4]，这类物质最终会流向餐桌，进入人体，食品安全着实让人担心。而节水、环保、健康、安全的封闭式水产养殖模式已经能够实现养殖业的可持续发展与生态环境的和谐统一。在封闭式水产养殖中依靠生物自然净化的循环水鱼塘养殖或原位修复水产养殖废水的技术可显著提高水资源利用率[5]，大大降低能耗和投资，实现养殖废水的零排放，减少对生态环境的污染破坏，避免使用化学制剂以保鱼类卫生，这些较工厂化养殖有很大的优势。且由于工厂化养殖普及难度较大，因此对封闭式养殖废水处理技术的研究显得十分必要。
1.2 国内外养殖废水处理技术
国内外养殖废水处理技术主要有物化法、反应器法和生物法。
物理法是根据用水和废水的物理特性，通过机械、物理的方法除去水中悬浮物质或有害气体，处理技术主要包括过滤、中和、吸附、沉淀、曝气等处理方法。对于工厂化养殖废水的外排和循环利用处理，机械过滤和泡诛分离技术处理效果较好[6]。化学法是利用臭氧、过氧化氢、二氧化氯、漂白液等化学氧化剂的氧化作用，氧化分解难生物降解溶解态有机物。这是养殖废水深度处理的主要手段。
反应器法主要是好氧生物处理，包括活性污泥法和生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、序批式活性污泥、A/O及氧化沟等，釆用好氧技术对畜禽废水进行生物处理研究的较多的是水解与SBR结合的工艺。目前国内养殖场废水处理主要釆用的是上流式厌氧污泥床及升流式固体反应器工艺[7]。
生物法主要是生物过滤，指任何釆用活体生物去除水中杂质的废水处理技术，生物过滤包括植物过滤、微生物过滤、动物过滤等，在养殖废水中的得到广泛应用[8]。微生物能很好地分解养殖生物排泄物、残傅以及浮游植物残体等有机物，从而达到净化环境的目的；同时微生物链在水质净化中通过氧化、还原、光合、同化、异化把有机物转变为简单的化合物，从而维持了水生生态系统中水生生物、病原、水质间的平衡[9]。利用微藻类处理水产养殖废水也是一项污水资源化生物技术，可以克服传统污水处理方法易引起二次污染、潜在营养物质丢失、资源不完全利用等弊端。微藻类处理技术包括藻类塘、活性藻、固定化藻类、光生物反应器等。利用微藻类处理水产养殖废水，一方面可以净化污水能够有效并低成本地去除造成水体富营养化的氮、楼等营养物质，另一方面可以获得有价值的藻类，促进养殖业的可持续发展[10]。水生高等植物的生长可将水中各种溶解性、悬浮性和沉积性的营养物质固定在水生高等植物体内，还可以从底泥中吸收各种营养物质，降低底泥中营养物质的含量[11]。其中，生物膜滤器存在生物膜熟化时间长，需要定期反冲洗，容易造成确态氮积累等缺点[12],又植物滤器单独使用对养殖废水中有机物去除效率较低，因此通过大型海藻过滤、生物膜过滤和动物过滤复合处理养殖循环水技术，优势互补，达到水质净化和废物综合利用的目的。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[13]。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；2)提高闭合水产养殖系统的生产力；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确酸盐的积累问题；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[14]，但我国在该领域的研究还欠缺。
1.3 生物浮床技术的简介
1.3.1 生物浮床技术的概念
生物浮床是一种在人工湿地基础上发展起来的环境生物修复技术，具有水力负荷大、处理效果好、能耗低等特点。通过建立人工生态系统，可以充分利用廉价高效的吸附基质，并将物理沉淀、过滤吸附和系统中植物、动物和微生物的降解功能及其协同作用综合起来[15]。复合生态滤床的工作原理是先由滤床基质吸附水中的污染物质，再利用植物和微生物吸收基质上的污染物质，从而使基质长期保持良好的吸附能力。同时，通过植物的根系复氧能力，使基质得到再生，最终实现生态修复污染水体的目的[16]。
1.3.2 生物浮床技术在养殖废水处理中的研究进展
