生物转盘技术在水产养殖尾水处理中的应用

Application of biological rotating disks technology in treating the wastewater from aquaculture

摘要

目的 探讨水产养殖尾水中亚硝酸盐、氨氮等污染物经过生物转盘处理后，再通过鱼菜共生塘进行自然净化的效果，为水产养殖业的健康发展提供解决方案。 方法 贵州省贞丰县陆基养殖基地养殖尾水经过四级生物转盘处理后，对养殖水体和养殖尾水中的悬浮物、亚硝酸盐、氨氮、总磷进行监测，评估净化后尾水的水质改善及该处理模式的经济效益。 结果 尾水中亚硝酸盐浓度趋近于0值，悬浮物含量<12 mg/L，总磷趋近零值，悬浮物去除率可达94.29%以上，各项指标均符合GB 11607—1989《渔业水质标准》。该组合模式年有效节约用水22万㎥，年节水价值5万余元。 结论 “生物转盘+鱼菜共生”模式处理水产养殖尾水可实现养殖尾水的梯级净化，提升水资源循环利用率，达到尾水零排放，具有显著的经济效益和生态效益。

Abstract

Objectives The effects of natural purification of pollutants including nitrite and ammonia nitrogen in the wastewater from aquaculture through biological treatment with biological rotating disks followed by the symbiosis of fish and vegetables in pond were studied to provide a new solution for the healthy development of the aquaculture industry. Methods The wastewater from the land-based aquaculture base in Zhenfeng County, Guizhou Province was treated with a 4-level biological rotating disks to monitor the content of suspended solids, nitrite, ammonia nitrogen, and total phosphorus in the water and wastewater of aquaculture. The improvement in water quality of purified wastewater and the economic benefits of this treatment mode was evaluated. Results The content of nitrite in the wastewater treated was close to zero, the content of suspended solids was less than 12 mg/L, the content of total phosphorus approached zero, and the removal rate of suspended solids reached 94.29% to 100%. All indexes comply with GB 11607—1989 Water Quality Standard for Fisheries. The combination of biological rotating disk + symbiosis of fish and vegetables effectively saved 220 000 cubic meters of water annually, with an annual water-saving value of about 50 000 yuan. Conclusions The mode of biological rotating disk + symbiosis of fish and vegetables for treating the wastewater from aquaculture can realize the cascade purification of wastewater from aquaculture, improve the recycling efficiency of water resource, and also achieve the zero discharge of wastewater, which has significant economic and ecological benefits.

Graphical abstract

关键词

生物转盘 / 水产养殖 / 鱼菜共生 / 尾水处理 / 生态养殖

Key words

biological rotating disk / aquaculture / symbiosis of fish and vegetables / treatment of wastewater / ecological farming

我国是世界水产养殖大国，2024年全国水产总量7 410万t，其中养殖产量6 080万t，占总产量的82%，居世界前列。随着水产养殖规模的不断扩大，养殖水域生态环保问题日益凸显^[1]，探索研究水产养殖尾水处理成为水产绿色健康发展亟须解决问题的关键。

目前，水产养殖尾水的处理主要有物理处理、化学处理和生物处理3种方式，但单一模式处理均存在一定的局限性和制约性，如处理效果不佳、成本高、能耗大以及潜在的二次污染等问题。因此，亟须创新的多元化处理技术来应对这一挑战。2022年生态环境部将“节能型立体结构生物转盘生活污水处理一体化装备”列为先进水污染防治技术，其技术特点是采用立体结构盘片，盘片比表面积大、生物丰富、污水处理效率高、运行稳定、能耗低、占地面积小、维护简便^[2]。其中，“生物转盘+鱼菜共生”组合模式是1种结合生物、物理的新型处理模式。

本研究以贵州省贞丰县陆基养殖基地为案例，应用“生物转盘+鱼菜共生”组合模式，处理水产养殖尾水，去除尾水中的氨氮、亚硝酸盐和悬浮物，实现尾水循环利用，旨在为水产养殖尾水处理提供1种新的解决方案，推动水产养殖业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验基地概况

