1. Wstęp
Wraz z udoskonaleniem technologii akwakultury morskiej i wzrostem popytu rynkowego, chińska akwakultura fabryczna wody morskiej rozwijała się szybko w ciągu ostatnich 10 lat. Pozostałości paszy, pozostałości chemiczne i zrzuty biologiczne bogate w azot, fosfor, materię organiczną i substancje toksyczne zawarte w ściekach akwakultury zaostrzą eutrofizację i zanieczyszczenie wody przyległej wody morskiej, powodując szkodliwe czerwone przypływy i inne problemy ekologicznego środowiska morskiego. Jednocześnie zanieczyszczenie wody z kolei ogranicza rozwój akwakultury. Dlatego też oczyszczanie i recykling ścieków akwakultury stopniowo zyskują uwagę. W ostatnich latach naukowcy w kraju i za granicą prowadzili badania stosowane nad konwencjonalnymi technologiami oczyszczania fizycznego, chemicznego i biologicznego w celu określenia właściwości ścieków akwakultury przemysłowej wody morskiej i osiągnęli wiele praktycznych rezultatów. Po oczyszczeniu fizycznym, chemicznym i biologicznym stężenia chemicznego zapotrzebowania na tlen (COD), zawiesin (SS) i azotu amonowego (NH3-N) w ściekach akwakultury są zmniejszane, a następnie poddawane recyklingowi.
2. Technologia fizycznego oczyszczania ścieków z akwakultury
Konwencjonalne techniki oczyszczania fizycznego obejmują głównie filtrację, neutralizację, adsorpcję, wytrącanie, napowietrzanie i inne metody oczyszczania, które są ważnymi składnikami procesów oczyszczania ścieków. Filtracja mechaniczna, technologia separacji pianowej i oczyszczanie ozonem są skuteczne w odprowadzaniu i recyklingu ścieków z akwakultury przemysłowej.
2.1 Filtracja mechaniczna
Ze względu na fakt, że większość pozostałej paszy i odchodów ze ścieków akwakultury występuje w postaci zawieszonych dużych cząstek, technologia filtracji fizycznej jest najszybszą i najbardziej ekonomiczną metodą usuwania. Typowy sprzęt filtrujący obejmuje filtry mechaniczne, filtry ciśnieniowe, filtry piaskowe itp. W inżynierii praktycznej filtry mechaniczne (maszyny mikrofiltracyjne) są szeroko stosowane i mają dobre efekty filtracji. W Japonii istnieje rodzaj maszyny filtrującej, która działa poprzez zasysanie wody basenowej za pomocą pompy wodnej i rozpylanie jej do zbiornika filtra przez rurę natryskową. Zbiornik filtra zawiera warstwę zeolitu o małych cząsteczkach i specjalnie zaprojektowany filtr, a przefiltrowana woda przepływa z powrotem do stawu rybnego.
2.2 technologia separacji piany
Technologia separacji pianowej jest szeroko stosowana w przemysłowym oczyszczaniu ścieków. Może ona nie tylko usuwać substancje organiczne, takie jak białka, zanim zostaną zmineralizowane do amoniaków i innych substancji toksycznych, zapobiegać gromadzeniu się substancji toksycznych w zbiornikach wodnych, ale także dostarczać niezbędny rozpuszczony tlen do zbiorników wodnych akwakultury, co odgrywa ważną rolę w utrzymaniu ekologicznego środowiska zbiorników wodnych akwakultury.
2.3 Oczyszczanie ozonem
Substancja pośrednia rodniki hydroksylowe (· OH) rozkładane przez ozon w wodzie mają silne właściwości utleniające i mogą rozkładać związki organiczne, które trudno rozłożyć za pomocą ogólnych utleniaczy. Dlatego stosowanie ozonu do oczyszczania ścieków może nie tylko szybko wyeliminować szkodliwe substancje, takie jak bakterie, wirusy i amoniak, ale także zwiększyć rozpuszczony tlen w wodzie, osiągając w ten sposób cel oczyszczania ścieków z akwakultury. Istnieją doniesienia, że ozon ma znaczący wpływ na hodowlę ryb i krewetek. Badania japońskiego Ito Shingo nad wykorzystaniem ozonu do oczyszczania wody morskiej pokazują, że 99,9% różnych bakterii w wodzie morskiej można wyeliminować za pomocą ozonu. Połączenie ozonu i biofiltrów skutkuje wysoką zawartością rozpuszczonego tlenu w ściekach, które można ponownie wykorzystać w celu zwiększenia gęstości akwakultury.
