CN105693022B - 一种挂帘式生物滤池及其在循环水养殖中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种挂帘式生物滤池，包括容器、碳纤维毡、进水管和出水管；在所述容器内按2～4cm间隔并排插入碳纤维毡，容器上方设置有进水管，所述进水管连接有布水管，所述布水管连接有布水器，布水器位于碳纤维毡上方；所述出水管位于容器底部。本发明还提供所述挂帘式生物滤池的应用。本发明提出的挂帘式生物滤池使微生物附着在碳纤维毡上减少了水流的搅动，使微生物更易于附着生长，进一步去除水中污染物，提高出水品质。同时老化的生物膜会随水脱落并由物理过滤系统去除，而不需要反冲洗设备，在保证氨氮和亚硝态氮去除效率的同时节约了成本。

Description

一种挂帘式生物滤池及其在循环水养殖中的应用
技术领域
本发明属于水产养殖领域，具体涉及一种水产养殖中氨氮和亚硝态氮的生物处理技术。
背景技术
近年来，我国水产养殖业迅猛发展，到2012年中国水产品总产量达到5906万吨，其中养殖产量4305万吨，已经连续24年居世界第一位。虽然养殖规模不断扩大、提升，但是我国普遍采用的还是粗放、半精养的养殖模式，以消耗水资源、牺牲生态环境为代价开展生产，水质管理通常采用流水养殖模式，同时也造成养殖水体日益富营养化、区域环境污染、养殖生物病害肆虐等严重问题。
在水产养殖过程中，水产生物的残饵及排泄分泌物使水中氨氮和亚硝态氮浓度升高，并对其自身生长构成威胁。所以必须严格有效控制氨氮和亚硝态氮浓度，才能保证水产生物的品质与产量。循环水养殖系统能够通过利用物理过滤、生物过滤、消毒、充氧等步骤，净化养殖用水，并循环利用，从而在提高养殖密度的同时，解决环境污染问题，其中生物过滤步骤是去除水体中氨氮和亚硝态氮的唯一方法，因此生物过滤系统运行的好坏直接决定了循环水养殖成功与否。
在循环水养殖过程中，生物膜生长状况对整个循环系统起着至关重要的作用，所以微生物的生长环境也尤为重要。目前，我国应用在循环水养殖生物过滤装置主要分为移动床(流化床)反应器和静态生物滤池两种，两者均依靠附着在填料上的微生物去除水中的污染物。移动床(流化床)反应器中悬浮载体随着曝气的水流而上下摆动，在水流的冲刷下导致在悬浮载体上依附的微生物容易脱落，不利于微生物的附着与生长，且需要足够曝气充氧以保证填料的充分扰动，获得足够的去除效率；静态生物滤池不需要曝气系统，但需要反冲洗系统以保证滤池不出现堵塞和短流现象，进而保证去除效率，无论曝气或反冲洗，这两种反应器均提高了反应器的运行成本。
发明内容
为了克服现有的污水处理设备的不足，本发明提供了一种适用于循环水养殖的并且工艺流程简单、占地面积小、制造成本与使用成本低、出水水质好的挂帘式生物滤池，它最突出的特点是省去曝气和反冲洗的步骤。
本发明的另一目的是提出应用所述挂帘式生物滤池进行循环水养殖的方法。
实现本发明上述目的技术方案为：
一种挂帘式生物滤池，包括容器、碳纤维毡、进水管和出水管；
在所述容器内按2～4cm间隔并排插入碳纤维毡，容器上方设置有进水管，所述进水管连接有布水管，所述布水管连接有布水器，布水器位于碳纤维毡上方；所述出水管位于容器底部。
其中，所述碳纤维毡的比表面积为1300～1500m2/m3，厚度为3mm。
优选地，所述容器为长方体，长80～120cm，宽30～100cm，高50～100cm。在容器内并排插入10～30张碳纤维毡。
其中，所述布水器为穿孔管式布水器、八爪布水器、鱼骨型布水器、V型绕丝布水器、喷头式布水器中的一种。
应用本发明所述挂帘式生物滤池进行循环水养殖的方法，用所述挂帘式生物滤池构成循环水养殖系统，所述循环水养殖系统还包括养养殖池、蓄水池、过滤砂缸、冷暖机、紫外灯，所述挂帘式生物滤池的出水管通过管道顺次连接养殖池、蓄水池、过滤砂缸、冷暖机和紫外灯，管道上设置有循环泵；紫外灯杀菌后出水的管道连接所述挂帘式生物滤池的进水管。