贵州省贞丰县陆基养殖基地位于贞丰县鲁贡镇毛门村，鲁贡河中上游，水源为鲁贡河自然流水。鲁贡镇位于北纬25°7′~25°21′，东经105°42′~105°55′。年平均气温17.5 ℃，最低气温7 ℃；1月平均气温8.1 ℃，极端最低气温-2 ℃；7月平均气温 30.8 ℃，极端最高气温为36.5 ℃。无霜期年平均360 d，年平均日照1 418.8 h，平均年降水量1 000 mm，极端年最大降水量1 453.8 mm，极端年最小降水量754.3 mm，降雨集中在每年5－8月，以6－7月最多^[3]。

1.2 陆基养殖基地建设及尾水处理设计

贞丰县陆基养殖基地总占地面积1.8 hm²，一期建设2个大棚，8 m直径的镀锌板陆基圆形养殖桶20个，饲养鲟（20 cm），每桶饲养1 000~1 100尾。沉降池1个（4 m²）、生物转盘（4级）和1.39 hm²鱼菜共生池塘，采取“生物转盘+鱼菜共生”组合模式处理养殖尾水。生物转盘链条由转轴、盘片、电机（驱动装置）、氧化槽组成，配套设置钢架大棚、格栅槽。根据基地的生产规模、发展规划、场地布局等生产实际情况，采用的生物转盘为八边形，盘面直径2.4 m，盘面内轴承长2.6 m，共4个，盘片使用耐磨、耐候性好的HDPE片材，每个生物转盘由150片盘片组成。电机采用2.2 kW 4个，转速为2.5 r/min。格栅槽、氧化槽采用砖混结构建造。鱼菜共生池塘种植茭白、莲藕等水生植物，投放少量鲢、鳙。

二期建设大棚2个，6 m直径PVC板圆形养殖桶34个，饲养鲈（40尾/kg），每桶饲养1 000~1 200尾。采用微滤机和生化池处理养殖尾水。每个养殖大棚采用独立的增氧设备和进排水管道，排水管连接至尾水收集主管。

1.3 尾水处理系统参数

沉降池1个，4 m²；生物转盘4组，每组有150片盘片，单组盘片面积为678 m²，总面积2 712 m²；2.2 kW电机4个；鱼菜共生池1.39 hm²。

1.4 尾水处理原理

尾水通过PVC管道收集流入沉降池，去除悬浮颗粒（自然沉降尾水中的大悬浮颗粒，定期抽出用于周边农作物肥料）；通过沉降后的尾水流入氧化槽（生物转盘置于氧化槽内，盘片约40%没入水中，60%暴露在空气中），氧化槽内的有益菌（亚硝酸菌、硝酸菌等）附着在生物转盘的盘片上形成均匀的生物膜，通过电机带动转盘转动，使污水与盘片上的生物膜充分接触，产生硝化反应，从而去除污水中的氨氮和亚硝酸盐^[4-5]；经4组生物转盘处理后的尾水流入鱼菜共生池，经水生植物光合反应，再次吸附并去除尾水中残留的氨氮、磷酸盐和有机污染物，池中养殖的鳙、鲢均属于滤食性鱼类，主要以水中的浮游动物和浮游植物为食，能净化水体，防止水体富营养化。经检测达标后的尾水直接流入河道或者抽回养殖桶循环利用（图1）。

1.5 尾水监测方法和试验时间

使用尾水检测仪分别在养殖桶进水口、沉降池进水口、生物转盘出水口、鱼菜共生池出水口、生化池出水口5个点进行检测，投苗初期每个月检测1次，夏季鱼苗定塘后每15 d检测1次。养殖桶进水口主要检测水温、溶氧、亚硝酸盐等指标；沉降池进水口、生物转盘出水口、鱼菜共生池出水口主要检测亚硝酸盐、氨氮、悬浮物、总磷等指标，评估尾水处理效果及尾水是否达标排放。

