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热带海水养殖清洁生产技术模式探讨


葛成军等   热带海水养殖清洁生产技术模式探讨

   摘要   采用太阳光化学修复原理对典型热带地区 —— — 海南省某养殖场废水进行清洁闭环生态养殖技术初步探讨 。采用现场
定位观测实验研究方法 ,探讨高位池光化学循环净化装置对养殖废水中 COD 、 等污染物的去除效应 、 SS 脱氮解毒效应以及增氧效应 等 。结果表明 ,本实验装置能有效地实现

热带地区高位池循环水养殖及养殖污水的 “零排放” 是满足环保要求的一种多功能 、 , 低成 本、 效果好的水体净化方法 。

   关键词   光化学   修复   海水养殖废水

Photochemical treatment system for recycling tropical pra wn pond w ater  Ge Chen g j un 1 , 2 , T an g W enhao2 , Y ue Pi n g 3 ,
si t y of M i ni n g an d Technolog y , B ei j i n g 100083 ; 2 . Col le ge of Envi ronment an d Pl ant Protection , S out h Chi na U 2 ences , D anz hou H ai nan 571737) Yan X i aox i a 4 , Yu H uamei 2 , W an g L i n g 3 . ( 1 . S chool of Chemical an d Envi ronment al En gi neeri n g , Chi na U ni ver2

f rom p hotochemical activities. The low co st t reat ment achieved“zero discharge”and“water clo sed cycle” objectives. t ropic zone.

   近年来 ,随着海水养殖业的高速发展 ,养殖自身 污染问题和养殖废水排放对近岸水域的影响问题已 引起人们的广泛关注[ 124 ] 。针对规模化水产养殖水 和排水中普遍存在的氮 、 、 磷 有机悬浮物及有害微生 物等对养殖动物和水环境的不利影响 , 现有的解决 措施主要是采取换水 、 投加化学氧化剂或微生物菌 剂、 工业水净化和生态系统补偿等方法 。但以上方 法具有环境代价大 、 运行成本高 、 占地面积大和运行 管理难度大等缺点 , 不能从根本上改善区域环境质 量和实现经济效益最大化 。 热带地区因其具有独特的气候特征 , 水体富营 养化 、 生态破坏与水质恶化等环境问题出现频率较 其他地区更高 。在热带气候条件下 , 养殖水体极易

第一作者 : 葛成军 ,男 ,1977 年生 ,博士研究生 ,讲师 ,主要从事环境生态工程等方面的教学科研工作 。 3 海南省自然科学基金资助项目 ( No . 80515) ; 海南省重点科技项目 ( No . 04303) 。

ou H ai nan 570206 ; 4 . I nstit ute of T ropical Crop Genetic Resource , Chi na A ca dem y of T ropical A g ricult ural S ci 2

erated for recycling t he t ropical p rawn po nd water. The performance data show t hat SS , COD , NO 3- 2N , NO 2- 2N , The p hotochemical t reat ment for water recycle is a co st effective option fo r meeting environmental requirement s of t he Keywords :  Photochemist ry  Remediation   Marine aquacult ure wastewater

ni versi t y of T ropical A g ricult u re , D anz hou H ai nan 571737 ; 3 . H ai nan A ca dem y of Envi ronment al S cience , H ai k 2

Abstract :   Marine aquacult ure is a major co nt ributor of coastal eut rop hication. Taking advantage of enhanced

degradation of water pollutant s under sunlight , a p hotochemical t reat ment system was designed , const ructed and op2 N H 3 2N of t he recycle water were all substantially lower t han t he feed. The DO level increased due to o xygen p roduced

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热带海水养殖清洁生产技术模式探讨 3
葛成军1 ,2   唐文浩2     3   岳 平 晏小霞4   俞花美2     3 王 凌
( 1. 中国矿业大学 ( 北京) 化学与环境工程学院 ,北京 100083 ; 3. 海南省环境科学研究院 ,海南   海口 570206 ; 2. 华南热带农业大学环境与植物保护学院 ,海南   儋州 571737 ; 4. 中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所 ,海南   儋州 571737)

