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循环水产养殖系统中的废物处理
贾普·范·瑞恩*
耶路撒冷希伯来大学 罗伯特·史密斯农业、食品和环境学院动物科学系
12号邮箱 雷霍沃特76100，以色列
摘要：循环水产养殖系统(RAS)作为室外或室内系统运行。由于其中许多系统的鱼类生产模式密集，循环回路内以及这些系统的废水中的废物处理是首要关注的问题。在室外循环水产养殖系统中，这种处理通常是在循环回路中实现的。在这些系统中，提取生物，如光养生物和有害生物都是在相对较大的处理隔间中进行培养，使初级生物产生的废物有很大一部分转化为生物量。在室内系统中，捕获固体废物和通过硝化作用将氨转化为硝酸盐通常是循环回路内的主要处理步骤。在一些淡水和海洋室内循环水产养殖系统中， 通过采用反硝化和污泥消化法来减少废物的(而不是将废物捕获和转化)。在许多循环水产养殖系统中，无论是作为室内还是室外系统运行，废水在最终排放前都会经过处理。这种废水处理可包括污泥浓缩、污泥消化装置以及有机磷酸盐和脱氮装置。虽然从淡水循环水产养殖系统中处置的废物可在区域废物处理设施中处理，也可以化肥或堆肥的形式用于农业目的，但海洋循环水产养殖系统处置的废物的处理方法较为有限。在本综述中，对淡水和海洋循环水产养殖系统循环回路和废水中的废物产生情况进行了估算，并提出了减少废物的方法。且重点放在减少废物的工艺上，而不是用于废物捕获和转化的工艺。
关键词：循环水产养殖系统；RAS；废物处理；废物产生；现场处理；废物处置
1. 简介
水产养殖实践造成的有害影响是该行业首要关注的问题，并且需要提高公众意识(萨普科塔等，2008；撒贝辛格等，2009)。通常，这些有害影响与水产养殖活动的环境影响有关，其中包括：(1)湿地和红树林等自然场地的破坏，(2)疾病的传播，(3)通过非本地物种的逃逸减少了天然鱼类种群的生物多样性，以及(4)通过排放污水对地表和地表水的污染(博伊德，2003)。
循环水产养殖系统(RAS)，其中水在培养和水处理阶段之间再循环，为上述一些问题提供了答案，因为它们使得鱼类能够在与周围环境相对隔离的情况下进行生产。然而，这一优势并非没有代价，因为在这些高度包含的系统中，许多挑战都面临着生产。在这方面，水质控制和废物管理是这些挑战中最关键的问题。循环水产养殖系统的精心设计和管理是废物生产和处理方面废物管理成功的基础。在良好控制的培养条件下操作循环水产养殖系统对于有效的饲料利用有显着贡献，因此废物产量低。此外，在再循环回路或在废水流中适当地结合处理程序可以进一步有助于通过这些系统显着减少废物产生。在大多数室内循环水产养殖系统中，鱼类产生的大部分废物被捕获并在浓缩的污水中被移除，该流可以在最终排放之前在现场处理。这种现场处理通常涉及污泥浓缩和废水稳定，同时也可设计成固体废物中的细菌分解。户外循环水产养殖系统主要位于较温暖的气候中，通常在再循环回路内运行来减少部分废物。在后一种系统中，光养生物如植物和藻类经常参与废水的循环及处理。
本综述总结了循环水产养殖系统中与废物管理相关的一些选定问题。对淡水和海洋循环水产养殖系统循环回路和废水中的废物产生情况进行了估算，并提出了减少废物的方法。其中的重点放在减少废物的工艺上，而不是用于废物捕获和转化的过程。
2. 废物排放法规
