公布日：2023.09.29
申请日：2023.06.21
分类号：C02F9/00(2023.01)I;C02F1/48(2023.01)N;C02F1/52(2023.01)N;C02F1/56(2023.01)N;C02F3/30(2023.01)N;C02F3/32(2023.01)N;C02F103/20(2006.01)N;
C02F101/10(2006.01)N;C02F101/16(2006.01)N;C02F101/30(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种磁生物高效絮凝耦合菌藻复合处理养殖尾水的方法，属海水养殖尾水处理领域。步骤如下：养殖尾水经管路收集进入暂存池；暂存池内尾水经过泵提升至磁生物高效絮凝沉淀池/器进行絮凝沉淀；絮凝沉淀后尾水进入磁性填料菌藻复合池进行脱氮除磷，絮凝沉淀所得污泥部分自流进入污泥浓缩池，部分污泥经管路输送至进水口与来水混合；菌藻复合池处理尾水经改性牡蛎坝过滤进入生态除磷池，生态除磷池出水经改性精细牡蛎坝截留残留悬浮物后，各项指标符合排放指标要求，达标排放或循环回用于养殖场补水。本发明具有具有占地面积小、污染物处理效率高、系统能耗低且碳排放低、尾水有价值物料可资源化等特点。
权利要求书
1.一种磁生物高效絮凝耦合菌藻复合处理养殖尾水的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)排放的海水养殖尾水经管路收集进入暂存池；所述暂存池水力停留时间为2-4h；(2)暂存池内尾水进入磁生物高效絮凝沉淀池/器进行絮凝沉淀；所述磁生物高效絮凝沉淀池/器分为加药反应区、絮凝沉淀区、污泥回流泵/外送泵、污泥收集器以及配套加药装置；(3)絮凝沉淀后尾水进入磁性填料菌藻复合池进行脱氮除磷，絮凝沉淀所得部分污泥经管路输送至进水口与来水混合；所述沉淀池/器中污泥回流量与进水量比值为1:10-1:5；(4)菌藻复合池处理尾水经改性牡蛎坝过滤进入生态除磷池，生态除磷池出水经改性精细牡蛎坝截留残留悬浮物后出水。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中磁生物高效絮凝沉淀池/器处理水量1-50m3/h时采用碳钢防腐/玻璃钢/2205/2507/904L/钛材料其中的一种，处理水量大于50m3/h时，采用钢筋混凝土结构池体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中磁生物高效絮凝沉淀池/器中加药反应区分别一级反应区和二级反应区，在一级反应区投加絮凝剂，在二级反应区投加絮凝剂和磁粉；所述一级反应区和二级反应区长宽比为1:1-1:2，水力停留时间分别为5-15min，所述一级反应区絮凝剂为铁系、铝系、聚合硅酸铁系、聚合硅酸铝系药剂中的一种，持续投加，投加量为10-15mg/L；所述二级反应区絮凝剂为阴离子PAM，持续投加，投加量为1-3mg/L；所述二级反应区磁粉为Fe3O4粉末，持续投加，投加量为1-50ppm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中磁生物高效絮凝沉淀池/器中絮凝沉淀区内载有微生物菌胶团，并设计有生物污泥回流；所述沉淀区长宽比为1:1-1:5，表面负荷为0.5-2.5m/h，水力停留时间为1-2h。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中磁性填料菌藻复合池池底填充砾石基质，池内间或布置磁性填料模块、微藻以及曝气装置，模块内负载磁性填料；所述复合池的水力停留时间为24-72h；所述磁性填料主要成分为Fe3O4-牡蛎壳，是由废弃牡蛎壳经研磨粉粹，再按照质量比例1：1-1：2与Fe3O4粉末混捏成球后形成。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述微藻选择鞭金藻、海洋小球藻中的一种，投加量为30-50g/h，持续投加7-15天。