CN105961303B - 一种鱼-菌-藻共生的生态养殖系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种鱼‑菌‑藻共生的生态养殖系统及其运行方法，主要目的是减少曝气成本，提高氮和有机物的利用效率，增强养殖废水的净化。本系统由鱼池、光生物反应器、膜组件、光源和曝气系统组成。其特征在于将水产养殖与菌藻共生系统、膜技术相结合，微藻光合作用的持续进行，使处理后的废水含有较高的溶解氧浓度，保证了鱼类的健康养殖，降低了曝气成本；细菌对有机物优秀的降解和吸收，使系统对有机物的回用能力提升；微藻和微生物的综合协同作用，提高了对废水的处理效率；微藻对含氮物质的吸收，增大了系统的氮利用率；另外，膜技术的使用，使微藻的收获更加容易。
Description
技术领域
本发明属于水产养殖领域，具体而言，是一种鱼-菌-藻共生的生态养殖系统及运行方法。
背景技术
水产养殖废水的大量排放，不仅影响其周边水体的水质情况，而且已成为严重限制该产业快速发展的主要因素。废水中含有大量未被利用的含氮有机物，极易引起周边水体的富营养化。循环水养殖系统为解决该问题提供了一种有效的方法和思路。其中，鱼菜共生系统不仅拥有可观的鱼菜产量，也几乎没有废水排放。然而，该系统较传统养殖模式能耗更高；运行中，鱼、菜对有机物的回用能力不足，对氮的利用效率较低，造成大量含氮营养物质和有机物流失。另外，菜根的分泌物中含有对鱼类有害的物质。因而急需一种能耗低，氮和有机物利用率高，废水处理效果好，且对鱼类无害的生态养殖系统。
自1965年V.N.瓦伯赫首先创立菌藻共生系统以来，各国对该系统的研究日益增多。该系统中，藻类植物通过光合作用利用水中的CO2和氮、磷营养物质，合成自身细胞物质并释放出O2；好氧细菌则利用O2对有机污染物进行分解，产生CO2和营养物质以维持藻类生长。
经检索，尚未有将菌藻共生系统和膜组件与鱼类水产养殖偶联形成新型循环水养殖系统的相关报道。
发明内容
本发明是为了克服传统水产养殖模式的高曝气成本、有机物不能回用、污染周边水体、低氮利用率等不足之处，提出了一种鱼-菌-藻共生的生态养殖系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种鱼-菌-藻共生的生态养殖系统，包括鱼池、若干个膜组件、曝气系统、用来培养微藻和细菌的光生物反应器和向所述光生物反应器提供光的光源；
所述膜组件包括膜和用于固定所述膜的支撑材料，所述膜与支撑材料形成具有空腔且密封的所述膜组件，所述膜组件设有出水口；
所述曝气系统包括鼓风机、通风管和曝气头，所述鼓风机通过通风管与所述曝气头相连；
所述光生物反应器为一密封容器，所述光生物反应器壁上设有进水口、出水口和出气口，所述光生物反应器内设有膜组件，所述光生物反应器内的部分底部且位于膜组件或若干个膜组件之间区域的下方设有所述曝气头；
其中，所述鱼池的出水口通过所述光生物反应器的进水口与所述光生物反应器相连通，所述膜组件的出水口通过所述光反应生物反应器的出水口与所述鱼池相连通。
优选的，所述鱼池，用来养鱼，可由土地挖掘而成，铺高密度聚乙烯做防渗透处理，其中，所述鱼，较佳的选择鲤鱼、草鱼或其他经济型鱼种。可根据所养鱼的种类对菌藻系统进行调整，以满足不同的养殖和水质净化要求。
优选的，所述膜组件的外形特征是中空的长方体板状膜，也可以为筒状膜，其制作材料优选的为涤纶无纺布，其孔径为4～6μm(最佳的为5μm)，经过实验验证，采用孔径为4～6μm涤纶无纺布使得本发明的鱼菌藻的养殖效果较佳。当膜组件为长方体板状膜时，此时在所述光生物反应器中设置两个相互平行的膜组件，所述膜组件平行于水平面。经过大量的实验验证与分析，其鱼菌藻的养殖效果较佳。本发明将膜组件放置于光生物反应器内，一方面用于截留微藻以及微藻和菌的共生体，以防流入鱼池影响鱼所构建的生态系统，从而影响鱼类的生长；另一方面，所述膜组件还执行导流板的功能，为废水在光生物反应器内循环流动导向。