3. Obróbka elektrochemiczna
Wyniki badań nad usuwaniem rozpuszczonego azotynu i azotu amonowego w wodzie metodą elektrochemiczną pokazują, że czas i zużycie energii potrzebne do całkowitego usunięcia azotynu zmniejszają się wraz ze wzrostem przewodności. Gdy maksymalny prąd wejściowy wynosi 2A, zużycie energii jest najniższe, a pH prawie nie ma wpływu na prąd wejściowy i przewodność; W warunkach kwaśnych jest korzystne dla usuwania azotynu, podczas gdy w warunkach zasadowych jest korzystne dla usuwania amoniaku. Szybkość usuwania amoniaku jest niższa niż azotynu.
4. Technologia przetwarzania biologicznego
Biologiczne oczyszczanie ścieków z akwakultury to typowy sposób stabilizacji zanieczyszczeń organicznych, obejmujący proces osadu czynnego i proces tworzenia biofilmu.
Wykorzystując głównie absorpcję i metabolizm mikroorganizmów do degradacji materii organicznej i składników odżywczych w zbiornikach wodnych, jest to obecnie najbardziej ekonomiczny i skuteczny sposób oczyszczania rozpuszczonych zanieczyszczeń. Pasza i odchody uwalniane podczas procesu hodowli składają się głównie z węglowodanów, białek, tłuszczów i innych pierwiastków, takich jak węgiel, azot i fosfor, które mają dobrą biodegradowalność. Dlatego technologia oczyszczania biologicznego może być skutecznie stosowana do oczyszczania ścieków z przemysłowej akwakultury, wśród których wydajność szczepów biologicznych i ich ustalony tryb wzrostu to dwa ważne aspekty, które determinują efekt oczyszczania.
4.1 Proces osadu czynnego
System oczyszczania osadem czynnym jest jedną z głównych technologii w technologii biologicznego oczyszczania ścieków. Składa się z dobrych mikroorganizmów i ich zaadsorbowanych i przyłączonych substancji organicznych i nieorganicznych, a także ma zdolność adsorpcji i rozkładu zanieczyszczeń organicznych w wodzie, wykazując swoją biochemiczną aktywność utleniającą. Tradycyjny proces osadu czynnego został rozwinięty w proces osadu czynnego z przerywanym rowem utleniającym (SBR) i procesy oczyszczania metodą AB. Meske i in. badali oczyszczanie wody pochodzącej z recyklingu akwakultury przy użyciu procesu osadu czynnego i odkryli, że zawartość NH4+- N nie spełnia wymagań dotyczących ponownego wykorzystania. Umbl i in. zastosowali metodę operacyjną zbliżoną do SBR do tlenowego oczyszczania beztlenowego w kanałach odwadniających akwakultury, a efekt był dobry. Nugul i in. zastosowali metodę SBR do oczyszczania ścieków z akwakultury morskiej i zbadali wpływ zasolenia. Wyniki wykazały, że w warunkach niskiego zasolenia efekt denitryfikacji był dobry.
4.2 Metoda biofilmu
Metoda biofilmu obejmuje głównie biofiltry, biologiczne stoły obrotowe, urządzenia do biologicznego utleniania kontaktowego i biologiczne złoża fluidalne. Ze względu na różnorodność mikroorganizmów technologie te zostały zastosowane w zamkniętym cyklu wykorzystania ścieków z akwakultury. Kluczem do skutecznego oczyszczania ścieków z przemysłowej akwakultury jest wybranie wydajnych i szybko proliferujących społeczności mikrobiologicznych, które mogą rozwijać się i rosnąć w środowisku wody morskiej. Obecnie zastosowanie bakterii fotosyntetycznych, bakterii Yulei i bakterii nitryfikacyjnych w oczyszczaniu ścieków z akwakultury było głównie badane zarówno w kraju, jak i za granicą [9]. Ze względu na dużą gęstość, silną aktywność i szybką szybkość reakcji, unieruchomione mikroorganizmy mają znaczący wpływ na usuwanie azotu amoniakowego i niektórych trudnych do biodegradacji związków organicznych w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami biologicznego oczyszczania biofilmu mikrobiologicznego [10]. Dlatego oczekuje się, że technologia ta stanie się ważną technologią biochemicznego oczyszczania ścieków z przemysłowej akwakultury morskiej.
