论工厂化水产养殖水质调控技术的研究进展
时间:2010-07-10 11:39来源:未知 作者:admin 点击: 66次
摘 要：随着我国工厂化水产养殖规模的不断扩大，养殖水调控系统受到了普遍的重视，本文综述了养殖水质调控技术的发展现状， 并对各个组成单元的应用情况和存在的问题作了详细的阐述，并对未来这项技术的发展方向进行了展望。 关键词：工厂化水产养殖，水质调
摘 要：随着我国工厂化水产养殖规模的不断扩大，养殖水调控系统受到了普遍的重视，本文综述了养殖水质调控技术的发展现状， 并对各个组成单元的应用情况和存在的问题作了详细的阐述，并对未来这项技术的发展方向进行了展望。
关键词：工厂化水产养殖，水质调控，研究进展
水产养殖业是我国渔业的重要组成部分，也是渔业发展的主要增长点。我国的渔业发展重心由“捕捞为主”向“养殖为主”的转移，促使水产养殖业发生了巨大变化。2001 年中国水产养殖产量达到 2726 万 t，比 1978 年增长 16 倍，在世界渔业总产量中，养殖的产量占了 20％，而我国水产养殖产量约占世界养殖产量的 80%[1]。同时，由于水产养殖的不断发展，原来粗放型的养殖模式已经越来越不适应生产的要求。在养殖过程中，因残留饵料、养殖生物的粪便及残体等的腐败，造成养殖水体恶化。这些有机污染物含量高的水未加处理就随便排放，导致水体富营养化，诱发有害的水华或赤潮，损害养殖生产，甚至使整个生态环境遭到恶化。
1. 工厂化水产养殖系统在国内外的发展现状
工厂化水产养殖系统的研究始于二十世纪七十年代初期，是水产养殖业向现代化、企业化、规模化方向发展过程中产生的一种新的养殖方式，实现高密度、高产量和高效率的渔业生产[2]。因其集约化和水质相对容易控制的特点，在国内外得到了广泛的应用。美国采用工厂化养殖系统来养殖生物现已逐步形成和发展了一套较为完整的技术和设备[3]。丹麦的工业化循环流水式养鱼系统和地下室循环过滤养鱼系统都是高水平的，设备已出口挪威，以色列等国。日本采用循环流水工业化养鱼系统也较早，主要养鲤鱼、鳗鲡等，前苏联，美国，德国，法国、加拿大、瑞典也都先后设计生产了各种类型的工厂化循环水养鱼系统，用于养殖海、淡水名优鱼类，我国工业化养鱼起步于二十世纪 70 年代，是受世界工业化养鱼潮流的影响而逐步发展起来的，而自行设计生产的工业化养鱼系统以 80 年代末建立的中原油田养鱼工厂较为著名[4]。刘伟[5]等利用流化床生物滤器循环水养鱼系统进行了培育鲤仔鱼至乌仔的育苗实验。结果表明：鱼苗在 10—15万尾/m2的放养密度下，鲤仔鱼在 15d内达到了乌仔规格，成活率达到 87%。 2. 工厂化水产养殖系统中的污染物
工厂化水产养殖系统中的污染物主要是未被摄食的残饵、养殖生物的排泄物和分泌物、病原体及其他杂质。最终以悬浮的颗粒物、溶解有机物、氨氮的形式存在，为了使这些污染物的浓度达到养殖生物正常生长繁殖所要求的安全浓度之下，应具备不同的污染物处理单元，以维持整个养殖系统对水质、溶氧、温度及其他水化学参数的需要。
3. 目前工厂化水产养殖系统中的主要水处理单元与设备
根据养殖系统的特点和养殖生物对水质的要求，一般情况需要设的处理环节有：（1）去除悬浮颗粒物（粒径＞100ｕm） ； （2）去除微颗粒（粒径＜30ｕm）[6]； （3）增氧； （4）杀菌消毒； （5）生物法除氨氮； （6）水质调控。按照一定的工艺流程将这些环节组合，来净化养殖用水，现将各个处理环节所涉及到的有关设备及工艺分述如下： 3.1 固液分离去除悬浮颗粒物