排放规定因国家而异。尽管在某些司法管辖区提供了排放标准，但在其他司法管辖区限制了个别农场可以使用的饲料或水的数量。然而，许多国家的总体趋势不是制定有效的标准，而是提供最佳管理做法或行为守则的指导方针，以及确保遵守这些准则的措施(例如，环境保护局，2004年；粮食和农业组织，1995年)。这种方法的合理性基于这样一个事实，即由于国家和地区内水文地理，气候和环境条件的差异，制定污水标准的通用指南很难制定。一种这样的通用方法是生命周期评估(LCA)。近年来，该方法受到越来越多的关注，并已成为评估农业和其他生产过程对环境影响的公认工具。最近，它也被用于评估几种水产养殖系统的环境影响，包括循环水产养殖系统(马丁斯等，2010)。立法机构和生产者组织都倡导用于监督良好生产制度的政策。产品质量，生产透明度和“环保”产品的附加值是这些组织推广这些政策的主要动机(博伊德，2003)。
关于循环水产养殖系统，可以预期的是管理这些良好的系统的运营商能够遵守强制监督和报告制度。高度完善的配置，全年的生产制度，监测系统的使用以及处理浓缩废物的可能性都是有助于提高这类系统生产过程报告的透明度的因素。
3. 废物的产生
3.1 循环水产养殖系统中的饲料转化
尽管由于操作参数的巨大差异而易于不精确，但可以得出结论，在循环水产养殖系统中培养的饲料利用率通常与其他类型培养系统中饲养的饲料利用率相当(表1)。与任何其他水产养殖系统一样，循环水产养殖系统中的废物产生取决于许多因素，其中最重要的是：(a)鱼的类型和年龄，(b)饲料成分，(c)饲养方式，以及(d)系统内普遍存在的水质情况。在循环水产养殖系统中，通过控制其中一些因素可以获得高饲料利用率效率。例如，在循环水产养殖系统中无论是手动还是自动进行喂养都受到了良好监控。因此可以很容易识别出进料失效，以最大限度地减少过量进料，从而最大限度地减少系统中未吃的饲料。此外，分批生长均匀大小的鱼类进一步有助于提高循环水产养殖系统中的饲料利用率(卡里波格鲁和纳森尔利兹，2009)。另一个有助于降低循环水产养殖系统饲料浪费的因素是水质控制。 循环水产养殖系统中的处理系统旨在将水温和临界水质参数控制在可接受的范围内，从而避免劣质水质条件和伴随的饲料利用效率降低。最后，在这些相对良好监测的系统中，对水质条件变化的快速响应也可能有助于提高饲料利用率(马丁斯等，2010)。
3.2废物产量的量化
水产养殖系统中的废物产量通过确定鱼的表观饲料消化率的营养方法来量化，或者通过培养水中排泄产物的量化直接分析(卓等，1991)。计算值通常来自在良好控制的实验条件下的饲料试验，并且在更现实的培养条件下并不总是反映饲料的饲料消化率。此外，由于培养系统内废物部分地分解成气态形式，并非所有产生的废物都与废水一起排出。尽管存在这些缺点，营养方法还是通常优于废物直接在培养系统中定量的替代方法。即使在最简单的实验系统中，通过后一种方法对废物产量进行量化也很复杂，因为在采样方案中难以准确地估算出通过鱼类排放产生的波动废物。此外，诸如培养系统的清洁方案，培养系统中水替换的频率和持续时间以及量化废物的分析误差(例如样品保存，分析的不准确)等因素都是导致后一种方法不确定性的原因。(洛克德尔博卡斯特尔等，2008)。有机物，氮和磷的利用是饲料利用效率的主要指标。通常，这些相同的参数也用于量化水产养殖废物的环境影响。除了现场特殊情况或高浓度水分的情况外，水产养殖废物的其他潜在环境有害成分，如其他无机化合物，金属，药物和病原体，在较小程度上受到监测。显然，有机物，氮和磷的产生与食物转化率直接相关，并且因不同的饮食，温度，鱼种，鱼片大小和培养系统而不同(表2)。通过直接量化的方式，大多数商业生产的鱼类中固体和溶解废物中氮和磷的分配已被进行研究了(例如阿泽维多等，2011； 卢帕茨奇和季思尔，1998；彼德拉伊塔，2003；洛克德尔博卡斯特尔等，2008)。尽管鱼的种类和养殖方法之间千差万别，但从这些研究中可以得出结论，一般来说，大部分氮废物(60-90％)处于溶解状态(主要是氨)，而对于磷，则较大比例随粪便排泄出来(25-85％)。
