基于多介质土壤渗滤技术的养殖污水处理系统研究

摘 要：海水养殖常见污染物主要包括总磷、悬浮物、总氮等，主要来源是养殖过程中的粪便、水生植物昆虫尸体、残存饵料和底泥等。沿海地区的海水养殖业中在排污换水时多采用将养殖尾水直接排入大海，使得有毒有害藻类、细菌病毒大量繁殖且难以控制，超出近岸海洋的环境承载力和自净能力导致海洋生态环境的破坏。该文主要根据海水养殖业污水特点和排放特征，结合工程技术性和经济性要求，基于多介质土壤渗滤技术，运用理论分析、系统设计、现场试验等研究方法，对养殖污水处理方案优化设计，以满足养殖污水的闭环处理和循环使用，提出海水养殖污水治理的建议，实现养殖污水的近零排放。

关键词：海水养殖；污水处理；多介质土壤渗滤；近零排放；优化设计

中图分类号：X714 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）28-0023-04

Abstract： Common pollutants in mariculture mainly include total phosphorus， suspended solids， total nitrogen， etc. The main sources are manure， aquatic plant and insect carcasses， residual bait， sediment， etc. durinrm9V8mwaKHOaSsVeofxjvA==g the breeding process. In the mariculture industry in coastal areas， it is often used to discharge the aquaculture tail water directly into the sea when sewage discharge and water exchange， which makes toxic and harmful algae， bacteria and viruses multiply in large quantities and difficult to control， exceeding the environmental carrying capacity and self-purification capacity of the coastal ocean， resulting in the destruction of the marine ecological environment. Based mainly on the characteristics and discharge characteristics of mariculture sewage， according to engineering technical and economic requirements， using multi-media soil infiltration technology， and adopting theoretical analysis， system design， field tests and other research methods， this paper proposes to optimize the design of aquaculture sewage treatment plan， so as to meet the closed-loop treatment and recycling of aquaculture sewage， and puts forward suggestions on the treatment of mariculture sewage， so as to achieve near-zero discharge of aquaculture sewage.

Keywords： mariculture; sewage treatment; multi-media soil infiltration; near-zero emissions; optimal design

海水养殖是利用浅海、滩涂、港湾和围塘等近海海域进行人工饲养和繁殖海产经济动植物的农业生产方式。过去，粗放式海水养殖污水排放成为近海污染的重要原因之一。党的十九大以来，生态环境部、发展改革委、自然资源部印发《渤海综合治理攻坚战行动计划》，并根据GB 8978—1996《污水综合排放标准》提出“禁止新建排污口，现有排污口应按水体功能要求实行污染物总量控制”，天津市出台了《天津市入海排污口排查整治专项行动工作方案》。目前的养殖废水处理技术中，尚没有能达到“近零排放”的经济合理的工艺，养殖污水处理成为亟需解决的环境和民生问题，研发环保经济的海水养殖工艺尤为必要[1]。

1 海水养殖污水的成因分析

我国海水养殖方式从传统的低密度、粗放型的养殖方式向高密度、高投入、高产出的集约化、工厂化养殖发展，养殖技术开发取得了长足进步。在养殖过程中，为了增加水产品的产量，人们向养殖水体中投放了大量人工饵料，未被摄食的残余饵料，以及养殖对象粪便等成为了养殖水体污染物的主要来源。另一方面，为了防治病害，清除有害生物，保证养殖水体环境健康稳定，养殖人员需要经常使用杀虫剂、杀藻剂、除草剂等化学药剂，清除养殖水体中的有害生物，残留的农药进入养殖水体，成为了养殖水体污染物的另一来源[2]。

养殖污水通常不经处理或初步处理后就排入自然水体，不仅浪费了大量水资源，也将水产养殖过程中产生的污染物质带入了周边环境，造成了周边水体污染，破坏了水域生态平衡。因此，如何使养殖污水在闭环中得到处理，实现养殖污水近零排放，降低养殖污染，成为有待解决的问题。本文分析海水水产养殖污水处理的技术工艺，分析工艺的优劣势和适应性效果，设计多介质土壤渗滤技术养殖污水处理系统，以实现养殖污水的近零排放。

2 水产养殖污水处理技术分析

海水循环水养殖是水产养殖污水闭环处理的一种先进形式，它是以工业化手段主动控制水环境，实现连续生产，具有节水、节能，提高养殖成活率，缩短养殖周期的作用。但是，目前的海水循环水处理主要沿用水处理领域常规生物处理技术净化海水养殖水体，降低养殖水体中的化学耗氧量、氨氮、硝酸盐、磷酸盐和悬浮物等，其优点在于系统占地面积小，处理效能高。然而海水养殖废水与常见陆源污水还存在盐度效应的差异，这也增加了采用传统生物方法处理工厂化海水养殖废水的难度[2]。