在循环水养殖过程中，鱼类的粪便、及其所食饵料的 20-60%最终以固体废弃物的形式排入水中，其中，悬浮性固体颗粒物占 50% 左右[7]，是养殖水体污染物的主要来源。按照悬浮颗粒物的特性(密度、颗粒的大小) , 又可分为机械过滤和重力分离两种技术[8]。
3.1.1 机械过滤
机械过滤有砂滤和筛滤两种方法。
3.1.1.1 砂滤器： 是填充一定的介质 （如砂子等） 形成微小间隙来截留循环水中的悬浮颗粒物，达到固液分离的目的。是一种传统的分离方法，但其占地面积大、容易滋生蚊蝇及细菌，而且反冲洗比较困难。
3.1.1.2 筛滤：根据孔径的不同来截留固体悬浮物。具有体积小，安装和反冲洗等操作方便等优点。常见的有固定筛、旋转筛、自动清洗筛过滤器[9]。
（1）固定筛过滤器筛网材质为不锈钢、尼纶和锦纶等，网孔根据海水养殖的要求，配备 60-200 目/寸不同规格。安装方便操作简单，多用于过滤颗粒大于 0.5mm 的固体颗粒，单元过滤能力10~100m3/h。
（2）旋转筛过滤器筛网材质为不锈钢、锦纶绢等，海水类型网孔为 80~150 目/寸。可连续工作防堵性好。
单元过滤能力为 14~400m3/h。
（3）自动清洗过滤器结合了固定筛过滤器和旋转筛过滤器的优点，滤网材质为不锈钢 316 和编织滤网。孔径分别为 0.2~3.5mm和 0.025~0.5mm。反冲洗时不断流、排污量极少。适用于大流量、大过滤面积的过滤系统。 3.1.2 重力沉降分离
养殖废水中的悬浮颗粒物也可在重力的作用在沉淀去除。根据颗粒物的性质、浓度及絮凝性能，主要有四种沉淀类型： （1）自由沉淀，当颗粒物浓度不高，颗粒物之间不相互碰撞，独立完成的沉淀过程； （2）絮凝沉淀，颗粒物浓度较高时，相互之间彼此碰撞，聚集成为大的颗粒的沉降过程。也可通过投加明矾、氯化铁等絮凝剂来实现； （3）区域沉淀，当颗粒物浓度继续升高时，颗粒之间相互碰撞，在聚合力的作用下形成一个整体下沉； （4）压缩沉淀，区域沉淀的继续压缩，聚集形成团的现象[10]。在水产养殖业中,因循环水养殖系统中悬浮颗粒物的平均相对密度(1.19)略大于水的相对密度[11],可采用重力分离技术。
3.2 气浮分离技术去除微颗粒
在循环水养殖过程中，产生的微颗粒主要为溶解蛋白和有机酸,占总固体颗粒的 90%以上[6]。而微颗粒的积累会堵塞鱼鳃，造成鱼类的窒息死亡；微颗粒的分解还会消耗水中的溶解氧，致使水质恶化。气浮分离法用于水处理始于 19 世纪 90 年代[12]，是向水体中通入气体，产生大量的气泡，使得水中的微颗粒粘附于气泡的表面，随气泡一起上升到水面形成泡沫而得以去除。Weeks(1992)[13]认为，气浮分离法可去除水中的表面活性的悬浮物和溶解物。同时，Wheaton(1992)[14]研究指出，利用气浮分离技术可以浓缩挥发性物质，降低水中的悬浮物质和总氮； Rulin等人[15] （1963） 实验表明， 气浮分离技术能提高水体的pH； Dwivedy（1973）[16]的试验表明，养殖水体经气浮分离后，细菌密度由原来的 22100 个/ml 减少到220 个/ml,而浓缩泡沫中的细菌总数达到 1115772 个/ml,证实了气浮分离法有除菌的作用。 总之，气浮分离法是一项很有前途的技术，随着对它设计参数的不断优化，将会很好的应用于循环水养殖中。 3.3 增氧技术
