CN108238703A - 一种利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水产养殖排放水循环利用技术领域，尤其是一种利用生物滤器‑人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其包括：养殖池、沉淀池、生物滤器、复合垂直流人工湿地、蓄水池、杀菌消毒装置和增氧装置。生物滤器分为三级净化单元，其内部填充弹性填料和过滤棉，人工湿地采用复合垂直流人工湿地。本发明可对水产养殖产生的残饵、排泄物有效过滤，对水体中溶解的氮、磷营养物和有机物进行深度净化，并经过消毒杀菌和增氧，将水循环至养殖池，提高了水体中污染物的净化效率，实现养殖水体的全封闭循环回用。该系统净化单元集约化，直接并接，省去了连接管路，且净化单位自带排污装置，避免了污染物内壁堆积和系统阻塞，保障了养殖系统的稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及水产养殖排放水循环利用技术领域，尤其是一种利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统。
背景技术
水产养殖水体中往往含有较丰富的氮、磷和有机物，水产养殖用水的任意排放容易引起局部水域的富营养化，甚至导致藻华的发生。因而，减少养殖水体的氮磷排放、开发适宜的处理技术成为当务之急。对于养殖排放水的处理，按照不同的处理方式，大体可分为四类：(1)物理方法，包括换水、沉淀、吸附、过滤、曝气、紫外照射等；(2)化学方法，包括pH调节、化学消毒等；(3)生物方法，包括光合细菌、生物膜、植物吸收等；(4)综合处理方法，兼有物理、化学或生物的处理方法，包括工厂化循环水处理系统、生物滤器、人工湿地等。
人工湿地(Constructed wetland，CW)作为典型的、生态的、综合的水处理技术，因易操作和维护成本低，已经被广泛用于处理各种废水，如生活污水、农业废水、工业废水、污染河水。人工湿地经过对自然湿地结构和功能的模拟，通过植物、基质和微生物之间的相互作用，经物理、化学和生物过程实现对水体污染物的净化效果。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。研究报道，人工湿地能有效去除废水中的各种污染物(有机物、营养盐、重金属、制药污染物等)。在各种污染物中，有机物和氮的去除是极其重要的，因为富含有机物的废水常常致使水体溶氧降低，导致水中生物死亡且影响氮去除的硝化作用。随着我国养殖业规模的不断扩大带来的水体污染问题日趋严重，近几十年来运用人工湿地去污技术净化养殖排放水成为研究热点。为了提供充足溶氧，获得有效的硝化作用，设计了曝气人工湿地(Booget al,2014；Li et al,2014)。此外，为了获得更好去除效率，研究发现不同类型人工湿地相组合对养殖废水净化效果优于单一人工湿地系统(齐丹，2016；刘丽珠，2015)。但人工湿地在运行过程中存在诸多问题；缺乏氧气、易堵塞、土地资源利用面积大(陈后兴，2015)。
生物滤器由于其本身具有占地面积小，投资少，抗冲击负荷能力强以及操作流程简单等有点，已被广泛运用于工业废水以及生活污水的处理中(Wu et al,2015；Abou-Elela et al,2015)。曝气垂直流滤池+折流式水平流滤池组合系统相比于单一垂直流滤池，组合系统对总有机物和总磷的去除分别提高了4.4％和23.2％(张世羊，2017)。目前，将复合垂直流人工湿地和生物滤器相组合并应用于水产养殖排放水水净化处理的研究极少。
发明内容
鉴于现有技术的以上现状，本发明构建了一种生物过滤-人工湿地组合系统，其将生物滤器与人工湿地进行改进并结合，减少人工湿地占地面积，充分利用两者的优点实现养殖排放水的高效去污效果。
为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供了一种利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其包括：养殖池、沉淀池、生物滤器、复合垂直流人工湿地和蓄水池，所述养殖池、沉淀池、生物滤器、复合垂直流人工湿地和蓄水池依次序连通，所述蓄水池与养殖池连通。