具体地，所述的方法包括反应器启动阶段和正式运行阶段：
反应器启动阶段，取水产养殖生物过滤系统的污泥，接种到挂帘式生物滤池的碳纤维毡上，配置体积为挂帘式生物滤池体积2～4倍的模拟养殖污水循环运行，此时养殖池内未投放鱼或虾蟹，紫外灯开启，冷暖机开启；待养殖池内氨氮被降解到0.01～0.1mg/L以下，且无亚硝态氮积累，则视为反应器启动完成；
正式运行阶段，用冷暖机控制水温，开启紫外灯，在养殖池内养殖鱼或虾蟹，养殖水在系统内循环流动。养殖出水从养殖池中排出，流入蓄水池，在循环泵的驱动下进入过滤砂缸，滤去养殖过程中的杂质颗粒，再通过冷暖机来调节养殖温度，然后经过紫外消毒，进入到挂帘式生物滤池中，在布水器的作用下，水均匀的淋在纵向排列的碳纤维毡上，使水体中氨氮及亚硝态氮经碳纤维毡上的微生物降解，再流回养殖池。
在运行中，温度控制在23-25℃，循环泵流速在1.8-2m3/h之间，紫外灯处于常开状态，挂帘式生物滤池通过附着在碳纤维毡上的细菌将氨氮和亚硝氮去除，从而确保养殖鱼类良好健康生长，整个运行过程不用曝气与反冲洗步骤。
所述水产养殖生物过滤系统的污泥是从常规的水产养殖场所取得。
进一步地，在反应器启动阶段，将水产养殖生物过滤系统污泥稀释至总固体含量为4000～5000mg/L，按体积比1‰接种到挂帘式生物滤池的碳纤维毡上，用模拟养殖污水循环运行。
其中，在反应器启动阶段，所述模拟养殖污水中，C6H12O6为30～40mg/L，NH4Cl为35～70mg/L，且NH4 +-N为10～20mg/L；NaHCO3为70～80mg/L，NaHPO4为15～20mg/L。
进一步地，所述模拟养殖污水中，添加有0.5～2mL/L混合微量元素的溶液，配置溶液的盐的用量为：MnSO4·H2O 30～35mg/L，H3BO340～50mg/L，ZnSO4·7H2O 40～50mg/L，FeSO4·7H2O 90～100mg/L，CuSO4·5H2O 20～30mg/L。
优选地，在正式运行阶段，温度控制在23～25℃，循环泵流速在1.8～2m3/h之间。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的挂帘式生物滤池使微生物附着在碳纤维毡上减少了水流的搅动，使微生物更易于附着生长，进一步去除水中污染物，提高出水品质。同时老化的生物膜会随水脱落并由物理过滤系统去除，而不需要反冲洗设备，在保证氨氮和亚硝态氮去除效率的同时节约了成本。
在此技术中，碳纤维毡作为载体以供微生物生长附着，为微生物的生长提供了稳定良好的生长环境。将挂帘式生物滤池应用在循环水养殖中不但可以去除废水中的氨氮和亚硝态氮等有害物质，还可以节约养殖用水，并且该生物滤池在工艺上省去了曝气和反冲洗的步骤，能够进一步减少能源消耗，降低循环水养殖成本。
本发明的优点包括：
1、本发明能够有效去除水产养殖中的关键污染物：氨氮和亚硝态氮。亚硝态氮无积累现象，提高了出水水质，符合循环水养殖的水质要求。
2、碳纤维毡比表面积大，为微生物提供了良好的生长环境，受水流搅动影响小，有利于微生物的附着与生长。
3、本发明不需要传统工艺中的曝气与反冲洗步骤，简化了工艺流程，还节省了运行成本。
附图说明
图1为挂帘式生物滤池对NH4 +-N与NO2 --N的去除变化图。
图2为挂帘式生物滤池与其他反应器NH4 +-N去除效果对比图。
图3为挂帘式生物滤池与其他反应器NO2 --N去除效果对比图。
图4为挂帘式生物滤池示意图，图4a为正视图，图4b为侧视图，图4c为A-A剖视图。
图5为挂帘式生物滤池系统结构图。
图6为生物滤池上生物膜的扫描电镜图。
图7为实施例4中挂帘式生物滤池对氨氮与亚硝态氮的去除变化图。
图8为实施例4挂帘式生物滤池对养殖锦鲤污水的处理结果示意图。
图中，1为进水管，2为布水管，3为布水器，4为挂帘支撑板，5为碳纤维毡，6为出水管，7为挂帘式生物滤池，8为养殖池，9为蓄水池，10为循环泵，11为过滤砂缸，12为冷暖机，13为单管紫外灯。