在循环水养殖中，随着养殖的密度不断提高，对溶氧的需求也越来越大，打破了原来的溶氧供求平衡，当养殖生物的耗氧量大于供氧量的时候，生物的生长就会受到限制。当溶氧在 2-3mg/L 时，鱼虾类摄食减少，生长停滞，开始出现浮头现象；当溶氧浓度在 1-2mg/L 时，鱼虾类基本不吃食，而且浮游出水面，形成浮头现象；当溶氧浓度小于 0.5mg/L时，鱼虾类在几小时就会全部窒息死亡[17]。而且，缺氧的水体会造成水中的有机物、氨氮等厌氧分解，产生亚硝酸盐等一些有毒物质，同时，缺氧的水体还容易滋生细菌，造成养殖生物的大量死亡。随着水体中溶氧的增加，养殖生物的生长速率加快、饲料系数降低，可见，充足的溶氧是实现循环水养殖稳产、高产的关键。目前，国内外使用与研制开发的增氧系统有许多种，大致可以分为以下几类：
（1） 充气式增氧 ；是目前工厂化养殖中应用较多的一种方法。 用空气压缩机将空气或纯氧通过气石等散气装置，释放为小的气泡，小气泡与水进行传质，将氧慢慢溶于水体中，成为溶解氧。由于形成的气泡直径大，所以传质面积有限，溶解效果不理想，氧气利用率低，成本高。
（2） 重力跌水式增氧；通过重力作用跌水溅起水花，扩大气水接触面积，从而达到增氧的目的。但是增氧效率低；而且噪声大，会影响鱼类的正常生长。
（3） 机械式增氧；在池塘养殖中大量使用的增氧机就是属于这种类型。增氧机是根据双膜理论，在人工的控制下搅动水体，激起的水跃和浪花，扩大了气液接触的比表面积，是双膜变薄不断更新，使池水增加溶解氧的装置。目前，国内外水产养殖中应用的增氧机主要有叶轮式、水车式、射流式、喷水式、等几种增氧机类型。
（4） 纯氧增氧为了适应集约化的养殖模式，增氧的模式已经由过去的机械增氧向纯氧增氧的趋势转化。纯氧的氧分压大于空气中的氧分压，可以显著的提高氧的转移速率[18，19]。丹麦、德国等一些国家成功地开发、设计、建造了使用液氧向养鱼池和生物过滤器增氧的设备，大大提高了单位鱼的产量；而美国、瑞典等国则研制了压力振荡吸收制氧装置，可在养鱼场直接生产含量为 85%-95%的富氧。目前该纯氧技术正在完善及普及推广中[20]。 3.4 杀菌消毒
由于在工厂化水产养殖系统中参与了一些生物处理单元，一些细菌、致病菌等很容易生长繁殖，处理的不及时，还会很容易引起鱼病，给养殖生产带来损失。而且投放一些化学药品还会对整个循环系统造成影响。因此，在养殖生产中多用以下几种方法进行处理。 3.4.1 臭氧杀菌
（1）臭氧消毒的原理臭氧是氧的同素异形体，臭氧由三个氧原子组成，在常温常压下为无色无味的气体，有刺激性的气味。它极不稳定，易分解产生氧原子。化学方程式为： O3=O2+[O]
氧原子具有极强的氧化能力，对具有顽强抵抗力微生物如病毒或芽胞有极大的杀伤力；同时，可以渗入细胞壁，破坏细菌有机体的链状结构导致细菌死亡。
（2）臭氧的应用由于以上臭氧所具有的性质，广泛地被用于杀灭养殖水体中的细菌、病毒和原水中的藻类，还可以将对水生动物有害的重金属、氧化成无害的氧化物。臭氧的杀菌能力非常强，对仅含细菌的水体只需投加少量臭氧，投加量不足0.5mL/g时，杀菌率就可达97%以上[21]。有的资料显示，用臭氧对养殖循环水进行处理，能抑制鱼类病原微生物、氧化有机废物和亚硝酸盐[22-24]以及总氨氮[23，25] , 可降低TSS、COD、DOC和颜色分别为35%、36%、17%、82% [26],降低TAN、亚硝酸盐、硝酸盐分别为67%、85%、67%[23]。但也有研究显示, 用臭氧处理养殖废水并不能显著降低亚硝酸盐的浓度[25]。
