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凡纳滨对虾养殖池塘水体原位复合生态净化技术研究
作者:管理员    发布于:2017-11-11 14:03:14    文字:【】【】【

  基金项目:新世纪优秀人才支持计划资助(NCET414320);温州市科技计划项目(S20080024)通讯作者:陈雪初(1980―),男,博士,讲师,主要从事富营养化及藻类水华发生机制与控制对策、受污染水体生态修复和监测技术研究E-mail:cxcsnow)是我国沿海地区重要的海水养殖品种,但是水体水质管理直是养殖过程中的难点。主要表现为高氨氮10、高悬浮物0、低溶解氧,以及环境污染6"3.现阶段国内对虾养殖方式仍以粗放型的养殖经营模式为主,缺少科学的养殖水体水质管理方式。相比传统养殖方式,工厂化循环水养殖方式用工艺化手段控制池内水质及生态环境,为对虾提供佳生长环境,且养殖用水循环使用大大减少了用水量及排放废水的污染问题,因此被认为是对虾养殖的重要发展方向。典型的海水对虾循环水养殖模式:有美国德州跑道式对虾养殖系统、台南室内自动化循环水养虾系统、美国佛罗里达三阶段养殖系统和美国夏威夷基于微藻的循环水对虾养殖系统等。另外,管崇武等8、沈乃峰等9、臧维玲等10也进行了对虾养殖用水的循环处理试验。但是,工厂化循环水养殖方式往往需要生物滤池、沉淀池、充氧装置等成套异位设施,占地较多,若能在实施异位处理的同时,开发养殖塘内水体的自然复氧及水质净化潜力,将可减少占地、降低成本。本研究提出一种将扬水造流设备、生物挂膜填料、沉淀斜管有机组合形成的水质原位复合生态净化技术,为解决对虾养殖中的高氨氮、高悬浮物、低溶解氧等水质问题开展了中试规模的试验研究。

  1材料与方法1.1原位复合生态净化系统介绍水体原位复合生态净化系统由扬水造流设备、生物挂膜填料、沉淀斜管等3部分构成。扬水造流设备直径20cm、高60cm,主要由一个具有特殊的闭合装置的气室和提升筒组成。闭合装置能够将气泵泵入的空气封闭在气室内,当气室内空气较多时,闭合装置打开,待气室内空气全部溢出以后闭合装置再次关闭,开始一个新的循环。气室中溢出的气体在提升筒内形成一个加速上升的气弹,气弹在上升同时也带动筒内水体上升,从而将底部水体提升到表层,造成扬水造流区水体的较为强烈的垂直混合,并促进自然复氧过程awa.生物挂膜填料采用直径15mm、长1 m的弹性立体填料,该填料将聚烯烃类和聚酰胺为材料的丝条穿插固着在耐腐、高强度的中心绳上,丝条呈立体均匀排列辐射状态,使气水与生物膜充分接触。沉淀斜管采用直径50mm、高度0.3m的聚丙烯蜂窝斜管。

  试验在浙江省海洋水产养殖研究所永兴基地进行。选用2个室内水泥养殖塘作为试验塘和对照塘,规格为6. 2.0m(深),每个养殖塘内按照1.0m间隔设置5行5列共25个充氧曝气头,它们通过管道连接同台罗茨风机。

  在试验塘内设置一套原位复合生态净化系统,布置方式如所示。关闭养殖塘的部分曝气管道,仅保留5根曝气管道供气,其中4根曝气管道连接充氧曝气头(图中实心点),悬挂在水面以下1m处,另1根曝气管道去掉曝气头后连接扬水造流设备进气口(图中空心圈),从而保证扬水造流设备气量与曝气头一致。在塘内与扬水造流设备相对的一角设置2.0mx1.0m的生态净化区,在水体上方(水面至水面以下1.0m深度)悬挂弹性立体填料,下方(池底至池底以上0.3m)安放沉淀斜管,原位生态净化区四周以细渔网围起,防止对虾进入其中。试验过程中,每个塘内水深维持1.5m.为达到复合净化效果,用潜水泵提升扬水造流区水体(400L/h)至由挂膜填料和沉淀斜管组成的生态净化区,并通过布水管向生态净化区内均匀布水;养殖水体在扬水造流区内复氧后进入生态净化区,在流态相对稳定的条件下去除氮污染物和悬浮物M.对照塘布置不使用原位复合生态净化技术,仅在与试验塘曝气头和扬水造流设备相同的位置设置5个曝气头,通过曝气管道连接到试验塘的罗茨风机,保证试验过程中两塘内气量相等。对照塘其余设置均与试验塘相同,以保证两个塘内出现的差异仅来自于试验塘使用的原位复合生态净化技术。