优选地，还包括杀菌消毒装置和增氧装置，所述杀菌消毒装置设置于蓄水池内，所述增氧装置设置于养殖池内。
优选地，所述生物滤器包括一级上行滤池、二级下行滤池和三级上行滤池，所述一级上行滤池、二级下行滤池和三级上行滤池从左至右依次排布，所述生物滤器进水口位于一级上行滤池的底部，生物滤器出水口开设于三级上行滤池的上部，所述一级上行滤池与二级下行滤池在各自上部相连通，所述二级下行滤池与三级上行滤池在各自下部相连通，所述生物滤器出水口位置低于第一级上行滤池与二级下行滤池的连通液面。
优选地，所述一级上行滤池、二级下行滤池内填充弹性填料，所述三级上行滤池内填充过滤棉，所述二级下行滤池、三级上行滤池的容量均小于一级上行滤池。
优选地，所述复合垂直流人工湿地包括上行池和下行池，所述下行池上部设有用于接收来自生物滤器排出水的人工湿地进水口，所述上行池上部设有向蓄水池排水的人工湿地出水口，所述人工湿地进水口的位置高于人工湿地出水口，所述上行池下部和下行池下部通过二级沉淀池相连通。
优选地，所述上行池和下行池内填设有基质材料，所述基质材料上方种植植物，所述基质材料由下至上粒径逐渐减小。
优选地，所述基质材料包括一级、二级、三级基质，所述一级基质为砂石或细珊瑚石，所述二级基质为煤渣，所述三级基质为粗珊瑚石。
优选地，所述养殖池的下部通过管道与沉淀池的上部相连通，所述沉淀池的顶部与生物滤器相连通。
优选地，所述植物为淡水植物或海水植物。
本发明的有益效果：
(1)本发明构建了复合垂直流人工湿地和生物滤器的组合系统，对养殖排放水进行多级生态净化，将其中的残饵、排泄物、氮磷营养物进行充分过滤净化，配合杀菌消毒装置，对水质净化效果好，使其能够封闭循环使用；
(2)整个系统充分利用空间，去污单元小型化，直接并接，省去了连接管路，避免了系统管网过长导致的污染物内壁堆积，从而导致的出水不稳定，减小了人工湿地和生物滤器的占用面积和体积；
(3)水体停留时间短，易于控制，配合增氧装置，水体中溶解氧含量高。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出本发明的循环水处理系统流程图；
图2示出本发明生物滤器的结构示意图；
图3示出本发明复合垂直流人工湿地的结构示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。
一种利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，如图1所示，其包括：养殖池、沉淀池1、生物滤器、复合垂直流人工湿地和蓄水池，所述养殖池、沉淀池1、生物滤器、复合垂直流人工湿地和蓄水池依次序连通，所述蓄水池与养殖池连通。养殖池内的水经沉淀池1将残饵和排泄物等污染物进行沉淀，然后流向生物滤器利用微生物进行氮磷净化，微生物净化后流入复合垂直流人工湿地，进一步去除氮、磷及其他污染物，最后将经人工湿地净化的水排入蓄水池储存。
进一步地，还包括杀菌消毒装置和增氧装置，所述杀菌消毒装置设置于蓄水池内，所述增氧装置设置于养殖池内。
如图2所示，为了增强循环水处理系统的净化性能，所述生物滤器包括一级上行滤池21、二级下行滤池22和三级上行滤池23，所述一级上行滤池21、二级下行滤池22和三级上行滤池23从左至右依次排布。所述生物滤器进水口11位于一级上行滤池21的下部，生物滤器出水口25位于三级上行滤池23的上部，所述生物滤器出水口25的位置低于一级上行滤池21和二级下行滤池22之间隔挡的高度，也即低于一级上行滤池21和二级下行滤池22之间的连通液面，所述连通液面为一级上行滤池21水满后溢流进入二级下行滤池22，然后两个池形成的同一高度的水平液面。如此，可使水流自然从一级上行滤池21向三级上行滤池23流动；所述一级上行滤池21与二级下行滤池22在各自上部相连通，优选一级上行滤池21与二级下行滤池22之间的隔挡低于生物滤器的高度，一级上行滤池21中的水以溢出的形式流向二级下行滤池22，从而省去管道安装；所述二级下行滤池22与三级上行滤池23的隔挡的下部相连通，在二级下行滤池22和三级上行滤池23的隔挡的下部可设置具有多孔的隔离装置连通，例如具孔版、隔离网等，从而省去管道布置，使过滤单元集约化，各滤池直接并接，增大了有效面积和有效体积的占比，避免了管网过长导致污染物在管道内壁堆积，影响流速，导出水水质不稳定；二级下行滤池22与三级上行滤池23之间的隔挡高于二级下行滤池22与一级上行滤池21之间的隔挡。
