本發明屬于養殖廢水處理技術領域，具體涉及一種用于循環水養殖系統的廢水強化脫氮處理方法，同時還涉及一種用于循環水養殖系統的廢水強化脫氮的裝置，適用于大部分工廠化高密度循環水養殖系統，以及一些水資源匱乏、缺少甚至沒有廢水集中處理系統的農村地區。
背景技術：
循環水養殖系統(Recirculating Aquaculture System，RAS)是一種在水產養殖生產過程中引入廢水處理工藝，以此來控制水質，減少用水量，同時提高產品產量和品質的養殖模式。循環水養殖系統通過對養殖水體的凈化回用，使之保持相對穩定的適合養殖對象生長的生態環境，降低或清除不利于養殖對象的有機物和氨氮，并增強魚、蝦機體新陳代謝、提高飼料轉換率、提高抗病能力、成活率和生長速度，從而在節水的同時，實現高密度水產養殖的目的。采用循環水養殖系統，還可以使養殖過程易于監控，通過對養殖過程的監控管理，使養殖產品更易于達到國際食品衛生標準，保證產品順利進入國際市場。
氨氮是水產養殖水體中最為重要的水質指標之一，養殖水體中的氨氮主要來源于餌料、水產動物的排泄物和動植物死亡后的殘體。當氨溶于水時，其中一部分氨與水反應生成銨離子(NH4+-N)，一部分則形成水合氨，也稱非離子氨(NH3-N)，這兩者之和稱為總氨氮(Total Ammonia Nitrogen，TAN)。氨在水中具體以哪一種形式存在，與水體的pH值密切相關。研究表明，當水溫為20℃，pH等于7.0時，水體中的非離子氨僅占總氨氮的0.4％，但是一旦當pH大于8以后，非離子氨占總氨氮的比例會隨著pH的升高快速增加，最高能達到80％以上。非離子態的氨氮對魚類具有很強的毒性，當其在魚類血液中的濃度升高時，血液的pH隨之相應上升，會導致魚體內多種酶的活性受到抑制；在高氨氮濃度下，還會降低血液的輸氧能力，破壞鰓表皮組織，導致氧氣和廢物交換不暢而窒息，甚至造成魚類的死亡；在低濃度情況下也會降低魚類的攝食量、生長速度和抗病力，導致養殖魚類生長緩慢或發生病害。由于循環水養殖一般都采取高密度養殖模式，單位水體中的餌料投加量和養殖對象排泄量都很大，必然會造成養殖水體中氨氮濃度升高，C/N降低，如不及時處理，則會影響水產養殖的產量和品質。因此，氨氮的積累是循環水養殖模式中提高養殖密度的重要限制因子，有效去除水中的氨氮，是循環水養殖系統能否正常高效運行的必要條件。
目前在高密度循環水養殖系統中常用的氨氮去除方法有空氣吹脫、離子交換吸附、臭氧氧化處理、沉水植物處理、微生物處理等。空氣吹脫是通過調整水體的pH，利用氣液相平衡和介質傳遞亨利定律，向養殖水體中充入大量氣體，減少水體中可溶性氣體的分壓，排出溶解于水體中的NH3，達到去除氨氮的目的。此法對養殖水體的pH要求較高，要穩定保持一個既能大幅提高氨氮處理效率，又能滿足魚類安全生產水體的pH難度較大；同時該方法需要吹入大量空氣，降低了養殖水體的溫度，導致魚類生長速度較慢。離子交換吸附是利用交換介質(沸石、氟石、交換樹脂等)的物理特性實現養殖水體中氨氮的交換和吸附，從而最終達到降解氨氮的效果。此方法的問題在于吸附劑需要頻繁再生，且再生產生的廢液仍需進行處理，操作困難、成本較高。臭氧是一種強氧化劑、消毒劑，有消毒和去除水產養殖水中懸浮物的作用，在氨氮處理方面也有較好的效果。臭氧催化氧化可直接將氨氮轉化為N2排出水體，但容易產生一些氧化副產物如NO2-和NO3-，反而增加了養殖水體中的硝酸鹽含量，同時也會對水體的pH造成影響。沉水植物處理氨氮是通過沉水植物利用養殖魚類代謝的氮、磷物質，進行光合作用從而達到降解氨氮的目的。但此方法的處理效率和穩定性有待提高，有時還需要在水下補充光照，管理維護較為困難。