  原位复合生态净化系统试验塘布置。2试验方法具体养殖过程:7月29日下午16:00向每个塘各移入凡纳滨对虾虾苗1.75kg(约1600尾/ kg),养殖密度为78尾/m2;8月8日(第10天)增加污染负荷,再向每个塘各移入1.135kg虾苗,养殖密度增加至128尾/m2;8月13日(第15天)/邗苌S率除塘塘去验照对试对相3/85/资减将每个塘5个曝气点减少为4个;8月22日收虾,试验塘收成凡纳滨对虾10.75kg(2472尾),对照塘收成9.92kg(2023尾)。对虾养殖过程中,初始投饵量按照虾苗总重0.8计,每日增加8;在每日的8:00、13:00和18:00投饵,投饵量比例为30、0、0.中试研究开始后,打开罗茨风机向2个塘内曝气充氧(每个塘内曝气功率约为200W),扬水造流设备在进气后开始产生间歇性的气弹,同时打开试验塘内的潜水泵使水体在试验塘内循环。罗茨风机、潜水泵在整个试验期间持续运行。

  1.3试验仪器和水质检测方法试验中设置的测定指标445包括氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、溶解氧、悬浮物质,测定方法参照海洋监测规范第4部分:海水分析(GB17378.4―2007)M.―6号采样点,其中1―4号采样点分布在养殖塘四角(距两边池壁0. 2m),5号采样点在养殖塘正中心,6号采样点则在原位生态净化区中心(中实心三角)。每个采样点又分为表层(水面以下10cm)及底层(池底以上10cm)。对照塘内仅设置1―5号采样点,即养殖塘四角和中心。

  根据试验需要对不同水质指标采用不同的采样时间及方法:氨氮、亚硝酸盐、氮硝酸盐氮为常规水质指标,每隔1 ~2d于中午12:00在各点取等体积水样混合均匀,混合后的水样过滤后测量氮污染物浓度,监测两塘中水质随着试验天数增加产生的变化;8月8日18:00及12日4:00测定6个采样点表层和底层的溶解氧;8月16曰和20日12:00采集水样测定悬浮物,将1―5号采样点水样混合代表试验塘和对照塘情况,试验塘6号采样点则单独代表生态净化区情况。

  1.4数据统计与分析方法为了方便进行对比,根据试验塘和对照塘水质指标数据计算相对去除率。以氨氮为例,计算公式如下:-试验塘氨氮浓度/对照塘氨氮浓度)x100将2个塘内氮污染物浓度对试验时间作折线图,并将相对去除率对时间做柱状图。根据图表分析氮污染物在试验全程中的变化情况。对于测定的溶解氧数据,采用配对样本t检验法判定扬水造流设备复氧及促进水体混合的效果。

  2试验结果2.1氨氮的变化试验开始时,塘内水体氨氮浓度初始值为0.033mg/L,系统运行后浓度逐渐降低;第10天,增加虾苗密度后,氨氮浓度开始增加,对照塘内浓度从0. 019mg/L逐步升高至第18天的0. 105mg/L,试验塘内氨氮浓度从0.012mg/L逐步升高至第15天的0.063mg/L后不再增加甚至稍有减少。根据两个塘内氨氮浓度计算,第10、12、14、15、18天的氨氮浓度相对去除率分别为35.3、33.2、67.试验时间/d氨氮的变化情况2.2亚硝酸盐氮的变化第1天塘内水体亚硝酸盐氮初始浓度为0.020mg/L,此后两塘的浓度始终维持在极低水平,第10天增加虾苗密度后亚硝酸盐氮开始积累,对照塘从0.010mg/L逐步增加到0. 879mg/L,而试验塘则分为两个时间段:第10―15天,浓度仍保持较低水平(不高于0.100mg/L),相对去除率保持在80以上(第10天为50);第15天减少一个曝气点后,供氧量减少,亚硝酸盐氮难以及时氧化成硝酸盐氮,第18天亚硝酸盐氮浓度较第15天显著增加,而相对去除率虽有所降低,仍达到40.第10、12、14、15、18天的亚硝酸盐氮相对去除率均值为70.0.率除塘塘去验照对试对相试验时间/d率除塘塘去验照对试对相试验时间/d亚硝酸盐氮的变化情况2.3硝酸盐氮的变化硝酸盐氮变化趋势与亚硝酸盐氮变化趋势非常相似。第1天塘内水体中硝酸盐氮浓度为0.200mg/L,在第3天降低至极低水平,第10天增加虾苗密度后,对照塘内硝酸盐氮从0. 530mg/L,而试验塘的浓度变化也分为两个阶段:第10―15天从0.041mg/L增加至0.229mg/L,第18天则增加至1.437mg/L.第10、12、14、15、18天的硝酸盐氮相对去除率依2.4溶解氧分布情况8月8日傍晚18:00时由于塘内藻类光合作用刚结束,试验塘和对照塘内溶解氧平均值均较高;而凌晨4:00时由于缺乏光合作用,同时对虾硝酸盐氮的变化情况的生理活动较白天更加活跃,两个塘内溶解氧平均值分别仅为2.46mg/L和1.77mg/L.另外,观察试验塘内各个点的溶解氧大小,可以看出试验塘内溶解氧在5号点高,3号点低,这可能是由于5号点接近扬水造流设备,3号点距离远且被原位生态净化区阻隔。

