工業化水產養殖系統中溶解有機物清除方法的比較分析論文
溶解有機物是養殖廢水中重要的污染物質，主要來源于殘剩餌料和養殖動物的排泄物、體表黏液等。養殖水體中溶解有機物包括溶解蛋白質、肽類、有機酸、脂肪等物質，其中溶解有機氮類物質占較大比例。這類物質在水中通常以膠體或極微小懸浮有機顆粒形式存在于養殖廢水中，養殖環境中較高的溶解有機物含量導致水的膠黏性與渾濁度增加，一方面嚴重影響養殖動物的呼吸代謝，造成攝食生長狀況的惡化，大量消耗水中溶解氧；另一方面容易被微生物分解后轉化為危害更大、更難于處理的無機污染物。對于工業化水產養殖系統而言，有效清除水中溶解有機物是水質凈化的重要技術環節。
1 工業化養殖系統中溶解有機物的去除方法
1.1 絮凝沉降法
溶解有機物通常在養殖水中以膠體或懸浮微粒形式存在，簡單的靜水沉降方法效果較差。目前水質處理基本采用添加絮凝劑的途徑使其成為可沉降絮狀物后再靜置清除。
絮凝沉降是廣泛應用于養殖廢水、城市污水等處理過程的一種水處理方法。通過向水體中加入絮凝劑使得膠體粒子失去穩定作用或發生電性中和，不穩定的膠體粒子再互相碰撞而形成較大的顆粒。攪拌及布朗運動可使粒子間產生碰撞，當粒子逐漸接近時，氫鍵及范德華力促使粒子結成更大的顆粒。碰撞一開始，粒子便經不同的物理化學作用而開始凝集，較大顆粒的粒子便可以從水中分離沉降出來。絮凝劑按照其化學成分總體可分為無機絮凝劑和有機高分子絮凝劑2類，其中無機絮凝劑又包括無機凝聚劑和無機高分子絮凝劑。另外，近年來生物絮凝劑的研究與開發不斷取得進展。
無機絮凝劑主要包括鋁鹽和鐵鹽2類，近年來多使用聚合鋁鹽和聚合鐵鹽。由于鐵離子過高會對養殖生物產生較大影響，水產養殖目前常用無機絮凝劑為聚合氯化鋁[1]。聚合氯化鋁作為有機廢水凈化混凝劑，由于聚合氯化鋁結構中氫氧根離子的架橋作用和多價陰離子的聚合作用而使其成為分子量較大、電荷較高的無機高分子水處理劑。聚合氯化鋁因在水中具有穩定性好、水解速度快、吸附能力強等優點而被廣泛使用。
高分子有機絮凝劑主要采用聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺絮凝劑與廢水中膠體的絮凝作用是通過化學吸附和物理聚集這2種形式產生的。聚丙烯酰胺有許多化學活性基團能和懸浮微粒產生很多連接而形成較大的絮凝物，絮凝物中聚集了各種各樣的微粒。絮凝物的尺寸越大，它的沉降速度越快，因而聚丙烯酰胺作為水質凈化材料具有較好的絮凝沉降效果[2]。
微生物絮凝劑是由微生物產生的具有絮凝活性的代謝產物 ，它能使水環境體系中的膠體和懸浮顆粒物相互聚集，形成絮體沉淀從體系中分離出來，是微生物在生長過程中產生的聚合物。細菌、真菌、 酵母等許多微生物可以分泌生物聚合絮凝劑，多數是從土壤和廢水中被分離出來的。包括直接利用微生物細胞凈化水質的細胞絮凝劑、從微生物細胞提取絮凝物質的提取物絮凝劑等[3-4]。水產養殖研究使用的微生物絮凝有2種，一種是需要具備光照條件的微藻—細菌共生絮凝，又稱生物絮團；另一種是可以在暗光條件進行的細菌絮凝。微藻—細菌共生絮凝可以通過直接在養殖水體中添加碳源和充分的曝氣進行微生物絮體的培養[5-6]。細菌絮凝通常采用序批式反應器（seq-uencing batch reactors，SBR）技術，培養好后收集絮體進行使用，這種方法通常與循環水養殖結合起來使用[7-8]。已有微生物絮凝劑的特性及應用研究顯示，用微生物絮凝劑進行水產養殖水質凈化具有較好的發展前景。目前在絮凝劑產生菌的篩選鑒定、培養條件等基礎的研究上還有許多工作需要開展，微生物絮凝劑大規模應用于水產養殖廢水處理是發展方向。
1.2 吸附法
吸附方法是清除水中溶解有機物質的重要手段。吸附劑分為2種，一種是可再生的吸附劑，如活性炭；另一種是不可再生的吸附劑，如天然礦物等[9-10]。溶解性有機物的吸附一般采用活性炭和沸石2種處理方式。
活性炭是一種多孔性物質，憑借其微孔吸附達到很好的凈水效果。活性炭的多孔性質使水中1種或多種有害物質被吸附在固體表面而去除。活性炭吸附對于去除水中有機物、膠體等具有良好的'效果。近年來，人們將活性炭作為載體與凈化水質的微生物結合，開發出生物活性炭產品。活性炭分為化學物質活化法炭和氣體活化法炭2種，化學物質活化法炭的孔隙比較發達，特別適合于液相吸附，而氣體活化法炭微孔發達適合于氣相吸附，水產養殖多采用化學物質活化法活性炭。活性炭的多孔、細孔結構和巨大的比表面積，使其對溶解性有機物類雜質有極強的吸附作用。活性炭處理裝置占地少，易于自動控制，運轉管理簡單，對水量、水質、水溫的變化適應性強。活性炭吸附技術一般是用來去除水中的溶解有機物，對分子量為500～3 000的有機物去除效果最好，大部分比較大的有機物分子都能夠牢固吸附在活性炭表面上或孔隙中，并且腐殖質、合成有機物也能被活性炭吸附去除，活性炭對溶解度小、親水性差、極性弱的有機物具有較強的吸附能力。目前活性炭凈化水質主要采用固定床型式粒狀炭。粉末活性炭（PAC）的吸附能力強，具有應用方便和可再生的優點[11]。