生物浮床技术始于上世纪70年代，德国学者于上世纪80年代设计出了现代生物浮床，我国于1991年始推广浮床技术[17]。大量研究表明生态浮床对TN、TP 等污染物的去除率较高，一般在60%以上，最高可达90%以上。Andre 等[18]以黑麦（LoliumperenneLam）和苋菜（Amaranthus viridis）为生物浮床处理养殖废水，发现对NH4+-N、NO2--N 和NO3--N 的去除率分别为88.9%和87.2%、90%和82%、64.8%和60.5%，对金属污染物也有一定的去除效果。Damon 等[19]建立的罗非鱼-莴苣复合养殖生态系统，NO3--N 和P 的含量在运行28 d 后有明显下降。陈家长等[20]研究了浮床栽培水蕹菜对集约化养殖鱼塘的净化作用，结果表明浮床栽培水蕹菜能够促进水体物质循环，加强水体自净功能，20%的水覆盖面积时最具实用价值。李秀艳等[21]的生物栅技术修复水体试验结果表明，泥鳅能增加生物栅对TP 和NH4+-N的处理效率，泥鳅的运动方式能够增加生物栅氧恢复速率和溶解氧水平。李欲如等[22]在低温条件下研究了水芹菜、多花黑麦草以及大蒜等3 种耐寒植物对富营养化水体的净化效果，结果表明3 种植物在水温4～10℃的条件下均生长良好，对水体中TN、NH4+-N、TP 和COD都有较高的去除率，对藻类的抑制率达到88.4%～92.3%，丰富了寒冷季节污水处理的方法。目前，生物浮床已经应用于大型水库、湖泊、城市河道、运河等水域的生态修复方面，并取得了较好的净化效果。
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外养殖废水处理技术 1
1.3 生态浮床技术的简介 3
1.4 本课题的研究意义 4
1.5 研究内容及方法 4
2 实验部分 5
2.1 实验仪器和设备 5
2.2 实验药品 6
2.3 实验方案 7
3 实验结果与讨论 9
3.1 滤料层填料对水产养殖废水的净化效果 9
3.2 植物对水产养殖废水的净化效果 12
3.3 曝气充氧和循环布水对养殖废水的处理的影响 13
3.4 综合养殖实验 16
结论 24
致谢 25
参考文献 26
1 绪论
1.1 研究背景
中国是世界上最大的水产养殖国家[1]。根据有关数据，池塘养殖是我国面前水产养殖的主要方式[2]，至2011年，淡水池塘养殖面积2449.91千公顷，养殖产量2471.93万吨，占总产量的48.1%。池塘养殖存在的水资源浪费、食品安全、养殖污染等问题日益突出。据张大弟等人研究统计，我国池塘养殖每生产1kg鱼，需耗水3~13.4m3，照此推算，2011年，池塘养殖产量2471.93万吨的水产品的年需水量约为7.23~32.3×1010m3/年，相当于2011年全国总供水量6017.2亿m3的27%，在水资源的配置中占了很大的比重[3]。虽然养殖水最终返还自然，但是排放水是污染水，在养殖过程中，养殖水体的溶解氧（DO）含量、pH、水体透明度、化学需氧量（COD）、氨氮及亚硝态氮浓度是影响鱼、虾类生长与繁殖的关键因子。相关研究表明，氨氮或 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
亚硝态氮浓度过高会对鱼、虾类产生强烈的毒害作用，甚至造成死亡，水产养殖产生的富含氮磷的废水排放到河流、湖泊等水体中，容易造成水体的富营养化，同时，养殖废水的大量排放还污染了地下水源，制约农业生产的可持续发展。因此，对养殖废水的净化及循环再利用已成为水产养殖过程中降低水体污染、节约水资源的重要内容。虽然现如今已有工厂化循环水养殖，但工厂化循环水养殖能耗高，投入大，同时，在大规模的养殖过程中，为了减少鱼类病变感染，增加产量，缩短养殖周期，会投入大量的抗生素、激素等[4]，这类物质最终会流向餐桌，进入人体，食品安全着实让人担心。而节水、环保、健康、安全的封闭式水产养殖模式已经能够实现养殖业的可持续发展与生态环境的和谐统一。在封闭式水产养殖中依靠生物自然净化的循环水鱼塘养殖或原位修复水产养殖废水的技术可显著提高水资源利用率[5]，大大降低能耗和投资，实现养殖废水的零排放，减少对生态环境的污染破坏，避免使用化学制剂以保鱼类卫生，这些较工厂化养殖有很大的优势。且由于工厂化养殖普及难度较大，因此对封闭式养殖废水处理技术的研究显得十分必要。
1.2 国内外养殖废水处理技术
国内外养殖废水处理技术主要有物化法、反应器法和生物法。
物理法是根据用水和废水的物理特性，通过机械、物理的方法除去水中悬浮物质或有害气体，处理技术主要包括过滤、中和、吸附、沉淀、曝气等处理方法。对于工厂化养殖废水的外排和循环利用处理，机械过滤和泡诛分离技术处理效果较好[6]。化学法是利用臭氧、过氧化氢、二氧化氯、漂白液等化学氧化剂的氧化作用，氧化分解难生物降解溶解态有机物。这是养殖废水深度处理的主要手段。