微生物處理則是利用硝化細菌和亞硝化細菌的硝化作用轉化養殖水體中的氨氮，也是目前應用較為廣泛的一類氨氮處理技術。常見的微生物處理工藝包括接觸氧化法、序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor，SBR)、周期循環活性污泥法(Cyclic Activated Sludge System，CASS)、曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，BAF)等。這些工藝有一個共同的特點，就是需要曝氣設備，而曝氣風機價格較高，且功率都較大，其能耗占到廢水處理成本的相當大一部分。
厭氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation，ANAMMOX)工藝是由荷蘭Delft技術大學Kluyver生物技術實驗室所開發，該工藝在厭氧條件下，微生物以CO2或HCO3-為碳源，以NH4+-N為電子供體，NO2--N為電子受體，將NH4+-N直接轉化為N2，從而達到脫氮的目的。厭氧氨氧化工藝一般多用來處理高氨氮濃度的廢水，但近來有學者發現，在氨氮濃度較低的條件下，厭氧氨氧化反應也能順利進行，且由于該反應不需要氧氣和外加碳源，因此十分適合用于低C/N的水產養殖廢水的低成本脫氮處理。
人工濕地是在天然濕地凈化功能基礎上發展起來的一種污水處理資源化生態工程技術，具有基建投資低、運行費用少、增加綠地面積、改善和美化生態環境、維護與管理相對簡單、處理效果好等優點。其凈化途徑包括過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物代謝等，通過物理、化學和生物的協同作用，可有效去除廢水中的懸浮固體、有機物、氮、磷、重金屬和病源微生物。根據廢水在濕地內部流態的不同，人工濕地可分為多種類型，其中復合垂直流人工濕地(Integrated Vertical-flow Constructed Wetland，IVCW)以其獨特的結構和“下行-上行”水流方式有效解決了其它類型濕地易出現的“短路”現象，給微生物提供了好氧-缺氧-厭氧的生活環境，有利于濕地系統的脫氮作用。同時該技術能夠充分利用基質、植物和微生物的綜合作用，對廢水中的有機物和懸浮物有顯著的去除效率。此外，復合垂直流人工濕地獨有的流態和結構形成了良好的硝化與反硝化功能區，使得其對氨氮的去除效果要明顯優于其它類型的濕地。
厭氧氨氧化工藝能夠有針對性地去除廢水中的氨氮，但對于其它污染物的凈化效果卻不甚理想。復合垂直流人工濕地雖可全面去除中低濃度有機廢水中的各種污染物，但由于高密度循環水養殖廢水中的氨氮濃度往往很高，其氨氮凈化效果難以直接達到漁業用水的標準。因此，本發明綜合兩者的優缺點，提出了“厭氧氨氧化+復合垂直流人工濕地”組合處理工藝，高氨氮養殖廢水首先進入厭氧氨氧化池進行初步脫氮，再由復合垂直流人工濕地進行全面凈化，最終實現對高氨氮廢水的強化脫氮處理。
技術實現要素：
本發明的目的是提供了一種高效低耗的循環水養殖系統中高氨氮廢水的強化脫氮處理方法，方法易行，操作簡便，養殖廢水經厭氧氨氧化脫氮和人工濕地綜合處理后，水中的總氮、氨氮及其他主要水質指標可達到《漁業水質標準》(GB11607-1989)或《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中I～II類水體標準，實現了循環水養殖系統中養殖用水的凈化回用，處理成本非常低。