由于养殖排放水存在大量的残饵和排泄物，不及时清理容易造成净化系统的堵塞，故沉淀池1采用上向水流设计，确保生物滤器水流的平稳，利于残饵和排泄物的沉淀。生物滤器采用了三级过滤单元，延长了水路，增加了水力停留时间。同时为了避免水流过快时水体溢出生物滤器，一级上行滤池21和二级下行滤池22、二级下行滤池22和三级上行滤池23之间的隔挡高度低于生物滤器的总高度，便于积水越过二级下行滤池22和三级上行滤池23直接进入下一环节处理。生物滤器中水流方向为：沉淀后的水由生物滤器进水口11先流入一级上行滤池21，水流由下至上流动，由一级上行滤池21进入二级下行滤池22后，水流由上至下流动，二级下行滤池22进入三级上行滤池23后，水流再次转为由下至上流动，最后经生物滤器出水口25流出。
进一步地，所述一级上行滤池21、二级下行滤池22内填充弹性填料，所述三级上行滤池23内填充过滤棉，所述二级下行滤池22、三级上行滤池23的容量均小于一级上行滤池21。弹性填料，将塑料圆片压扣改成双圈大塑料环，将醛化纤维或涤纶丝压在环的环圈上，使纤维束均匀分布；内圈是雪花状塑料枝条，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率。其具有大比表面积，便于微生物附着。
进一步地，二级下行滤池22、三级上行滤池23的容量均小于一级上行滤池21。弹性填料的作用是为微生物的生长繁殖提供附着载体，微生物新陈代谢以及弹性填料本身对污染物的吸附、截留、生物絮凝等作用，实现对污染物的转化吸收。弹性填料可以通过在生物滤器池壁设置反冲洗口将污染物从生物滤器中彻底移除。由于刚流入的水中污染物含量较多，因此需采用的弹性填料，在一级上行滤池21中将水中污染物进行快速吸附过滤，且一级上行滤池21的容量较大，使污染物被充分吸附过滤；二级下行滤池22和三级上行滤池23的容量均变小，其内部填充的弹性填料直径也减小，水流经过一级上行滤池21后，水中大部分污物被过滤，接下来需进行更为“精细”的过滤，因此采用比表面积比弹性填料大的过滤棉，由于残留污染物数量已经大大降低，故二级下行滤池22和三级上行滤池23的容量可适当减小。
为了提升复合垂直流人工湿地的净化效率，如图3所示，所述复合垂直流人工湿地包括上行池31和下行池30，所述下行池30上部设有接收来自生物滤器排出水的人工湿地进水口33，所述上行池31上部设有向蓄水池排水的人工湿地出水口34，所述人工湿地进水口33的位置高于人工湿地出水口34，所述上行池31下部和下行池30下部通过二级沉淀池35相连通。二级沉淀池35的主要作用是收集、排出沉淀，防止湿地水路堵塞。二级沉淀池35为下、上向流池之间提供了缓冲空间，水流平稳有利于淤泥杂质的沉淀，二级沉淀池35可设置反冲洗口，当淤泥积累到一定程度，通过反冲洗口把淤泥杂质冲洗排出。
生物滤器和复合垂直流人工湿地依据水流高程设计，使水流自然流经生物滤器、人工湿地、蓄水池，仅在蓄水池设有水泵将水输送至养殖池，其他水段无需动力，大大降低系统能耗。
优选地，上行池31和下行池30下部设有用于隔离填充介质的多孔隔离装置，所述多孔隔离装置可以是具孔版或隔离网等，多孔隔离装置下方形成无填充介质的二级沉淀池35。生物滤器的滤后水先在复合垂直流人工湿地中先由上至下流动，然后从下行池30底部流入上行池31，由下至上流动至人工湿地出水口34。为了保持垂直水流的流动性，人工湿地进水口33位置要高于人工湿地出水口34位置。