同时，臭氧能迅速分解成氧，处理后的水含有饱和的溶解氧，还可以调节水的pH。臭氧杀菌与泡沫分离法结合可去除水中的微量金属元素， 有效地氧化和分解有机物和有毒代谢物[27]。与紫外线组合使用，可较大的降低BOD、COD值，使硝酸盐达到很低的程度，将氨氮转化为硝酸盐，改善水质。杀菌效果优于氯气和次氯酸钠。
（3）臭氧杀菌中存在的问题及解决的办法在实际应用时, 必须关注臭氧的毒性问题。首先是臭氧长期暴露的最大安全水平, 研究表明, 当臭氧浓度大于0.008-0.060mg/L时, 可损害淡水鱼的鳃[22]，使之分泌物增加并形成凝结，阻碍了鱼类的正常呼吸；其次是将臭氧应用于半咸水和海水养殖系统时, 溴化物被臭氧氧化形成相对稳定且对鱼、贝类有毒性的次溴酸(HOBr)、次溴酸盐(OBr-)和溴酸盐(BrO-3 )[ 24，28]。对臭氧残留的去除主要采取以下几种方法: 1)添加1mg/L 硫代硫酸钠；2)充气；3)通过生物滤器或用石英、活性炭吸附； 4)与低含量H2O2反应； 5)接触高强度紫外光,波长一般为250～260 nm[29]。Hunter等[30]的研究表明, 60～75 mW·s/ cm2的UV剂量可完全破坏高达0.5mg/L的残留臭氧。
3.4.2 氯制剂消毒
使用氯制剂消毒是一种较为成熟的技术，不仅能够杀灭细菌，还能与水中的一些还原性物质反应， 降低它们对养殖生物的毒性。 但经过氯消毒后会留有余氯， 会对养殖生物有影响，必须附设一些除余氯的工艺设施，或者在进入养殖池前，充分曝气以降低影响；同时，也可采用活性碳进行吸附。 3.4.3 紫外线消毒
目前应用较多的一种杀菌消毒技术，在海水养殖中用的比较广泛。有浸没式和水面式两种类型。紫外灯发射的200-300nm的紫外线都有杀菌能力，其中以265-266nm的的杀菌力最强，在波长一定的情况下，紫外线的杀菌效率与强度和时间的乘积成正比。可以穿透细菌的细胞膜，被细胞核吸收，对细菌DNA造成损伤，抑制了DNA的复制，破坏了菌体的繁殖能力，从而达到了杀菌的目的。但是紫外线杀菌需要穿透水层才能起作用，因为污水中的悬浮物、浊度等都回干扰紫外光的传播。所以处理水的水质是保证紫外线消毒的先决条件。 3.5 生物脱氮 3.5.1“三氮”的危害
在循环水养殖系统中，鱼类所食饵料的70%-80%通过腮的扩散、离子交换以代谢产物或残饵（主要为有机物和氨氮）的形式排入水中[31,32]。这些物质在微生物的作用下，会生成“三氮”。氨态氮(TNH4-N)是指NH3和NH4+的总和，其中离子氨基本无毒，而非离子氨的毒性很大。非离子氨具有很强的脂溶性，能够透过鱼鳃和皮肤很快进入血液，干扰鱼的三羧酸循环，改变鱼的渗透压及降低鱼体对氧的利用能力，甚至引起鱼的死亡[9]。有资料显示,当养殖水体中的溶解氧小于3-5mg/L非离子氨的含量大于25微克/L，就会造成鱼类的鳃损伤，甚至窒息死亡[33]。亚硝酸氮能迅速渗透到鱼体，导致血液中的亚铁红蛋白失活，从而使其失去携氧能力；硝酸态氮的毒性较小，但随着氮代谢的不断持续和氮总量的积累，达到60mg/L-70mg/L以上时，会对鱼类造成危害[34]，还会引起鱼体色泽和肉质下降[35]。 3.5.2 除氨氮的方法 3.5.2.1 吹脱法除氨氮