本發明的另一個目的是在于提供了一種高效低耗的循環水養殖系統中高氨氮廢水的強化脫氮裝置，該裝置以厭氧氨氧化池和復合垂直流人工濕地為主要處理單元，綜合了兩者的優點，兼顧了氨氮的強化處理及一般污染物的去除，結構簡單，能耗低，處理效果好，使用維護方便。
為了實現上述的目的，本發明采用以下技術措施：
一種用于循環水養殖系統的廢水強化脫氮處理方法，其步驟是：
(1)廢水經柵隙為2-4mm的全不銹鋼結構機械格柵過濾；
(2)經過步驟(1)處理的廢水經水泵提升進入厭氧氨氧化池，厭氧氨氧化微生物菌群在厭氧條件下，以CO2或HCO3-為碳源，以NH4+-N為電子供體，NO2--N為電子受體，將NH4+-N和NO2--N轉化為N2，從而達到脫氮的目的；
(3)經過步驟(2)處理的廢水進入中間沉淀池，中間沉淀池采用豎流式沉淀池形式，表面負荷不大于0.8m3/(m2·h)，進一步去除水中的懸浮固體(SS，以下相同)，防止由于SS過高造成人工濕地的堵塞；
(4)經過步驟(3)處理的廢水進入復合垂直流人工濕地(在附圖中由下行流池和上行流池組成)，在濕地填料、微生物和植物的共同作用下，進一步降解和去除廢水中的有機物、氨氮和SS等污染物質；
(5)廢水經過步驟(4)處理的廢水進入曝氣池，通過曝氣提高水中溶解氧(DO)濃度至3mg/L以上，以滿足魚類養殖要求，同時進一步去除水中的有機污染物，出水中的總氮、氨氮及其他主要污染物均得到有效去除，出水可達到《漁業水質標準》(GB 11607-1989)或《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中I～II類水體的要求。
本發明所述的用于循環水養殖系統的廢水強化脫氮處理方法，步驟(1)中機械格柵后設置集水井，集水井中設置提升泵有效容積(以最低設計水位計)不小于井中最大一臺提升泵15min的出水量，且提升泵每小時啟動次數不大于3，提升泵采用自動液位控制。
本發明所述的用于循環水養殖系統的廢水強化脫氮處理方法，步驟(5)中曝氣池曝氣系統采用膜片式微孔曝氣形式，由風機供氣，通過曝氣提高水中的DO濃度。
一種用于循環水養殖系統的廢水強化脫氮的裝置，包括機械格柵、集水井、提升泵、厭氧氨氧化池、組合填料、進水管I、布水管I、出水管I、中間沉淀池、進水管II、布水管II、下行流池、下行流池填料、隔墻底部管孔、上行流池、上行流池填料、收水管、出水管II、下行流池植物、上行流池植物、曝氣池、曝氣系統和風機，其特征在于：機械格柵與集水井相連，集水井中設置提升泵，提升泵連接進水管I，進水管I進入厭氧氨氧化池，連接布水管I，布水管I敷設于厭氧氨氧化池底部，厭氧氨氧化池中上部布設組合填料，以提高廢水脫氮效果，厭氧氨氧化池頂部設置出水管I，出水管I進入中間沉淀池，中間沉淀池出水進入進水管II，進水管II進入下行流池，連接布水管II，布水管II敷設于下行流池填料表面，同時下行流池填料表面種植下行流池植物，下行流池與上行流池通過隔墻底部管孔相連通，下行流池與上行流池的隔墻底部有多個管孔平行并列設置，以保證水流能從下行流池進入上行流池；上行流池中濕地填料表面鋪設收水管，同時上行流池填料表面種植上行流池植物，收水管連接出水管II，出水管II穿過上行流池墻體和曝氣池墻體，出水管II進入曝氣池，曝氣池中曝氣系統采用微孔曝氣形式，由風機供氣，通過曝氣提高水中的DO濃度。
所述的厭氧氨氧化池高度3-8m，其中布設有由醛化纖綸材質的軟性填料與聚乙烯材質的半軟性填料組合而成的組合填料，單個片狀，串狀填充，比表面積3000-5000m2/m3，廢水由進水管I進入后，通過布水管I進入厭氧氨氧化池，由下向上流動至厭氧氨氧化池頂部，經出水管I排出，進入中間沉淀池，厭氧氨氧化池中廢水上升流速不大于0.5m/h；NH4+-N容積負荷不大于0.5kg/(m3·d)，水力停留時間8-12h，厭氧氨氧化池進水口處設置堿度調節裝置和加熱裝置，北方寒冷地區需在厭氧氨氧化池體外加設隔熱保溫層。
