水產(chǎn)養殖水體修復與凈化最新浮島技術(shù)

北京市水處理新型材料工程技術(shù)研究中心依托北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程技術(shù)中心，由國家碳纖維工程技術(shù)研究中心和有機無(wú)機復合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室提供技術(shù)支撐，由中國通用機械工程總公司、北京金源新化環(huán)境技術(shù)有限公司、中科宇圖（北京）資源環(huán)境科學(xué)研究院等共同建立的北京市重點(diǎn)工程技術(shù)中心。自中心成立以來(lái)，憑借著(zhù)扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)理論知識和科研攻關(guān)能力，通過(guò)項目研發(fā)的實(shí)施、產(chǎn)業(yè)化應用，在以學(xué)科帶頭人為核心的組織下，已經(jīng)開(kāi)展了多項課題的研究工作，并且取得了卓越的成績(jì)。

針對北京市水產(chǎn)養殖中高密度池塘養殖存在的污染特點(diǎn)，本中心研究人員多次深入養殖企業(yè)考察，與公司領(lǐng)導和一線(xiàn)員工深入交談，對水產(chǎn)養殖中的周期規律以及集約化養殖過(guò)程中所遇到的問(wèn)題進(jìn)行了了解，并現場(chǎng)考察了污水末端治理設施，對采集的水樣進(jìn)行了檢測，從理論的角度分析了養殖水體凈化難度的癥結所在。
根據池塘養殖水體水質(zhì)特點(diǎn)，圍繞北京池塘養殖水質(zhì)凈化和生物修復問(wèn)題，在北京市科技計劃項目“國家現代農業(yè)科技城成果惠民科技示范工程”課題“水產(chǎn)養殖水體修復與凈化技術(shù)研究與示范”的支持下，本中心提出原位修復與循環(huán)凈化措施相結合的組合技術(shù)，應用組合式生態(tài)浮床技術(shù)并結合本中心自主研發(fā)的新型高效人工介質(zhì)——新型生態(tài)碳纖維材料來(lái)實(shí)現池塘水體原位修復；在此基礎上，在通州區選取水產(chǎn)養殖場(chǎng)，開(kāi)展新型池塘養殖水體循環(huán)凈化和原位修復技術(shù)的集成示范與應用，從而達到降低水產(chǎn)養殖環(huán)境風(fēng)險和保證水產(chǎn)品質(zhì)量安全的目標。

二、漁場(chǎng)概況

工程技術(shù)中心選取通州張家灣鑫淼水產(chǎn)養殖場(chǎng)為本工程示范的試點(diǎn)，通過(guò)對其水體的污染原因及指數分析，曝氣方案改造和水體原位修復方案設計，完成了漁場(chǎng)水體修復與凈化工程的示范。

鑫淼水產(chǎn)養殖場(chǎng)水質(zhì)指標為：COD 30mg/L，氨氮1.9mg/L。本工程示范建設處理650m3的池塘養殖水體循環(huán)凈化水量，通過(guò)原位修復體系活性碳纖維載體、多廊道式碳纖維復合生態(tài)床系統以及一體化循環(huán)凈化設施的建設，使池塘水體滿(mǎn)足養殖需要。
工程示范共對鑫淼水產(chǎn)養殖場(chǎng)中兩個(gè)育苗池進(jìn)行了碳纖

維生態(tài)浮島原位修復。其中，池塘1：長(cháng)28.2m，寬10.9m，高1.3m，水高1.1m，面積307.38m2，水量350 m3；池塘2：長(cháng)23.9m，寬10.9m，高1.3m，面積260 m2，水量300m3。

池塘1

池塘2

2013年初，工程技術(shù)中心組織專(zhuān)家對所設計的張家灣鑫淼漁場(chǎng)水質(zhì)凈化與修復碳纖維生態(tài)浮島工藝工程實(shí)施方案進(jìn)行了考察與論證。同年3月，鑫淼漁場(chǎng)示范工程開(kāi)始啟動(dòng)，先后進(jìn)行了碳纖維填料的更換、碳纖維生態(tài)浮床的安裝、凈化植物的種植、魚(yú)苗的投放、示范啟動(dòng)和一體化膜反應器的調試運行，目前該示范工程各項實(shí)驗正在順利進(jìn)行中。

3.1填料更新

該廠(chǎng)原先采用傳統的毛刷填料，該填料質(zhì)地堅硬，比表面積小，不利于微生物的生長(cháng)附著(zhù)；若長(cháng)期安置于水中，可能存在部分化學(xué)物質(zhì)釋放對魚(yú)類(lèi)造成危害的隱患；毛刷填料雖然價(jià)格低廉，但需經(jīng)常更換，經(jīng)濟性并不明顯。因此總體而言，并不適用于養殖水體的修復。