优选的，有效曝气区域与所述若干膜组件之间区域一致。所述曝气头放置于光生物反应器内，一方面给微藻生长提供CO2，一方面给回流到鱼池的水体复氧；另外，向上的气流推动光生物反应器内水体绕膜组件流动，使水体混合均匀，同时冲刷膜组件，减缓膜组件堵塞。
优选的，所述光生物反应器可根据占地面积和规模大小选择外形，大规模养殖选用长方体板箱，小规模养殖选用柱状；其材质，可选地，透明聚乙烯薄膜或有机玻璃。其中，薄膜有较低成本的优点，但也有破损后难以修复的缺点；有机玻璃的固定性好，但成本较薄膜高；实验规模多使用有机玻璃。
优选的，所述光源设置在光生物反应器外部或者内部，该光源用于夜晚促进微藻进行光合作用，增大微藻产量并连续处理养殖废水，进一步优选的，所述光源为LED白光灯。当所述光源位于光生物反应器内部时，光源为LED白光灯带，可均匀的设置在光生物反应器中或者膜组件上，以使微藻接受均匀的光照。
优选的，所述微藻其性能特征是具有较好的抗毒害性、具有较高价值的自养藻种，进一步优选的为小球藻(Chlorella sp.)，可选地，普通小球藻(Chlorella vulgaris)，蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)。经过大量实验验证和分析，采用小球藻可以更好的与细菌共生，从而更加有利于净化废水。
优选的，所述细菌，为污水处理厂好氧池活性污泥接种后在反应器内驯化出的与小球藻共生的混合好氧菌群，优选的，硝化细菌。
本发明还提供一种所述鱼-菌-藻共生的生态养殖系统的运行方法，包括以下步骤：
(1)人工投加饲料来养殖鱼，鱼池中产生的养殖废水进入所述光生物反应器中；
(2)进入所述光生物反应器中废水借助曝气冲力，沿着所述膜组件向上流动，在膜组件最顶端向无曝气区域降流，形成内部环流；
(3)水体在流动中与微藻和细菌接触，水中的鱼类水中对鱼类有害的物质被转化为硝酸盐，或被微藻吸收，有机物被细菌降解，水体得到净化；
(4)净化后的水透过膜组件，由膜组件的出水口回流至鱼池，进行鱼类养殖。
优选的，所述鱼池中的水体与所述光生物反应器的水体的体积比例为1：(0.8～1.2)，进一步优选为1:1。
优选的，鱼类养殖密度为10-15kg/m3；微藻和细菌初始接种比例分别为8～12％(进一步优选为10％)和1.5～2.5％(进一步优选为2％)，高密度培养，收获藻产品。
优选的，适当调整曝气强度，使水体溶解氧浓度为3-5mg/L，就适宜鱼类生长。
本发明的有益效果是：
(1)本发明将菌藻共生系统与水产养殖耦联，形成新型循环水养殖系统，充分利用菌藻共生的特性，达到减少曝气成本，提高氮和有机物利用效率，强化水质净化能力的效果。
(2)本发明涉及的一种“鱼-菌-藻”共生的生态养殖系统，将水产养殖与菌藻共生、膜出水技术结合，能有效地增大产出价值，减小曝气成本，提升系统对有机物的回用能力，强化废水净化，循环利用以减少废水外排，提高氮的利用效率；膜组件的利用，对藻类进行截留，使微藻收获更加容易。
(3)由于微藻光合作用的产氧、以及光生物反应器中的曝气使得回流进鱼池的水中溶解氧浓度高，因此无需在鱼池加设曝气装置，且光生物反应器内的曝气并不需要剧烈的强度，只需调整曝气强度使水体溶解氧浓度为3-5mg/L即可适宜鱼类生长。