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中改性牡蛎坝宽度不低于1.5m，高度不低于2m，长度不低于5m，基础采用钢混结构，两侧由多孔砖砌成；所述改性牡蛎坝多孔砖内装填的牡蛎粒径为2-4cm；所述改性精细牡蛎坝中牡蛎粒径为1-2cm。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中生态除磷池采用土工池，池底铺有沸石、火山石，池内有芦苇岛导流墙、除磷生态基，池体内的溶解氧为0-0.4mg/L；所述生态除磷池的水力停留时间为24-72h；所述沸石、火山石粒径为1cm-5cm，比例为1:1-1:5；所述除磷生态基用量为5-100m2；所述除磷生态基表层涂有除磷络合剂EDTA。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述磁性填料用量为1-20m3。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁生物高效絮凝耦合菌藻复合处理养殖尾水的方法，通过工艺系统的耐水量冲击性能以降低调节池池容，引入高效生化工艺以去除尾水中溶解性氮磷元素，好氧堆肥工艺以实现饵料的资源化，最终确保尾水达标排放的同时，实现尾水的资源化利用。
为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种磁生物高效絮凝耦合菌藻复合处理养殖尾水的方法，包括如下步骤：
(1)排放的海水养殖尾水经管路收集进入暂存池；所述暂存池水力停留时间为2-4h；
(2)暂存池内尾水进入磁生物高效絮凝沉淀池/器进行絮凝沉淀；所述磁生物高效絮凝沉淀池/器分为加药反应区、絮凝沉淀区、污泥回流泵/外送泵、污泥收集器以及配套加药装置；
(3)絮凝沉淀后尾水进入磁性填料菌藻复合池进行脱氮除磷，絮凝沉淀所得部分污泥经管路输送至进水口与来水混合；所述沉淀池/器中污泥回流量与进水量比值为1:10-1:5；
(4)菌藻复合池处理尾水经改性牡蛎坝过滤进入生态除磷池，生态除磷池出水经改性精细牡蛎坝截留残留悬浮物后出水。
优选的，所述步骤(2)中磁生物高效絮凝沉淀池/器处理水量1-50m3/h时采用碳钢防腐/玻璃钢/2205/2507/904L/钛材料其中的一种，处理水量大于50m3/h时，采用钢筋混凝土结构池体。
优选的，所述步骤(2)中磁生物高效絮凝沉淀池/器中加药反应区分别一级反应区和二级反应区，在一级反应区投加絮凝剂，在二级反应区投加絮凝剂和磁粉；所述一级反应区和二级反应区长宽比为1:1-1:2，水力停留时间分别为5-15min，所述一级反应区絮凝剂为铁系、铝系、聚合硅酸铁系、聚合硅酸铝系药剂中的一种，持续投加，投加量为10-15mg/L；所述二级反应区絮凝剂为阴离子PAM，持续投加，投加量为1-3mg/L；所述二级反应区磁粉为Fe3O4粉末，持续投加，投加量为1-50ppm。
优选的，所述步骤(2)中磁生物高效絮凝沉淀池/器中絮凝沉淀区内载有微生物菌胶团，并设计有生物污泥回流；所述沉淀区长宽比为1:1-1:5，表面负荷为0.5-2.5m/h，水力停留时间为1-2h。
优选的，所述步骤(3)中磁性填料菌藻复合池池底填充砾石基质，池内间或布置磁性填料模块、微藻以及曝气装置，模块内负载磁性填料；所述复合池的水力停留时间为24-72h；所述磁性填料主要成分为Fe3O4-牡蛎壳，是由废弃牡蛎壳经研磨粉粹，再按照质量比例1：1-1：2与Fe3O4粉末混捏成球后形成。
优选的，所述微藻选择鞭金藻、海洋小球藻中的一种，投加量为30-50g/h，持续投加7-15天。
优选的，所述步骤(4)中改性牡蛎坝宽度不低于1.5m，高度不低于2m，长度不低于5m，基础采用钢混结构，两侧由多孔砖砌成；所述改性牡蛎坝多孔砖内装填的牡蛎粒径为2-4cm；所述改性精细牡蛎坝中牡蛎粒径为1-2cm。
优选的，所述步骤(4)中生态除磷池采用土工池，池底铺有沸石、火山石，池内有芦苇岛导流墙、除磷生态基，池体内的溶解氧为0-0.4mg/L；所述生态除磷池的水力停留时间为24-72h；所述沸石、火山石粒径为1cm-5cm，比例为1:1-1:5；所述除磷生态基用量为5-100m2；所述除磷生态基表层涂有除磷络合剂EDTA。