具体实施方式
下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。
实施例所用的混合微量元素为微量元素盐配制的混合溶液，配方为：MnSO4·H2O：33.8mg/L，H3BO3：49.4mg/L，ZnSO4·7H2O：43.1mg/L，FeSO4·7H2O：97.3mg/L，CuSO4·5H2O：25.0mg/L。
实施例1挂帘式生物滤池试验阶段对NH4 +-N和NO2 --N的降解
实验组为挂帘式生物滤池反应器，该反应器为长方体，内部插有4张碳纤维毡，对照组为大粒径的悬浮填料(填料为市购，其直径为1.5cm，高为1cm)构成的反应器体积与实验组反应器体积相同。分别配置实验组与对照组模拟污水6L，进水配方为：C6H12O6:33.3mg/L，NH4Cl:57.3mg/L(NH4 +-N:15mg/L)，NaHCO3:71.4mg/L，NaHPO4:18.85mg/L，混合微量元素1mg/L。取水产养殖生物过滤系统污泥，稀释至固型物含量TS为4500mg/L，将6ml稀释污泥按1‰(V:V)接种到3L反应器中，pH调至7.5，待挂膜成熟后进行NH4 +-N去除实验。
NH4 +-N浓度的检测方法：纳氏试剂光度法(《水和废水检测分析方法》第四版)，检测试剂购自连华科技有限公司。
NO2 --N浓度检测方法：分子吸收光度法(GB7493-87)。
实验结果与分析：
反应器运行阶段(图1)，初始NH4 +-N浓度为15mg/L，经过36h的处理，NH4 +-N和NO2 --N基本降为0。实验组的NH4 +-N在12h与24h的降解速率明显高于对照组，有良好的去除污染物的能力，实验组的NO2 --N无累积现象，而对照组在12h与24h有升高的现象。该试验表明挂帘式生物滤池反应器可以高效、快速去除污染物，提高出水品质，使养殖系统良性循环，在循环水养殖中有着良好的发展前景。
实施例2：挂帘式生物滤池与其他反应器对比实验
配置6L的模拟污水共6桶，进水配方为：C6H12O6:33.3mg/L，NH4Cl:68.76mg/L(NH4+-N：18mg/L)，NaHCO3:71.4mg/L，NaHPO4:18.85mg/L，混合微量元素1ml/L，分别加入到挂帘式生物滤池与其他2、3、4、5、6号反应器中(体积都是3L)，2号反应器中为大粒径立体中空填料(市购，圆柱体形状，直径1.5cm，高为1cm，材料为高密度聚乙烯)、3号反应器中为圆片中空填料(市购，直径2.5cm，高为0.4cm，材料为高密度聚乙烯)、4号反应器中为小粒径立体中空填料(市购，直径1cm，高为0.7cm，材料为高密度聚乙烯)，2、3、4号均为悬浮式反应器，5、6号分别为工业滤纸、涤纶无纺布构成的反应器。取水产养殖生物过滤系统污泥，稀释至总固体含量TS为4500mg/L，将6ml稀释污泥按1‰(V:V)，接种到上述六个3L反应器中，pH调至7.5，流速为0.5L/min，待挂膜成熟后进行实验，使碳纤维毡上的微生物对其进行降解。
NH4 +-N浓度的检测方法：纳氏试剂光度法(《水和废水检测分析方法》第四版)，检测试剂购自连华科技有限公司。
NO2 --N浓度检测方法：分子吸收光度法(GB7493-87)。
实验结果与分析：
图2、图3为挂帘式生物滤池去除模拟污水中的NH4 +-N及NO2 --N的情况，初始NH4 +-N浓度为18mg/L,经过24h的处理，NH4 +-N和NO2 --N基本降为0。在NH4 +-N的处理方面，第8h时，挂帘式生物滤池的NH4 +-N浓度显著低于其他5个反应器处理的浓度，在16h时，NH4 +-N基本为零，挂帘式生物滤池对NH4 +-N的处理效果十分理想。在NO2 --N处理方面，NO2 --N浓度是随着实验的进行先上升，在8h使达到峰值，然后下降，我们还可以看出在8h时，挂帘式生物滤池的NO2 --N浓度最低，16h时基本降解为0，而其他反应器都对NO2 --N有累积。挂帘式生物滤池的优势显而易见，不但省去了曝气与反冲洗的步骤，而且去除氨氮与亚硝态氮效果极佳。
