循环水养殖系统中悬浮颗粒物去除装备研究进展*

周亮，唐荣，刘兴国，程果锋，顾兆俊，刘士坤

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海市,200092)

0 引言

随着集约化养殖技术的不断发展,无公害生态养殖模式已成为技术更新的方向,工厂化循环水养殖已经提上日程。循环水养殖系统(Recirculating Aquaculture System,以下简称RAS)是一种通过物理和生物等处理方式对池塘养殖尾水进行循环利用,使养殖安全生产可持续化的高效环保系统[1]。与传统的池塘养殖模式相比,RAS节约保护耕地资源,并将传统的“静水”养鱼模式转变成了“流水”养鱼模式,在保持养殖池内水环境质量相对较好的同时,又能提高成品养殖鱼类的产量,并且在废水利用、病害防控等方面有着无与伦比的优势[2-4]。目前,构建技术先进、结构紧凑、高效处理的RAS已成为高密度水产养殖先进生产力的研究热点,但悬浮颗粒物作为影响养殖水体和养殖对象的主要因素,一直难以得到彻底解决,主要是因为在RAS中,95%以上的悬浮颗粒物直径小于20 μm,悬浮颗粒物密度较小,难以去除[5-7]。因此,控制和去除高密度养殖过程中产生的固体悬浮颗粒物,成为RAS是否能够稳定高效运行的前提。

基于此,本文首先介绍悬浮颗粒物的来源和危害,引出水产养殖过程中使用的悬浮物颗粒物去除装备,从沉淀、旋流、泡沫分离、臭氧氧化、孔过滤和生物过滤几大方面介绍目前装备的研究进展,最后对后续装备研发进行展望。

1 悬浮颗粒物

1.1 产生和危害

悬浮颗粒物是影响养殖水质的重要因素之一,泥沙等无机悬浮颗粒物占到主要部分,有机悬浮颗粒物中,腐质和细菌是主要的组成部分[8],根据Holan等[9]的研究发现,25%的饲料会转换成悬浮物。若在没有去除悬浮颗粒物的情况下继续投喂,大量堆积的悬浮颗粒物得不到有效处理,养殖水体中的悬浮颗粒物会不断累积并分解钙化,则会导致水质浑浊,水体中产生氨氮等有害物,大颗粒的悬浮物还会损害鱼鳃,直接危害水体中鱼体的健康。水产品安全与人体健康密切相关,在这种严峻的形势下,环保相关部门出台政策,对水产养殖过程中产生的排放水进行监管,保证养殖品种健康生长[10]。因此,为了使排放水达标、鱼类能够健康生长,循环水养殖系统中亟需研发出能够快速有效去除悬浮颗粒物的设备。

1.2 悬浮颗粒物的评估

悬浮颗粒物的质量浓度及粒径分布(Particle Size Distribution,PSD),是评估水体中悬浮颗粒物的成分及分布特征的重要参数,具体为:养殖水体中不同粒径颗粒物占总颗粒物的百分比。养殖系统中悬浮颗粒物的粒径范围会受许多因素的影响而波动,例如投料量、水流大小、鱼类活动、季节更替等人为和环境因素[11-13]。杨建雷等[14]研究发现,养殖草鱼、鲢鱼和鲤鱼混养的池塘中悬浮颗粒物的浓度受到鱼类活动影响较多,具体的悬浮颗粒物浓度范围为18.89～116.27 mg/L,其中颗粒有机物占到50.08%,以此为指标设计构建了一种鱼类混养模式,在混养共同作用下,水体中悬浮颗粒物得到了稳定性控制。段姗杉等[15]研究了大西洋鲑循环水养殖系统中悬浮颗粒物的影响因素,结果显示,悬浮颗粒物粒径范围较为稳定,98.36%为1～3 μm的颗粒物,1.63%为3～15 μm的颗粒物,分布规律为:粒径越大,数量越小,体积也越大,表面积先减小后增大。试验中使用的泡沫分离器和浸没式生物滤池对悬浮颗粒物都一定的去除能力,而微滤机没有起到去除作用。Xu等[16]为了收集悬浮颗粒物的粒径分布状况,从50个池塘收集了50份池塘水样品,试验显示悬浮颗粒物浓度范围为0.7～485 mg/L,其中投料对水体中悬浮颗粒物浓度影响最大。Sarkar等[17]设计了一种生态可持续的池塘尾水处理系统,经过监测,池塘表层水体的悬浮颗粒物浓度范围为60～400 mg/L,下层水体的悬浮颗粒物浓度范围较大(80～510 mg/L),然而随着尾水在处理系统中循环使用,下层水体的悬浮颗粒物浓度沉降速率比上层快。说明在养殖水体中,大重量的悬浮颗粒物会下降到池底,微细颗粒悬浮物会随着鱼类活动一直漂浮在中层水体中,因此,悬浮颗粒物去除装备对鱼类健康、生态环保具有重要意义。