  对试验塘内和对照塘内1一5号采样点表层及底层溶解氧数据进行配对样本t检验(表1)。结果显示,8月8日和8月12日的P值分别为0.008和0.000,均小于0.05,这说明两塘溶解氧浓度存在明显差异;比较表明,试验塘溶解氧均值都较对照塘有所增加,月8曰和8月12曰增加率分别为13. 8和39.0.这表明运行扬水造流设备增强了水体自然复氧能力,显著提高了养殖塘内溶解氧浓度。

  试验塘和对65.5,即相对去除率为34. 5,原位生态净化区悬浮物又仅为试验塘的65.8;8月20日试验2.5悬浮物去除情况8月16日试验塘内悬浮物仅为对照塘的塘悬浮物相对去除率则达到了42. 7.两天的试验塘悬浮物质平均相对去除率达到了38. 6.观察抽滤后截留在滤膜上的悬浮物,试验塘悬浮物为绿色,对照塘悬浮物为褐色。对水样镜检发现,试验塘内悬浮物以小球藻(Chlorellasp.)为主(因为试验条件限制,未对藻类浓度计数),残余饵料及对虾粪便很少,对照塘内悬浮物则以残余饵料和对虾粪便为主。

  曰期组别均值标准差增加率试验塘对照塘试验塘对照塘表2悬浮物质测定结果项目8月16日8月20日试验塘原位生态净化区对照塘试验塘悬浮物相对去除率/ 3讨论3.1原位复合生态净化技术的污染物去除机制分析本研究所提出的原位复合生态净化技术,主要由扬水造流设备、生物挂膜填料和沉淀斜管等3类设施组成,相关单项技术目前主要在湖库水体水质改善领域开展应用。其中,扬水造流技术主要应用于水库水源地水质修复与藻类控制,通过间歇性的提水方式促使整个水体的垂直混合,强化水体的自然复氧能力M,并使水体中溶解氧均匀分布;生物膜接触氧化技术多应用于微污染水预氧化,其生物挂膜填料提供了硝化菌等微生物生长的良好环境,异位生物滤池的研究证明该技术在较短停留时间内有效去除水中氨氮11849;斜管沉淀技术多用于城镇给水处理,通过浅层沉淀原理达成悬浮物的快速去除。

  凡纳滨对虾养殖水体,其水质污染特征与湖库水体有所区别,主要表现在污染物浓度较高,并容易形成复合污染,往往呈现高氨氮、高悬浮物、低溶解氧并存的现象。即:高密度养殖时投放过量的饵料,对虾在饵料充足的环境下生理活动旺盛,促使水体中氨氮升高;残饵及对虾排泄粪便在虾池内长时间悬浮,降低水体透明度,抑制了藻类的生长及其对水体中氨氮的吸收;对虾旺盛的生理活动需要消耗大量的溶解氧,然而藻类生长受抑制使得水体通过光合作用供氧量减少,氨氮、有机悬浮物则在降解过程中与对虾争夺水体溶解氧,更加剧了水体溶解氧过低的问题。

  针对上述复合污染过程,结合笔者前期在湖库水体水质改善方面取得的技术经验,本研究提出将扬水造流技术、生物膜接触氧化技术和斜管沉淀技术有机组合,发挥各自优势达成原位水质净化效果。结合试验结果,初步分析其污染物去除机制为:扬水造流设备促进了水体自然复氧,同时产生的水体扰动作用不断提升扬水造流区的悬浮物质及残饵,并通过潜水泵导入生态净化区;在生态净化区内利用布水装置使养殖用水均匀流过生物接触氧化填料,通过生物膜的好氧作用去除氨氮;密集的生物填料和沉淀斜管创造了一个相对静止的环境,悬浮物及残饵在此区域内沉淀去除,所以增加水下光照度,藻类逐渐增殖,并通过光合作用补充水体溶解氧。因此,试验塘内悬浮物以小球藻为主,对照塘内则为残余饵料及对虾粪便为主。

  3.2原位复合生态净化技术应用前景探讨原位复合生态净化技术具有如下的特点:(1)由于采用原位处理方式,不需要额外占地,仅需在现有虾塘基础上进行改造,因此总建设成本较低;(2)采用挂膜填料、沉淀斜管、潜水泵等常用水处理设备组合而成,因此工程实施难度较低;(3)运行扬水造流设备不会产生额外的能耗,能够直接使用现有的曝气管道,在相同的气量下产生更好的复氧效果,换言之,达到同样的供氧效果所使用的能耗更小,且扬水造流设备供氧方式流态稳定。该技术同时还强化了养殖水体的自净能力。本研究中氨氮、硝酸盐氮、悬浮物的平均相对去除率在70以下,虽然仍有进一步提升的潜力,但由于养殖水体原位可供利用的空间限制,养殖水体自净能力的发挥是有限度的。

  4结论采用由扬水造流设备、生物挂膜填料、沉淀斜管等构成的原位复合生态净化技术处理凡纳滨对虾养殖塘水体,可有效提高水体水质,其中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮平均相对去除率分别为41.2、0. 0和66.4,悬浮物质平均相对去除率为38.6;同时,溶解氧明显增加,塘内以残饵、对虾粪便为主的悬浮物质得到基本去除,小球藻大量生长。口

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