4.2.1. Filtr biologiczny
Filtry biologiczne stosowane w obiektach intensywnej hodowli ryb obejmują przepływ poziomy, przepływ w górę i przepływ w dół. Najważniejszą częścią działania biofiltra jest tworzenie membrany. Jeśli na powierzchni materiału filtracyjnego nie może utworzyć się biofilm, nie można omawiać oczyszczania ścieków przez filtr. Z mikrobiologicznego punktu widzenia tworzenie biofilmu odnosi się do zaszczepiania komórek bakteryjnych, co pozwala mikroorganizmom adsorbować się na powierzchni materiału filtracyjnego. Materiał wypełniający w filtrze biologicznym jest nośnikiem organizmów, w tym głównie kruszonych kamieni, otoczaków, koksu, żużlu węglowego, plastry miodu z tworzywa sztucznego i różnych sztucznie syntetyzowanych produktów; Filtr biologiczny może być używany w sposób ciągły bez konieczności wymiany materiału filtracyjnego. Wybór materiałów wypełniających ma również znaczenie przy projektowaniu biofiltrów, a struktura i powierzchnia materiałów wypełniających powinny sprzyjać wzrostowi biofilmu i wychwytywaniu organicznych cząstek zawieszonych.Chiny i inne kraje stosują proces osadnika → filtr biologiczny → osadnik wtórny → filtr biologiczny, w którym wypełniaczem jest włókno mieszane, które można ponownie wykorzystać po oczyszczeniu wody z intensywnej akwakultury na dużą skalę w estuariach. Sauthier i in. stosowali staw (napowietrzanie) → filtr mechaniczny → dezynfekcję ultrafioletową → zanurzony filtr biologiczny (zbiornik denitryfikacyjny) → ponowne wykorzystanie stawu rybnego, a efekt oczyszczania był bardzo dobry. Tian Wenhua i inni odkryli, że stosowanie zeolitu jako materiału filtracyjnego w napowietrzanych biofiltrach do oczyszczania ścieków jest skuteczne.
4.2.2. Biologiczny dysk obrotowy
Biologiczny stół obrotowy składa się z szeregu dysków zamocowanych na wale, z przerwą między dyskami. Jedna połowa dysków jest umieszczona w wodzie, a druga połowa jest wystawiona ponad powierzchnię wody. Mikroorganizmy w wodzie i powietrzu przyczepiają się do powierzchni dysku, tworząc biofilm. Podczas obracania zanurzony w wodzie dysk jest wystawiony na powierzchnię wody, a woda na dysku spływa w dół wzdłuż powierzchni biofilmu ze względu na swój własny ciężar. Tlen w powietrzu jest absorbowany, mieszany, rozpraszany i infiltrowany do wody poprzez obrót stołu obrotowego, zwiększając rozpuszczony tlen w wodzie i oczyszczając jakość wody.
4.2.3. Bęben biologiczny
Bio-obrotowy bęben jest odmianą bio-obrotowego dysku, który rozwinął się w połowie lat 70. i szybko rozprzestrzenił się w Danii i Niemczech. Dania opracowała typ pojedynczego bębna, podczas gdy Niemcy opracowały typ wielobębnowy. Wypełnienie wewnątrz bębna obejmuje plastikowe kulki, plastikowe pierścienie i faliste dyski. Niektóre biologiczne wirniki są również wyposażone w zewnętrzne urządzenia do zbierania gazu w celu zwiększenia rozpuszczonego tlenu w wodzie. Typowe trzy formy biologicznych wirników to: (1) zewnętrzna struktura powłoki wykonana jest z twardego plastiku polietylenowego, z falistymi dyskami z polichlorku winylu wewnątrz, a wirnik składa się z 16 małych wirników; (2) zewnętrzna powłoka cylindra wykonana jest ze stali, a powierzchnia twardego polietylenu falistego zamocowanego na wale wewnątrz cylindra jest wielokątna; (3) wokół korpusu obrotowego bębna znajdują się małe pojemniki. Gdy obrotowy bęben obraca się w górę, małe pojemniki są napełniane wodą. Gdy obraca się w dół, woda jest spryskiwana na plastikowej kuli, a pusty pojemnik jest napełniany powietrzem wpadającym do wody.Objętość oczyszczonej wody jest 15–25 razy większa od objętości bębna obrotowego.