养殖水的pH较高的时候，可以通过曝气或搅拌的方式来使氨从水中逸出，并使亚硝酸态氮氧化成毒性较低的硝酸态氮。 3.5.2.2 藻类除氨氮
藻类进行光合作用利用水中的氮、磷等营养物质合成自身的有机物，从而起到除氨氮的目的。研究表明，许多的藻类如石莼Ulva pertusa [36]等可以去除水中的营养性污染物。 3.5.2.3 鱼菜共生装置[9]
一项去除硝酸盐的技术，在养鱼循环系统中串联栽培盘、槽、钵和基质等，进行无土栽培蔬菜和花卉。不仅能达到净水的目的。还能获得第二产出，是目前解决循环中养殖系统中氮循环的最有效和关键的技术，具有良好的生态效应。用于海水养殖中的生物需要栽培耐盐品种或淡水植物逐步耐盐驯化。 3.5.2.4 “三氮”的危害
在溶氧充足的水体中，养殖水体中的氨在氨化细菌的作用下，进行有机氮化合物的脱氨基作用，生成氨态氮，即氨化作用；氨氮在亚硝化单胞菌和硝化单胞菌的作用下，使氨氮转化成亚硝酸盐再转化成硝酸盐的过程，即硝化作用；在溶氧不足的时候，反硝化菌以有机碳化合物如甲醇、乙酸等为电子供体，硝酸态氮或亚硝态氮为电子受体，将硝酸盐或亚硝酸盐还原称一氧化二氮或氮气的过程，即反硝化作用。实现了反硝化，才能真正地实现脱氮。目前常用的方法是在生物滤器上附着生物膜进行脱氮。刘雨等人[37]根据反应器内微生物附着载体生长的状态，将生物膜反应器分为固定床和流化床两类。在固定床中生物膜载体固定不东，在反应器内的相对位置基本不变；在流化床中生物膜载体不固定，在反应器内处于连续流动的状态。 生物流化床， 生物膜载体在高速水流和气流或机械搅拌作用下不断运动 （搅动、流化、循环等）的生物膜反应器。在水产养殖业中，最常用的固定床生物滤器有：滴流式生物滤、淹没式生物滤、生物转盘[38]和生物转筒等。
（1）生物膜的形成生物膜是一稳定的、多样的微生物生态系统。悬浮于液相中的有机污染物及微生物移动并附着在载体的表面上； 然后附着在载体上的微生物对有机物进行降解， 并发生代谢、 生长、繁殖
等的过程，并逐渐在载体的局部区域形成薄的生物膜，这层生物膜具有生化活性，有可进一步吸附、分解污水中的有机物，直至最后形成一层将载体完全包裹的成熟生物膜[39]。
生物膜的形成与载体的性质（粒径、表面电荷、表面粗糙度、级配、强度等有关）和菌种密切相关。 （2）载体载体比表面积大，单位体积的生物量较高，并且由于水流剪切力及颗粒间碰撞摩擦等原因，形成的生物膜厚度较小，活性大，生化反应速度较高[40]。目前常用的载体有：沙子、碎石、砂砾、塑料蜂窝、陶粒、弹性填料、焦炭、炉渣、石棉瓦等。Thomas Losordo 等[41]
采用农副产品如（木片、小麦皮）等作为载体，以塑料球作为对照组，实验表明。价格相对低廉的农副产品效果较好；何洁[42]等采用沙子、活性炭与沸石作为生物滤器的载体对牙鲆养殖废水进行处理，它们对废水的平均氨去除率为 34.79g/(m3.d)、35.6 g/(m3.d)和 36.17g/(m3.d)，其中沸石的效果最好；生物流化床采用的载体一般为：粒径 0.1-0.6mm的砂粒[43]
和粒径小于 0.5mm的膨胀土[44]以及用颗粒活性炭（GAC）[45]或者颗粒污泥作为载体的。 采用 GAC 为载体可以利用生物处理和吸附作用来联合去除污水中的有机物，采用颗粒物你作为载体，则可以维持很高的生物量浓度。
