劉盼盼,邱立平
(濟(jì)南大學(xué) 土木建筑學(xué)院,濟(jì)南 250022)
規(guī)模化海水養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展
劉盼盼,邱立平
(濟(jì)南大學(xué) 土木建筑學(xué)院,濟(jì)南250022)
隨著我國(guó)規(guī)?;KB(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展,海水養(yǎng)殖廢水排放量日益增加,目前已超過了陸源污水的排放,帶來了嚴(yán)重的海洋環(huán)境問題,規(guī)模化海水養(yǎng)殖廢水處理與排放控制已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。介紹了我國(guó)規(guī)?;KB(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了海水養(yǎng)殖廢水的水質(zhì)水量特點(diǎn),綜述了海水養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,展望了未來我國(guó)海水養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)和政策的發(fā)展方向,以期為我國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)和海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展提供參考。
海水養(yǎng)殖;廢水處理;海洋環(huán)境
海水養(yǎng)殖已成為全世界范圍內(nèi)重要的蛋白質(zhì)來源。隨著養(yǎng)殖規(guī)模和養(yǎng)殖強(qiáng)度的增加,海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展日趨規(guī)?;凸I(yè)化,廢水排放量迅速增加,并具有水量大、強(qiáng)度高和治理難等特點(diǎn)[1]。大量的海水養(yǎng)殖廢水進(jìn)入海洋水體后,會(huì)導(dǎo)致海水中營(yíng)養(yǎng)鹽含量急劇升高,藻類等異常繁殖,赤潮頻發(fā),并對(duì)水體中物種多樣性造成破壞,帶來嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染問題[2]。
目前,我國(guó)許多沿海養(yǎng)殖水體都出現(xiàn)了不同程度的水質(zhì)惡化,由規(guī)?;KB(yǎng)殖引發(fā)的環(huán)境問題逐漸凸現(xiàn)[3]。因此,加強(qiáng)海洋環(huán)境保護(hù),系統(tǒng)研究規(guī)?;KB(yǎng)殖廢水處理技術(shù)與對(duì)策已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。本文綜述了我國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r、海水養(yǎng)殖廢水的特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外海水養(yǎng)殖廢水處理研究現(xiàn)狀,并在此基礎(chǔ)上,展望了未來海水養(yǎng)殖廢水處理的技術(shù)發(fā)展對(duì)策,以期為我國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展提供參考。
我國(guó)是海水水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó),作為我國(guó)傳統(tǒng)漁業(yè)資源的替代產(chǎn)業(yè),海水養(yǎng)殖業(yè)自20世紀(jì)80年代得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,逐漸向規(guī)?;凸I(yè)化方向發(fā)展,2012年,全社會(huì)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值17 321.88億元,實(shí)現(xiàn)增加值7 915.22億元[4]。近幾年來,中國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量一直占世界總產(chǎn)量的30%以上,養(yǎng)殖總產(chǎn)量躍居世界首位,中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的水產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)[5]。海水養(yǎng)殖在保障我國(guó)糧食食品安全的同時(shí),極大地滿足了人們的營(yíng)養(yǎng)需求,改善了人們的膳食結(jié)構(gòu),提高了人們的生活水平[6],海洋漁業(yè)資源的開發(fā)利用已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。