2 悬浮颗粒物去除装备

养殖过程中,鱼类活动会影响水体中悬浮颗粒物的质量浓度及粒径分布,水体中的悬浮颗粒物的浓度和粒径还会随着人为和环境因素变化,不同的悬浮颗粒物的浓度和粒径对应着不同的去除工艺,目的是达到RAS中循环水的水质要求。根据悬浮颗粒物浓度范围,罗国芝等[18]给出了循环水中不同粒径的颗粒物对应的去除方法(图1),可以看出大致分为沉淀和过滤两大方面。

目前,在环保业、农业、工业中,用于处理悬浮颗粒物的去除设备有很多,下面将从大粒径颗粒去除(沉淀、旋流和孔过滤)和微细颗粒去除(泡沫分离、臭氧氧化和生物过滤)两大方面进行介绍。

图 1 不同粒径颗粒物的去除方法

2.1 沉降分离

沉降分离是利用悬浮颗粒物自身的重力进行沉淀处理,因此分离出的颗粒物大多是质量较大的。沉降分离技术简单、运行费用较低,沉淀池在早期被广泛应用,但因其占地面积较大,产生难闻臭味等原因逐渐被固定式装置取代[19]。目前在循环水的预处理过程中,使用较多的是固定式沉降桶。

Fleite等[20]设计了一种分散式片层沉降器,该设备可以很好地去除有机物,试验完成后,可以清楚看到浑浊度明显下降,经检测,化学需氧量去除率为98%,磷去除率为95%。这种分散式片层沉降器结构简单,成本低廉,在水力驱动下颗粒物处理效果较好,但是沉淀物后续处理困难,较多的沉淀物在清理不干净的情况下会导致二次污染。为此,张成林等[21]设计了一种多向流的重力沉淀装置(图2),该装备添加了集污仓和排污口,可以有效排出收集到的沉淀颗粒物,试验在流水条件下进行,以悬浮颗粒物去除率为参数,评估了装置的性能,最终数据显示,颗粒物最高去除率可达68.57%,粒径大于60 μm的颗粒物去除率高达90.3%。柴金龙等[22]利用水力旋转的离心沉降原理,在鱼池底部安装一种双层结构的沉淀分离设备(图3),该设备利用水动力学,将沉淀物和清水分离,分离过程高效简单,后续水处理环节大大减少,同时,具有节水、节能、节地以及可为农业生产提供高浓度优质有机肥的特点。在预处理循环水环节被广泛应用,但其处理效果有限,只能去除90%以上的大粒径颗粒物,因此,还需要进行下一步处理环节。

2.2 旋流分离

旋流分离是利用差速离心沉降原理,水体中的粗颗粒和细颗粒之间存在粒径差异和密度差异,在水力达到要求的情况下形成旋流,粗颗粒会从排污口排出,而细颗粒进入溢流管,从而达到分离的目的。李建平等[23]通过计算流体模拟试验设计了一种养殖水体固液分离设备(图4),试验表明,验证试验结果与模拟结果误差在10%以内,旋流分离设备能够较好地去除水体中的大颗粒悬浮物。Pfeiffer等[24]在罗非鱼养殖池中设置了旋流分离系统(图5)来去除悬浮颗粒物,并且测试了其去除效率,试验结果显示,粒径大于250 μm的悬浮颗粒物去除效率较高(90%),而粒径较小的悬浮颗粒物去除效率为50%,加大旋流分离器中的水流速度能够提升去除效率,但是成本会增加。