2.1 海水池塘循环水养殖系统

海水池塘循环水养殖系统是将养殖废水经过复合生物净化后重复利用，适用于对虾和鱼类的海水养殖。该系统包括海水泵站、海水沉淀池、海水沉淀池泵站、分水池、生物净化系统、给水渠道、养殖池和回水渠道。其中生物净化系统由一级生物净化池、二级生物净化池、三级生物净化池组成。一级生物净化池采用土池结构，主要功能是悬挂生物填料，利用生物填料表面生长的活性生物膜去除水中有害物。然而生物净化土池未能有效发挥池底土壤层的净化功效，土壤层与污水接触面积小，不能利用土壤层形成厌氧环境，反硝化作用较弱，总氮TN（水体中所有含氮化合物）的去除效果较弱。二、三级生物净化池利用川蔓藻类去除水中有害物，不过川蔓藻类生长繁殖需要有适宜温度，冬季温度较低时不利于川蔓藻类生长，因此二、三级生物净化池净化效果受季节影响较大[3]。

2.2 双重自动制氧复氧多介质土壤层地下污水处理系统

双重自动制氧复氧多介质土壤层地下污水处理系统设置两层布水方式，使得系统整体均匀布水，氧气分布均匀，提高了系统利用效率。该污水处理系统主要包括进药器和布水管，还包括自上而下设置的表土覆盖层、碎石层、制氧复氧多介质土壤层、砾石层、出水层和防渗层。但是此方式的系统碎石层的好氧环境和土壤层厌氧环境设置在同一装置内，好氧环境和厌氧环境相互制约，难以平衡硝化反应和反硝化反应作用[4]。

2.3 垂直流生物滴滤-水平流多介质土壤渗滤污水处理系统

此养殖污水处理系统采用水平流，有效提高水力滞留时间，水平流淹没出水，改善了厌氧环境。污水处理系统分为前段垂直流生物滴滤系统和处于前段下方的后段水平流多介质土壤渗滤系统。同双重自动制氧复氧多介质土壤层地下污水处理系统一样，也存在天然沸石填料层好氧环境和密封土壤层厌氧环境设置在同一装置内，好氧环境硝化反应和厌氧环境反硝化反应相互制约问题[5]。

2.4 多介质折流曝气生物滤池污水处理系统

多介质折流曝气生物滤池包括两级曝气生物滤池和过水孔，两级曝气生物滤池通过下侧的过水孔连通，两级曝气生物滤池均设有填料层。该系统两级曝气生物滤池均存在曝气充氧，溶解氧浓度高，好氧环境硝化反应作用明显，处于同一装置下的厌氧环境反硝化反应作用较弱，不利于反硝化反应发生，脱氮效果弱[6]。

3 水产养殖污水处理系统研究设计

3.1 研究思路

根据目前水产养殖污水处理系统技术的分析和对比，水产养殖污水要达到近零排放目标，设计原则应该充分考虑以下几个方面。

1）优先将水污染治理与生态修复结合起来，采用与生态技术相应联系的海水循环养殖系统；

2）采取处理工艺在运行上要有较大灵活性和可调节性，以适应水质、水量的变化；

3）利用和保护现有的植被、水域、自然地形等景观条件，原位治理、因地制宜、节省投资；

4）保证水体维护和河道排沥等功能的协调统一，不产生二次污染；

5）强调设计功能的长期有效性。

3.2 设计技术路线

拟采取的研究方法包括搜集资料、理论分析、系统设计和现场试验等。查阅文献搜集整理水产养殖行业问题现状，调研国内外水产养殖海水处理工艺及其发展水平，对不同工艺及其不同功能模块进行理论分析。根据理论分析成果，依托具体项目开展海水循环养殖组合处理工艺，并进行现场试验，进一步优化水产养殖循环海水系统设计，为水产养殖循环海水系统设计提供技术参考。

1）分析现有污水处理技术：物理技术（曝气吹脱法、过滤法、泡沫分离技术），化学技术（絮凝沉降法、臭氧处理法），生态技术（活性污泥法、藻类）等，并有机结合设计养殖污水处理工艺。

2）将养殖污水技术和海水循环养殖技术结合起来，建立在养殖过程中达到污水处理目标的系统工艺。

3）研究海水养殖污水的关键因素，通过结合已有工程进行现场试验，对盐度、pH、温度和溶解氧等水质参数进行监测控制，完善养殖系统。

3.3 养殖污水处理系统优化设计

经过方案比选，基于土壤渗滤技术，提出多介质土壤渗透养殖污水处理系统方案。养殖污水处理系统包括沉淀过滤池、好氧池、厌氧池和除磷池。在好氧池内投放生物填料；在生物填料下方设曝气管；在厌氧池内设沸石通水层；在沸石通水层中设有多介质土壤层。本方案将硝化与反硝化反应分开设置在好氧池和厌氧池，避免了二者的相互制约，脱氮效果更佳。多介质土壤渗滤技术的养殖污水处理系统工艺如图1所示。