然而,海水養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?;凸I(yè)化發(fā)展,必然會(huì)帶來大量的廢水排放及處理問題,加重養(yǎng)殖水體和鄰近海域的污染負(fù)荷,威脅海洋環(huán)境質(zhì)量和海洋漁業(yè)資源開發(fā)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。由于歷史欠賬和近年來的快速發(fā)展,目前我國(guó)海水養(yǎng)殖廢水處理[7]幾近空白,相關(guān)技術(shù)研究滯后,管理對(duì)策缺失,導(dǎo)致海水養(yǎng)殖海域乃至整個(gè)近海海域水體水質(zhì)惡化,赤潮、病害等污染事件頻繁發(fā)生,養(yǎng)殖用水資源匱乏,漁業(yè)產(chǎn)量和品質(zhì)下降,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)《2010年中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)[8],2009年我國(guó)因海洋污染等漁業(yè)災(zāi)情造成的水產(chǎn)品總量損失為116.10萬t,經(jīng)濟(jì)損失152.27億元。
因此,研究海水養(yǎng)殖廢水處理與排放控制技術(shù),發(fā)展“環(huán)境友好”的新型養(yǎng)殖技術(shù)與模式已成為規(guī)?;KB(yǎng)殖業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題。
海水養(yǎng)殖廢水中的污染物主要有剩余餌料和生物代謝產(chǎn)物、化學(xué)藥品及治療劑組成。其中最主要的部分是養(yǎng)殖過程中投加的過量餌料,當(dāng)餌料不能夠被水體中養(yǎng)殖生物完全利用,剩余部分則溶于水中或以底泥形式沉于池底,通過不斷積累最終導(dǎo)致海洋水體被污染。
海水養(yǎng)殖廢水具有以下特點(diǎn):①海水養(yǎng)殖廢水排放量大,但污染物種類相對(duì)較少。②與工業(yè)廢水和生活污水相比,海水養(yǎng)殖廢水污染物濃度低,但溶解氧濃度高,質(zhì)量濃度一般在5.0 mg/L以上;碳氮比較低,一般為3~10,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于微生物最優(yōu)碳氮比。由于養(yǎng)殖廢水碳氮比低且溶解氧濃度高,李秀辰等[9]在海水循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中,利用養(yǎng)殖固體廢棄物作碳源,通過廢水水解和反硝化單元,有效地實(shí)現(xiàn)了脫氧和有機(jī)碳源補(bǔ)充,廢水的凈化效果顯著。③與常見的陸源污水相比,海水養(yǎng)殖廢水中的污染物組成、海水鹽度效應(yīng)和離子強(qiáng)度效應(yīng)均會(huì)增加處理技術(shù)的難度與復(fù)雜性[10]。④海水養(yǎng)殖廢水的處理要求高,考慮到部分處理后的廢水可能用于養(yǎng)殖回用,因此,要嚴(yán)格控制污染物指標(biāo)和溶解氧濃度等[11]。
3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
近年來,一些外國(guó)學(xué)者認(rèn)識(shí)到海水養(yǎng)殖廢水處理的必要性,率先開始了針對(duì)海水養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)的研究[12]。目前國(guó)際上主要運(yùn)用循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(Recircu1ating Aquacu1ture Systems,RAS)對(duì)海水養(yǎng)殖廢水進(jìn)行處理[13]。RAS綜合運(yùn)用沉淀、過濾、生物處理技術(shù)、殺菌消毒以及增氧控溫等一系列手段,將養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的廢水進(jìn)行高效處理,去除廢水中的污染物,使處理后水質(zhì)達(dá)到可循環(huán)利用的水平。RAS既避免了養(yǎng)殖廢水外排造成的污染,同時(shí)對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)有了較強(qiáng)的控制,是未來海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然方向,我國(guó)目前亟待廣泛開展應(yīng)用。
除了RAS外,P.Babatsou1i等[14]在研究單級(jí)處理含鹽廢水中開發(fā)了一種新型固定化填充床生物反應(yīng)器,這種光反應(yīng)器可以有效處理海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水。研究結(jié)果顯示,海水養(yǎng)殖廢水通過反應(yīng)器4~5 h的處理,有機(jī)碳、氮、磷的去除均高達(dá)95%。Merino等[15]對(duì)養(yǎng)殖廢水中顆粒物的沉降進(jìn)行了理論研究,為有效去除養(yǎng)殖水體中的懸浮顆粒物提供了可靠的理論依據(jù)。劉長(zhǎng)發(fā)等[16]對(duì)比研究了2種沉降方式的去除效率,發(fā)現(xiàn)自然沉降沉淀槽對(duì)養(yǎng)殖廢水中的顆粒物去除率為69%,而機(jī)械旋流沉淀可以去除海水養(yǎng)殖廢水中87%以上的懸浮固體顆粒物。