图4 固液分离设备

图5 旋流分离器系统

旋流分离相对于沉降分离更加高效,维护成本低,占用空间小,并联可提高水处理效率。但缺点也存在:对于比重较小的悬浮颗粒物去除效率较低,排污口容易堵塞需要人工定时清理。因此,这就需要研究学者在后续工艺上做出改善。

2.3 泡沫分离

泡沫分离技术对于微小颗粒物的去除极其有效,目前在造纸业、食品业都有一定的技术涉及,随着集约化养殖带来的废水处理问题日趋严重,国内RAS中悬浮颗粒物去除遭遇技术瓶颈,泡沫分离技术引起了研究学者的重点关注。

泡沫分离技术,是利用水体中的溶解物和悬浮物能够吸附在气泡上的原理,气泡的浮力将这些颗粒物带到水面富集于泡沫,经过排污口排出,水中的溶解物和悬浮物通过这样的方式得到去除。孙大川等[25]研究了泡沫分离器(图6)运用于养殖系统水质净化时的性能,在研究过程中,使用了不同工况下的养殖尾水,经过数据对比发现,泡沫分离器对悬浮颗粒物的去除效果较好,增加水力停留时间可以提高悬浮颗粒物的去除效率,在最优运行条件下泡沫分离器的去除效率高达72.66%。泡沫分离器的性能和产生的泡沫息息相关,泡沫越小,性能越好。季明东[12]设计了一种射流式泡沫分离器(图7),该泡沫分离器产生的气泡规格可控制,在对不同粒径的悬浮颗粒物进行分离试验后,数据显示,粒径小于90 μm的悬浮颗粒物去除效果比较理想,尤其是小于10 μm和50～90 μm的悬浮颗粒物去除效果尤为明显,但是,对于粒径在90 μm以上的悬浮颗粒物去除效果并不理想。为此,Gregersen等[26]在虹鳟鱼池中设计了对比试验,将泡沫分离器和臭氧分开进行试验,结果显示,单独使用泡沫分离器,水体中的悬浮颗粒物数量和体积降低(58%和62%),水浊度降低了62%,细菌活性减少54%,生化需氧量(BOD)减少51%;两者结合,水体中的悬浮颗粒物数量显著降低89%,水浊度降低了79%,细菌活性减少90%,BOD减少75%。Gesto等[27]尝试将泡沫分离器与臭氧技术相结合,试验结果显示,悬浮颗粒物的数量和体积分别减少了89%和76%,水浊度明显提升。这证实了泡沫分离器和臭氧相结合可能成为控制淡水RAS中有机物富集和细菌负荷的有用工具。

图6 泡沫分离器

图7 射流式泡沫分离器

泡沫分离器对于细微悬浮颗粒物的去除效果较为理想,但是还存在某方面的短板,例如,泡沫分离器不能用在淡水水体,这是因为淡水中缺乏电解质,而形成泡沫需要电解质的参与,所以在淡水中形成的泡沫少而易破碎,直接影响泡沫分离器的分离效率。另外,泡沫分离器还会去除尾水中的微量元素,因此,当尾水处理回用时,需要适当控制。

2.4 臭氧氧化

臭氧具有强氧化性,在处理循环水中悬浮物、杀灭有害病菌方面具有很大优势,另外臭氧在水中的最终产物主要是氧气,相比于其他杀菌物,臭氧绿色环保无公害,因此臭氧发生器在RAS处理循环水中得到了广泛的应用。运用在水产养殖中的臭氧发生器,最早是由Honn等[28]设计的,这种小型的高输出臭氧发生器(图8)最高输出的臭氧可达14.2 L/min。宋奔奔等[29]设计了一套养殖系统,并将臭氧运用在系统中,评估了臭氧处理系统中循环水的性能,数据显示,水体中的悬浮颗粒物去除率为59%,颗粒物浓度为8 mg/L。单独配一套臭氧发生器价格比较昂贵,为此,陶雷等[30]将增氧和臭氧消毒结合,设计成一体机(图9),该臭氧机的增氧能力为4.5 kg/h、臭氧浓度为0.1～0.3 mg/L,具有杀菌和增氧双重功效。

图8 臭氧发生器结构图

图9 一体机结构图

为增强臭氧去除悬浮颗粒物效果,Guo等[31]设计了一种利用臭氧增强的陶瓷膜—生物活性炭混合工艺系统(图10)来处理污水,结果表明去除颗粒物可达99%,但臭氧预处理改变了原水组分,对有机物和亚硝酸盐的去除产生了负面的影响。