试验时间为2024年11月－2025年6月，共计8个月，涵盖鱼苗投放、生长期及收获期全过程。监测数据用于评估系统运行稳定性及尾水处理效率，重点分析不同养殖阶段水质变化规律与处理单元的协同作用，为优化循环水养殖模式提供依据。

1.6 尾水处理效果评价

将鲁贡河河道水质（进水口）与养殖水体（沉降池进水口）、经4级生物转盘处理尾水（生物转盘出水口）、鱼菜共生池出水口水质进行分析比对；将鱼菜共生池出水口水质与生化池出水口水质进行比对，分析生物转盘+鱼菜共生池组合处理水产养殖尾水效果。

2 结果与分析

2.1 运行特点分析

陆基养殖基地生物转盘系统设计日处理量为700 t。养殖桶分早晚各排放尾水1次（07：00时投饵，08：00开始排放尾水；18：00投饵，20：00开始排放尾水），每次排放水深0.3 m，20个养殖桶每次排放尾水301.44 m³，日排尾水量602.88 m³。

首次投入使用时，启动生物转盘在氧化槽内培养硝化菌，经过96 h的培养后，硝化菌覆盖在盘片上，形成有效生物菌膜层。当养殖桶开始排放尾水时，同步开启生物转盘，尾水通过PVC收集管进入沉降池，尾水中的粪便颗粒通过自然沉降及格栅网的阻滞停留在沉降池底部，尾水流向第一级氧化槽，尾水中的氨氮、亚硝酸盐与生物转盘盘片上的生物膜产生硝化反应，依次流向第二级、第三级、第四级。经过四级有效分解后，经PVC管道流入鱼菜共生基地再次净化。

2.2 水质检测结果

由表1可见，5个检测点的pH受季节变化和养殖投料影响不大，介于7~8；溶氧受养殖投饵和鱼类粪便影响，逐渐降低，经过生物转盘处理后逐渐恢复，冬季和晴天溶氧偏高，夏季和雨季溶氧偏低，介于4~7 mg/L；氨氮在进水口和鱼菜共生出水口均未检测出，只有养殖过程中有所增加，生化池出水口亦检测出，但总体符合水产养殖要求，总量≤0.4 mg/L；由于鲁贡河沿岸无大型养殖场和工业厂房，水体清澈，因此，亚硝酸盐、总磷趋近于0，完全满足水产养殖需求，养殖过程中亚硝酸盐、总磷受饵料和粪便影响，有所上升；进出水口水中悬浮物≤12 mg/L，养殖过程中最高达到210 mg/L，但经生物处理后明显减少。悬浮物经过生物转盘系统处理后去除率达91.76%~93.3%，再经鱼菜共生净化后去除率可达94.29%~100%。亚硝酸盐有效去除率趋近于100%。

2.3 生物转盘模式对经济效益的影响

1）建设成本。生物转盘29.5万元，鱼菜共生池（修建、鱼苗、水生植物苗种）3.5万元，配套设施（沉降池、氧化槽、钢架棚）9.8万元，水质检测仪0.7万元，共计43.5万元。建设成本较传统的“三池两坝”略高，但生物转盘占地面积小，约占传统“三池两坝”面积的10%，可以更好地节约土地，有效提高土地利用率^[6]。

2）运行成本。生物转盘培菌所需电费为380.16元；每天运行电费为39.6元，尾水处理成本约为0.066元/m³，每天更换水体电费成本为49.5元，每年运营总电费约为3.5万元，有效节约用水22万m³，按农业用水0.23元/t估算，年节水价值5万余元。

3）经济效益。采用“生物转盘+鱼菜共生”组合模式每年可有效节约用水22万m³，年节水价值5万余元，扣除运行电费成本可节约1.5万元。鱼菜共生池每年可产茭白3 500~6 000 kg，按照市场价格12元/kg算，产值达4.2万~7.2万元。