在流通式系统和网箱等集约化生产系统中，基于营养方法(消化率)的废物生产可以对排放的废物提供相当准确的估计，因为在这些系统中大部分废物通过水体交换排出。然而，在具有高度再循环的循环水产养殖系统中，一些废物被动或主动消化(陈等，1993；范瑞恩等，2006)，这些系统中的废物产生低于预期通过营养方法。 由于水产养殖系统的配置和管理的不同，系统中氮和碳的损失在不同的循环水产养殖系统中差别很大(陈等，1997；彼德拉伊塔，2003)。因此，只有通过直接测量废水中的废物才能真正量化这些系统中的废物产生量。
4. 现场废物处理
4.1减少循环水产养殖系统内的废物
在大多数室内RAS中，氨去除和固体捕获是再循环回路中的主要处理过程。虽然旨在收集或转换废物，但这些在线处理过程可能通过生物腐烂作用主要产生气态碳和氮化合物而导致相当大的废物量减少。这种衰变的程度，主要是由于异养微生物，在很大程度上取决于具体的系统配置。特别地，系统的水和固体保留时间以及用于再循环回路内的水处理的方法是影响这种异养细菌活动的主要因素。用于未配备污泥消化专用处理步骤的再循环系统中，污泥回收率低至添加饲料的14％，远远低于计算的污泥产量(38-46％)， (陈等，1993，1997) 。还有铃木等人(2003)发现在未配备污泥去除专用处理的循环水产养殖系统中，类似的低污泥产量值为添加饲料的18％。循环水产养殖系统不仅会损失有机碳，还会损失氮。氮的损失主要是由于系统中缺氧区的脱氮，并且可能占某些循环水产养殖系统中氮损失的21％(范瑞恩等人，2006年综述)。
表1 不同类型培养系统中的饲料转化率
循环回路内减少废物的专用工艺主要用于室外、海洋和淡水循环水产系统。在此来自培养水体的营养物通过由光养和异养生物的同化和异化过程的组合被除去。在这种现代形式的混养中，饲养类物种(例如鱼，虾)的生产与提取类物种的生产相结合。在大多数这些所谓的综合多营养水产养殖系统(IMTA)中，提取类物种包括光养生物，例如植物，微型藻和大型藻类，但在一些生物中还产生其他生物，例如滤网饲养细胞，碎屑细胞和异养细菌。综合多营养水产养殖系统有综合海洋系统(内耳里等，2004)，高速藻类池(梅塔克赛等，2006；帕根等，2000)，水培系统(拉克西，2007)，分区水产养殖系统 (布伦等，2003)，基于生物技术的活性悬浮池(阿维尼梅尔力奇，2006；卡拉宝等，2007)，附生系统(施耐德等，2005；菲尔德杰姆等，2005)，以及人工湿地(林等，2005；蒂利等，2002；扎卡里次，2008；钟等，2011)。在许多这些综合多营养水产养殖系统中，主要水生物种的生产与其他经济有价值的作物如植物，过滤饲养鱼和碎屑(例如蛤和牡蛎)的生长相结合。因此它们提供了一种优雅的解决方案，可以提高系统生产率的同时减少废物产量(诺布雷等，2010)。根据具体的设计和运行条件，这些综合多营养水产养殖系统在没有污水排放(例如分区水产养殖系统，主动悬浮池)但排放固体(例如水培系统，高速藻类池)的情况下运行，或者这些系统在海洋系统中常见有固体和部分污水排放。大多数上述系统是在有利的气候条件下用相对大的处理区域操作的室外系统，其中再循环回路内的处理部分地依赖于光养生物。因此，后一种系统比更紧凑的室内循环水产养殖系统更依赖于站点。
