CN112875905B - 一种循环水养殖系统尾水利用工艺 - Google Patents

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Abstract

一种循环水养殖系统尾水利用新工艺，包括以下步骤：(1)提供循环水养殖系统、尾水预处理系统和自循环水培系统；(2)将循环水养殖系统产生的尾水经过沉淀过滤后，再根据剩余上清液质量确定水培系统单体规模；(3)尾水上清液经微纳米气泡增氧杀菌一体化设备消毒后，利用清水稀释；稀释后的尾水上清液作为水培系统营养液底水，添加元素调整成分后进入水培系统；(4)动态监测水培系统水体EC值与pH；(5)设置合理的时间节点，利用微纳米气泡增氧杀菌一体化设备对水培系统进行加氧灌溉。利用本发明的工艺可以实现高密度循环水产养殖系统零排放；将处理后的尾水替换部分营养成分，减少水培成本。

Description

一种循环水养殖系统尾水利用工艺
技术领域：
本发明属于农业技术领域，涉及一种水产养殖系统污水资源化利用工艺。
背景技术:
循环水养殖系统(RAS)，应传统水产养殖业向工厂化转型需要，并且正在全国各地进行试点。鱼菜共生系统，是一种秉持着可持续发展理念，符合绿色农业要求的生产模式，并且可以用于景观造型供人观赏。微纳米气泡技术，可以在短时间内快速提高水体溶解氧，并且由于气泡体积微小可以在水体中滞留很长时间，因此可以用于加氧灌溉，并且利用臭氧气源可以实现水体杀菌消毒。
RAS理论上能够实现95％以上的水资源利用率以及目前最高的养殖密度，然而在实际生产过程中随着养殖密度的提升，每次投喂后若不对外排放尾水，鱼池中的粪便会长时间积累，并在短时间内造成水质急剧变差并容易造成管道堵塞。RAS尾水的排放会对自然水体造成污染，严重制约了其在城市的推广发展。为了解决RAS尾水排放问题，发明了一种基于鱼菜共生理念的尾水资源化利用工艺。
发明内容：
为了克服循环水高密度水产养殖系统排放尾水的缺点，本发明将种植和水产养殖结合，通过循环水培系统来净化水体，实现高密度循环水养殖系统零排放，同时收获高品质水培叶菜，所发明的完整工艺使生产价值最大化。为了达到以上目的，本发明做出了以下方案：
一种循环水养殖系统尾水利用工艺，包括以下步骤：
(1)提供循环水养殖系统、尾水预处理系统和自循环水培系统；
(2)将循环水养殖系统产生的尾水经过沉淀、过滤后底泥堆肥，再根据剩余上清液质量确定水培系统单体规模；
(3)尾水上清液经微纳米气泡增氧杀菌一体化设备消毒后，利用清水稀释；稀释后的尾水上清液作为水培系统营养液底水，添加元素调整成分后进入水培系统；
(4)动态监测水培系统水体EC值与pH，分别通过添加磷酸二氢钾与磷酸调节，前两周EC值为2，之后EC值为3，pH稳定在6.0～6.5。
(5)设置合理的时间节点，利用微纳米气泡增氧杀菌一体化设备对水培系统进行加氧灌溉。
综合各类叶菜类生态特征、经济价值与净水效果，优选生菜为研究对象。生菜酥脆的口感和喜人的形状使其不仅作为食品还是观赏植物都深受消费者喜爱，并且还具有生长周期短、适宜水培等优势。
综合低氧环境抗性、水环境抗性、生长周期及价值，从众多水产养殖对象中优选罗非鱼为循环水养殖系统的养殖对象。罗非鱼(Tilapia)因其肉质鲜美有着广泛的市场，已成为世界性的主要养殖鱼类。此外罗非鱼还具有生长速度快、繁殖能力强、适应盐度较广、抗病能力强、经济价值和营养价值高等适宜高密度养殖的特点。
通过文献参考并综合考虑实际生产中罗非鱼育肥效果、所需人工和所用系统承载力，将养殖密度设置为50kg/m3，以达到实际生产经济效益最佳养殖密度。
优选情况下，罗非鱼的养殖密度设置为50kg/m3左右、投喂量5％，每日产生约占循环水养殖系统水体10％的尾水。
优选情况下，选择食用、观赏均具有价值的奶油生菜作为水培对象。1 吨上清液对应135棵六叶一心的奶油生菜。