（3）菌种最初建立的生物滤器往往因为缺乏足够数量的硝化细菌，不具备完全的硝化能力，都应进行生物滤器的培养及驯化，才能放养生物。由于硝化细菌的生长率比较低，所以在一个新建海水生物滤器形成良好的硝化能力所需的时间很长。研究者发现，生物滤器氨氮氧化成亚硝酸氮最终氧化成硝酸氮，在 21℃-26℃时需要28-60d[46，47]。罗国芝等[48]对新建海水生物滤器中接种入已稳定生物滤器的滤料、表层土壤都可以明显加速系统建立硝化作用，加入三种商业“超级硝化菌”和取自城市废水处理厂的活性污泥则并加速新建海水生物滤器的稳定。开发硝化细菌的富集技术，提高硝化细菌的产率，在养殖废水处理中具有重大的意义。
屈计宁等[49]用提高基质浓度的方式大幅度提高了硝化细菌的含量，当温度为 30℃、pH 为6.5-8.0、DO〉2mg/L 时，经过 12-13 周的富集培养每克污泥中硝化菌的数量是未经富集处理的 12.5-20 倍；张玲华等[50]研究结果表明经富集后的消化细菌的氨氮去除率由原来的 54%提高到 86%。同时，将具有硝化作用或反硝化作用的细菌固定化作为处理养殖废水的新技术已经受到越来越多的各国学者的重视[51]。吴伟等[52]采用 PVA包埋固定的沼泽红假单胞菌、诺卡式菌和假丝酵母菌 3 种菌株。研究其对养殖水体中 NH4+-N 和 NO2--N转化作用，研究表明菌种经固定后对养殖水体中 NH4+-N 和 NO2--N的转化效率明显优于其游离细胞。
Shan 等[53]利用固定化的硝化细菌去除对虾养殖池中高浓度的氨氮， 结果表明固定化细胞能有效去除养殖池中的总氨氮，去除率高达 20mg/L,即使投入的固定化颗粒密度较小，也能获得较高的总氨氮去除率。
（4）生物脱氮的新工艺传统的生物脱氮工艺如活性污泥法脱氮工艺，主要是根据微生物的普遍生长规律，硝化作用由一类自养好氧微生物完成。它包括两步：第一步为亚硝化过程，第二步为硝化过程。 反硝化反应有一群异养型微生物完成，将亚硝酸盐或硝酸盐还原称气态氮或一氧化二氮。
A/O工艺、A2/O工艺、UCT 工艺等。目前研究表明：生物脱氮过程中出现了一些新的现象，如硝化过程也可由异养菌参与[54]； 而有反硝化菌在好氧的条件下也可进行反硝化作用[55]；一些学者在实验室中还发现厌氧反应器中 NH3-N 减少的现象[55-58]。从而研究和发展了一些新的脱氮工艺。 1）短程硝化反硝化也称亚硝酸硝化/反硝化，是将硝化过程控制在亚硝酸盐的形成阶段，造成亚硝酸盐的积累，然后再进行亚硝酸的反硝化。具有几个主要的优点：a.节约了25%左右的需氧量，降低了能耗；b.减少了40%左右的有机碳源，降低了运行费用[59]； c.节省了50%的反硝化反应的容积。然而，实现短程硝化反硝化的成功报道并不多见，由荷兰Delft技术大学开发的脱氮新工艺[60]即：SHARON工艺是利用在高温(30～35℃)下亚硝酸菌的比增长速率大于硝酸菌这一微生物动力学特性来实现短程硝化反硝化生物脱氮工艺. 而对于大多数污水处理工程来说,大水量升温并保持在30～35℃很难实现。 高文大[61]等系统研究了温度和曝气时间对短程硝化反硝化生物脱氮工艺稳定性的影响. 结果表明,反应器内温度只有超过28 ℃时,利用温度实现的短程硝化反硝化生物脱氮工艺才能稳定地运行;另外,首次发现过度曝
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