第 10 章水生污泥减少和矿化的有氧和厌氧处理
10.6 结论
减少和养分回收的鱼污泥处理正处于早期实施阶段。 需要进一步的研究和改进，并将看到循环经济日益关注的一天。 事实上，鱼类污泥需要更多地被视为一种宝贵的来源，而不是一次性废物。
· Aquaponics Food Production Systems10.5 污泥减少和矿化性能的量化方法
为了确定有氧和厌氧生物反应器中水生污泥处理的消化情况，需要采用一种具体的方法。 本章介绍了一种适用于水生污泥处理目的的方法。 已经开发出了特定的方程来精确量化其性能（Dellaide 等人，2018 年），这些方程应用于评估在特定水生植物中应用的处理性能。 为了评估治疗的性能，需要实现质量平衡方法。 它要求确定所有反应堆投入 (即新鲜污泥) 和输出 (即废水) 的 TSS、COD 和营养质量。 还需要在研究期间的开始和结束时对反应堆含量进行取样。 反应堆的输入、输出和内容必须完全混合，以便取样。 反应堆输入和输出基本上应在每次向反应堆装入新的污泥时进行采样。 然后，反应堆污泥还原性能 () 可以制定如下： $\ eta_s = 100%（1-（\ 增量 S + S_ {输出}）/S_ {in}）$ (10.6) 其中 ΔS 是研究周期结束时反应堆内的污泥减去周期开始时的污泥，Ssubout/Sub 是排出反应堆的总污泥，Ssub/Sub 是通过流入进入反应堆的总污泥。 就有机还原而言，污泥（即 S 术语）可以表现为污泥的干质量（即 TSS）或氧化污泥所需的氧质量（即 COD）。 因此，对于 COD 和 TSS 还原性能，累积越小，流出量越小，还原性能就越高（即高百分比），从循环中排出的固体物质就越少。 根据相同的质量平衡，处理的营养成分矿化性能 ()，即将污泥中存在的宏观营养元素和微量营养素转化为可溶性离子，可使用以下公式： $\ Zeta_n = 100% (((DN_ {输出}-DN_ {in})/(TN_ {in})) $ (10.7) 其中是研究周期结束时 N 营养素的回收百分比，DNSubout/Sub 是流出中溶解营养物质的总质量，DNSub/Sub 是流入中溶解营养物质的总质量，TNsub/Sub 是流入中溶解和未溶解营养物质的总质量。 因此，与有机还原性能相似，反应堆内的积累越小，外流中未溶解的营养素含量就越高，矿化性能就越高（即高百分比），因此水生作物在废水（或流出）中回收的溶解营养物质受精（见例 10.1）。 示例框中使用了显示的质量平衡方程。 ** 示例 10.1** 对 250-L 厌氧生物反应器的消化性能进行了 8 周的评估。 每天喂入一次，25 升的新鲜污泥来自 Tilapia RAS 系统，并从生物反应器中去除等效的上清体积（或输出量）。 新鲜污泥（输入）的 TSS 为每升 10 克干质量（DM）或 1%，上清剂（输出）的 TSS 为 1 GDM/L 或 0.