本工程示范中，所用的填料是本中心自主研發(fā)的高科技生物碳纖維材料，該材料是具有良好生物相容性的纖維狀的碳材料，具有強度高、超輕、耐腐蝕、耐高溫、水中不溶解，使用壽命長(cháng)、維護費用低等特點(diǎn)，且表面具有大量含氧官能團，水潤濕性良好，環(huán)境安全性與生態(tài)親和性?xún)?yōu)越，不存在物種侵害之憂(yōu)。

在水體凈化中，生物纖維草能成為魚(yú)類(lèi)及其他高級水生動(dòng)物的優(yōu)良卵床與養育空間。水體中的生物鏈，生物多樣性得以恢復，水體恢復到生機盎然的狀態(tài)。利用生物纖維草構建水下森林，給水生生物搭建棲息地，以微生物、低等水生動(dòng)植物、高等水生動(dòng)物為基礎的循環(huán)生態(tài)鏈逐步建立。在大量的工程實(shí)例中，經(jīng)過(guò)生物碳纖維材料凈化之后的水體水質(zhì)都可明顯改善。

更換前毛刷填料

更換后碳纖維填料

生物纖維草工程實(shí)例圖

3.2水體凈化工藝的改進(jìn)

在養殖水體凈化工藝中，常用的為接觸氧化、流化床等工藝，即將逐漸被污染的水體從魚(yú)池中抽出，經(jīng)過(guò)多級接觸氧化或流化床等工藝的凈化，用于水質(zhì)循環(huán)或者排入河道。該類(lèi)工藝占地面積較廣，且需大量的基建和運行費用，對大部分水產(chǎn)養殖公司而言，具有很大的土地及經(jīng)費方面的困難。這也是造成北京市水產(chǎn)養殖行業(yè)污染逐漸增加的關(guān)鍵原因。

在本工程示范中，本中心研究人員通過(guò)大量的技術(shù)論證和對比試驗后，決定采用碳纖維生態(tài)浮島凈化工藝對水產(chǎn)養殖水體進(jìn)行原位修復。該工藝不需要重新建設污水處理站，運行管理費用低，適用于各類(lèi)水產(chǎn)養殖公司。通過(guò)植物與碳纖維材料的多重吸收降解，碳纖維生態(tài)浮島對影響?hù)~(yú)群免疫力的非離子氨等具有明顯的去除效果，是養殖水體凈化的優(yōu)選工藝。

本工程示范中，共制作大型浮島11座，共158 m2，占整個(gè)水面面積的27.8%。分為泡沫浮島和聚丙烯浮島，其中泡沫浮島共80平米，每平米16個(gè)花盆， 16束生物碳纖維材料；聚丙烯浮島78平米，每平米9個(gè)花盆，12束生物碳纖維材料。浮島種植植物品種包括小香蒲、紫花梭魚(yú)草、美人蕉、慈姑、狐尾藻、菖蒲、千屈菜、黃花鳶尾等，浮島按照植物種類(lèi)進(jìn)行種植。浮島完成后總體呈長(cháng)方形，橫放于池子當中，兩邊用尼龍繩固定在岸邊，防止浮島隨著(zhù)水流移動(dòng)。種植完畢后將浮島進(jìn)行固定，開(kāi)始放水。

碳纖維浮島施工現場(chǎng)圖

泡沫浮島

聚丙烯花碟浮島

經(jīng)過(guò)兩周的穩定運行，研究人員往兩個(gè)大池子中共放入鯉魚(yú)魚(yú)苗四千斤，開(kāi)曝氣和回流，一周后開(kāi)始喂食和定期檢測水質(zhì)，檢測水質(zhì)主要指標為氨氮和亞硝酸鹽，并定期檢測池中pH、溶解氧、總磷、COD、總氮等數據。

目前碳纖維生態(tài)浮島已經(jīng)完成施工，植物生長(cháng)旺盛，魚(yú)苗生活正常。對池內水質(zhì)進(jìn)行定期檢測發(fā)現，COD、氨氮和亞硝酸鹽保持在較理想狀態(tài)，池內的溶解氧濃度保持在8.0 ppm以上，pH在7.5~8.1的范圍內。

3.3運用碳纖維一體化膜反應器實(shí)現水循環(huán)

現代漁業(yè)發(fā)展的趨勢為工廠(chǎng)化，集約化養殖，這種養殖方式的特點(diǎn)是在有限的空間內大幅度提高魚(yú)的養殖密度，因而對養殖水體提出了更高的要求。

由于膜生物反應器相對于其他的生物處理系統具有占地面積小，水力停留時(shí)間短、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，針對傳統MBR膜污染速率快、脫氮除磷效果不理想、曝氣能耗較高等缺點(diǎn)，本中心提出了自主創(chuàng )新的生物碳纖維+氣升循環(huán)一體式MBR組合工藝。該工藝的特點(diǎn)是在原有復合式MBR工藝的基礎上，充分利用曝氣所產(chǎn)生的推動(dòng)力，使水在好氧和缺氧條件下循環(huán)流動(dòng)，以強化脫氮的效果。通過(guò)采用傾斜曝氣和傾斜進(jìn)水的方式，本工藝可以強化循環(huán)的效果，中間隔板不僅將好氧區和缺氧區進(jìn)行了區分，同時(shí)也使好氧區中攜帶的氣泡溢出，使缺氧區維持較低的溶解氧。

