10.1 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。

对于水生物中的污泥处理，需要采取与过去不同的方式。 事实上，在传统废水处理中，主要目标是获得一个去污和清洁的废水。 处理性能表现为从废水中去除污染物（例如固体、氮 (N)、磷 (P) 等），并根据所达到的质量对污水进行量化（Techobanoglous 等人，2014 年）。 利用这种传统方法，一些研究提供了定量证据，表明在有氧、厌氧和顺序有氧 — — 厌氧条件下消化 RAS 废水可以去除一致比例的化学需氧量 (COD) 和总悬浮固体 (TSS) (Goddek 等人)。2018 年；乔杜里等人，2010 年；米尔佐扬等人，2010 年；范里因 2013 年）。 然而，在水生系统中，鱼类废水被认为是一种宝贵的肥料来源。 在闭环方法中，需要最大限度地减少固体部分排放（即最大限度地减少有机物质），并且需要最大限度地提高污水中的营养素含量（即最大限度地提高营养成分矿化）。 因此，水生物中的废水处理性能不再需要用污染物去除来表示，而是从污染物减少和营养成分矿化能力的角度来表示。

一些研究表明，通过有氧和厌氧处理来消化鱼类污泥的功能性（Goddek 等人，2018 年；van Rijn 等人，1995 年）。 通过在生物反应器中进行厌氧处理，可以实现高干物质（即 TSS）还原性能（例如高于 90%），同时也可以生产甲烷（van Lier 等人，2008 年；Mirzoyan 和 Gross 2013 年；Yogev 等人，2016 年）。

污泥的有氧处理也是减少呼吸过程中氧化为 COSub2/Sub 的有机物的一种非常有效的方法（见 Eq. 10.1）。 例如，一家水资源回收设施报告了 90% 的减少率（此处确定为悬浮固体、COD 和 BOD 减少）（Seo 等人，2017 年）。 有氧过程比厌氧更快，但它们可能更昂贵（Chen 等人，1997 年），因为泥浆的持续曝气 — 水混合物需要大量的泵或电机。 此外，营养物质的显著部分被转化为微生物生物量，不留在水中溶解。

虽然这些研究表明鱼类污泥的有机还原潜力，但只有少数作者研究了鱼类污泥中特定营养物质的释放（例如 N 和 P）。 这些研究大多数用于短期体外批次实验（康罗伊和时装设计师 2010 年；蒙西等人，2017 年；斯图尔特等人，2006 年），以及运行中的 RAS（Yogev 等人，2016 年），而不是水生设置。 虽然在一定程度上讨论（Goddek 等人，2016 年；Yogev 等人，2017 年），但研究现在必须开始系统地研究有氧和厌氧反应器鱼污泥的有机还原和营养成分矿化性能及其对水分成分和植物的影响增长。 因此，本章旨在概述各种鱼类污泥处理方法，这些污泥可以集成到水生设置中，以实现有机还原和营养成分矿化。 将强调一些设计方法。 将讨论水生污泥处理背景下的营养质量平衡方法，并制定具体的方法来量化污泥处理性能。