所述的復合垂直流人工濕地由進水管II、布水管II、下行流池、下行流池填料、隔墻底部管孔、上行流池、上行流池填料、收水管、出水管II、下行流池植物和上行流池植物組成，下行流池中填料為礫石，從下到上分為3層，粒徑分別為30-50mm，15-30mm，5-15mm；上行流池填料底層為粒徑30-50mm的礫石，中層為粒徑15-30mm的礫石，上層為粒徑較小的粗砂(0.5-2mm)、高爐渣、硅藻土混合基質，池深0.8-1.2m，下行流池填料厚度比上行流池高10-30cm，底坡取0.5％-1％，水力停留時間12-24h，下行流池和上行流池表面分別種植植物，下行流池表層鋪設布水管，上行流池表層布設收水管，兩池中間設有隔墻，底部設有管孔，連通下行流池和上行流池。廢水由進水管II進入，經過布水管II進入下行流池，由上向下穿越下行流池填料，在下行流池底部匯集后，穿過隔墻底部管孔進入上行流池，在上行流池中，廢水由下向上流動通過上行流池填料，在表層經收水管收集后由出水管II排出。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果：
(1)本發明針對循環水養殖廢水含氮量較高、C/N低的特點，提出厭氧氨氧化+復合垂直流人工濕地工藝，實現了廢水深度脫氮的目的。廢水經處理后，出水中主要污染物的去除率均在90％以上，總氮、氨氮及其他主要水質指標均可達到《漁業水質標準》(GB 11607-1989)或《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中I～II類水體的要求。
(2)本發明實現了水產養殖廢水的循環使用，滿足了漁業水資源匱乏地區發展水產養殖的需要，同時也避免了水產養殖廢水未經處理隨意排放對水環境造成的污染。
(3)本發明能夠高效去除水產養殖廢水中的氨氮，為養殖對象營造一個相對穩定且適合其生長的生態環境，從而提高養殖對象的飼料轉換率、抗病能力、成活率和生長速度，在節水的同時，實現高密度水產養殖的目的。
(4)本發明工藝流程中廢水主要依靠重力自流，僅在集水井中經水泵進行了一次提升，同時只在曝氣池中設置了簡單曝氣系統，與常規生物處理工藝相比，設備投入和運行費用均有所降低。
附圖說明
圖1為一種用于循環水養殖系統的廢水強化脫氮的裝置結構示意圖。
其中，1－機械格柵；2－集水井；3－提升泵；4－厭氧氨氧化池；5－組合填料；6－進水管I；7－布水管I；8－出水管I；9－中間沉淀池；10－進水管II；11－布水管II；12－下行流池；13－下行流池填料；14－隔墻底部管孔；15－上行流池；16－上行流池填料；17－收水管；18－出水管II；19－下行流池植物；20－上行流池植物；21－曝氣池；22－曝氣系統(膜片式微孔曝氣，平均孔隙80-100μm)；23－風機(普通)。箭頭為水流方向。
具體實施方式
以下通過實施例對本發明的上述內容做進一步詳細說明，但不應該將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實施例。凡基于本發明上述內容實現的技術均屬于本發明的范圍。
實施例：
一種用于循環水養殖系統的廢水強化脫氮處理方法，其步驟是：
(1)廢水首先流經柵隙為2或3或4mm的全不銹鋼結構機械格柵1，去除水草、樹枝和大顆粒污染物后匯入集水井2中，再利用提升泵3將其提升至厭氧氨氧化池4，對廢水進行脫氮處理。