(4)本发明的优势之一是将曝气头放置于光生物反应器底部以及膜组件之间区域的下方，一方面给微藻生长提供CO2，一方面给回流到鱼池的水体复氧；另外，向上的气流推动光生物反应器内水体绕膜组件流动，使水体有一定的规律进行混匀，从而使得净化废水的效果更加优异，否则水体净化不均匀，没有一定规律，从而达不到理想净化效果；同时冲刷膜组件，减缓膜组件堵塞。
附图说明
图1为平板式的鱼菌藻共生的生态养殖系统的结构示意图。
图2为光源内置的柱状鱼菌藻共生的生态养殖系统结构示意图。
图3是板状膜组件的侧视图。
其中，1为鱼池，2为平板式光生物反应器，3为鱼，4为水泵，5为鼓风机，6为板状膜组件，7为菌藻混合液，8为出气口，9为外置光源，10为卡槽，11为进水口，12为升流区，13为降流区，14为内置条带光源，15为柱状光生物反应器，16为筒状膜组件。
具体实施方式
实施例1
结合图1进一步说明本发明的技术方案，如下：
本发明主要由鱼池1、用来培养微藻和细菌的平板式光生物反应器2、输水系统、外置光源9、两个板状膜组件6和曝气系统5组成。
图1中，所述鱼池1，用来养鱼，可由土地挖掘而成，铺高密度聚乙烯做防渗透处理，其中，所述鱼3选用经济型鱼种鲤鱼。微藻选用小球藻，细菌选用硝化细菌。外置光源9为LED白光灯。
平板式光生物反应器2用有机玻璃制成，整体为长方体，高度与底边长度比为3:1，板箱厚度不大于10cm以有效利用光照，其设有进水口11、出水口和出气口8。
所述板状膜组件6包括膜和用于固定所述膜的支撑材料，所述膜与支撑材料形成具有空腔且密封的所述膜组件，所述板状膜组件6设有出水口，板状膜组件6为长方形无纺布板膜，选用5μm涤纶无纺布，两片平行放置于平板式光反应器2内的卡槽10上固定，以防止曝气使其活动。
所述曝气系统包括鼓风机5、通风管和曝气头，所述鼓风机5通过通风管与所述曝气头相连，曝气头放置于平板式光反应器2底部，固定在两片板状膜组件6中间。
所述输水系统，包括水泵4和输水管，用于输送养殖水体，将鱼池1废水泵入平板式光生物反应器2中，后将处理过的废水从板状膜组件6中抽出回流至鱼池1，其中所述输水管为PVC管。
其中，所述鱼池1的出水口通过所述水泵与所述平板式光生物反应器2的进水口相连，所述板状膜组件6的出水口通过所述平板式光反应生物反应器2的出水口以及输水系统中的水泵与所述鱼池1相连通。
本系统运行方式为：鱼3养殖于鱼池1中，鱼池1中产生的养殖废水通过水泵4与输水管从反应器侧下方泵入平板式光生物反应器2中，借助曝气系统的曝气冲力，废水沿着板状膜组件6向上流动，通过升流区12，之后，向下流动通过两侧的降流区13，如此循环。曝气系统运行时，使曝气速率稳定，有效曝气区域与两个板状膜组件6之间的区域一致。废水在被菌藻混合液7处理后，进入板状膜组件6，由水泵4抽出，回流至鱼池1中，循环利用养殖鱼。平板式光生物反应器2中，没有溶入水中的空气从出气口8逸出反应器，以平衡反应器内压力并减小反应器内过高的氧浓度，以免影响微藻的生长。外置光源9放置在光生物反应器2的外部，白天光源关闭，反应器接受太阳光，夜晚光源开启，光生物反应器接受外置光源9照射，光强为120μmol/m2s。如此，实现养鱼废水的循环养殖。
所述鱼池1中的水体与所述平板式光生物反应器2的水体的优选的体积比例为1：1，其中所述鱼池里的养殖密度为10-15kg/m3，微藻和细菌初始接种比例分别为10％和2％，曝气强度调整使水体溶解氧浓度在3-5mg/L。
实施例2
结合图2进一步说明本发明的技术方案，如下：
本发明主要由鱼池1、柱状光生物反应器15、输水系统、内置条带光源14、筒状膜组件16和曝气系统5组成。