优选情况下，尾水上清液经微纳米气泡增氧杀菌一体化设备消毒时，臭氧浓度设置为2～4mg/L，每吨水消毒时间为10min。
优选情况下，尾水上清液经微纳米气泡增氧杀菌一体化设备消毒后利用清水稀释至60％，每1立方米水体消毒10分钟。
优选情况下，步骤(3)中，微量元素按照Aron配方配置添加，大量元素初始添加浓度为N 85mg/L，P 25mg/L，K 230mg/L，Ca 80mg/L，Mg 25mg/L。
优选情况下，步骤(5)中，每吨水每日合计加氧1小时，且至少分4 个时段，保证水体溶氧高于8mg/L。
与现有技术相比，本发明系统的有益效果在于：
本发明工艺根据水产养殖规模不同可以调整种植面积、配套设备型号，可用于研究不同鱼种、水培品种间的共生关系；实现高密度循环水产养殖系统零排放；将处理后的尾水替换部分营养成分，减少水培成本；实施简单且秉承绿色农业、可持续发展理念，具有重要的宣传推广意义和研究价值。
RAS尾水的预处理(过滤、消毒)能够保证尾水各项指标的稳定，为水培营养液中各营养物质的投入量提供参考。滤渣用于堆肥，滤液用于水培，能够资源化利用RAS尾水，避免直接对外排放。滤液中含有水培植物生长所需的氮磷元素，能够替代原配方中的氮磷营养物质，降低水培成本。臭氧微纳米气泡杀菌消毒是一种效果明显，不受环境限制，无毒害的方式；其对水体的加氧作用有利于维持水质稳定，同时有利于水培植物根系生长。研究表明：同等条件下，加氧灌溉能够明显提高水培植物的产量。
附图说明
图1为RAS原理及RAS尾水产生与处理处理工艺流程示意图。
图2为尾水处理工艺试验设施示意图。
其中，附图标记：
1：尾水收集箱；2：尾水转移管道；3：控流阀门；4：水培箱进水管； 5：支撑架；6：营养液调配池；7：水培箱出水管；8：微纳米气泡增氧杀菌一体设备；9：水培种植箱。
图3为不同稀释浓度尾水培育生菜鲜重增长情况。
图4为不同营养液浓度培育水培生菜鲜重增长情况。
图5为不同加氧方式对水培生菜鲜重的影响。
具体实施方式
为了研究本工艺的实际实施效果，采用试验的方式对关键节点逐一验证。涉及试验包括：RAS最佳养殖密度确定、RAS尾水指标测定、臭氧微纳米气泡杀菌效果测定、水培生菜生长情况测定。试验以北京市通州区国际都市农业科技园中田间超市搭建的RAS系统作为研究对象，养殖品种为罗非鱼，水培植物品种为奶油生菜，增氧杀菌一体化设备采用TL-ZYXD-A型微纳米气泡机。
主要研究内容包括：
(1)确定当前RAS选用养殖品种的最佳养殖密度。
(2)确定各阶段投喂方案对应的RAS尾水指标以及日排放量等。
(3)设置对应规模的尾水收集装置、过滤系统、堆肥方案、水培规模。
(4)使用臭氧微纳米气泡杀菌增氧一体化设备对滤液进行消毒，确定最合理的时间节点。
(5)将滤液稀释，针对水培品种的对应配方计算氮、磷的替换量，配置含RAS尾水的新营养液，并动态检测水质，使营养液pH稳定在6.0～6.5，溶氧高于8mg/L，EC值稳定在2.5mS/cm。
(6)设置合理的时间节点，利用增氧消毒一体化设备对水培系统进行加氧灌溉。
(7)根据养殖对象育肥周期设置水培系统单体数量，保证每日产生的尾水均可利用，同时每两周将RAS养殖密度回归最佳养殖密度。
设施简介：
参见图1，总系统包括循环水养殖系统(RAS)、尾水预处理系统和自循环水培系统三个部分。其中RAS包括依次连接的养殖池、竖流分离器、微滤机、紫外线杀菌机、脱气池、生物反应单元、pH调节池、集水池，形成循环水养殖系统。尾水收集系统包括沉淀池、滤网和微纳米气泡增氧杀菌一体设备。优选情况下，滤网选用双层丝质布。自循环水培系统包括营养液池和深液流水培区。其中，尾水收集系统的沉淀池连接RAS的竖流分离器和微滤机，用于接收RAS产生的尾水。尾水沉淀后经过滤网过滤，滤液通入微纳米气泡增氧杀菌一体设备进行消毒处理，然后进入营养液池配置营养物质后进入深液流水培区，供水培植物吸收。