反应器法主要是好氧生物处理，包括活性污泥法和生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、序批式活性污泥、A/O及氧化沟等，釆用好氧技术对畜禽废水进行生物处理研究的较多的是水解与SBR结合的工艺。目前国内养殖场废水处理主要釆用的是上流式厌氧污泥床及升流式固体反应器工艺[7]。
生物法主要是生物过滤，指任何釆用活体生物去除水中杂质的废水处理技术，生物过滤包括植物过滤、微生物过滤、动物过滤等，在养殖废水中的得到广泛应用[8]。微生物能很好地分解养殖生物排泄物、残傅以及浮游植物残体等有机物，从而达到净化环境的目的；同时微生物链在水质净化中通过氧化、还原、光合、同化、异化把有机物转变为简单的化合物，从而维持了水生生态系统中水生生物、病原、水质间的平衡[9]。利用微藻类处理水产养殖废水也是一项污水资源化生物技术，可以克服传统污水处理方法易引起二次污染、潜在营养物质丢失、资源不完全利用等弊端。微藻类处理技术包括藻类塘、活性藻、固定化藻类、光生物反应器等。利用微藻类处理水产养殖废水，一方面可以净化污水能够有效并低成本地去除造成水体富营养化的氮、楼等营养物质，另一方面可以获得有价值的藻类，促进养殖业的可持续发展[10]。水生高等植物的生长可将水中各种溶解性、悬浮性和沉积性的营养物质固定在水生高等植物体内，还可以从底泥中吸收各种营养物质，降低底泥中营养物质的含量[11]。其中，生物膜滤器存在生物膜熟化时间长，需要定期反冲洗，容易造成确态氮积累等缺点[12],又植物滤器单独使用对养殖废水中有机物去除效率较低，因此通过大型海藻过滤、生物膜过滤和动物过滤复合处理养殖循环水技术，优势互补，达到水质净化和废物综合利用的目的。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[13]。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；2)提高闭合水产养殖系统的生产力；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确酸盐的积累问题；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[14]，但我国在该领域的研究还欠缺。
1.3 生物浮床技术的简介
1.3.1 生物浮床技术的概念
生物浮床是一种在人工湿地基础上发展起来的环境生物修复技术，具有水力负荷大、处理效果好、能耗低等特点。通过建立人工生态系统，可以充分利用廉价高效的吸附基质，并将物理沉淀、过滤吸附和系统中植物、动物和微生物的降解功能及其协同作用综合起来[15]。复合生态滤床的工作原理是先由滤床基质吸附水中的污染物质，再利用植物和微生物吸收基质上的污染物质，从而使基质长期保持良好的吸附能力。同时，通过植物的根系复氧能力，使基质得到再生，最终实现生态修复污染水体的目的[16]。
1.3.2 生物浮床技术在养殖废水处理中的研究进展
生物浮床技术始于上世纪70年代，德国学者于上世纪80年代设计出了现代生物浮床，我国于1991年始推广浮床技术[17]。大量研究表明生态浮床对TN、TP 等污染物的去除率较高，一般在60%以上，最高可达90%以上。Andre 等[18]以黑麦（LoliumperenneLam）和苋菜（Amaranthus viridis）为生物浮床处理养殖废水，发现对NH4+-N、NO2--N 和NO3--N 的去除率分别为88.9%和87.2%、90%和82%、64.8%和60.5%，对金属污染物也有一定的去除效果。Damon 等[19]建立的罗非鱼-莴苣复合养殖生态系统，NO3--N 和P 的含量在运行28 d 后有明显下降。陈家长等[20]研究了浮床栽培水蕹菜对集约化养殖鱼塘的净化作用，结果表明浮床栽培水蕹菜能够促进水体物质循环，加强水体自净功能，20%的水覆盖面积时最具实用价值。李秀艳等[21]的生物栅技术修复水体试验结果表明，泥鳅能增加生物栅对TP 和NH4+-N的处理效率，泥鳅的运动方式能够增加生物栅氧恢复速率和溶解氧水平。李欲如等[22]在低温条件下研究了水芹菜、多花黑麦草以及大蒜等3 种耐寒植物对富营养化水体的净化效果，结果表明3 种植物在水温4～10℃的条件下均生长良好，对水体中TN、NH4+-N、TP 和COD都有较高的去除率，对藻类的抑制率达到88.4%～92.3%，丰富了寒冷季节污水处理的方法。目前，生物浮床已经应用于大型水库、湖泊、城市河道、运河等水域的生态修复方面，并取得了较好的净化效果。
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