技术领域
[0001] 本
发明涉及水处理，尤其涉及一种密闭循环
水产养殖的水处理系统与方法。
背景技术
[0002] 我国是世界最大的渔业国家之一，传统农业化及牧业化水产养殖
废水的自然排放加剧了水环境污染和水资源短缺的社会问题。有研究表明，以传统粗狂式养殖1kg的鱼，污染
水体修复需要付出几公斤鱼的代价。因此，上世纪80年代开始，欧盟及澳洲等发达国家先后出台了养鱼废水的排放标准。近年来，我国也相继出台相关的鱼类(罗非鱼)废水排放标准，并开始研究及推广工业化、集群化的水产养殖模式，减少养殖废水排放，缓解对水环境的危害。循环水养殖模式是水产养殖诸多模式中工业化程度最高的一种生产模式，它与流水型养殖模式相比，具有几方面有点：(1)养殖
密度高，单位耗水产量高；(2)可节水90％以上，节地高达99％；(3)对环境条件依赖小，可持续生产，不受
气候和地域条件限制；(4)生产工业化程度高，流程可控，可有效
预防鱼类(罗非鱼)
疾病；(5)水资源科循环利用，可实现节能减排、环境友好型生产。欧盟、美国和日本等发达国家已大
力推广循环水产养殖技术，并大规模的进行工业化生产。虽然我国在
基础研究方面起步较晚，但近年来循环水产养殖的相关研究及应用也发展迅速，尤其在工艺筛选和优化方面有较多建树。
[0003] 养殖废水中的污染物主要包括：悬浮物、有机物和
氨氮，其中氨氮浓度是影响鱼类(罗非鱼)生长最重要的水质指标。目前，主流的封闭循环养殖系统主要以微滤(去除悬浮物)、移动床
生物滤池(降解有机物和氨氮)和深度处理单元(热交换和消毒)结合为主，移动生物滤池是其中的核心单元，但是由于传统生物滤池生物量较小，氨氮降解效率低，且对小粒径颗粒截留能力有限，导致该工艺占地面积大，污染物去除效率低。另外，传统工艺中对氨氮的处理模式主要包括两种：一是仅将氨氮通过微
生物降解转换为硝氮，任由其在循环水体中累积；二是增加一级移动生物滤池单元，在氨氮转换为硝氮后继续将其反硝化为N2。虽然鱼类(罗非鱼)自身对水体中的NO3--N耐受能力极强，在800mg/L的NO3--N水环境中仍可以生长，但高浓度的NO3--N富集容易导致
水体富营养化，大幅消耗水体中溶解
氧，从而不利于鱼类(罗非鱼)生存。如在工艺单元中，增加反硝化工艺单元，则将增加工艺占地、工艺基建成本和运行成本。因此，构建高效的密闭循环水养殖工艺是未来的发展趋势。
发明内容
[0004] 为了解决
现有技术中的问题，本发明提供了一种密闭循环水产养殖的水处理系统与方法。
[0005] 本发明提供了一种密闭循环水产养殖的水处理系统，包括养殖池、轻质滤料BAF单元、
水培蔬菜栽培架、轻质滤料BAF耦合O3单元和热交换单元，其中，所述养殖池的出水口与所述轻质滤料BAF单元的进水口连接，所述轻质滤料BAF单元的出水口与所述水培蔬菜栽培架的进水口连接，所述水培蔬菜栽培架的出水口与所述轻质滤料BAF耦合O3单元的进水口连接，所述轻质滤料BAF耦合O3单元的出水口与所述热交换单元的进水口连接，所述热交换单元的出水口与所述养殖池的进水口连接。
[0006] 作为本发明的进一步改进，所述养殖池设有底部出水口、底部排空口和上清液出水口，所述养殖池的上清液出水口与所述轻质滤料BAF单元的进水口连接。
[0007] 作为本发明的进一步改进，所述底部出水口连接有预处理单元，所述预处理单元为格栅单元，所述预处理单元的出水品与所述轻质滤料BAF单元的进水口连接。
[0008] 作为本发明的进一步改进，所述预处理单元为转鼓式细格栅，所述转鼓式细格栅的格栅间隙为3-5mm。