基于多介质土壤渗滤技术的养殖污水处理系统，包括依次连接的沉淀过滤池、好氧池、厌氧池和除磷池，沉淀过滤池采用过滤隔墙Ⅰ隔成前后两部分池槽；好氧池的底部设有承托层，承托层上设有生物填料；生物填料下方设有曝气管，曝气管与曝气泵连接，曝气泵安装在好氧池的外面，沉淀过滤池的后部池槽通过水管与好氧池的顶部连接，水管上设有抽水泵Ⅰ；厌氧池的底部设有出水砾石层，厌氧池的顶端设有密封膜，出水砾石层上设有沸石通水层，沸石通水层中设有多介质土壤层，多介质土壤层上设有进水砾石层，进水砾石层设置在厌氧池的顶部、密封膜的下方，好氧池的底部通过水与厌氧池的顶部连接，水管上设有抽水泵Ⅱ。除磷池采用过滤隔墙Ⅱ隔成前后两部分池槽，除磷池的后部池槽通过水管Ⅲ与厌氧池的底部连接，水管上设有抽水泵Ⅲ。

过滤隔墙Ⅰ和过滤隔墙Ⅱ结构相同，均设有过水孔，在上游侧墙面贴附有土工布。土工布的等效孔径为0.07～0.2 mm。沉淀过滤池、好氧池、厌氧池和除磷池均采用钢筋混凝土结构。

3.4 养殖污水系统处理方法

1）养殖污水进入沉淀过滤池进行沉淀过滤，大于土工布等效孔径的固体颗粒均被贴附有土工布的过滤隔墙Ⅰ，滞留在沉淀过滤池的前部池槽中，过滤后的水体进入到沉淀过滤池的后部池槽。土工布多次使用后如发生淤堵，可在沉淀过滤池无水情况下，对土工布进行清扫或更换。

2）经沉淀过滤后的水体采用抽水泵Ⅰ从沉淀过滤池的前部水池抽进好氧池，启动曝气泵进行曝气。通过曝气管将气体注入好氧池，在有氧条件下，硝化细菌具有较高的活性，在生物填料上繁殖形成生物膜，水体中的氨氮被硝化细菌转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐再被硝化细菌转化为硝酸盐，完成硝化反应，同时降低了水体溶解氧浓度。

3）启动曝气泵进行间歇曝气，控制好氧池内溶解氧浓度2～3 mg/L，维持该浓度1～2 d后，终止曝气，水体再滞留好氧池2～3 d。控制厌氧池内溶解氧浓度小于0.5 mg/L，水体滞留厌氧池时间控制在2～4 d。生物填料是硝化反应主要发生场所。生物填料附着生物膜，在充分的溶解氧浓度下具有较高的活性，提高了有机物分解效果。

4）完成硝化反应的水体采用抽水泵Ⅱ抽进厌氧池，水体中残余的氨氮与沸石通水层上微量的硝化细菌再次发生硝化反应，进一步降低了水体的溶解氧浓度，为多介质土壤层反硝化反应创造缺氧条件；然后在缺氧条件下，硝化反应产生的硝酸盐与多介质土壤层上的反硝化细菌反应，将硝酸盐转化为氮气，完成反硝化反应，达到养殖污水脱氮的目的。

5）完成反硝化反应的水体采用抽水泵Ⅲ抽进除磷池，完成除磷反应，沉淀絮凝杂质被过滤隔墙Ⅱ滞留在除磷池前部池槽，清水进入除磷池后部池槽，可供水产养殖再利用。

4 结束语

本研究侧重于污染物的种类、污染机理的分析，围绕“以防为主，防治结合”的原则，对污染源头进行分析，注重分析污染物差异性，采用曝气、多介质土壤渗滤等先进技术，优化养殖污水处理系统方案。本研究系统将硝化反应与反硝化反应分开设置在好氧池和厌氧池，避免了二者的相互制约；并且在阶段曝气作用下，先通过好氧池生物填料上的生物膜发生硝化反应，将有机物氨态氮转化为硝酸盐和亚硝酸盐，再通过厌氧池中的多介质土壤层发生反硝化反应，从而将硝酸盐和亚硝酸盐转化成氮气释放，脱氮效果更佳。最后通过除磷池添加除磷剂单独除磷，克服了将硝化反应与反硝化反应分开除磷效果不佳的弊端。本方案可实现养殖污水的闭环处理和循环使用，为实现养殖污水的近零排放起到推进作用。

参考文献：

[1] 贾文平，傅志茹，张韦.天津地区海水工厂化养殖现状和建议[J].河北渔业，2018（5）：27-28，49.

[2] 曹伏龙，夏丽华，郭治兴，等.海水养殖污染研究进展[J].广东农业科学，2015，42（22）：97-105.

[3] 肖茂华，李亚杰，汪小旵，等.水产养殖尾水处理技术与装备的研究进展[J].南京农业大学学报，2023，46（1）：1-13.

[4] 刘晓晨.工厂化水产养殖废水循环利用处理探讨[J].江西水产科技，2022（3）：40-42.

[5] 姜妍君，强志民，董慧峪，等.海水循环养殖系统水处理工艺综述[J].环境化学，2013，32（3）：410-418.

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