尾水处理工艺试验设施参见图2，主要包括尾水收集箱1、营养液调配池6、水培种植箱9和微纳米气泡增氧杀菌一体设备8。其中，尾水收集箱1 通过尾水转移管道2和控流阀门3与多个营养液调配池6连接，水培种植箱 9通过支撑架5架设在营养液调配池6上方，水培种植箱9与营养液调配池 6之间通过水培箱进水管4和水培箱出水管7循环连接，微纳米气泡增氧杀菌一体设备8分别与尾水收集箱1和营养液调配池6连接。水培种植箱9具体采用泡沫水培种植箱。
田间超市中安装的RAS理论最高养殖密度为80kg/m3，养殖水体为7m3，共4个养殖桶，每桶承载水体1.7m3；养殖品种为罗非鱼，鱼苗规格250g/ 尾，每桶150尾，共600尾。养殖周期两个月；溶解氧浓度6～10mg/L，水温22～35℃为宜。按成活率95％计算，预计每桶产出140尾。罗非鱼对饲料的消化利用率很高，并且具有明显的争食行为，前期投喂系数定为2％，待鱼适应新环境、系统运行稳定后再逐渐将投喂系数提高至5％以上，养殖水体水质参考表1。
表1.循环水养殖系统水体水质标准
Figure BDA0002885558610000061
TL-ZYXD-A型微纳米气泡机由北京中农天陆微纳米气泡水科技有限公司研发生产，内置双气源，用户通过其外壳上安装的电子显示屏进行工作时间、节点的设置。
(1)RAS最佳养殖密度确定
当养殖密度不变时，若投喂方案不发生变化，且不考虑温度、应激等其它因素。RAS尾水各项指标基本趋于稳定，可将其每日产生的尾水收集起来，过滤杀菌后用于水培营养液底水，替代部分营养成分的投入，节约成本同时净化尾水。因此最佳养殖密度的确定是后续试验开展的前提。
RAS最佳养殖密度需要根据实际生产测定，于2018年6月～8月期间使用该RAS进行了罗非鱼极限养殖密度试验，数据显示在养殖密度超过 50kg/m3时，水体溶氧、亚硝酸盐和氨氮含量均超出RAS水质标准范围，但在不改变投喂方式的前提下罗非鱼仍在增重。当养殖密度上升至77kg/m3时，罗非鱼增重不明显，水质明显变差，每日向外排放1t尾水已经不能保证上述水质标准。罗非鱼不同养殖密度下RAS水体水质指标平均值及增重效果见表2。
表2. RAS水体水质指标变化及罗非鱼增重效果
Figure BDA0002885558610000071
注：pH及硝酸盐指标均在标准范围内故不列出，数据为20d内均值，罗非鱼每20d进行称重。
考虑到在50kg/m3的养殖密度下RAS水质仍属于健康养殖范围且罗非鱼增重效果较好，故该RAS系统最佳养殖密度约为50kg/m3。
(2)RAS尾水指标测定
根据上述实验结果，选择50kg/m3养殖密度下RAS每日向外排放的尾水作为研究对象，试验时间为2018年8月。
当前罗非鱼养殖密度为50kg/m3，每天需要大量排放尾水两次(上午7 时，下午4时)，其余时间持续排放小量水(约占尾水总量10％)，总计每日排放1t尾水。尾水收集时间为24h(从上午7时大量排放开始至第二天7时大量排放前)，水样检测时间为每日9时，取样位置为中上层清液(尾水中鱼粪分漂浮和沉淀两部分)。使用水质快速检测试剂测量污染指标，各指标连续测量一周，结果见表3。
表3. 50kg/m3养殖密度下RAS尾水水质
Figure BDA0002885558610000081
注：数据均为7d内均值。
经过水质快速检测盒分析显示，在投喂方式不变、养殖密度不变、水量不变的情况下RAS尾水的各项指标比较稳定，可以用于定性研究。
(3)臭氧微纳米气泡杀菌效果测定
试验时间为2018年10月，连续三天从RAS尾水中取样，分别为T1、 T2、T3，送至谱尼三方检测机构对水体进行检测。
试验用50kg/m3罗非鱼养殖密度下的RAS尾水中粪大肠菌群数量约为 20MPN/100mL，这一结果与部分土塘养殖水体检测结果相似，原因是粪大肠菌群主要集中在粪便中，而试验用的RAS尾水是经过沉淀过滤的，因此粪大肠菌群数量相对其它养殖废水较少。但大肠杆菌的存在依然是潜在的食品安全隐患，需要在进入水培系统前杀灭。