4.2.4. Biologiczne złoże fluidalne
Biologiczne złoża fluidalne (BFBS) to metoda biofilmu o dużym obciążeniu stosowana w oczyszczaniu wtórnym ścieków (utlenianie materii organicznej, częściowa nitryfikacja) w celu oczyszczania ścieków organicznych i denitryfikacji. Michael i in. zastosowali reaktor łączący tlenową nitryfikację filtracji kroplowej z beztlenowym złożem fluidalnym denitryfikacji. Zawieszona bogata w azotany i rozpuszczona materia organiczna na powierzchni została przesłana do złoża siarczkowego, a efekt oczyszczania był dobry. Jewell i in. wykorzystali efekty nitryfikacji i denitryfikacji rozszerzonego złoża w obiegu wody akwakultury, jednocześnie oczyszczając BZT5, SS i azot, co spowodowało, że poziom azotu amoniakowego w ściekach spadł poniżej 0,5 mg/l. Technologia ta jest szeroko stosowana w oczyszczaniu utleniania, nitryfikacji i denitryfikacji materii organicznej w wodzie i ściekach. Jako innowacyjna technologia w metodach uzdatniania wody, proces biologicznego złoża fluidalnego będzie odgrywał większą rolę w inżynierii uzdatniania wody.
4.3 Naturalne biologiczne oczyszczanie technologii akwakultury
Wykorzystanie organizmów naturalnych do oczyszczania zbiorników wodnych akwakultury obejmuje głównie mokradła, stawy stabilizacyjne i systemy oczyszczania gruntów. Jego zaletą jest to, że może osiągnąć stosunkowo dokładny efekt oczyszczania zbiorników wodnych zawierających azot i fosfor. Naturalny obszar wodny nieintensywnej akwakultury jest typowym systemem mokradeł o dobrej zdolności samooczyszczania. O ile jego zdolność samooczyszczania jest wykorzystywana i wzmacniana w rozsądny sposób, będzie miał dobre skutki środowiskowe i ekonomiczne. Sam ekosystem wodny stawów rybnych ma silną zdolność oczyszczania zanieczyszczeń, a w oczyszczaniu zbiorników wodnych akwakultury zdolność oczyszczania stawów rybnych z zanieczyszczeń może być w pełni wykorzystana do oczyszczania ścieków.
5. Przepływ procesu recyklingu ścieków z akwakultury
Istnieją różne rodzaje urządzeń do uzdatniania wody o różnych strukturach i przepływach procesowych. Poniżej przedstawiono kilka typowych procesów. Drenaż stawu rybnego → staw zbiorczy → staw utleniający → staw sedymentacyjny → staw ogrzewania i natleniania → ponowne wykorzystanie stawu rybnego, w tym procesie staw utleniający jest biologicznym bębnem obrotowym; Drenaż stawu rybnego → zbiornik sedymentacyjny → filtr biologiczny z przepływem w górę → wieża zraszająca natlenianie → ogrzewanie i dezynfekcja → ponowne wykorzystanie stawu rybnego, może usunąć 99% azotu amoniakowego, świeża woda/woda do ponownego wykorzystania to 1/9; Drenaż stawu rybnego → natlenianie → filtr wapienny z przepływem w górę → zbiornik sedymentacyjny → natlenianie → ponowne wykorzystanie, przy czym świeża woda/woda obiegowa stanowi 1/5; Drenaż stawu rybnego → filtr żwirowy z przepływem w górę → filtr żwirowy z przepływem w dół → zbiornik podgrzewający → ponowne wykorzystanie;Drenaż stawu rybnego → osadnik → filtr zeolitowy z przepływem w górę → filtr zeolitowy z przepływem w dół → uzupełnianie świeżej wody, regulacja temperatury → ponowne wykorzystanie stawu rybnego. W oparciu o podstawowe zasady projektowania ekologicznego i technologii inżynierii środowiskowej akwakultury, Liu Changfa i in. [17] stwierdzili, że mając na celu zerowy zrzut ścieków w systemach akwakultury, można przeprowadzić inżynierię ekologiczną i projektowanie procesów dla systemów akwakultury, a także opracować typowy przemysłowy kompozytowy system akwakultury z zerowym zrzutem ścieków.
6. Podsumowanie
Wraz ze wzrostem globalnego niedoboru wody i zanieczyszczenia środowiska kraje w przyszłości przyjmą metody akwakultury o obiegu zamkniętym. Wśród nich kompleksowa technologia wykorzystania i nieszkodliwego zrzutu ścieków z akwakultury ma dużą wartość badawczą i rozwojową oraz szerokie perspektywy zastosowania. Różnorodność zanieczyszczeń w ściekach z akwakultury morskiej określa złożoność procesu ich oczyszczania. Dlatego też, projektując proces oczyszczania ścieków z akwakultury morskiej, należy przestrzegać zasad wydajności i oszczędności. Należy stosować organiczne połączenie technologii oczyszczania fizycznego, chemicznego i biologicznego, aby spełnić wymagania jakościowe wody po oczyszczeniu, co może zapewnić dobre efekty oczyszczania i osiągnąć cel akwakultury o obiegu zamkniętym.