图10 混合工艺系统示意图

2.5 孔过滤

孔过滤技术的原理十分简单,利用孔滤膜的均一孔径性质,来拦截水中的颗粒物。常见的设备有固定筛、弧形筛、转鼓式微滤机和浮式滤床等。过滤设备的核心就是过滤网,通常根据水体中要处理的颗粒物大小,来选择不同孔径大小的过滤网。

2.5.1 固定筛、振动筛和微滤机

固定筛(图11)是应用最早的水处理装置之一,其结构简单,去除效率由筛孔的大小决定,通常循环水经过固定筛后,粒径大于筛孔大小的颗粒物会被截留下来,随着装置工作一段时间后,筛孔会被堵塞。因此,固定筛需要暂停工作,将滤网取出并进行清洗。当筛孔较小时,机械方法清洗不干净,滤网只能采用高压水枪清洗,当堵塞严重时,还需更换滤网。

图11 固定筛结构图

为了避免筛孔堵塞,研究学者研发出振动筛装置,其原理与固定筛相似,不同在于振动筛增加了一个振动装置(图12),更小粒径的颗粒物会经过比自身孔径更大的筛网,并不断下落,最终落在比自身孔径更小的筛网上。不同粒径的颗粒物被截留在不同的筛网上,由于筛网一直振动,所以很少有筛网堵塞情况。江滔等[32]介绍了固定筛和振动筛的区别,固定筛的去除效率在10%～35%之间,而振动筛的去除效率在12%～25%之间。

图12 振动筛结构图

微滤机广泛应用于循环水养殖系统中,是循环水处理系统中的关键设备,微滤机的原理与固定筛相似,不同于振动筛,微滤机的防堵塞措施是增加了一个反冲洗装置(图13),当颗粒物聚集堵塞滤网时,滤网内的水位会上升,当液位传感器监测到水位上升到设定高度时,会打开反冲洗装置进行反冲洗,在高压水枪的冲洗下,堵塞的滤网孔会被疏通,滤网内的水位会下降到设定高度以下,反冲洗装置关闭。如此往复,水体中的悬浮颗粒物得到去除。

图13 微滤机结构图

潘雁艳[33]对微滤机的反冲洗装置进行了设计和选型,并用在池塘尾水处理环节,悬浮颗粒物去除效果较好,但微滤机占地大、易堵塞、能耗高等问题也日益凸显。针对易堵塞问题,陈建平等[34]以微滤理论模型为基础,研究出可以提高微滤机过滤能力的方法,并设计了一种新型连续水处理微滤机,该微滤机可以在不停机的情况下,定期自动更换滤网,大大增加了循环水处理效率。为了降低能耗,提高颗粒物处理效率,Ali[35]设计和评价了一种由下推水轮驱动的微滤机(图14),并用于罗非鱼循环水养殖系统。该微滤机的滤网孔直径为100 um,筛面面积最大为27.87 m2,转鼓转速最高为8.4 r/min,试验结果显示,后2个月滤网效率较前2个月有所提升,前2个月滤网效率平均为34.22%,后2个月滤网效率平均为52.41%。

(a) 正视图

2.5.2 压滤机和离心机

固定筛、振动筛的原理是利用颗粒自身重力经过微孔,从而达到过滤的目的,而压滤机(图15)的原理是利用外力,将水和小颗粒物压出滤带,大的颗粒物会截留在滤带上,随着履带轮转动滤带上的颗粒物会被刮刀或冲洗喷头剥落。Walker等[36]对比了絮凝剂辅助前后压滤机的粪水的固相分离效率,试验数据显示悬浮颗粒物去除率相差不大(94.7%和93.9%)。因为压滤机价格昂贵,去除颗粒物也以大粒径为主,因此通常用在处理城市废水和工业煤泥水中。

图15 压滤机结构图

离心机原理与旋流分离类似,离心机械通过高速旋转产生强大的离心力,在离心力的作用下,固液混合物中的液、固差速分离,从而得到固液分离的效果[37]。国外使用最广泛的是卧式螺旋离心机,该处理效率高,自动化程度高,工作环境卫生,占地面积小,主要应用在污泥脱水中,也可应用于去除RAS中悬浮颗粒物,但因设备成本及运行成本问题推广十分缓慢。闫瑛[38]将卧式离心机应用于处理再造烟叶白水,结果显示,悬浮颗粒物去除率高达65.38%,悬浮颗粒物含量最低可达0.09%。