使用TL-ZYXD-A型一体化设备的臭氧微纳米气泡消毒功能对1m3污水进行杀菌消毒，需要10min达到理想效果。使用TL-ZYXD-A分别对T1、 T2、T3组进行10min的臭氧微纳米气泡消毒，检测报告见表4。
表4.臭氧微纳米气泡预处理对粪大肠菌群的杀灭效果
Figure BDA0002885558610000091
注：MPN(Most Probable Number)为最有可能数量。
我国饮用水水质标准规定大肠杆菌数量不得超过3MPN/L，可见RAS尾水中含有的大肠杆菌数量远超饮用水标准，有杀灭的必要。由表4可以得出臭氧微纳米气泡具有良好的杀菌消毒效果，RAS尾水经处理后粪大肠菌群几乎被全部杀灭。
(4)水培生菜生长情况测定
2018年9月～11月，利用图2所示设施完成三项试验，每项试验均设置 6个试验组，每组设置3个重复。
第一项试验将RAS尾水按等梯度稀释，对照组为中农富通水培营养液，旨在筛选出RAS尾水的最佳稀释比例。以罗非鱼养殖密度为50kg/m3的RAS 尾水为基础，定植后设5个RAS尾水浓度处理与1个营养液对照处理：RAS 尾水浓度分别为原液的100％(T1)、80％(T2)、60％(T3)、40％(T4)、 20％(T5)。对照组(CK)富通专用水培营养液配方中大量元素浓度为N 215mg/L，P 17mg/L，K 285mg/L，Ca 170mg/L，Mg 34mg/L，微量元素配方采用Aron配方，每个处理设置3个重复。
综合收获生菜品质(表5)与最终鲜重(图3)，结果表明：除CK组外， 60％为RAS尾水的最佳稀释比例。
表5.九月水培生菜品质指标
Figure BDA0002885558610000101
注：ND(未检出)，亚硝酸盐检出限0.01μg/mL，表中同列数据后不同小写字母表示各处理在0.05水平差异显著。
第二项试验在尾水的最佳稀释比例基础上按等梯度配方营养物质投入，对照组为富通水培营养液，旨在得到最佳营养替换量。设置5个不同梯度的营养添加试验组，分别是富通水培营养液通用配方营养成分的1/5(T1)，2/5 (T2)，3/5(T3)，4/5(T4)，和全部(T5)，并以60％浓度的RAS尾水为底水，配制成5份新的水培营养液；以不掺RAS尾水的富通水培通用营养液作为对照组(CK)。
综合收获生菜品质(表6)与最终鲜重(图4)，结果表明：60％的RAS 尾水能够替换富通营养液配方中营养物质的1/5。
表6.十月水培生菜品质指标
Figure BDA0002885558610000102
Figure BDA0002885558610000111
注：表中同列数据后不同小写字母表示各处理在0.05水平差异显著。
第三项试验旨在研究臭氧杀菌消毒与微纳米气泡加氧灌溉对水培生菜的影响。综合收获生菜品质(表7)与最终鲜重(图5)，结果表明：微纳米气泡加氧灌溉在合理的时间节点安排下能够明显提高水培生菜产量。
表7.十一月水培生菜品质指标
Figure BDA0002885558610000112
注：表中同列数据后不同小写字母表示各处理在0.05水平差异显著。
根据各项试验结果可以得出的结论包括：
(1)水培奶油生菜系统具备RAS尾水净化能力。
(2)养殖密度为50kg/m3的罗非鱼RAS尾水稀释比例为60％时最有利于水培奶油生菜生长。
(3)可以利用RAS尾水代替部分水培配方原有成分，产生新配方节省成本。
(4)臭氧微纳米气泡对RAS尾水有害菌杀灭效果明显，可用于RAS 尾水预处理。
(5)微纳米气泡增氧技术能够提高水培生菜产量与品质。
通过以上研究，本发明最终得到RAS尾水利用工艺——罗非鱼&奶油生菜最佳实施方法建议：
(1)罗非鱼RAS养殖密度设置为50kg/m3左右、投喂量5％时，每日产生约占系统水体10％的尾水。
