水产养殖废水处理技术及其可持续性外文翻译资料

水产养殖废水处理技术及其可持续性

原文作者：Asha P Tom^lowast;, Jayalekshmi S Jayakumar, Minnu Biju, Jithin Somarajan, Muhammad Ajas Ibrahim

单位：Department of Civil Engineering, Mangalam College of Engineering, Ettumannoor, APJ Abdul Kalam Technological University, Kerala, India

摘要：近年来，人类面临的主要挑战包括人口增长、资源枯竭和环境质量恶化。随着气候条件不可预测的变化，不断增长的人口面临的食物短缺是世界面临的一个关键问题。水产养殖业在解决全球粮食短缺问题上发挥着重要作用。预计到2028年，来自水产养殖的供人类消费的鱼类份额预计将从52%（2016-2018年期间的平均值）增加到58%。传统水产养殖系统的主要不利影响包括对水的影响质量和二次污染对水产资源造成严重破坏。提高水循环效率和减少废水排放是促进可持续水产养殖系统的主要因素。本研究比较了各种水产养殖废水处理技术及其在实现可持续性方面的作用。发现水产养殖单位的再循环系统在管理废水量方面更有效，因为每天仅更换总水量的10%，因此更具可持续性。据报道，人工湿地系统在处理含氮化合物废水方面效率很高，NH₄-N去除率为86-98%，NO₂-N去除率超过99%。耦合鱼菜共生系统(CAPS)中RAFT（椽子系统）和MFBS（培养基填充床系统）的累积能源需求已降至46.8%和53.2%，远低于传统装置。研究发现，使用微藻等本地和低营养级生物质作为原料可以减少养鱼对环境的影响，并增加生物质生产和脂质生产的好处。通过在各个单元中使用适当的混凝剂，已经实现了90%以上的藻类收获效率。综合多营养水产养殖作业研究发现，饲喂水产养殖与有机提取水产养殖相结合，使贝类产量提高20%，比有鳍鱼和贝类分离单一养殖的利润分别提高230%和68%以上。开发更高效的反应器系统和整体、综合的废水处理方法可以确保可持续的水产养殖系统，这有助于维持水-食物-能源系统的可持续性。