水質(zhì)循環(huán)MBR裝置示意圖



水質(zhì)循環(huán)MBR裝置圖

2013年初，中心研究人員在鑫淼水產(chǎn)養殖場(chǎng)進(jìn)行了20m3碳纖維一體化水質(zhì)循環(huán)膜反應器的設計與安裝，通過(guò)調整MLSS，曝氣量，HRT等變量，考察其對COD，NH3-N，NO2-N，膜通量等的研究，目前已建立起最佳的工藝參數，一體化反應器的出水已滿(mǎn)足魚(yú)池的用水循環(huán)的水質(zhì)要求，下一步將通過(guò)工程化的示范以確定該工藝用于水產(chǎn)養殖水質(zhì)循環(huán)的可靠性。

3.4解決難題

在水產(chǎn)養殖八大要素中，水的重要性處于第一位。本課題組的調研結果表明，北京市的多個(gè)淡水養殖場(chǎng)中，水質(zhì)均不達標，存在COD，氨氮及亞硝酸鹽等濃度超標問(wèn)題。尤其是非離子氨氮的濃度過(guò)高的話(huà)，會(huì )導致魚(yú)類(lèi)的鰓部受傷而影響其自然生長(cháng)甚至窒息死亡。本示范中，經(jīng)過(guò)生態(tài)碳纖維浮島的原位處理，養殖水體中的COD由初始的30 mg/L降低到了10 mg/L，與魚(yú)的健康密切相關(guān)的氨氮濃度由1.9 mg/L降低到了0.3 mg/L以下，亞硝酸鹽氮濃度由0.3 mg/L降低到了0.1 mg/L左右。示范中碳纖維材料的運用未顯示對魚(yú)苗的生長(cháng)有任何的副作用，并且由于水質(zhì)的明顯提高且持續保持穩定，兩個(gè)池體已經(jīng)一個(gè)月未進(jìn)行換水，加之一體化膜反應器能夠實(shí)現水的循環(huán)利用，因此，該示范工程在保證水質(zhì)安全的基礎上節約了大量的水資源。

四、優(yōu)勢分析

通過(guò)工程示范穩定之后兩個(gè)月的觀(guān)察，碳纖維生態(tài)浮島取得了良好的原位修復效果。其相對于傳統的養殖水體修復技術(shù)有如下明顯的優(yōu)勢。

1.魚(yú)苗成活率高

水質(zhì)的改善，尤其是能破壞魚(yú)鰓組織，降低血液的載氧能力的非離子氨濃度的大幅度降低，增強了魚(yú)體的免疫力，使魚(yú)苗的成活率有了很大程度的提高。在本工程示范中，魚(yú)苗的成活率達到了99%以上，從而顯著(zhù)提高了漁場(chǎng)的經(jīng)濟效益。

2.養殖密度高

該示范中，由于生態(tài)浮島的運用，為魚(yú)群提供了棲息的場(chǎng)所，因此示范中魚(yú)苗的投放密度在漁場(chǎng)的原養殖密度上由30公斤每立方米提高到了60-90公斤每立方米左右，提高了1至2倍左右。工程示范證明，在利用碳纖維生態(tài)浮島原位修復技術(shù)提高漁場(chǎng)水質(zhì)的情況下，可穩定提高魚(yú)苗的養殖密度，帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益。

圖5 池內喂魚(yú)現場(chǎng)圖

3.處理成本低

示范工程采用原位修復，無(wú)任何浮島外的基建費用。示范中浮島面積占整個(gè)水面面積的27.8%，小于普通浮島需占水面面積的30%~50%左右這一標準。示范工程共花費9萬(wàn)元，平均每方水所需的浮島建設成本僅為140元左右，建成后的浮島運行和維護方便、簡(jiǎn)易，運行費用低，經(jīng)濟性良好�？紤]到碳纖維浮島的使用節約了大量的循環(huán)用水，碳纖維材料的高氧氣利用率減少了曝氣量，則經(jīng)濟性能更加顯著(zhù)。

4.環(huán)境效益好，附有經(jīng)濟價(jià)值

與其它水處理工藝相比，浮島屬于自然處理工藝，具有更好的經(jīng)濟效益。浮島上栽種的植物美化了環(huán)境，和周?chē)�環(huán)境融為一體，成為新的景觀(guān)亮點(diǎn)。本示范工程中，利用浮島種植了部分經(jīng)濟作物，在凈化水體的同時(shí)可以帶來(lái)一定的經(jīng)濟收益。（來(lái)源：北京市水處理新型材料工程技術(shù)研究中心）