[0009] 作为本发明的进一步改进，所述轻质滤料BAF单元为第一上流式滤池，所述第一上流式滤池的上部设有第一滤池
挡板，所述第一上流式滤池的内部填充有第一轻质滤料，所述第一轻质滤料位于所述第一滤池挡板之下，所述轻质滤料BAF单元的进水口位于所述第一上流式滤池的底部，所述轻质滤料BAF单元的出水口位于所述第一上流式滤池的上部，所述轻质滤料BAF单元的出水口位于所述第一滤池挡板之上，所述第一上流式滤池的底部设有第一曝气头，所述第一曝气头连接有空气曝气装置。
[0010] 作为本发明的进一步改进，所述轻质滤料BAF耦合O3单元为第二上流式滤池，所述第二上流式滤池的上部设有第二滤池挡板，所述第二上流式滤池的内部填充有第二轻质滤料，所述第二轻质滤料位于所述第二滤池挡板之下，所述轻质滤料BAF耦合O3单元的进水口位于所述第二上流式滤池的底部，所述轻质滤料BAF耦合O3单元的出水口位于所述第二上流式滤池的上部，所述轻质滤料BAF耦合O3单元的出水口位于所述第二滤池挡板之上，所述第二上流式滤池的底部设有第二曝气头，所述第二曝气头连接有O3曝气装置。
[0011] 作为本发明的进一步改进，所述第二上流式滤池的体积为所述第一上流式滤池的体积的一半。
[0012] 作为本发明的进一步改进，所述水培蔬菜栽培架为矩阵模
块，所述水培蔬菜栽培架的进水口设置在所述矩阵模块的一侧，所述水培蔬菜栽培架的出水口设置在所述矩阵模块的另一侧，所述水培蔬菜栽培架的出水口设有过滤网。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述热交换单元为热交换池，所述热交换池内设有控制水温的电循环加热装置。
[0014] 本发明还提供了一种密闭循环水产养殖的水处理方法，养殖池内产生的养殖废水经预处理格栅去除大粒径悬浮物后，进入轻质滤料BAF单元，通过截留和生物降解作用，废水中的有机物被降解为二氧化
碳和水，NH4+-N高效转换为
植物可吸收利用的NO3--N；轻质滤料BAF单元出水进入水培蔬菜栽培架，
水生动物排泄物中的
磷酸盐(PO43--P)类和经轻质滤料BAF单元转化的
硝酸盐(NO3--N)类污染物，作为植物生长所需的营养物质被吸收去除，实现资源高效回用及水质
净化双重功效；随后，水培蔬菜栽培架出水进入后置的轻质滤料BAF耦合O3单元，通过深度处理去除水中由植物根系分泌物带来的难降解有机物，并对出水进行脱色和消毒；最后通
过热交换单元，控制循环水的水温，出水回流至养殖池。
[0015] 本发明的有益效果是：通过上述方案，实现对养殖废水的深度去碳脱色及高效回收氮源，使水生养殖水系统高度自循环，具有更好的硝化效果、脱色效果。
附图说明
[0016] 图1是本发明一种密闭循环水产养殖的水处理系统的示意图。
[0017] 图2是本发明一种密闭循环水产养殖的水处理系统的运行效果示意图。
[0018] 图3是本发明一种密闭循环水产养殖的水处理系统的运行效果示意图。
[0019] 图4是本发明一种密闭循环水产养殖的水处理系统的运行效果示意图。
[0020] 图5是本发明一种密闭循环水产养殖的水处理系统的运行效果示意图。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0022] 如图1至图5所示，一种密闭循环水产养殖的水处理系统，包括养殖池1、预处理单元6、轻质滤料BAF单元2、水培蔬菜栽培架3、轻质滤料BAF耦合O3单元4，热交换单元5。
[0023] (1)养殖池1。养殖池1作为水生动物的
