CN113615627A - 一种富集硝化微生物的生物-电化学养殖海水净化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种富集硝化微生物的生物‑电化学养殖海水净化系统，属于海水养殖技术领域。所述养殖系统包括养殖池，所述养殖池底部设置排污口、出水口；还包括至少一组电化学反应器、至少一组好氧微生物反应器；所述电化学反应器与出水口相连；所述好氧微生物反应器与电化学反应器相连，经过处理后的养殖水重新通至养殖池。在封闭养殖过程中，利用本发明提供的电化学耦合微生物高效去除养殖循环水中的氨氮及亚硝氮，同时提高生物滤器中硝化功能微生物相对丰度，并有效抑制/杀灭系统内病原菌等细菌，达到健康养殖的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种富集硝化微生物的生物-电化学养殖海水净化系统，属于海水养殖技术领域。
背景技术
随着社会经济的发展和环境生态问题的日益凸显，传统海水养殖逐渐向集约化高密度养殖转型，而高密度养殖情况下，残饵、鱼类代谢产物和水生动物残骸等分解产生的氨氮迅速积累，对水生生物具有毒害作用，而氨氮氧化过程的中间产物亚硝酸盐也会影响鱼类的正常生长。因此，养殖循环水及养殖废水的高效处理，对于保证健康养殖及保护环境具有重要的作用。
养殖循环海水与常见陆源废水存在明显差异，主要表现为：寡营养(COD一般小于25mg/L)和高盐度(盐度一般大于30‰)，且由于养殖需要，循环水处理的水力停留时间较短，远低于传统的好氧生物法，行业中目前常用的好氧生物滤池也同样面临着在较低的水力停留时间下，处理效果受到限制的问题。因此，在循环海水养殖系统中，传统单一的生物滤器很难满足健康养殖的要求，高效率去除养殖循环海水中的氨氮及亚硝氮已成为亟待解决的技术难题。
在养殖海水处理中，海水的高电导率及高Cl-浓度特征，保证了电化学反应的高效性，使电氧化去除氨氮具备极大优势。将电化学技术与生物滤器结合可达到优惠互补：一方面，电氧化技术可高效去除氨氮及亚硝氮，同时缓解了生物滤器出水亚硝氮积累的问题；另一方面，生物滤器投资成本低，并可缓冲电氧化产物和pH变化对水生生物的影响。同时，电氧化副产物游离氯浓度在0.07-0.58mg/L范围内可满足对鱼类致病菌的杀灭/失活需求，对水生生物生长无影响的浓度上限为2.0mg/L，Raz等在单室电氧化处理中，鱼类生物存活率并未受影响，且处于良好健康状态。
发明内容
本发明针对传统循环海水养殖系统中的循环水处理效率低、启动慢、亚硝氮积累的问题，构建生物-电化学水处理单元，形成高效自净化封闭循环海水养殖系统，利用电氧化耦合微生物高效去除养殖循环水中的氨氮及亚硝氮，同时提高生物滤器中硝化功能微生物相对丰度，并有效抑制/杀灭系统内病原菌等细菌，达到健康养殖的目的。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
所述净化系统包括养殖池，所述养殖池底部设置排污口、出水口；还包括至少一组电化学反应器、至少一组好氧微生物反应器；所述电化学反应器与出水口相连；所述好氧微生物反应器与电化学反应器相连，经过处理后的养殖水重新通至养殖池。
上述技术方案中，进一步地，所述电化学反应器为双室结构，阴阳两极室间用质子交换膜相隔。
上述技术方案中，进一步地，所述恒定阳极电势的提供电源是恒电位仪。
上述技术方案中，进一步地，所述电化学反应器内设置有工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、参比电极设在阳极室内，对电极设在阴极室内。
上述技术方案中，进一步地，所述工作电极为Ni-Fe-PEDOT改性碳布，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极。
上述技术方案中，进一步地，所述系统还包括固液分离器，所述固液分离器与养殖池底部的排污口相连，经过分离后的养殖水重新通至养殖池。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种集高效去除氨氮亚硝氮、促进硝化微生物富集以及抑菌作用为一体的生物-电化学水处理系统，用于处理封闭循环海水养殖系统中的循环水，旨在封闭养殖过程中，利用电化学耦合微生物高效去除养殖循环水中的氨氮及亚硝氮，同时提高生物滤器中硝化功能微生物相对丰度，并有效抑制/杀灭系统内病原菌等细菌，达到健康养殖的目的。该系统也可用于处理海水养殖废水及其他相似成分废水。
附图说明
图1为本发明的的生物-电化学净化系统结构示意图；
其中：1，养殖池；2，固液分离器；3，恒电位仪；4，电化学反应器Ⅱ；5，电化学反应器Ⅰ；6，好氧微生物反应器；
图2为循环水中氨氮及亚硝氮去除率随时间变化曲线图；其中a为实验组氨氮去除率变化曲线图，b为对照组氨氮去除率变化曲线图，c为实验组亚硝氮去除率变化曲线图，d为对照组亚硝氮去除率变化曲线图；
图3为循环水中的好氧菌落数随时间变化曲线图；
图4为生物滤器微生物群落分布结果图。
具体实施方式