· Aquaponics Food Production Systems10.4 厌氧治疗
厌氧消化 (AD) 长期以来一直被用于稳定和减少污泥质量过程，主要原因是操作简单，成本相对较低，以及生产沼气作为潜在能源。 厌氧消化的一般化学计量表示可以描述如下： 美元人民币 +（正一个/4 个/2 个）\ cdot 高速度（2 个/2 个/8 个/4 个）\ cdot 二氧化碳 +（2 个/8 个/4 个）\ cdot CH4 美元（10.4 个） 公式 10.4 沼气总体质量平衡 (马尔查伊姆 1992 年). 理论甲烷浓度可计算如下： [瑞士 4] = 0.5 美元以上 (4 个国家/地区)/2 个国家元 (10.5 个国家) 公式 10.5 沼气中的理论预期甲烷浓度 (马尔查伊姆 1992 年). AD 的最终产品主要是无机材料（例如矿物）、稍微降解的有机化合物和沼气，通常由\ > 55% 的甲烷 (CHSuB4/Sub) 和二氧化碳 (COSub2/Sub) 组成，只有少量的硫化氢 (\ 1%) 和总氨氮 (nHSub3/次级支助机构 +/上级/国家卫生保健方案 (上诉等人，2008 年)。 ！ 图片-3 ** 图 10.4** 基于 Garcia 等人的有机物厌氧降解示意图（2000 年）
· Aquaponics Food Production Systems10.3 有氧治疗
有氧处理通过支持污泥与氧气的接触来增强污泥的氧化。 在这种情况下，有机物的氧化主要是由异养微生物的呼吸驱动。 作为呼吸的最终产物 COSub2/Sub 被释放，如下所示（10.1）。 6 美元时间 + 6\ O2\ 一氧化碳 6\ 二氧化碳 +6\ 高速公路 + 能源 (10.1) 在有氧反应堆中，这一过程主要是通过将空气注入污泥-水混合物，与扩散器和螺旋桨相连的鼓风机相连。 空气喷射还可确保污泥的适当混合。 在这一氧化过程中，释放与有机物结合的宏观营养素和微量营养素。 这个过程被称为有氧矿化。 因此，在矿化过程中可以再循环使用更多的营养物质，而一些营养物质，例如钠和氯化物，也可能超过其水培应用阈值，在施用前必须仔细监测（Rakocy 等人，2007 年）。 从 RAS 中的固体去除装置（例如澄清器或滤筒过滤器）中获得的有机物的有氧矿化是一种简单的方法，可以回收营养物质，用于后续应用。 此外，在有氧消化过程中，pH 值降低，促进沉积在污泥中的结合矿物的矿化。 例如，Monsees 等人（2017 年）表明，由于 pH 值偏移，RAS 污泥中释放了 P。 pH 值下降主要是由呼吸驱动的，在较低程度上可能是硝化作用。 由于通过矿化室的曝气和丰富的有机物，异养微生物找到了理想的生长条件。 这导致呼吸增加和释放 COSub2/Sub 溶解在水中。 COSub2/Sub 形成碳酸，从而降低工艺水的 pH 值，如以下公式所示： 二氧化碳 {2 (g)} +2\ 二氧化氢\ 不锈钢氢-3 氧化碳 ^ ++ {六氧化碳 _3} ^-$ (10.2) RAS 衍生的废水通常含有 NHSub4/SuP+/SUP，另外还具有中性 pH 值约为 7，因为 RAS 中的 pH 值需要保持在该水平，以确保在生物过滤器内将 NHSub4/SuP+/SUP 最佳微生物转化为 NOSub3/Sub（即硝化）。 硝化过程可以通过将质子释放到工艺水中，从而有氧反应器起始阶段的 pH 值降低，如以下公式所示：
· Aquaponics Food Production Systems10.2 水生物废水处理实施
在水生学中，含有固体物质（即污泥）的废水是一种宝贵的营养来源，需要进行适当的处理。 处理目标与传统废水处理不同，因为在水生物中，固体物质和节水是值得关注的。 此外，无论采用何种废水处理措施，其目标应该是减少固体物质，同时矿化其营养物质。 换句话说，目的是获得一种无固体污水，但含有丰富的溶解营养物（即阴离子和阳离子），这些物质可以在耦合设置中重新插入水循环（图 10.1a）或在分离设置中直接进入水培生长床（图 10.1b）。 鱼类污泥固体主要由可降解的有机物组成，因此固体还原可称为有机还原。 事实上，复杂的有机分子（例如蛋白质、脂质、碳水化合物等）主要由碳组成，并将相继减少为较低分子量的化合物，直到 COSub2/Sub 和 CHSuB4/Sub 的最终气态形式（在厌氧发酵的情况下）。 在这一降解过程中，与有机分子结合的大量营养素（即 N、P、K、钙、镁和 S）和微量营养素（即铁、锰、锌、铜、B 和 Mo）以其离子形式释放到水中。 