3 讨 论

随着人们生态环保意识的不断提高，水产养殖尾水处理将成为继畜禽粪污处理之后的重要关注对象。未经处理的养殖尾水直接排出，会对水体中动植物群落结构造成负面影响，破坏养殖水域环境，甚至导致鱼类、虾类、贝类等暴发疾病，大面积死亡，影响养殖效益^[7]。目前，对养殖尾水处理的研究倾向于水生植物、藻类、微生物对尾水中营养物质的吸收，如共同培养藻类和黑虎虾，能有效吸收养殖水体的氨氮和硝氮，达到净化尾水的目的^[8]。随着科技发展，一些新技术、新方法在尾水处理中得到应用^[9]，生物转盘技术正是基于科技进步和污水处理需求而发展而来。此外，常见的方法还有机械过滤、泡沫分离、臭氧氧化法、絮凝技术、电化学处理、生物膜、人工湿地法等^[9]。张寒冰等^[10]研究发现，在室内使用生物膜法模拟处理养殖废水，在曝气条件下，对NH⁺₄-N、NO₂^－-N、COD的去除效率分别达99%、99%和79%；不曝气条件下达35%、76%和78%。生物膜法处理有机物浓度大、氮含量高的养殖废水有较好的效果^[11]。单一采用某种方法的处理效果不是很理想,需要因地制宜采取不同的处理方法^[9]。“生物转盘+鱼菜共生”组合模式将物理和化学有效结合，对尾水中的有害物质起到高效去除作用，在节约土地的同时有效提升了水资源利用率。

4 结 论

贵州作为全国鲟养殖产量第一大省，鲟养殖尾水处理显得尤为重要。“生物转盘+鱼菜共生”组合模式可实现水产养殖尾水的梯级净化，年有效节约用水22万m³，年节水价值5万余元，有效提升水资源循环利用率，实现尾水循环利用，达到尾水零排放，具有显著的经济效益和生态效益，对水产养殖业尾水处理具有很好的研究推广价值。

参考文献

[1] 杨宇峰,王庆,聂湘平,等.海水养殖发展与渔业环境管理研究进展[J].暨南大学学报(自然科学与医学版）,2012,33(5):531-541.

[2] 杨珂.生物转盘处理水产养殖废水的氨氮技术分析[J].科学之友,2012(11):43-44.

[3] 黄晨星.再生水回用的研究现状及其进展[J]. 建筑工程技术与设计,2017(15):4069-4071.

[4] 贞丰县史志征集编委会.贞丰县志（1991－2021）[M].北京：方志出版社，2019.

[5] 武汉碳环生态有限公司.一种餐厨垃圾渗滤液处理工艺及MBR系统：CN202311125357.8[P]. 2023-11-07.

[6] 刘鑫.浅析室内空气中总挥发性有机物TVOC的测定[J].科学之友,2012(11):46-47.

[7] 宋立民,张韦,孙晓旺,等,水产动物养殖尾水管控策略 [J].农学学报,2019,9(10):59-64.

[8] 李倩,胡廷尖,王雨辰,等.淡水养殖尾水处理研究现状及进展[J].中国水产,2011(7):43-45.

[9] 刘美娜，刘玥，王静.海水养殖尾水回用技术的研究现状及应用前景[J].养殖与饲料，2024,23(1):79-82.

[10] 张寒冰,黄凤莲,周艳红,等.生物膜法处理养殖废水的研究[J].生态环境，2005(1):26-29.

[11] 许朋斐.论生物膜法在畜禽养殖废水处理中的优越性[J].农家之友(理论版),2009(7):83-84.

基金资助

贵州省2024年鲟鱼养殖尾水处理示范基地建设项目

中国黄金·贞丰县鲁贡镇陆基高效养鱼建设项目