以下实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
一种富集硝化微生物的生物-电化学养殖海水净化系统，包括养殖池、至少一组电化学反应器、至少一组好氧微生物反应器；养殖池底部设置排污口、出水口；电化学反应器与出水口相连；好氧微生物反应器与电化学反应器相连，经过处理后的养殖水重新通至养殖池；
该系统还包括固液分离器，固液分离器与养殖池底部的排污口相连，经过分离后的养殖水重新通至养殖池；
电化学反应器为双室结构，阴阳两极室间用质子交换膜相隔；
恒定阳极电势的提供电源是恒电位仪；
电化学反应器内设置有工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、参比电极设在阳极室内，对电极设在阴极室内；
工作电极为Ni-Fe-PEDOT改性碳布，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极。
实施例1
在海水养殖系统中，构建一种生物-电化学净水系统，如图1所示，采用2组电化学反应器连接2组曝气生物滤池(有效容积：1L/组)作为养殖海水处理单元，用以保持循环养殖海水的水质，同时控制细菌总量，保证养殖水产的健康生长；串联的两组电化学反应器阳极室实际容积分别为400mL和200mL，电化学反应器均为双室结构，阴阳极间用质子交换膜相隔；利用恒电位仪为电化学系统提供恒定阳极电势，工作电极为Ni-Fe-PEDOT改性碳布，对电极为铂片(面积为1cm2)，参比电极为饱和甘汞电极；养殖池容积为50L，连接固液分离装置将残饵、粪便排出系统。
采用本发明的生物-电化学净水系统进行海水养殖，作为实验组；对照组与实验组的养殖池、固液分离装置和生物滤器构成及操作参数完全一致，但无电化学反应器。
选择许氏平鮋幼鱼(2月龄)作为养殖对象，实验组及对照组中每个养殖池中46尾，每日定时喂鱼两次，投饵量为鱼体重的2％。
实验运行时间30d，分为三个阶段：阶段一，阳极电势1.3V vs.SCE，每日加电时间6h；阶段二，阳极电势1.3V vs.SCE，每日加电时间9h；阶段三，阳极电势1.4Vvs.SCE，每日加电时间9h。
图2为循环水中氨氮及亚硝氮去除率随时间变化曲线图，从图2中可以看出，养殖过程中实验组氨氮去除率较对照组更高，且三个阶段去除率较稳定，其中第三阶段实验组平均去除率达88.2％，高出对照组32.6％；实验组亚硝氮平均去除率达69.9％，对照组为45.26％。
图3为循环水中的好氧菌落数随时间变化曲线图，从图3中可以看出，从运行第15天开始实验组总菌落数显著低于对照组，实验组中幼鱼的特定生长率为3.79，明显高于对照组的2.91。
图4为生物滤器微生物群落分布结果图，从图4中可以看出，实验组具有硝化功能的细菌如Nitrospira(硝化螺菌属)、Nitrosomonas(亚硝化单胞菌属)和Nitrosopumilus(氨氧化古菌)在实验组中所占的比例之和(E1:5.633％，E2:3.194％)高于在对照组(C1:3.811％，C2:2.738％)中所占比例。生物滤器微生物群落分布结果证明，实验组生物滤器内硝化功能微生物相对丰度高于对照组。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种生物-电化学养殖海水净化系统，包括养殖池，所述养殖池底部设置排污口、出水口；其特征在于：还包括至少一组电化学反应器、至少一组好氧微生物反应器；
所述电化学反应器与出水口相连；
所述好氧微生物反应器与电化学反应器相连，经过处理后的养殖水重新通至养殖池。
2.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于：所述电化学反应器为双室结构，阴阳两极室间用质子交换膜相隔。
3.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于：所述恒定阳极电势的提供电源是恒电位仪。
4.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于：所述电化学反应器内设置有工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、参比电极设在阳极室内，对电极设在阴极室内。
5.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于：所述工作电极为Ni-Fe-PEDOT改性碳布，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极。
6.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于：所述净化系统还包括固液分离器，所述固液分离器与养殖池底部的排污口相连，经过分离后的养殖水重新通至养殖池。
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