优选的，所述磁性填料用量为1-20m3。
本发明中，暂存池内设计有液位计，液位计与提升泵联锁，液位高于设定高值时，泵启动，液位低于设定低值时，泵停止。通过液位联锁，解决来水不稳定对系统造成冲击的问题。
暂存池内的尾水经泵提升至磁生物高效絮凝沉淀池/器，在其内与磁粉、微生物菌胶团等混合后，利用磁粉及微生物菌胶团的网捕卷扫、架桥吸附等作用，尾水中的悬浮物聚集成更大的颗粒物，从而逐渐沉降，絮凝沉淀区设计有收料器，绝大部分悬浮物沉降于此；同时池内微生物菌胶团为主要成分的悬浮颗粒污泥，因与氧气接触和隔绝的条件各不相同，颗粒污泥自内至外分别为厌氧-缺氧-好氧区域，分别由厌氧聚磷菌除磷、反硝化细菌脱氮、好氧硝化菌对有机氮、氨氮、有机磷等进行同化、吸收和降解，最终将大部分氮磷从尾水中脱除。
收料器内的部分污泥经自流进入污泥浓缩池浓缩，部分污泥经管路输送至进水口，与来水进行混合。污泥浓缩池内经重力沉降的污泥再经污泥泵输送至板框压滤机或叠螺脱水机脱水至含水率低于70％后，转移至饵料回收区加入好氧菌堆肥，最终实现饵料和排泄物的资源化利用。
出水自流进入磁性填料复合池，池底填充砾石基质，池内间或布置磁性填料模块以及自供能微纳米曝气装置，模块内负载磁性填料微颗粒，并设计有芦苇/香蒲生态岛。通过磁性填料Fe3O4中铁缓释作用和电子促进作用，物理脱除部分活性磷酸盐并促进水体内微生物的脱氮除磷作用。利用微藻(小球藻、鞭金藻等)对水环境中无机态离子(如:NH4+、NO3-、NO2-和H2PO4-)和有机态(如:尿素)N、P元素的吸收，利用微生物生长分解废水中有机污染物释放CO2，产生有机酸、生长素、无机盐等,微藻光合作用吸收这些物质并消耗水中的CO2，释放O2，使得废水中溶解氧增加，进而有利于微生物的新陈代谢。同时，利用芦苇生长时对氮磷元素的吸收、同化作用，亦可消耗相当量的氮磷。
磁性填料的主要成分为Fe3O4-牡蛎壳，是由废弃牡蛎壳经研磨粉粹，再与Fe3O4混捏成球后形成，其中Fe3O4作为一种磁性材料，同时含有Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)，可通过水解缓慢释放Fe2+和Fe3+，直接参与或促进微生物的脱氮除磷反应,并且通过自身的电磁特性可促进微生物间的电子传递，降低能量消耗，实现较长期对微生物生长的促进作用。
磁性填料中的牡蛎壳，其有效利用成分为碳酸钙,具有多孔结构,具有较强的吸附作用，为生物膜的附着及形成创造了良好的条件。Fe3O4-牡蛎壳填料构建了稳定的铁缓释体系,在实现Fe2+和Fe3+强化脱氮作用的同时，可实现生物与化学协同作用的除磷效果。其中,化学除磷有效降低了铁元素浓度,避免了因投加颗粒引发的二次污染。另外,铁元素在自然环境普遍存在,自身毒性不大,且被细胞酶促反应普遍依赖。铁元素价态多,能够在环境中持续发生氧化还原反应,传递电子,促进生物代谢反应。除了参与氧化还原反应外,四氧化三铁粉自身具有磁性,局部磁场亦能促进生物代谢反应。
自供能纳米曝气设备是一种新型高效率曝气设施。其上配置的太阳能发电装置可将太阳能转化为电能，再利用其特殊的内部结构和产气机理，可以在水中产生直径数十纳米到几个微米的气泡，而传统的微孔曝气气泡直径在0.5-5mm之间。巨大的比表面积以及纳米气泡在水中“弥散”运动方式大大提高了空气中氧的利用率。纳米曝气技术与常规微孔曝气相比，具有无与伦比的动力效率。根据试验测算，纳米曝气的氧转移可以达到20-25％，是常规微孔曝气氧利用率的5倍。
同时，芦苇生长时可吸收大量的N、P元素，也可实现N和P的生态化脱除。磁性填料池出水经牡蛎坝过滤，进入生态除磷池。
出水经改性牡蛎坝(牡蛎壳粉粹后粒径2cm-4cm)截留残留悬浮物后，进入生态除磷池，池底铺有沸石、火山石，池内芦苇岛导流墙、除磷生态基，池体内的溶解氧为0-0.4mg/L，此时反硝化细菌可以利用水中的有机物为能量源，并利用来自好氧池的硝态氮作为电子受体，将硝态氮还原为氮气，进而最终实现水体中氮元素的脱除。