生存空间，需定期向养殖池内投喂饵料，而残留的饵料和水生动物排泄物对养殖水体造成极大污染，影响水生动物生长。为保障水生动物高效生长，需对水体中的污染物进行高效去除，以实现高密度封闭循环水产养殖。
[0024] 养殖池1采用圆锥形的不锈
钢结构，设置有底部出水口，底部排空口和上清液出水口。养殖池1利用类似于竖流式
沉淀池的原理，使产生的大部分鱼类(罗非鱼)
粪便通过重力作用快速沉淀于池底，并通过底部排水口，迅速进入后续的预处理单元6(优选格栅单元)，以去除大量固态鱼类(罗非鱼)粪便，从而有效控制由于粪便溶解导致水体氨氮迅速升高的
风险。此外，设置的上清液出水口，由于大粒径悬浮物已通过底部排水口排除，上清液水源主要以小粒径悬浮物和溶解性污染物为主，可直接进入轻质滤料BAF单元2进行降低。底部排泥口，用于养殖周期结束后，用于清洗养殖池1的排水通道。
[0025] (2)预处理单元6。预处理单元6采用转鼓式细格栅，细格栅的间隙为3-5mm。养殖池1的废水由养殖池底部出水口进入预处理单元6后，细格栅对废水中所含的大粒径悬浮物进行有效截留，悬浮物去除率高达70％，使出水中悬浮物浓度低于50mg/L。出水随后废水进入轻质滤料BAF单元2，经预处理后进入BAF中的废水量占BAF中总处理量的60％。
[0026] (3)轻质滤料BAF单元2。轻质滤料BAF单元2采用上流式滤池模式，滤池挡板设置于滤池上部，滤池内部填充第一轻质滤料21(聚丙乙烯)，第一轻质滤料21的层高2.5m，第一轻质滤料21的密度略小于水，可漂浮于水面之上；第一轻质滤料21的粒径在3-5mm，第一轻质滤料21的粒径较为均匀，有利于布水和布气。轻质滤料BAF单元2的进水口和曝气头均设置于滤池底部，曝气头连接有空气曝气装置22，采用空气曝气，出水口设置于滤池上部。在本单元协同投加少量碳酸氢
钾，用于控制循环水pH，投加量控制在3-6mg/L·d。
[0027] BAF的水源主要包括两部分，其中60％来自预处理单元6出水，另外40％主要来自养殖池1的上清液出水，这部分水本身悬浮物含量较低，可直接进入轻质滤料BAF单元2。废水进入BAF后，经过滤池中
微生物降解及滤料的有效截留，可实现低浓度有机物的有效矿化，低浓度氨氮的高效硝化，小粒径颗粒物的有效去除；最终使出水中的悬浮物浓度低于5mg/L，氨氮浓度低于0.5mg/L，TOC浓度低于10mg/L，N污染物由NH4+-N的形式转换为NO3--N的形式存在。
[0028] (4)水培蔬菜栽培架3。水培蔬菜栽培架3采用易于拆卸和组装的矩阵模块，每个矩阵面积为360cm*80cm，根据养殖池1的体积配合矩阵数量，目前为400L养殖水配套一个矩阵。水培蔬菜栽培架3采用
不锈钢结构，从一侧进水，另外一侧出水，出水出设置有网格，截留部分根系脱落物。
[0029] 水培蔬菜栽培架3的水源主要来自BAF出水，水源中所含的N、P污染物将直接作为营养源，保障蔬菜生长。水培蔬菜栽培架3的主要作为可为生菜以及小白菜等根系发达的蔬菜种类，可大量吸收水源中由BAF单元转化而得的NO3--N和养殖废水中未被BAF去除的PO43--P。经过本单元后，NO3--N被大量吸收，不仅可控制循环水中的氮含量，避免水体富营养化，还变废为宝，作为蔬菜生长的营养源。最终使出水中的NO3--N浓度低于0.5mg/L，TOC浓度低于10mg/L。
[0030] (5)轻质滤料BAF耦合O3单元4。轻质滤料BAF耦合O3单元4依然采用上流式滤池模式，池内设第二轻质滤料41，滤料类别及滤料高度及挡板
位置均与轻质滤料BAF单元2一致，但滤池体积仅为轻质滤料BAF单元2一半，同时底部采用O3曝气装置42进行O3曝气，O3曝气浓度控制在500-1000μg/L。