(2)尾水经过沉淀、过滤后底泥堆肥，再根据剩余上清液质量确定水培生菜系统单体规模，建议1吨上清液对应135棵六叶一心的奶油生菜。
(3)尾水上清液经TL-ZYXD-A型一体化设备消毒后利用清水稀释至 60％，建议每1立方米水体消毒10分钟。
(4)稀释后的尾水上清液作为水培生菜营养液底水，微量元素按照 Aron配方配置添加，大量元素建议初始添加浓度为N 85mg/L，P 25mg/L，K 230mg/L，Ca 80mg/L，Mg 25mg/L。
(5)每天监测水体EC值与pH，分别通过添加磷酸二氢钾与磷酸调节。建议前两周EC值为2mS/cm，之后EC值为3mS/cm，pH稳定在6.0～6.5。
(6)设置合理的时间节点，利用TL-ZYXD-A型一体化设备对水培系统进行加氧灌溉，建议每吨水每日合计加氧1小时，且至少分4个时段，保证水体溶氧高于8mg/L。
(7)根据罗非鱼计划育肥天数设置水培生菜系统单体数量，保证每日产生的尾水均可利用。建议每两周将养殖密度调整为50kg/m3。
水培植物不同生长阶段根系的最适水环境不同，上述建议给出的水环境为 6叶1心的奶油生菜在水培驯化7d后的最适参数。
现有RAS尾水处理工艺除少数试点用做堆肥或沼气发酵外，主要为直接对外排放，且国内外尚未有利用RAS尾水替换水培营养成分的研究，本工艺发明在当今检测技术不断提高、自动化日益完善的现代农业中具有实用价值。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求所界定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种循环水养殖系统尾水利用工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供循环水养殖系统RAS、尾水预处理系统和自循环水培系统；其中RAS包括依次连接的养殖池、竖流分离器、微滤机、紫外线杀菌机、脱气池、生物反应单元、pH调节池、集水池，形成循环水养殖系统；尾水预处理系统包括沉淀池、滤网和微纳米气泡增氧杀菌一体设备；自循环水培系统包括营养液池和深液流水培区；其中，尾水收集系统的沉淀池连接RAS的竖流分离器和微滤机，用于接收RAS产生的尾水；尾水沉淀后经过滤网过滤，滤液通入微纳米气泡增氧杀菌一体设备进行消毒处理，然后进入营养液池配置营养物质后进入深液流水培区，供水培植物吸收；
(2)将养殖密度设置为50kg/m3，每日产生占循环水养殖系统水体10％的尾水；将循环水养殖系统产生的尾水经过沉淀、过滤后底泥堆肥，再根据剩余上清液质量确定水培系统单体规模；
(3)尾水上清液经微纳米气泡增氧杀菌一体化设备消毒后，每1立方米水体消毒10分钟；利用清水稀释至60％；稀释后的尾水上清液作为水培系统营养液底水，添加元素调整成分后进入水培系统；
(4)动态监测水培系统水体EC值与pH，分别通过添加磷酸二氢钾与磷酸调节，前两周EC值为2，之后EC值为3，pH稳定在6.0～6.5；
(5)设置合理的时间节点，利用微纳米气泡增氧杀菌一体化设备对水培系统进行加氧灌溉。
2.根据权利要求1所述的循环水养殖系统尾水利用工艺，其特征在于，其中循环水养殖系统中的养殖品种为罗非鱼，水培系统中的种植品种为生菜。
3.根据权利要求2所述的循环水养殖系统尾水利用工艺，其特征在于，步骤(2)中，1吨上清液对应135棵六叶一心的奶油生菜。
4.根据权利要求1所述的循环水养殖系统尾水利用工艺，其特征在于，步骤(3)的调整成分中，微量元素按照Aron配方配置添加，大量元素初始添加浓度为N 85mg/L，P 25mg/L，K230mg/L，Ca 80mg/L，Mg25mg/L。
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