除磷生态基拥有较高的比表面积和较好的吸附性能，能在水中自由飘动，形成上中下立体结构层，为微生物提供附着生长点。微生物富集于生态基表面形成生物膜，同时因为生物膜表层与内部呈“好氧-兼氧-缺氧”的复合结构微环境，可以在自然条件下实现硝化-反硝化过程，从而将水中离子态的氮转化为氮气从系统逸出，降低水中氮元素水平，抑制藻类爆发，降低内源性污染释放。通过生态基的安装布置，实现了微生物的固定化技术，避免水体流动将有效微生物冲出系统，维持水体中有效微生物的数量，确保微生物系统的稳定性和有效性，利于水质的维持。同时，生态基表层涂有高效除磷功能的除磷络合剂，可特异性与磷形成稳定络合物，除磷能力强，生态安全性高。
生态除磷池出水经改性生态牡蛎坝(粒径1cm-2cm)过滤去除悬浮物后，各项指标符合养殖尾水排放指标要求，达标排放或循环回用于养殖场补水。
本发明的工作原理是：
养殖尾水首先通过进水系统进入磁生物高效絮凝沉淀池，通过絮凝沉淀作用去除大部分饵料及动物排泄物，通过沉淀池内的微生物菌胶团在厌氧/缺氧/好氧条件的脱氮除磷作用，去除尾水中一部分溶解性的氮磷；
尾水进入磁性填料复合池后，在磁性填料的铁缓释作用、电子促进作用以及络合活性磷酸盐作用下，利用微生物、微藻以及芦苇的同化和吸收作用，脱除尾水中的氮磷；同时利用自供能纳米曝气装置曝气，微藻光合作用产生氧气，好氧菌将尾水中的有机氮、氨氮等转化成硝态氮，并通过缺氧状态下反硝化细菌的作用，将废水中的硝态氮转化为氮气而脱除。
出水经牡蛎坝吸附、过滤，进入生态除磷池，利用池内的沸石、火山石、生态除磷基为微生物提供的生长点，将残留的氮、磷营养盐同化、吸收；同时生态除磷基负载有除磷络合剂，可特异性与磷形成稳定络合物，确保出水磷元素达标。
出水经精细牡蛎坝吸附、过滤后，达标排放。
本发明采用“磁生物絮凝沉淀+磁性填料复合池+粗牡蛎坝+生态除磷池+精细牡蛎坝”工艺，最大限度、高效地进行养殖尾水资源化处理，以较低的系统占地面积和较低的能耗，实现了养殖尾水达标排放和饵料等的资源化利用。按照此工艺思路建设的海水养殖尾水处理系统，具有占地面积小(较常规工艺缩减约50％-60％)、污染物处理效率高(N、P处理效率提升约80％-90％)、系统能耗低且碳排放低、尾水有价值物料可资源化等特点。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)针对海水养殖尾水高蛋白饲料残留、高排泄物量问题，根据饲料和排泄物在尾水中的不同存在形态，采用高效磁生物絮凝沉淀工艺，该工艺既可以通过高效絮凝沉淀去除饵料和排泄物，也可以通过微生物颗粒预降解去除部分N和P，降低后续处理单元的负荷。其所回收的饲料及动物排泄物，经脱水装置脱水后，经消毒并堆肥，最终实现废弃物的资源化。
(2)针对养殖尾水C/N/P比例失衡的问题，首先通过磁生物絮凝沉淀工艺中的絮凝沉淀作用，将由残留饲料及动物排泄物缓释带来的氮磷污染去除，再通过磁生物絮凝沉淀工艺中的微生物颗粒以及后端池体中的微生物，利用好氧条件下硝化细菌作用及缺氧条件下的反硝化细菌作用，脱除总氮；利用厌氧条件下聚磷菌的同化和吸收作用，去除总磷，同时利用除磷生态基、磁性填料等加强脱氮除磷作用，并利用芦苇等喜磷植物对N、P的吸收，通过物理-植物-微生物三重作用，实现磷元素的脱除。
(3)针对传统好氧曝气能耗较高的问题，采用自供能微孔曝气及微藻造氧，不需要额外设置风机消耗电能，通过微孔曝气和微藻光合作用造气，以实现氧气在水中的高效分布溶解，并最终确保好氧微生物所需氧气的供给。
(4)精细牡蛎壳堆砌成生态过滤坝，既具有物理截留作用可脱除前端池体内的悬浮物，又因具有微孔可负载微生物而具有吸附降解有机物的功能，辅助实现了悬浮物、COD、N、P的高效率去除。
(5)一种磁生物高效絮凝耦合菌藻复合处理养殖尾水的方法，具有占地面积小(较常规生化系统占地面积少约40％-60％)、污染物处理效率高(悬浮物去除率达95％以上，CODcr去除率达90％以上，N和P去除率达92％以上)、系统能耗低且碳排放低、尾水有价值物料可资源化等特点。
（发明人：高范;王颜亭;柳圭泽）