实施例3
参见图4，一种挂帘式生物滤池，包括容器、碳纤维毡5、进水管1和出水管6；容器为长方体，长100cm，宽50cm，高75cm。在容器内并排插入20张碳纤维毡，容器上方设置有进水管1，所述进水管连接有布水管2，布水管2连接有穿孔管式的布水器3，布水器位于碳纤维毡5上方；出水管6位于容器底部。
其中，所述碳纤维毡5的比表面积为1300～1500m2/m3，厚度为3mm。用挂帘支撑板4支撑。
参见图5，用本实施例的挂帘式生物滤池7构成循环水养殖系统，所述循环水养殖系统还包括养殖池8、蓄水池9、过滤砂缸11、冷暖机12、单管紫外灯13，挂帘式生物滤池7的出水管通过管道顺次连接养殖池8、蓄水池9、过滤砂缸11、冷暖机12和紫外灯，管道上设置有循环泵10；紫外灯杀菌后出水的管道连接所述挂帘式生物滤池7的进水管。
实施例4挂帘式生物滤池的应用：
本实例的实验组为实施例3的挂帘式生物滤池，对照组为大粒径的悬浮填料构成的反应器。分别配置1.2吨的实验组与对照组模拟污水，进水配方为：C6H12O6:33.3mg/L，NH4Cl:38.2mg/L(NH4 +-N:10mg/L)，NaHCO3:71.4mg/L，NaHPO4:18.85mg/L，混合微量元素1ml/L，取水产养殖生物过滤系统污泥，稀释至TS为4500mg/L，将1.2L稀释污泥按1‰(V:V)，接种到200L反应器中，采用活性污泥法使碳纤维毡挂膜，pH调至7.5。模拟污水以1.8-2m3/h的速度均匀的滴落在碳纤维毡上，碳纤维毡上的微生物对其进行降解。反应器启动阶段，取水产养殖生物过滤系统污泥，接种到挂帘式生物滤池的碳纤维毡上，配置的模拟养殖污水循环运行2天后(紫外灯开启，养殖池内没有鱼，冷暖机运行)，养殖池内氨氮被降解到0.05mg/L以下，且无亚硝态氮积累，视为反应器启动完成。
挂帘式生物滤池启动成功后，投入实际应用中，将10条锦鲤引入挂帘式生物滤池系统的养鱼池中，总重量为4.6kg，养殖密度达到4.6kg/m3，已达到养殖锦鲤的平均密度，喂养的饲料来自佳吉饲料产的高级锦鲤鱼粮，投喂的重量按照锦鲤重量的2％来饲养。养殖期间水温在23-25℃之间，pH在8.3-8.6之间，溶解氧在8.5-9mg/L之间，循环泵流速在1.8-2m3/h，紫外灯处于常开状态。正式运行阶段，养殖出水从养殖池排出，流入蓄水池，在循环泵的驱动下进入过滤砂缸，滤去养殖过程中的杂质颗粒，再通过冷暖机来调节养殖温度，然后经过紫外消毒，进入到挂帘式生物滤池中，在布水器的作用下，水均匀的淋在纵向排列的碳纤维毡上，使水体中氨氮及亚硝态氮经碳纤维毡上的微生物降解，再流回养殖池。挂帘式生物滤池通过附着在碳纤维毡上的细菌(图6)将氨氮和亚硝氮去除，从而确保养殖鱼类良好健康生长，整个运行过程不用曝气与反冲洗步骤。
NH4 +-N浓度的检测方法：纳氏试剂光度法(《水和废水检测分析方法》第四版)，检测试剂购自连华科技有限公司。
NO2 --N浓度检测方法：分子吸收光度法(GB7493-87)。
实验结果与分析：
如图7所示，挂帘式生物滤池的运用显著提高了实验组NH4 +-N的去除效率，减少NO2 --N的产生，启动阶段在30天内NH4 +-N和NO2 --N浓度降低到水产养殖需求以内，挂帘式生物滤池中试反应器启动成功。而对照组NO2 --N积累明显，NH4 +-N的降解速率低于实验组，对水生生物生长构成威胁，反应器运行不稳定。该试验表明微生物更易附着于滤料表面，能够加快降解速率，使用挂帘式生物滤池反应器可以缩短循环水养殖的反应器的启动时间，可以快速稳定的为水产养殖提供高品质的循环出水。