进一步地，复合垂直流人工湿地的上行池31和下行池30内填设有基质材料32，所述基质材料32上方种植植物36，所述基质材料32由下至上粒径逐渐减小，即上行池31和下行池30越靠近下部基质材料32的粒径越大，其原因是为了防止小粒径填充介质堵塞上行池31和下行池30下部的连接通道，不同基质或者不同基质组合对废水的处理效率有所不同，在使用过程中应避免基质堵塞问题，尽量延长基质使用周期以提高湿地去污效率。基质材料32影响着复合垂直流人工湿地系统的去污效果，一方面，基质具有较大的比表面积和孔隙，复合垂直流人工湿地可以通过基质的吸附、过滤、离子交换以及络合作用等来实现对废水中污染物的去除；一方面，基质材料32为湿地植物及根部生长提供了土壤环境并为系统中微生物提供了附着位点。
复合垂直流人工湿地中能够形成丰富的微生物群落，微生物群落间共同作用、互利共生形成了一个有机体系。复合垂直流人工湿地的脱氮主要是靠微生物作用，微生物除氮在系统脱氮过程中起着核心作用，微生物通过氨化作用、硝化作用、反硝化作用进行脱氮。酶的活性能够反映微生物特征，基质中脲酶、脱氢酶、硝酸还原酶的活性影响脱氮效率。
优选地，所述基质材料32的粒径由小到大分为三级，分别为一级基质2～3mm、二级基质2～4cm、三级基质3～5cm。其中一级基质填充厚度分别小于二级和三级基质，二级和三级基质填充厚度可以相同。
进一步地，所述一级基质为砂石或细珊瑚石，所述二级基质为煤渣，所述三级基质为粗珊瑚石。珊瑚石、煤渣比表面积较大，有利于微生物的着附生长。珊瑚石、煤渣比表面积较大，有利于微生物的着附生长。砂石价格低廉，容易获得，且粒径较小有利于悬浮物的去除适合作为植物根系的附着材料；煤渣富含Al3+、Fe3+、Ca2+和Mg2+等金属离子，且其结构疏松，表面和内部有大量孔隙，对COD、NH4-N和磷等具有很好的吸附能力，而被作为一种吸附剂用来处理废水且是火电厂的产生的废物，属于废物利用。珊瑚石是海洋中珊瑚虫的骨骼，富含钙镁元素，能与磷元素形成络合物沉淀，其碳酸根有利于调节水体pH值，同时还能作为无机碳源。
更进一步地，下行池30中基质材料32高度低于人工湿地出水口34的高度，其目的是让均匀布的水流充分接触空气，以达到部分复氧的效果，提高基质表层的溶氧量，促进基质耗氧微生物繁殖以及其对NH4-N的转化。上行池31中基质材料32高度与人工湿地出水口34下边缘齐平，目的是避免水体在湿地表面形成积水，滋生蚊虫等。
为了便于水中的沉淀转入沉淀池1，所述养殖池的下部通过管道与沉淀池1的上部相连通，所述沉淀池1的顶部与生物滤器相连通，优选地，沉淀池1位于一级上行滤池21正下方，并在沉淀池1与一级上行滤池21之间设置多孔的隔离装置分隔，多孔的隔离装置可以是具孔板或刚性网。沉淀中包含了大量的残饵和排泄物，养殖池内的沉淀集中于池底，从养殖池下部将沉淀通入沉淀池1，然后将沉淀由沉淀池1引出进行二次利用，沉淀池1上部的水可进入下一阶段的净化，因此将沉淀池1的顶部与一级上行滤池21连通。
在复合垂直流人工湿地上种植利于净化水的植物36，所述植物36根据需要净化的水质可以是淡水植物，也可以是耐盐、碱的海水植物，淡水植物可以是为芦苇、香蒲、大米草、柽柳、罗布麻、美人蕉、风车草、梭鱼草、秋茄、石菖蒲、灯心草和红树林中的一种或几种，海水植物可以是碱蓬、碱蒿、盐角草、大米草、互花米草中的一种或几种。上述植物36为示例性的，不具有局限性，有些海水植物也能够种植于淡水中，有些淡水植物也能够种植于低盐环境的水中。湿地种植的植物36具有过滤、拦截悬浮物的作用，还具有吸收营养盐污染物的作用。一方面，进入人工湿地的一部分营养盐可以被植物吸收为湿地植物生长的养分；另一方面，适当的水文电导率可以使氧气通过茎叶输送到生根区从而促进根部微生物群落的繁殖，分泌的化学物质可以作为植物根际生长的催化剂；另外，湿地植物可以为微生物生长提供附着位点。以上的植物36在复合垂直流人工湿地上种植，生长状态良好，可单独种植一种植物或多种植物混种。