出现温度分层现象 ,造成上下水层 、 塘中央与塘周水 体环境的较大差异 , 不利于养殖动物的健康成长 。 再加上目前国内外尚无热带海水养殖回用水的具体 水质标准及相关规范 , 造成各种养殖污染处理技术 难以大面积推广 。因此 , 探索一种广泛适合热带地 区的清洁 、 、 安全 生态的高位池海水养殖技术以解决 海水养殖中存在的环境问题 , 并在此基础上降低养 殖成本 、 提高水产品质量 ,对于促进热带地区海洋环 境、 经济和社会的可持续发展有重要意义 。 本研究遵循水产养殖学 、 生态学和环境工程技 术原理 ,在前人研究基础上扬长避短 ,采用自行设计 的废水光化学循环净化装置 , 在典型热带地区 —— — 海南陵水县某对虾海水养殖场 , 以养成期养殖废水

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  环境污染与防治   29 卷   10 期   第 第 2007 年 10 月

的循环使用和 “零排放” 为目标 , 进行清洁闭环生态 养殖技术模式的探讨 。
1  材料与方法 1. 1   实验装置及工作原理

分光光度法测定 ; SS 采用重量法测定 。
2  清洁闭环生态养殖技术的净水原理

   海水养殖废水中的一些污染物在受到太阳光的 照射下发生光化学反应 , 可导致海水养殖废水中的 污染物发生一系列的化学 、 物理 、 氧化和降解变化 , 这对于水体污染物的净化起着举足轻重的作用 。   光化学氧化在很大程度上发生在海水微表层 中 ,本实验中设计的自然光光化学净化装置系统就 是利用此原理 ,通过增强水表层的光温效应 ,来增强 高位池水体的光化学氧化作用 , 使养殖废水强化脱 氮解毒 ,为养殖动物创造良好的水环境条件 。该系 统对于热带地区高位池海水养殖废水清洁闭环生态 养殖技术的开发与推广有重要的实践价值 。    用潜水泵将养殖塘中央底层的养殖废水提升至 光化浅层沉淀水槽中 ,废水在纵向实现均匀分布 ,水 的流速迅速降低 , 有效分离出养殖废水中的悬浮有 机物 。分离出悬浮有机物的养殖废水在高位池坝的 内斜坡上形成薄层水流 , 经太阳光化学催化氧化辐 射净化后 ,再返回到养殖塘利用 , 形成闭路水循环 。 在养殖废水循环净化中形成的沉淀污泥的脱水干 化 ,则利用循环系统的光化浅层沉淀水槽在下一个 养殖周期前期的空闲期 ,作为污泥自然干化槽利用 , 污泥自然脱水干化后人工铲除 ,用作林木肥料 ,从而 实现了养殖废水的 “零排放” 目标 。

   养殖废水光化学循环净化装置主要由中央排污 管、 潜水泵 ( 2. 2 kW 、 m3 / h ) 、 40 光化浅层沉淀水槽 ( 长65. 0 m 、 1. 5 m 、 0. 3 m) 和光化斜面 ( 长65. 0 宽 深 m 、 1. 2 m) 组成 。光化浅层沉淀水槽位于高位池 宽 边坝上 ,光化斜面利用高位池的边坡 。运行时潜水 泵将高位池中央底层的高浓度养殖废水提升至光化 浅层沉淀水槽长向分布 , 水流减速后以薄水层流沿 宽向流经光化斜面回到高位池中循环使用 。进水流 量为 40 m3 / h , 出水与进水持平 , 水力停留时间为 0. 5 h 。实验装置见图 1 。    该装置主要应用了低流速浅层物理化学沉淀作 用、 浅水层光催化氧化还原作用 、 光化学解毒脱氮作 用、 光化学抑菌抑藻作用 、 水体混合作用以及表面自 然曝气作用等 。

图1  养殖废水光化学循环净化装置示意图 Fig. 1  Plan view of t he p rawn po nd and t he p hotochemical wastewater t reat ment system

3  实验结果与分析 3. 1   光化学循环净化装置对养殖废水中 3N” “ 的去除

1. 2   实验材料

   光化学循环净化装置对养殖废水中主要氮化合 物有较好的去除作用 , 其中对 NO2- 2N 、 H3 2N 的去 N 除效果尤其突出 ( 见图 2 至图 4) ,说明通过光化学过 程使养殖废水强化脱氮解毒是可行的 。从图 2 至图
5 可知 , 光化学循环净化装置对 NO3- 2N 、 2- 2N 、 NO N H3 2N 的净化效果与光照强度关系密切 ,水中 3N ” “
图2  光化学循环净化装置进出水中NO3- 2N的日变化 Fig. 2   Diurnal p rofiles of nit rate in feed and effluent http://www.cnki.net