天然沸石具有架狀結構，它們的晶體內分子像搭架子似地連在一起，中間形成很多空腔。沸石的骨架結構是指由氧、硅和鋁3種原子構成的復雜的三維空間結構。結構基本單元是以1個硅（或鋁）原子為中心、4個氧為頂點而形成的硅（鋁）氧四面體；各四面體連接成環狀，形成沸石的次級結構單，沸石的結構中有時還有其他多面體，可連接成多元環，它們是沸石結構的三級單位。作為次級和三級單位的各種環以整體形式相互連接，就形成沸石的骨架。各種沸石之間的差別主要就在于其骨架結構。當沸石中的水散出后會形成一個個內表面積很大的孔穴，可以吸附并儲存大量分子。沸石的內表面非常大，1 g沸石的內表面積近1 000 m2。沸石晶體內部有占沸石晶體總體積的50%以上的孔穴和孔道，孔穴、孔道大小均勻、固定，和普通分子的大小相當。只有那些直徑比較小的分子，才能通過沸石孔道被吸附，而直徑大的分子由于不能進入沸石孔道因而不能被吸附，因而沸石能夠選擇吸附不同大小的分子。利用沸石吸附清除養殖廢水中溶解有機物研究表明，沸石能有效去除大分子的有機物，對于溶解蛋白質類污染物的吸附效果顯著。
1.3 氣浮分離法
氣浮分離法（flotation）利用溶液中的膠體等吸附在上升氣流上而與母液分離。泡沫分離方法是通過使表面活性物質吸附在水中氣泡上升，從而達到分離目的。大分子氣浮常用于礦物氣浮、礦物濃集或除雜。小分子氣浮則指膠體、小分子有機物氣浮。
泡沫分離法設備簡單、操作方便、條件溫和、成本低廉、效果良好，用在工業化養殖廢水處理過程中，可以有效去除蛋白質，避免環境污染。泡沫分離法用于水產養殖系統，能有效去除水中的小顆粒固形物和有機物，避免水中溶解蛋白質過多引發溶解無機氮的大量產生，加大水質凈化難度[3]。
溶解蛋白質泡沫分離技術的作用效果受到許多外部條件的影響，主要包括表面氣體速率、顆粒物粒徑、氣泡直徑、蛋白質濃度、pH值、氣體空隙比、泡沫溢流高度、柱液體流速等。泡沫分離技術可以用于封閉和循環海水養殖系統中，因為在海水中易產生泡沫，而在淡水養殖系統中僅在有機物濃度較高的情況下才使用該技術。泡沫分離在去除懸浮物顆粒、降低氨氮濃度等方面具有很好的效果，處理后海水的各項理化指標均明顯地向有利于養殖種類的方向發展。在循環水養殖系統，泡沫分離方法能去除60%以上的懸浮物，同時能不同程度地去除COD等污染物。
為提高泡沫分離的處理效果，在系統中加入表面活性劑是養殖水質凈化處理的常用方法。表面活性劑能起到降低表面張力、改變界面狀態的作用。表面活性劑是由非極性的憎水基（烴基）和極性的親水基（如-OH、-COOH、-NH2、-SO3H 等）組成的雙親分子，它有優先聚集于氣液界面的性質（表面吸附原理）。當向液相中通入氣體時，表面活性較強的物質吸附在氣泡表面，其中疏水基伸入到氣泡中的氣相，而親水基與水溶液結合，在氣泡的氣液界面形成1層單分子膜，隨著氣泡的上升被帶到液相表面。當氣泡露出液相表面時，由于非極性集團的相互吸引，氣泡上攜帶的表面活性物質又與液相表面原本存在的表面活性物質結合，形成一個穩定的雙分子層氣泡體，有效提升泡沫分離器的效率。
2 應用前景展望
研究表明，當廢水中的溶解有機物濃度較低時，通常不會對養殖生物造成影響。然而，工業化水產養殖是一種高度集約化的生產方式，養殖過程中會產生大量溶解性有機物，及時清除溶解有機物對于減輕后續水質處理壓力具有重要意義。
對于目前常用的溶解有機物清除方法而言，氣浮分離方法效果最為顯著和有效，然而氣浮分離方法效果通常受到設備條件的影響較大，例如氣流速度、設備尺寸、氣泡大小等影響。提高氣體流量會增加表面面積，氣體流速大于表面氣泡的形成速度，塔內充滿液體的部分發生氣泡合并有利于溶解有機物清除，然而增加氣體流量卻不能繼續增加分離速度。當氣體流量較大時，分離器柱形塔的直徑大小也會影響運行，在其他參數不變時，塔的直徑增加，使總濾出量減少，表面濃縮比也會減小。氣泡分離器形成的氣泡越小，泡沫攜帶的液體量和表面積較大，有助于提高分離率和回收率，然而過小的氣泡卻不利于提高富集率。絮凝和吸附方法相對設備簡單，但有機質清除率偏低。
目前水產養殖企業一般采用多種方法結合的處理方式，對于較高濃度的有機物含量首先通過絮凝或吸附處理，然后經過氣浮分離裝置進一步處理，從而取得較為理想的效果，對于有機質含量較低的養殖廢水直接采用氣浮分離可以獲得較好效果，設計合理氣浮分離設備并控制好處理條件是基本前提。
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