图2中，培养菌藻的反应器为柱状光生物反应器15，其形状特征在于其为圆柱体，制作材料为有机玻璃，其内径不大于30cm以有效利用光照，反应器高度可根据需要调整，其高径比，可选地，为6:1；光源采用内置条带光源14，为LED白光灯带，分布均匀地缠绕在筒状膜组件16上，以使微藻接受均匀的光照；筒状膜组件16为无纺布膜，放置于反应器内卡槽10上固定；曝气头放置于柱状光生物反应器2底部，固定在筒状膜组件的下方，其余同实施例1。
本发明运行方法基本同实施例1，不同之处在于光源内置，膜组件和反应器均为圆柱状，使反应器内接受光照更充分而均匀，提高微藻光合速率，生长速率，增强水质净化能力。
Claims (12)
1.一种鱼-菌-藻共生的生态养殖系统，其特征是：包括鱼池、若干个膜组件、曝气系统、用来培养微藻和细菌的光生物反应器以及向所述光生物反应器提供光的光源；
所述膜组件是由膜材料与固定所述膜材料的支撑材料所形成的具有空腔且密封的膜结构，所述膜组件设有出水口；所述膜组件的外形特征是中空的长方体板状膜或为筒状膜，其制作材料为涤纶无纺布，其孔径为4~6μm；
所述曝气系统包括鼓风机、通风管和曝气头，所述鼓风机通过通风管与所述曝气头相连；
所述光生物反应器为一密封容器，所述光生物反应器壁上设有进水口、出水口和出气口，所述光生物反应器内设有膜组件，所述光生物反应器内的部分底部且位于膜组件或若干个膜组件之间区域的下方设有所述曝气头；
其中，所述鱼池的出水口通过所述光生物反应器的进水口与所述光生物反应器相连通，所述膜组件的出水口通过所述光生物反应器的出水口与所述鱼池相连通。
2.如权利要求1所述的生态养殖系统，其特征是：所述光源设置在光生物反应器外部或者内部。
3.如权利要求1所述的生态养殖系统，其特征是：所述微藻为小球藻。
4.如权利要求1所述的生态养殖系统，其特征是：所述细菌，为污水处理厂好氧池活性污泥接种后在光生物反应器内驯化出的与小球藻共生的混合好氧菌群。
5.如权利要求4所述的生态养殖系统，其特征是：所述细菌为硝化细菌。
6.如权利要求1所述的生态养殖系统，其特征是：所述光生物反应器根据占地面积和规模大小选择外形，大规模养殖选用长方体板箱，小规模养殖选用柱状；其材质为透明聚乙烯薄膜或有机玻璃。
7.如权利要求1所述的生态养殖系统，其特征是：所述鱼池，铺高密度聚乙烯做防渗透处理。
8.如权利要求7所述的生态养殖系统，其特征是：所述鱼，为鲤鱼、草鱼或其他经济型鱼种。
9.如权利要求1所述的生态养殖系统，其特征是：所述光源为LED白光灯。
10.一种权利要求1~9中任一项所述的鱼-菌-藻共生的生态养殖系统的运行方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）人工投加饲料来养殖鱼，鱼池中产生的养殖废水进入所述光生物反应器中；
（2）进入所述光生物反应器中废水借助曝气冲力，沿着所述膜组件向上流动，在膜组件最顶端向无曝气区域降流，形成内部环流；
（3）水体在流动中与微藻和细菌接触，水中对鱼类有害的物质被转化为硝酸盐，或被微藻吸收，有机物被细菌降解，水体得到净化；
（4）净化后的水透过膜组件，由膜组件的出水口回流至鱼池，进行鱼类养殖。
11.如权利要求10所述的方法，其特征是：所述鱼池中的水体与所述光生物反应器的水体的体积比例为1：（0.8~1.2）；鱼类养殖密度为10~15kg/m3；微藻和细菌初始接种比例分别为8~12%和1.5~2.5%。
12.如权利要求11所述的方法，其特征是：所述鱼池中的水体与所述光生物反应器的水体的体积比例为1：1。
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