   实验于 2005 年 5 月至 8 月进行 。养殖塘面积 为 0. 53 hm2 ,有 3 台增氧机 ( 2 台叶轮式 ,1 台射流 式) ,养殖期间不进行消毒换水 。实验观测在养殖塘 已经连续不换水养殖 90 d 后进行 ,期间养殖废水光 化学循环净化装置已持续运行 35 d 。观测期间投饵 量为 20 kg/ 次 ,每天 4 次 。 1. 3   观测项目与分析方法    实验采取在线连续观测的方法 , 对实验装置的 进出水每间隔 3 h 取 1 组实验数据 ,连续监测 20 d 。 分析方法参照文献 [ 5 ] , 具体如下 : 水温 、 采用 DO YSI 550A 型便携式溶氧仪 ( 美国) 现场测定 ; 光照度 采用 L x2101 L U X M E T ER 型数字式照度计 ( 美国) 现场测定 ;p H 采用 M X300 X2matep ro 型酸度计 ( 瑞 士) 现场测定 ;NO3- 2N 采用镉柱还原法测定 ;NO2- 2N 采用萘乙二胺分光光度法测定 ; N H3 2N 采用靛酚蓝 ?774 ?

的浓度和去除率随着一天中光照强度的变化而出现 有规律的变化 。

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葛成军等   热带海水养殖清洁生产技术模式探讨

合物在水中的迁移 、 、 转化 归宿及生态效应的重要因 素 ,对此还需要作进一步的研究 。

   在光化学循环净化系统中 , 废水中 3N ” “ 的去除 [ 628 ] 主要有 4 个方面 : ( 1 ) 光化学脱氮 ; ( 2 ) 氮素作为 细胞的合成物质为生物所利用 ; ( 3) 微生物脱氮 ; ( 4 ) 游离氨被吹脱解析 。本研究的光化学循环净化装置 对 3N ” “ 的去除主要利用了上述 4 种去除机制 , 为各 类脱氮过程的发生提供了良好的环境 。 3. 2   光化学循环净化装置的光化学增氧效果与分析    从图 6 可见 , 光化学循环净化装置具有明显的 增氧效果 。从 20 :00 至次日 7 : 00 , 出水中 DO 变化 比较平稳 ,这是由于气液表面物理增氧的结果 。从 8 :00 至 19 :00 , 出水中 DO 升高则是光化学增氧的 结果 。    阳光下光化学循环净化装置中 DO 的升高 , 可 能反映出通过光化学反应生成的活性氧物质 ( 单线 态氧 、 羟基自由基 、 过氧化氢和超氧化物等) 浓度的 增加 。而活性氧物质浓度的增加与净化装置中发生 的光化反应 、 氧化还原反应有密切关系 ,是影响氮化

图4  光化学循环净化装置进出水中 NH3 2N 的日变化 Fig. 4   Diurnal p rofiles of ammo nia in feed and effluent 图5  光化学循环净化装置对 3N” “ 去除率的日变化 Fig. 5   Diurnal p rofiles of NO 3- 2N , NO 2- 2N and N H 3 2N reduction rates

图3  光化学循环净化装置进出水中NO2- 2N的日变化 Fig. 3   Diurnal p rofiles of nit rite in feed and effluent

图6  光化学循环净化装置的增氧效果与日变化 Fig. 6   Diurnal profiles of dissolved oxygen in feed and effluent

3. 3   光化学循环净化装置对 SS 和 COD 的去除

   光化学循环净化装置对 SS 和 COD 的去除效果 分别见表 1 和表 2 。由表 1 、 2 可知 , 光化学循环 表 净化装置对养殖废水中主要污染物均有较好的去除 效果 , 特别是对养殖废水中 SS 的去除率较高 , 达 80 %左右 。
表1  光化学循环净化装置对废水中 SS 的去除效果 Table 1  Treat ment performance in SS reductio n
进水/ ( mg ? - 1 ) L
182. 5 186. 5 180. 2 187. 8 194. 0

出水/ ( mg ? - 1 ) L
30. 5 27. 5 33. 0 40. 0 41. 5

去除率/ %
83. 29 85. 25 81. 69 78. 70 78. 61

表2  光化学循环净化装置对废水中 COD 的去除效果 Table 2  Treat ment performance in COD reduction
进水/ ( mg ? - 1 ) L
19. 18 15. 93 17. 94 18. 76 19. 61