另外,利用大型藻類和浮游藻類凈化海水養(yǎng)殖廢水的研究和應(yīng)用也比較多。在大型海藻和養(yǎng)殖對(duì)象共養(yǎng)的水體中,通過控制海藻的生物量可以降低營(yíng)養(yǎng)物的濃度。美國(guó)夏威夷大學(xué)Wang設(shè)計(jì)了一個(gè)由硅藻、蝦和牡蠣構(gòu)成的循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng),硅藻不但可以吸收蝦養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的污染物,還可以作為牡蠣的餌料。此外,由于海洋硅藻具有獨(dú)特的抗菌能力,該方法還可以有效地防止養(yǎng)殖對(duì)象細(xì)菌性疾病的發(fā)生,也有助于減少病毒性疾?。?7]。E1-Kassas等[18]的研究表明,螺旋藻不僅可以為貝類、蝦提供食物,還可以顯著降低養(yǎng)殖系統(tǒng)中氨氮和硝酸鹽氮的含量。
一些耐鹽植物和水生蕨類植物也可以用于處理養(yǎng)殖廢水。將植物種植在集約化或封閉式的養(yǎng)殖系統(tǒng)中,對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行吸收過濾,可達(dá)到凈化水質(zhì)的目的,作物本身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值還可以增加養(yǎng)殖者的收入。Su等[19]在試驗(yàn)中建立了微觀的濕地處理體系,采用幾種耐鹽植物作為生物過濾器去除海水養(yǎng)殖廢水中的營(yíng)養(yǎng)鹽,系統(tǒng)對(duì)總磷和氨氮的去除率分別為30%和50%,該方法成本比較低,非常適合在發(fā)展中國(guó)家和不發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用推廣。Buhmann等[20]的研究表明,在春夏季節(jié),種植水生蕨類植物,能夠去除養(yǎng)殖廢水中的大部分營(yíng)養(yǎng)鹽,特別是對(duì)氮的去除最有效。
3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)對(duì)海水養(yǎng)殖廢水治理的研究尚處于起步階段,主要圍繞著一些具體的治理工程開展了一些應(yīng)用研究。由于海水鹽度效應(yīng)增加了養(yǎng)殖廢水處理難度,因此單純針對(duì)海水養(yǎng)殖廢水處理的專有技術(shù)很少,目前主要采用常規(guī)的物理、化學(xué)和生化工藝處理養(yǎng)殖廢水,目的在于降低養(yǎng)殖廢水中的COD、懸浮物和氨氮濃度,然后部分循環(huán)利用。
徐洋等[21]以竹環(huán)作為填料,利用生物過濾反應(yīng)器處理海水魚類工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖廢水,取得了良好的處理效果。其中,點(diǎn)帶石斑魚生物濾器的氨氮去除率為27%~39%,半滑舌鰨生物濾器的氨氮去除率為20%~30%,對(duì)亞硝酸鹽氮也有一定的去除效果。
人工濕地可以有效去除廢水中的懸浮物、氮、磷酸鹽以及其它微量元素,對(duì)海水養(yǎng)殖廢水兼具顯著的環(huán)境效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益,而且適用性較廣[22]。人工濕地主要通過系統(tǒng)內(nèi)基質(zhì)和植物根系的攔截吸附和系統(tǒng)內(nèi)微生物代謝等機(jī)制[23]達(dá)到去除污染物的目的。李懷正等[24]利用邊坡人工濕地/水生植物塘集成技術(shù)處理含鹽養(yǎng)殖廢水,每年COD、總氮和總磷的減排強(qiáng)度分別達(dá)到896、35.2 和10.9 kg/hm2,初步解決了園區(qū)養(yǎng)殖排水的污染問題。高鋒等[25]對(duì)秋茄人工濕地凈化循環(huán)海水養(yǎng)殖廢水,取得了較好的處理效果,對(duì)COD和氨氮的去除率分別為66.4%~73.8%和64.3%~72.4%,明顯優(yōu)于無植物人工濕地。
在海水養(yǎng)殖廢水處理工藝研究方面,王哲[26]采用SBR和SBBR工藝處理海水養(yǎng)殖廢水的研究。結(jié)果表明,對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮的去除均達(dá)到90%以上。盧芳芳等[27]采用缺氧動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理海水養(yǎng)殖廢水,由于鹽度的影響,海水反硝化過程的反應(yīng)速率低于淡水條件。劉國(guó)昌等[28]采用過濾、超濾、紫外殺菌和膜法充氧工藝,建立1套0.5 m3/h膜集成試驗(yàn)裝置,用于處理海水工廠化養(yǎng)殖廢水,結(jié)果表明,除總磷外,經(jīng)膜法處理后海水的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均滿足GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》養(yǎng)殖用水要求。
隨著人口的持續(xù)增加和人民生活水平的不斷提高,國(guó)家高度重視食品安全、國(guó)民健康和生態(tài)文明建設(shè),對(duì)海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的要求也越來越高,海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展必將由單一型的規(guī)?;颦h(huán)境友好、可持續(xù)的綜合生態(tài)化轉(zhuǎn)變。然而,目前我國(guó)面臨的海水養(yǎng)殖廢水處理及排放控制現(xiàn)狀卻十分嚴(yán)峻,特別是相關(guān)處理技術(shù)嚴(yán)重滯后,已經(jīng)成為制約海洋資源開發(fā)的瓶頸。