在实际养殖锦鲤的应用中，如图8所示，为挂帘式生物滤池运行了54天的情况，实际应用所采用的养殖密度已经达到普遍养殖锦鲤的平均密度，NH4 +-N的浓度较低，最大值也没有超过0.5mg/L，普遍在0.3mg/L以下。而NO2—N浓度低、无积累、毒性微小，不会对锦鲤生长构成不良影响，适于锦鲤的生长。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.应用挂帘式生物滤池进行循环水养殖的方法，其特征在于，
所述挂帘式生物滤池，包括容器、碳纤维毡、进水管和出水管；
在所述容器内按2～4cm间隔并排插入碳纤维毡，容器上方设置有进水管，所述进水管连接有布水管，所述布水管连接有布水器，布水器位于碳纤维毡上方；所述出水管位于容器底部；
用所述挂帘式生物滤池构成循环水养殖系统，所述循环水养殖系统还包括养殖池、蓄水池、过滤砂缸、冷暖机、紫外灯，所述挂帘式生物滤池的出水管通过管道顺次连接养殖池、蓄水池、过滤砂缸、冷暖机和紫外灯，管道上设置有循环泵；紫外灯杀菌后出水的管道连接所述挂帘式生物滤池的进水管；
所述的方法包括反应器启动阶段和正式运行阶段：
反应器启动阶段，取水产养殖生物过滤系统的污泥，接种到挂帘式生物滤池的碳纤维毡上，配置体积为挂帘式生物滤池体积2～4倍的模拟养殖污水循环运行，此时养殖池内未投放鱼或虾蟹，紫外灯开启，冷暖机开启；待养殖池内氨氮被降解到0.01～0.1mg/L以下，且无亚硝态氮积累，则视为反应器启动完成；
正式运行阶段，用冷暖机控制水温，开启紫外灯，在养殖池内养殖鱼或虾蟹，养殖水在系统内循环流动：养殖出水从养殖池中排出，流入蓄水池，在循环泵的驱动下进入过滤砂缸，滤去养殖过程中的杂质颗粒，再通过冷暖机来调节养殖温度，然后经过紫外消毒，进入到挂帘式生物滤池中，在布水器的作用下，水均匀的淋在纵向排列的碳纤维毡上，使水体中氨氮及亚硝态氮经碳纤维毡上的微生物降解，再流回养殖池。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维毡的比表面积为1300～1500m2/m3，厚度为3mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器为长方体，长80～120cm，宽30～100cm，高50～100cm，在所述容器内并排插入10～30张碳纤维毡。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述布水器为穿孔管式布水器、八爪布水器、鱼骨型布水器、V型绕丝布水器、喷头式布水器中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在反应器启动阶段，将水产养殖生物过滤系统污泥稀释至总固体含量为4000～5000mg/L，按体积比1‰接种到挂帘式生物滤池的碳纤维毡上，用模拟养殖污水循环运行。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在反应器启动阶段，所述模拟养殖污水中，C6H12O6为30～40mg/L，NH4Cl为35～70mg/L，且NH4 +-N为10～20mg/L，NaHCO3为70～80mg/L，NaHPO4为15～20mg/L。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述模拟养殖污水中，添加有0.5～2mL/L混合微量元素的溶液，配置溶液的盐的用量为：MnSO4·H2O 30～35mg/L，H3BO3 40～50mg/L，ZnSO4·7H2O 40～50mg/L，FeSO4·7H2O 90～100mg/L，CuSO4·5H2O 20～30mg/L。
8.根据权利要求1～7任一所述的方法，其特征在于，在正式运行阶段，温度控制在23～25℃，循环泵流速在1.8～2m3/h之间。
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