出水/ ( mg ? - 1 ) L
14. 23 10. 36 13. 12 14. 35 14. 89

去除率/ %
25. 81 34. 97 26. 87 23. 51 24. 07

   在光化学循环净化装置中 ,废水中 COD 的去除 主要有以下几种方式 :一是可溶性有机物通过生物膜 的吸附 、 吸收及生物降解过程而被分解去除 ; 二是系 统内产生的活性污泥与废水中的悬浮状和胶体状的 有机污染物接触后能够使有机污染物吸附在活性污 泥表面被降解 ;三是具有光化学活性的 NO3- 和 NO2在阳光辐射下可光解生成氮氧化物和羟基等活性物 质 ,羟基活性非常强 ,因而 NO3- 和 NO2- 的光解具有 削减水体可溶性有机污染物的作用。    废水中 SS 主要是通过浅层沉淀方式去除 。该 种方式是分离废水中有机悬浮物 、 维持养殖水循环 利用的主要依据之一 。由此可见 ,光化学循环净化 装置中的光化浅层沉淀水槽是一个高效的固液分 ?7 7 5 ?
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离器 。 3. 4   配套光化学循环净化装置的清洁生产技术的 特点    以太阳辐射为特征的热带海水养殖清洁生产技 术 ,在养殖全过程中禁用化学药物 ( 包括肥料 、 消毒剂 等) ,也不投加益生菌剂改良水质 。该技术的特点主 要有 : (1) 采用养殖塘底层涡流聚污和养殖塘中央动 力吸污 ,结合浅槽短程平流沉淀分离养殖塘底层水中 的悬浮物 ; (2) 利用活性污泥的高效吸附和净化能力 去除养殖废水中的有机胶体污染物 ; ( 3) 利用太阳辐 射的光催化氧化还原过程使底层水脱氮解毒 ; ( 4) 利 用太阳辐射产生的活性氧物质抑制致病菌和藻类 ,控 制其数量在一定水平 ; ( 5) 利用太阳辐射化学增氧和 流动水坡气液交换曝气增氧 ; ( 6) 利用养殖塘底层动 力吸污与净化水自然回流造成池塘水的垂直流动 ,强 制改善池塘下部水环境条件 ; ( 7) 污泥自然干化后资 源化利用 ,从而移出养殖系统 ,实现污水 “零排放” 。    本研究的热带海水清洁闭环生态养殖技术模式 强调和利用了以太阳辐射为主的生态因子以及生态 系统的自适应原理 ,构思和过程设计巧妙 ,循环系统 投资低 ,生产管理技术要求不高 , 生产成本低 , 有利 于该技术模式的应用推广 。
4    结 语

气量也减少 ,导致水分流失也减少 ,因此有机质及含

水率减量明显低于前一阶段 。添加 20 %膨松剂堆 肥的堆料质量减少率最为明显 ,达 39. 6 % 。   ( 3) 在堆肥反应中 ,p H 在 5. 5 ~8. 5 ,随着堆肥 反应的进行 , 在腐熟期间 p H 趋于稳定 , 呈弱碱性 。 弱碱性有利于提高土壤中阳离子交换能力 , 提高土 壤肥力 ; 由于堆料中有机质的降解 ,电导率随堆肥反 应呈上升趋势 ,实验结束时 4 种不同质量比膨松剂 堆肥产品电导率没明显差别 , 都 位于 1. 88 ~ 1. 96 mS/ cm ,可以安全使用 。 参考文献

   本研究通过对热带海水养殖系统的生态环境过 程进行疏导性质的人工辅助调适 , 在规模生产条件 下实现了闭路循环水养殖和废水 “零排放” 的目标 , 解决了目前国内外海水养殖废水排放和治理的难 题 ,从根本上防止了热带海水高位池养殖对近海环 境的污染 。在养殖全过程中不添加任何化学药剂 , 在不降低产量的前提下大幅度提高了水产品品质 , 为热带地区高位池水产养殖业的发展提供了广阔前 景 ,对传统高位池养殖业技术升级具有重要意义 。 经长期的生产实验表明 , 本研究提出的热带海水养 殖清洁生产技术健康安全 ,具有科学性 、 新颖性和实 用性 ,经济效益和环境效益显著 ,能实现热带海水池 塘养殖业与资源环境保护的 “双赢” 为热带海水养 , 殖产业 与 环 境 的 可 持 续 发 展 提 供 了 有 力 的 技 术 支撑 。 参考文献
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责任编辑 : 陈泽军  ( 修改稿收到日期 :2007208223) 责任编辑 : 黄 苇  ( 修改稿收到日期 :2007205211) http://www.cnki.net


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