本实例构建的复合系统充分结合了生物滤池和人工湿地的优势，生物滤池内部填充的弹性填料能有效地拦截有机物，并通过异养菌的反硝化作用去除。此外养殖排放水流经生物滤池内部，水体DO可以得到提高，有利于好氧微生物生长代谢和硝化作用，同时人工湿地能够补充生物滤池除磷性能较差的缺陷。本实例所构建的复合系统对养殖排放水中TP、TN、NH4+-N、NO2 —-N、NO3 —-N、CODMn的平均去除率分别为91.7％、85.4％、96.5％、99.0％、95.8％、76.6％。与朱历等(2017)的研究相比较，本研究中复合系统对养殖废水中TN、NH4 +-N、CODMn的去除率无明显差异，由于复合系统中人工湿地的存在，所以该系统对TP的去除具有显著优势。与张海耿等(2012)、王加鹏等(2014)和周强等(2015)的研究相比较，如表1所示，本研究中系统对NH4 +-N、CODMn的去除率稍微增加，但系统对NO2 —-N、NO3 —-N、TN的去除率明显高于单一复合垂直流人工湿地。总体来看，本实例构建的生物滤池和人工湿地复合系统对养殖废水中有机物、氮、磷的去除效果优于单一曝气生物滤池和单一复合垂直流。
表1不同研究中人工湿地污染物去除效果
优选地，所述蓄水池内设有用于将水流导向养殖池的水泵，将净化后的水进行循环使用，还可对蓄水池中的水进行紫外杀菌等处理，然后再通向养殖池。养殖排放水首先进行初沉淀，然后进行微生物过滤净化，接着进行人工湿地净化，最后经过杀菌消毒、增氧处理重新作为养殖用水。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其特征在于，包括：养殖池、沉淀池、生物滤器、复合垂直流人工湿地和蓄水池，所述养殖池、沉淀池、生物滤器、复合垂直流人工湿地和蓄水池依次序连通，所述蓄水池与养殖池连通。
2.根据权利要求1所述的利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其特征在于，还包括杀菌消毒装置和增氧装置，所述杀菌消毒装置设置于蓄水池内，所述增氧装置设置于养殖池内。
3.根据权利要求1所述的利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其特征在于，所述生物滤器包括一级上行滤池、二级下行滤池和三级上行滤池，所述一级上行滤池、二级下行滤池和三级上行滤池从左至右依次排布，所述生物滤器进水口位于一级上行滤池的底部，生物滤器出水口开设于三级上行滤池的上部，所述一级上行滤池与二级下行滤池在各自上部相连通，所述二级下行滤池与三级上行滤池在各自下部相连通，所述生物滤器出水口位置低于第一级上行滤池与二级下行滤池的连通液面。
4.根据权利要求3所述的利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其特征在于，所述一级上行滤池、二级下行滤池内填充弹性填料，所述三级上行滤池内填充过滤棉，所述二级下行滤池、三级上行滤池的容量均小于一级上行滤池。
5.根据权利要求1所述的利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其特征在于，所述复合垂直流人工湿地包括上行池和下行池，所述下行池上部设有用于接收来自生物滤器排出水的人工湿地进水口，所述上行池上部设有向蓄水池排水的人工湿地出水口，所述人工湿地进水口的位置高于人工湿地出水口，所述上行池下部和下行池下部通过二级沉淀池相连通。
6.根据权利要求5所述的利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其特征在于，所述复合垂直流人工湿地的上行池和下行池内填设有基质材料，所述基质材料上方种植植物，所述基质材料由下至上粒径逐渐减小。
7.根据权利要求6所述的利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其特征在于，所述复合垂直流人工湿地的基质材料包括一级、二级、三级基质，所述一级基质为砂石或细珊瑚石，所述二级基质为煤渣，所述三级基质为粗珊瑚石。
8.根据权利要求1所述的利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其特征在于，所述养殖池的下部通过管道与沉淀池的上部相连通，所述沉淀池的顶部与生物滤器相连通。
9.根据权利要求1所述的利用生物滤器-人工湿地进行循环水水产养殖的系统，其特征在于，所述植物为淡水植物或海水植物。
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