关键词：水产养殖； 持续性； 废水； 肾素血管紧张素系统； 集成系统； 微藻辅助系统

1. 介绍

水产养殖是世界粮食生产的主要部门，年均增长3.2%。据报道，2014年养殖鱼的消费量超过了野生鱼生产量的消费量^[24]。由于野生种群的枯竭，近来水产养殖在海产品领域变得非常重要^[26]它被认为是人类食用海产品的主要来源。通过适当建立水产养殖系统来确保粮食安全，特别是在发展中国家。预计来自水产养殖的供人类消费的鱼类份额预计将从52%（2016-2018年期间的平均值）增加到2028年的58%^[57]。印度是第二大鱼类生产国全球水产养殖对GDP的贡献率为1.07%。根据国家渔业发展委员会最近的估计，印度渔业通过蓝色革命在经济革命之后获得了3344.1亿卢比的资本。水资源短缺和天然水资源枯竭是当今世界特别是世界发展中国家面临的主要挑战。海产品安全与能源和水等重要资源息息相关，还应保持环境质量以确保有效的食品供应。。预计由于一些挑战，未来水产养殖产量将下降，主要制约因素之一是优质水的可用性和可及性^[57]。这需要发展水产养殖废水处理的可持续技术。许多研究回顾了这些资源（海鲜、能源和水（SEW））之间存在的联系。Gephart等人^[33]通过仅关注海鲜和水之间的联系分析了这种联系，但这项研低估了海产品行业的可持续性，因为海产品的生产和消费不仅利用水，还利用能源^[25]。为了实现海鲜的可持续性，已经进行了大量研究；他们主要关注生产部门，例如海产品生产中的营养素使用效率[78]。全球正致力于确保海鲜的高效可及性^[47]。因此，改善海产品行业对于促进这种可再生资源的使用和减少相关的环境影响至关重要^[18]。Liu等人^[32]开发了海鲜-能源-水关系分析框架详细评估海鲜供应链中的活动和资源使用情况，本研究评估了海鲜供应链（处理、储存、加工、包装、分销、营销和消费）的能源和水使用情况及其相关的环境影响，该研究指出，海产品供应链中消耗的能源和水总量对环境影响较小，对于维持可持续性至关重要。与水产养殖废水(AWW)相关的水污染以及对用作鱼饲料成分的野生鱼类种群的空前开采引起了环境问题^[5]。水产养殖废水中的有机成分，如未食用的饲料和粪便会导致受纳水体和沉积物的环境恶化^[19]。溶解和颗粒有机物、总溶解固体、磷和氮等营养物质是水产养殖废水中的主要成分，会造成环境问题以及对鱼类生长的负面影响^[59]。水产养殖废水中大量可分解有机废物的主要作用是增加好氧细菌的代谢活性。由细菌作用引起的缺氧导致河流和湖泊等受纳水体中最脆弱的需氧生命形式遭到破坏。厌氧硫酸盐还原反应为在厌氧系统中占主导地位^[40]，引起同时抑制好氧硝化和反硝化过程。这两个过程中的缺氧将导致沉积物大型动物的死亡，这对于天然水流中的生物灌溉至关重要，这进一步降低了接收水体的曝气水平。由于微生物数量不足，河流系统沉积物中的有机物富集对生态系统产生了严重的不利影响。硫酸盐还原剂和产甲烷菌在这样的生态系统中占主导地位，它们打破了流域与下一级食物链的联系^[75,77]，应减轻将未经处理的水产养殖废水排放到受纳水体的所有这些环境影响，以提高水产养殖单位的可持续性。水产养殖废水通过原料富集养分，也会导致湖泊和排放渠道的富营养化过程，这也需要可持续的处理措施以使其环境友好。使用物理、化学和生物方法的常规废水处理也用于水产养殖系统。生物过程，例如浸没式生物过滤器、滴流过滤器、旋转生物接触器和流化床反应器用于有机物的氧化、硝化或反硝化^[72]。传统的废水处理方法在资金投入、能源消耗和维护方面成本高昂。在这种情况下，可持续技术的发展对于水产养殖废水处理至关重要。在本综述中，对可持续水产养殖废水处理的最新技术选择进行了广泛研究，这对于在水、食物和能源链之间建立可持续联系至关重要。这种基于可持续性方面比较不同水产养殖废水处理技术的独特尝试对于确保全球粮食安全至关重要。

2. 方法

可持续水产养殖发展面临的主要挑战是与环境保护、食品安全和水资源枯竭相关的问题^[48]。养殖废水中含有悬浮固体、氮化合物和磷化合物。废水处理在水产养殖系统中至关重要，以保持健康的鱼类养殖并避免对环境造成不利影响。由于水产养殖系统产生的经济和能源负担，在水产养殖系统中使用传统废水处理存在许多限制。此外，传统的水产养殖废水好氧、厌氧处理方式释放CO₂、CH₄等温室气体，废水中的营养资源无法得到有效的再利用。^[58]。传统处理方法的改进对于保持水产养殖业的可持续性至关重要。在本研究中，研究了水产养殖废水处理的最新创新，涉及它们在促进生物和非生物系统安全环境方面的可持续性。

比较评估水产养殖单元中的常规系统和再循环系统；研究了人工湿地系统以分析水产养殖废水装置的改进；还研究了用于废水处理的鱼菜共生系统以发现能源效率方面的可持续性；分析了在水产养殖中使用当地和低营养级生物质（如微藻）作为原料来有效减少对环境的影响；研究了饲喂水产养殖与有机提取水产养殖相结合的综合多营养水产养殖作业，开发更高效的反应器系统和整体、综合的废水处理方法可以确保可持续的水产养殖系统，这有助于维持水-食物-能源系统的可持续性。

图 1方法论

3. 水产养殖处理技术-可持续性方面

可持续发展概念的演变旨在加强“后代满足自身需求的能力”。纯水资源的可用性和可用水的保护以及卫生安全是农村和城市地区可持续发展的先决条件。发展中国家可持续水处理系统面临的主要挑战是经济落后、现有技术缺陷、能源匮乏，无法运行负担得起的解决方案^[76]。本综述研究了基于可持续性的水产养殖废水处理领域的最新技术发展。RAS系统，随后使用湿地系统、鱼菜共生系统和基于微藻的共生对RAS系统进行修改，以及这些创新的可持续性在此进行了回顾。最后，讨论了水产养殖废水可持续处理的综合方法。