[0031] 本单元的水源来自水培蔬菜栽培架3出水，废水中含有鱼类(罗非鱼)生长代谢会产生的长链有机物以及植物生长代谢产生的根系分泌物，这些有机物中的一部分为带有有色官能团长链有机物，难以被生物降解。随着密闭循环次数增加，水中难降解有机物不断累积增多，将会对水生动物和植物生长都有一定抑制。本单元在轻质滤料BAF耦合O3单元4中，采用O3曝气，对难降解有机物进行高效降解，同时对循环水进行脱色，并通过滤池的高效截留作用对蔬菜栽培盘流出的悬浮物。最终使出水中的悬浮物浓度低于5mg/L，氨氮浓度低于0.5mg/L，TOC浓度低于10mg/L，N污染物由NH43+-N的形式转换为NO3--N的形式存在。
[0032] (6)热交换池5。热交换池5通过电循环系统加热。本系统主要用于产量和耐受能力都较高的罗非鱼养殖，因此在整个
水循环工艺的末端，需进行
温度调控。热交换池5主要通过加温，使循环水稳定控制在25-30℃。
[0033] 本发明还提供了一种密闭循环水产养殖的水处理方法，养殖池1内产生的养殖废水经预处理格栅去除大粒径悬浮物后，进入轻质滤料BAF单元2，通过截留和生物降解作用，废水中的有机物和氨氮被有效去除，NH34+-N高效转换为植物可吸收利用的NO3--N；轻质滤料BAF单元2出水进入水培蔬菜栽培架3，水生动物排泄物中的磷酸盐类和经轻质滤料BAF单元转化的氮类污染物，作为植物生长所需的营养物质被吸收去除，实现资源高效回用及水质净化双重功效；随后，水培蔬菜栽培架3出水进入后置的轻质滤料BAF耦合O3单元4，通过深度处理去除水中的难降解有机物，并对出水进行脱色和消毒；最后通过热交换单元，控制循环水的水温，出水回流至养殖池1。
[0034] 养殖废水的水质特点为悬浮物含量高，且在鱼类(罗非鱼)粪便分散后，粒径较小，低于200um；有机物含量低，以机物以C10以下的小分子为主，但部分有机物为含有色官能团，难以被生物法降解去除；氨氮含量低，但鱼类(罗非鱼)对循环水中的氨氮要求极高，最佳氨氮浓度要求不高于1mg/L。基于上述水质特点，要求工艺单元具有去除小粒径悬浮的截留能力，具有降解有机物并脱去
色度的功能，具有硝化氨氮并将其控制在极低水平的能力。
[0035] 本发明的密闭循环养殖系统废水循环流程为：养殖池鱼类(罗非鱼)排泄物和残留饵料进入水体，导致水体中悬浮物、有机物和氨氮大幅提高，并产生小部分磷酸盐，为保障鱼类(罗非鱼)健康高效生长，废水进行循环再生。养殖池1底部沉积的废水，通过底部
排水管进入预处理单元，废水中尚未分解的粪便及其他大粒径悬浮物在此去除，该单元出水作为轻质滤料BAF单元260％的水源进入轻质滤料BAF单元2。与此同时，养殖池1上部悬浮物浓度不高的上清液，通过上部出水口，作为BAF余下的40％水源，汇同预处理单元出水，一并进入轻质滤料BAF单元2。废水在轻质滤料BAF单元2中，通过微生物作用，有机物得到大幅去除，大部分氨氮也转化为硝氮。随后废水进入蔬菜栽培单元，废水中的硝氮和磷酸盐被蔬菜吸收，有效控制了循环水中硝氮和磷酸盐的累计。至此，废水中大部分污染物被去除，但由鱼类(罗非鱼)代谢产生的难以被生物法降解的有色官能团的有机物，由蔬菜根系产生的分泌物和少量根系脱落物等有机物仍残留在出水中，因此，水培蔬菜栽培架3出水再进入BAF+O3单元，在低浓度臭氧氧化作用和富集少量耐受性微生物的滤池作用下，完成对难降解有机物的深度矿化，对微小藻类的去除，并对细小的根系分泌物完成截留。本单元随后出水进入热交换单元，使循环水控制在25-28℃。至此循环水中的有机物、氨氮、硝氮、磷酸盐、悬浮物、色度和温度都得到有效控制，使循环水可用于养殖高密度鱼类(罗非鱼)。