(2)廢水經提升泵進入厭氧氨氧化池4，為了使進水分布均勻，進水采用布水系統(穿孔管式，主管DN100，支管DN75)，厭氧氨氧化池4中布設組合填料(由醛化纖綸材質的軟性填料與聚乙烯材質的半軟性填料組合而成，單個片狀，串狀填充，比表面積3000-5000m2/m3)，厭氧氨氧化微生物菌群(主要包括浮霉菌門(Planctomycetes)、變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidete)和硝化螺旋菌門(Nitrospira)等，其中浮霉菌以Candidatus Brocadia屬和Candidatus Kuenenia屬為主，是厭氧氨氧化反應的主要功能菌)，在厭氧條件下通過厭氧氨氧化反應，降解廢水中的氨氮和有機物。設置一座厭氧氨氧化池，高度4m，NH4+-N容積負荷0.21kg/(m3·d)，水力停留時間12h。
所述的組合填料具體為軟性與半軟性填料組合，單個片狀，串狀填充；
所述的厭氧氨氧化微生物菌群主要包括浮霉菌門(Planctomycetes)、變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidete)和硝化螺旋菌門(Nitrospira)等，其中浮霉菌以Candidatus Brocadia屬和Candidatus Kuenenia屬為主，是厭氧氨氧化反應的主要功能菌。
(3)厭氧氨氧化池4出水自流入豎流式中間沉淀池9，表面負荷0.6m3/(m2·h)。
(4)中間沉淀池出水自流入復合垂直流人工濕地，進一步去除氨氮、有機物和懸浮物質。復合垂直流人工濕地由進水管II10、布水管II11、下行流池12、下行流池填料13、隔墻底部管孔14、上行流池15、上行流池填料16、收水管17、出水管II18、下行流池植物19和上行流池植物20組成，水力停留時間24h。下行流池深110cm，底層鋪設粒徑30或35或40或45或50mm的礫石，厚度20cm，中層為粒徑15或20或25或30mm的礫石，厚度50cm，上層為粒徑5或10或15mm的礫石，厚度40cm；上行流池深90cm，底層鋪設粒徑30或35或40或45或50mm的礫石，厚度20cm，中層為粒徑15或20或25或30mm的礫石，厚度30cm，上層為按一定比例配比的粗砂(粒徑0.5-2mm)、高爐渣、硅藻土混合基質，厚度40cm。下行流池表面種植寬葉香蒲(Typha latifolia)和劍麻(Agave sisalana)，上行流池表面種植美人蕉(Canna genaralis)和水竹(Phyllostachys heteroclada)。
(5)復合垂直流人工濕地出水進入曝氣池，其中設置曝氣系統(膜片式微孔曝氣，平均孔隙100μm)，通過曝氣提高水中溶解氧濃度至3mg/L以上，同時也可起到進一步去除有機物污染物的作用，水力停留時間2.0h，曝氣池出水自流回養殖池重復利用。
一種實現循環水養殖廢水強化脫氮處理方法的裝置，它由機械格柵1、集水井2、提升泵3、厭氧氨氧化池4、組合填料5、進水管I6、布水管I7、出水管I8、中間沉淀池9、進水管II10、布水管II11、下行流池12、下行流池填料13、隔墻底部管孔14、上行流池15、上行流池填料16、收水管17、出水管II18、下行流池植物19、上行流池植物20、曝氣池21、曝氣系統22、風機23組成，其連接是：機械格柵1與集水井2相連，集水井2中設置提升泵3，提升泵3連接進水管I6，進水管I6進入厭氧氨氧化池4，連接布水管I7，布水管I7敷設于厭氧氨氧化池4底部，厭氧氨氧化池4中上部布設組合填料7，以提高廢水脫氮效果，厭氧氨氧化池4頂部設置出水管I8，出