3.1. 循环水养殖系统

传统的流水水产养殖系统需要租量的供水，需要考虑的最重要因素是供水的可持续性。水道养殖的常见水源是地表水，如河流、泉水、湖泊和水库以及地下水井。这些系统中的水流必须足以满足溶解氧的需求或清除水生物种的代谢废物。流通单元中的现有水在很大程度上被新的进水所取代。只有在系统中提供足够高的流速时，才能实现自清洁。使用循环水产养殖系统可以克服传统水产养殖系统的局限性^[2]。

再循环水产养殖系统通过再循环处理废水转移有毒污染物并回收处理过的水。因此，在RAS系统中生产大量鱼类的用水量相对较少，废水可以部分或全部再循环到鱼缸。循环水产养殖系统通常每天更换5%至10%的水，具体取决于供应和进给率^[23]。提供循环水产养殖系统减少了养鱼业的污染影响并减少了淡水的利用^[53]，因此对环境友好。去除固体、有机物、氨和亚硝酸盐对于循环水产养殖系统的发展至关重要^[44]。在循环水产养殖系统中，鱼类可以与其他生物一起养殖，这些生物将排出的废弃营养物质转化为有价值的产品^[63]，这使系统比过时的系统更具可持续性。

RAS系统中废物的去除是通过机械去除固体和通过硝化过程将氨和亚硝酸盐转化为硝酸盐来进行的^[37]。需要注意的是，硝化作用不能导致含氮废物的整体减少，而只是将氨转化为硝酸盐，导致硝酸盐积累并降低培养水的pH值^[59]，因此，RAS每天需要更换10-20%的水，以减少硝酸盐的积累，以保持水生生物的优质水^[53]。除此之外，RAS系统中的其他高硝酸盐浓度对鱼类有毒，可导致富营养化^[21]，增肌啊水产养殖系统中的氧气供应的高能源成本和毒性去除相关的高能源成本^[20,22]，发现在RAS系统中加入反硝化生物过滤器可有效降低能源成本并提高RAS系统的效率，从而将运营成本降低10%^[53]。反硝化在生物过滤器中减少无机氮化合物，如亚硝酸盐和硝酸盐转化为元素氮^[34]。由于好氧过滤器所需的新鲜循环水、生物过滤所需的昂贵外部碳源以及过滤器操作和维护的熟练人员要求等因素，该工艺在商业基础应用上也存在局限性。寻找一种更可持续的解决方案来应对水产养殖废水的处理带来了该领域的创新技术，例如使用湿地和将植物修复方法纳入RAS系统。湿地系统与再循环系统的整合在提高处理效率方面取得了成功。据报道，在这些相互关联的单元中，显着去除了废水中的悬浮固体、有机物、氮、磷、微量元素和微生物^[46]。

3.2. RAS中的人工湿地

人工湿地技术在循环水产养殖系统(RAS)中变得越来越重要，因为湿地已被证明是一种可行且具有成本效益的废水处理方法。图2显示了用于循环系统的人造人工湿地。对于人工湿地系统，能源只需要泵送和分配废水。能源需求主要由抽水头决定，通常明显低于0.1kWhm^-3[39]。共生过程可有效用于RAS通过将植物与水产养殖用水相结合，建立互惠互利的生态友好系统。人工湿地系统在处理含氮化合物废水方面具有高效的优势（表1）。但在大型处理系统的情况下，湿地有效地去除了铵和亚硝酸盐等营养物质，而硝酸盐和磷的去除没有效果，有时甚至会对湿地产生负面影响，因此需要较长的停留时间才能去除所需的氮^[66]，另一个缺点是它们需要相当大的占地面积，最大面积是池塘面积的2.7倍^[14]，这可能会影响湿地系统的经济可行性，因为它们具有较低的水力负荷率和较长的水力停留时间，以实现有效的污染物去除^[45]。

这个问题可以通过在具有高水力负荷的小型人工湿地中进行适当的预处理来最小化，这在经济上是可行的，并且可以去除80%的总悬浮固体^[65]。鱼菜共生系统的引入是克服RAS系统中人工湿地限制的另一种方法。

表 1不同混凝剂的收获效率^[46]