表2 通过营养方法确定的不同鱼类的废物产量
在发生硝化反应后，部分室内循环水产养殖系统会利用一些特殊的反应器，在缺氧条件下诱导发生反硝化反应，将氨氮转化为氮气，从而降低氮含量。大多数这些反应器都配有外部碳源，以燃烧异养脱氮。其他一些可以利用内源碳进行反硝化的设计已经生产应用在循环水产养殖系统中(范瑞恩等，2006)。在后一种情况下，细菌发酵过程在提供用于脱氮的碳化合物中起重要作用，其中大部分有机碳最终被氧化成CO2。因此，通过该处理组合不仅能除氮，而且能去除有机碳(艾丁等，2003；范瑞恩等，1995)。 艾丁等人 (2009)计算通过在再循环流中加入废物消化剂和硝酸盐去除剂，氮和有机固体的废物排放可分别减少81％和60％。塔尔等人(2009年)描述了基于再循环回路内的污泥消化和细菌氮去除的替代处理方法。在该海洋再循环系统中，污泥消化罐内的污泥消化以低氧化还原电势进行以产生硫化物，其随后用于在另外的反应器中燃烧自养脱氮剂。含有污泥消化和脱氮的循环水产养殖系统可以在几乎没有废水排放的情况下运行，因为大部分废物被转化为气体。与室外循环水产养殖系统相比，它们可在相对较小的处理量和面积下操作(表3)。在室外循环水产养殖系统中，相当一部分释放的磷被提取生物吸收，而在室内循环水产养殖系统中，磷不会在系统内被除去，并在废水中排出。然而在再循环回路中结合污泥消化和脱氮的系统中，发现相当一部分溶解的正磷酸盐在后面的处理阶段被固定(见下一节)。
在如今使用的许多室内循环水产养殖系统中，其他水处理方法常被使用，像通过臭氧化和紫外辐射对养殖水和排放水体进行消毒 (贡萨尔维斯和加格农，2011；萨默费尔特等，2009)。此外，用于除去治疗剂的吸附方法也已用于此类系统中(艾切森等，2000)。这些紧凑的室内系统可能有助于使用最近开发的水处理技术，例如用于去除有机物和无机氮的电化学和生物电化学方法(默克等，2012；福迪斯等，2008)。
表3 在循环回路内具有处理功能的室内外循环水产养殖系统的一些特性
4.2 养殖废水的就地处理
4.2.1 污泥浓缩
通常，循环水产养殖系统污水的特点是固体含量低(lt;2％)，并且由于特定的进料和清洁方式而导致体积波动。由于这些污水的直接处理成本很高，因此在最终处置之前通常需要固体浓缩和使污水稳定。通过盆地或池塘中的固体沉降使污泥浓缩(贝格海姆等，1993)，通过土工织物袋捕获固体(施瓦茨等，2004，2005)，或者最近通过带式过滤器(蒂蒙斯和艾伯林，2007)和膜反应器(夏雷尔等，2007)等方法都应用于循环水产养殖系统。各种方法通常与凝结/絮凝过程结合使用，以便更彻底地从水中去除悬浮固体和磷(丹纳赫等，2011；艾伯林等，2003，2006；夏雷尔等，2009)。与脱水相结合，用于污泥浓缩的各种方法可以产生固体含量在5％和22％之间的污泥(夏雷尔等，2009)。
4.2.2 污泥消化
除了污泥浓缩的方法之外，用于增强污泥生物降解的方法也用于处理循环水产养殖系统的废水。废物
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资料编号：[1301]
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