[0036] 本发明主要以两级BAF为核心工艺单元，利用BAF截留能力强，去除细小粒径悬浮物(d50＜120μm)，有效水体中控制总氮(TN)和有机物(TCOD)浓度；并耦合水培蔬菜栽培架3，吸收回用养殖废水中的残留的可供植物吸收的氮类和磷酸盐类污染物，将废水中的污染物变废为宝；同时通过预处理有效控制鱼类(罗非鱼)粪便在水中残留时间，通过热交换单元控制水温，最大程度减少自然环境对养殖系统的影响。
[0037] 实际循环水处理效果
[0038] 养殖池1的废弃物产出速率如表1所示，随着养殖池运行时间增加，污染物累积量不断增加。
[0039] 表1系统废弃物产出
[0040]类别 单位产量
二氧化碳代谢速率 0.0441mg/g·h
产氨速率 0.0079mg/g·h
产有机物速率 0.1998mg/g·h
产磷速率 0.0009mg/g·h
[0041] 整个试验分为两个阶段，第一阶段仅以预处理单元+BAF构成，该阶段采用的工艺组合类似于养殖废水处理工艺，仅用于高效控制悬浮物和氨氮。但随着养殖周期延长，有机物、硝酸盐和磷酸盐累积效应明显，最高可达到近100mg/L，尽管鱼类本身对这三类污染的耐受力很强，但三类污染物将导致循环水体富营养化，大幅消耗水中溶解氧，最终导致鱼类死亡。因此，在试验进行60d时，在循环水体工艺单元中，增加蔬菜栽培单元和BAF/O3单元，从试验结果可以看出，60d后，不仅有机物、磷酸盐和硝酸盐得到有效控制，在循环水中的浓度显著降低，其浓度分别在10mg/L左右，10-15mg/L和50-60mg/L范围内。同时也进一步控制了氨氮浓度，使得循环水中的氨氮稳定在0.5-1mg/L。从200d稳定运行的试验结果可知，本发明提出的一种基于轻质滤料BAF的高密度封闭循环水
鱼菜共生耦合工艺系统高效可行。
[0042] 针对现有高密度封闭循环水养殖存在的微生物降解效率低和氮资源化利用的问题，本发明提出一种基于轻质滤料BAF的密闭循环水产养殖的水处理系统与方法，其中的核心单元曝气生物滤池工艺(Biological AeratedFilter,BAF)是上世纪90年代新兴的
污水处理工艺，它具有其生物量大，占地面积小、处理效率高等工艺特点。随着滤料材料的发展，轻质BAF工艺具有更好的微生物负载能力，对低浓度的氨氮去除效率更高；同时由于轻质滤料BAF
挤压滤料的水流方式，使工艺具有更强的细小颗粒物截留能力。因此，轻质滤料BAF工艺可极好解决移动生物滤池工艺面临的占地面积大、污染物处理效率低的问题。另外，本发明还将载入水培蔬菜种植单元，可利用水生动物排泄物中的PO43--P类及NO4+-N转
化成的NO3--N类物质，不仅实现了NO3--N的资源化利用，同时使系统增加了水培蔬菜的附加值。使密闭循环体系的鱼类(罗非鱼)养殖密度高达60kg/m3，实现水生动物养殖废水的深度去碳脱色及高效回收氮源，使水生动物养殖水实现自循环，循环率高达90-95％，与同类其他工艺相比，具有更好的硝化效果、脱色效果，以及良好的资源回用比例。
[0043] 本发明提供的一种密闭循环水产养殖的水处理系统与方法，利用以轻质滤料BAF为核心、结合蔬菜栽培盘和臭氧单元的新工艺实现对养殖废水的高效安全的循环再生利用，实现养殖系统2年完全不换水的运行模式，单日循环次数控制在10-12次，回用比例达到95％以上。
[0044] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