这种现象被称为养分浸出或营养成分矿化。 可以假设，当实现高有机还原时，也可以实现高营养成分矿化。 一方面，污泥含有一定比例的未溶解矿物，另一方面，在矿化过程中释放一些宏观营养素和微量营养素。 它们可以迅速沉淀在一起，形成不溶性矿物质。 大多数宏观营养素和微量营养素的离子和沉淀矿物质之间的状态与 pH 值相关。 在生物反应器中沉淀最著名的矿物质是磷酸钙、硫酸钙、碳酸钙、黄铁矿和柱石（Peng 等人，2018 年；张等人，2016 年）。 Conroy 和 Couturier（2010 年）观察到，当 pH 值降至 6 以下时，厌氧反应器中释放了 Ca 和 P。 他们表明，释放完全相当于磷酸钙的矿化。 Goddek 等人（2018 年）还观察到 P、Ca 和其他大量营养素在转化为酸性的上流厌氧污泥毯反应器（UASB）中的溶解性。 荣格和洛维特（2011 年）报告，水产源污泥在非常低的 pH 值为 4 的情况下，有 90% 的营养物调动。 在这种情况下，所有的宏观营养素和微量营养素都是溶解的。 因此，有机还原和营养成分矿化之间存在对立。 事实上，当微生物活跃于降解有机化合物时，有机还原是最大的，这种情况发生在 pH 值范围为 6—8。 由于养分浸出在 pH 值低于 6，因此为了最佳的有机还原和营养成分矿化，最有效的方法是分为两个步骤，即 pH 值接近中性的有机还原步骤和酸性条件下的养分浸出步骤。 据我们所知，尚未报告采用这种两步方法的任何行动。 这为废水处理开辟了一个新的领域，需要进一步研究应用于水生物学。 ！ 图片-3 ** 图 10.
· Aquaponics Food Production Systems10.1 导言
水生养殖的概念与可持续生产系统有关，因为它重新利用含有大量营养素（即氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）和硫（S）和微营养素（即铁）丰富的再循环水产养殖系统（RAS）废水锰 (Mn)、锌 (Zn)、铜 (铜)、硼 (B) 和钼 (Mo)) 为植物施肥 (格雷伯和荣格 2009 年；利卡梅尔 2009 年；尼科尔斯和萨维多夫 2012 年；图尔西奥斯和帕彭布罗克 2014)。 一个很有争议的问题是，这一概念是否能够符合其自身的愿望，因为排放营养丰富的鱼类污泥而浪费了大量的营养物质（Endut 等人，2010 年；Naylor 等人，1999 年；Neto 和 Ostrensky 2013 年）。 事实上，为了在 RAS 和水生系统中保持良好的水质，必须不断地过滤水进行固体去除。 固体过滤的两种主要技术是将颗粒保留在网格中（即网格过滤作为滚筒过滤器），并允许颗粒在澄清器中喷出。 在大多数传统工厂中，污泥是从这些机械过滤装置中回收的，并作为污水排放。 在最好的情况下，污泥被干燥并作为肥料在陆地上施用（Bod 等人，2017 年）。 值得注意的是，高达 50% 的饲料（干物质）被鱼类排出为固体物质（Chen 等人，1997 年），通过鱼饲料进入水生生态系统的大多数营养物质都在这些固体中积聚（Neto 和 Ostrensky，2013 年；Schneider 等人，2005 年）。 因此，有效的固体过滤可去除 80% 以上的宝贵 P（Monsee 等人，2017 年），这些物质可用于植物生产。 因此，回收这些宝贵的营养物质用于水生应用是至关重要的。 开发适当的污泥处理能够矿化污泥中含有的营养物质，以便在水培单元中重新使用这些物质，似乎是有助于更高程度地关闭养分循环，从而降低水生系统对环境的影响的必要过程（Goddek 等人）。2015 年；戈德克和基斯曼 2018；戈德克和科尔纳 2019）。 实验研究表明，与水培学相比，补充水生养分溶液（即添加缺乏营养物质后）可促进植物生长（Delide 等人，2016 年；Ru 等人，2017 年；Saha 等人，2016 年）。 因此，污泥矿化也是提高水生系统性能的一个有希望的方法，因为回收的养分被用来补充水生溶液。 此外，现场矿化单元还可以提高水生设施的自给自足能力，尤其是有限的 P 资源对植物生长至关重要。 P 是由采矿活动产生的，因此矿床在世界各地的分布不均匀。 此外，它的价格已经上涨了高达 800％，在过去的十年（麦吉尔 2012 年）。 因此，在水生生态系统中应用的矿化单元也有可能提高其未来的经济成功和稳定性。
· Aquaponics Food Production Systems