2.6 生物过滤

生物过滤系统是利用人工湿地中的特定植物和土壤微生物等的联合作用,去除循环水中的悬浮颗粒物、氮磷等植物营养盐和溶解有机物[39]。生物过滤系统主要由消化池、人工湿地和净化水回用池组成,尾水首先进入消化池,其主要功能是厌氧分解尾水中的有机污染物,分解后的大颗粒物会沉淀在池底,后续由人工湿地处理,人工湿地对生活污水中的化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、总悬浮物等都有显著的去除效果。此外,该工艺是一个复杂的过程,与湿地类型、进水负荷、水力停留时间、植物选择等诸多因素息息相关。高锋等[40]采用的是秋茄作为湿地植物,研究了海水虾的养殖废水中COD、氨氮、TP等变化情况,由试验数据可知,在湿地装置(图16)稳定运行17天后,COD、氨氮、TP的去除率分别为73.8%、72.4%、61.7%,选定的秋茄植物根部有大量活跃的微生物,能够有效去除悬浮颗粒物。当表面水力负荷达到0.2 m3/(m2·d)时,悬浮颗粒物的最高去除率可达82.8%。这说明植物根部和底部土壤层能够及时拦截并去除循环水体中的悬浮颗粒物。Cheng等[41]培育了微藻构建的人工湿地处理猪粪水,在5天的稳定运行后,对TP、NH3-N、TN和COD的去除率分别为90.0%、96.4%、71.0%和91.5%。选取不同植物作为人工湿地植物是一门学问,因为不同的养殖品种产生的尾水也不同,这需要长时间的试验。

图16 人工湿地装置图

在海水养殖中,高盐度的尾水会抑制植物和微生物的生命活动,因此,许多学者筛选了耐盐植物构建人工湿地。王芬等[42]模拟研究了盐威胁对人工湿地植物根际影响,模拟结果显示,在各盐度水平下,氨氮去除率均大于95%,千屈菜根系丰富了土壤中微生物的多样性。

传统单种填料难以满足净化要求,采用填料组合,发挥湿地中植物与微生物的协同作用,可有效提高人工湿地系统整体去除效果。程梦雨等[43]选取美人蕉、互花米草、海三棱藨草3种耐盐植物构建人工湿地装置,在不同水质条件下,研究了装置对悬浮颗粒物的去除效果,试验数据显示,互花米草装置对TN、TP、COD去除效果最理想,去除率分别为95.56%、95.46%、63.61%,三种植物根部的微生物协同发挥各菌种优势,有利于水质净化。

3 展望

悬浮颗粒物去除装置是RAS中不可或缺的一部分,本文针对悬浮颗粒物去除设备系统进行了梳理,根据沉降分离、旋流分离、泡沫分离、孔过滤和臭氧氧化几大去除工艺,介绍了对应的设备或设施研究进展。

悬浮颗粒物去除是循环水养殖系统的关键问题,当前处理大粒径颗粒物一般采用微滤机和沉降桶方式,可以有效去除大粒径颗粒物,但微滤机等过滤环节很难去除微细悬浮颗粒物(<30 μm),水体中的微细悬浮颗粒物循环累积,对鱼体带来直接危害。若占地面积合适的情况下,可以采用人工湿地装置,否则可以采用泡沫分离器。另外,在工厂化养殖循环水系统中还可以加入臭氧机,可以替代传统紫外线杀菌器,去除循环水中的重金属有机物。

由于成本问题,介绍的设备或设施并没有全部运用到商业循环水养殖系统中,另外微细悬浮颗粒物在RAS中的研究较少,若要进一步提升水处理质量,还需对微细悬浮颗粒物源头进行高效管控,开展精准投喂策略研究,有效提升饲料品质,降低饵料系数,从而降低残饵和粪便产生量,从源头把控微细悬浮颗粒物的形成,或对膜过滤等精细工艺方面开展相关研究,争取早日研究出低成本、高效率的悬浮物去除装置。