未來我國(guó)海水養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)和政策的發(fā)展方向包含以下幾個(gè)方面:首先,將海水養(yǎng)殖保險(xiǎn)納入政策性保險(xiǎn)中。在推進(jìn)政策性農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)的同時(shí)也應(yīng)給予海水養(yǎng)殖保險(xiǎn)一定的保險(xiǎn)保費(fèi)財(cái)政補(bǔ)貼,增強(qiáng)養(yǎng)殖戶的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。其次,應(yīng)借鑒國(guó)外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合國(guó)內(nèi)海水養(yǎng)殖廢水處理的實(shí)際情況,集成代謝工程、發(fā)酵工程、生物技術(shù)和微生物工程技術(shù),組合優(yōu)化處理工藝,研究開發(fā)高度凈化的、適合中國(guó)國(guó)情的海水養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)體系和工藝系統(tǒng),促進(jìn)海水養(yǎng)殖廢水的循環(huán)利用,建立高效的循環(huán)式高密度養(yǎng)殖系統(tǒng),在減少或避免養(yǎng)殖廢水排放、保護(hù)海洋環(huán)境的同時(shí),降低生產(chǎn)成本,推動(dòng)海水養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
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Research progress of large-scale marine aquaculture wastewater treatment technology
LIU Pan-pan,QIU Li-ping
(School of Civil Engineering and Architecture,University o Jinan,Jinan 250022,China)
With the rapid deve1opment of China’s 1arge-sca1e marine aquacu1ture industry,the emission 1oad of its wastewater is increasing,and has exceeded the amount of 1and-origin wastewater discharge,which can cause serious ocean environmenta1 prob1em;therefore,treatment and emission contro1 of 1arge-sca1e marine aquacu1ture wastewater has become a research hotspot in recent years.The deve1opment status of domestic marine aquacu1ture industry was introduced with the qua1ity and quantity of its wastewater ana1yzed at the same time,the research status of the marine aquacu1ture wastewater treatment techno1ogies in China and abroad were e1aborated,the deve1opment direction of the said kind of wastewater treatment techno1ogies and po1icies were prospected,which might provide reference for marine environmenta1 protection and marine aquacu1ture industry deve1opment.
marine aquacu1ture;wastewater treatment;marine environment
X714.031
A
1009-2455(2016)02-0001-04
國(guó)家自然科學(xué)基金(51278225);山東省科技發(fā)展計(jì)劃(2013GSF11704);濟(jì)南市科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(高校院所自主創(chuàng)新計(jì)劃201302079)
劉盼盼(1989-),女,山東菏澤人,碩士研究生,主要從事廢水處理理論與技術(shù)方面的研究,(電子信箱)1iupanpan_1012@163.com;通訊作者:邱立平(1968-),男,山東高密人,博士生導(dǎo)師,博士,主要從事廢水處理理論與技術(shù)方面的研究(電子信箱)1ipingqiu@163.com。
2015-12-23(修回稿)