水管I8進入中間沉淀池9，中間沉淀池9出水進入進水管II10，進水管II10進入下行流池12，連接布水管II11，布水管II11敷設于下行流池填料13表面，同時下行流池填料13表面種植下行流池植物19，下行流池12與上行流池15通過隔墻底部管孔14相連通，下行流池12與上行流池15的隔墻底部有多個管孔平行并列設置，以保證水流能從下行流池12進入上行流池15；上行流池15中濕地填料表面鋪設收水管17，同時上行流池填料16表面種植上行流池植物20，收水管17連接出水管II18，出水管II18穿過上行流池15墻體和曝氣池21墻體，出水管II18進入曝氣池21，曝氣池21中曝氣系統22采用膜片式微孔曝氣形式，由風機23供氣，通過曝氣提高水中的DO濃度。
所述的下行流池植物19具體為寬葉香蒲(Typha latifolia)和劍麻(Agave sisalana)；
所述的下行流池填料13為礫石，從下到上分為三層，粒徑分別為30-50mm，15-30mm，5-15mm；
所述的上行流池填料16為下層為粒徑30-50mm的礫石，中層為粒徑15-30mm的礫石，上層為按一定比例配比的粗砂(粒徑0.5-2mm)、高爐渣、硅藻土混合基質；
所述的上行流池植物20具體為美人蕉(Canna genaralis)和水竹(Phyllostachys heteroclada)。
其中，機械格柵1柵距不大于4mm，集水井2內安裝提升泵3，集水井有效容積(以最低設計水位計)不小于井中最大一臺提升泵15min的出水量，且提升泵每小時啟動次數不大于3，提升泵采用自動液位控制，厭氧氨氧化池4NH4+-N容積負荷0.21kg/(m3·d)，水力停留時間12h，中間沉淀池9采用豎流式，表面負荷0.6m3/(m2·h)。
管道均采用UPVC管，使用粘連劑連接，布水管I7、布水管II11與收水管17分為主管和支管，其中主管為DN100，支管為DN75，布水支管沿豎向管軸斜向下45度交錯開孔，孔徑3mm，收水管支管均勻開孔。
下行流池填料13為礫石，從下到上分為三層，粒徑分別為30-50mm，15-30mm，5-15mm，表面種植寬葉香蒲(Typha latifolia)和劍麻(Agave sisalana)；上行流池填料16底層為粒徑30-50mm的礫石，中層為粒徑15-30mm的礫石，上層為粒徑較小的粗砂(粒徑0.5-2mm)、高爐渣、硅藻土混合基質，表面種植美人蕉(Canna genaralis)和水竹(Phyllostachys heteroclada)。下行流池填料厚度比上行流池填料高10-30cm，底坡取0.5％-1％，池深0.8-1.2m。
運行方式：間歇運行，理論水力停留時間12-24h。
將本發明中的方法和裝置，應用于某循環水養殖系統中試試驗基地，該試驗系統占地面積1500m2，處理水量160m3/d，包括機械格柵、集水井、提升泵、厭氧氨氧化池、組合填料、進水管I、布水管I、出水管I、中間沉淀池、進水管II、布水管II、下行流池、下行流池填料、隔墻底部管孔、上行流池、上行流池填料、收水管、出水管II、下行流池植物、上行流池植物、曝氣池、曝氣系統和風機。如表1所示，該強化脫氮處理裝置能夠有效去除循環水養殖廢水中的主要污染物，尤其是氨氮和總氮。
表1主要工藝節點污染物去除率(平均值)
以上實施例描述了本發明的基本原理、主要特征及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明原理的范圍下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入本發明保護的范圍內。