一种养殖尾水再生利用的水上稻作方法与流程

本发明涉及一种养殖尾水再生利用的水上稻作方法；属养殖废水处理和再利用技术领域。

背景技术：

人工湿地作为一种生态水处理技术，在污水处理、生态修复等方面得到广泛应用。有研究表明（孙文章，2014），在水力负荷为0.33m/d时，采用增加湿地基质溶解氧含量，对COD、TAN、TP有最高去除率为84%、69%和68%；对来自沼液废水，在水力负荷为0.1m/d时，人工湿地对COD、TAN、TP去除率最大，分别为90%、85%、98%（李美玲，2014），一般情况下人工湿地最佳水力负荷在0.5m/d以下（和丽萍，2014），然而受污染地表水、农村生活污水等往往具有N、P等污染物浓度低，水量大等特点，因此，采用人工湿地处理养殖废水存在占地面积大的不足。

在人工湿地净化污水过程中，植物作用可以归纳为三个方面：1）直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附和富集重金属和一些有毒有害物质；2）为根区好氧微生物输送氧气；3）增强和维持介质的水力传输。目前人工湿地选种植物通常为鸢尾、菖蒲、再力花等，这些植物一般为生物量大、根系发达的常绿植物，但存在经济价值不高，一定程度上影响人工湿地推广应用。

曝气生物滤池BAF（Biological Aerated Filter）是20世纪80年代欧美开发的一种新型污水处理技术。它借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物及定期反冲洗等特点于一体，具有负荷高、占地少、能耗低、出水好及工艺简单灵活等优点，曝气生物滤池借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤单元的设计原理，省去了二次沉淀池设备,大大减少了占地面积，它是在普通生物滤池的基础上发展起来的一种污水处理新工艺，最大的特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续的二次沉淀池，即保证了良好的处理效果，又最大程度的简化了处理工艺。曝气生物滤池工艺还具有机物容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短等特点。曝气生物滤池的滤料一般为合成纤维、聚苯乙烯小球、波纹板等材料，在运行过程中由于滤料堵塞，必须通过反冲洗恢复水处理特性，普遍采用的反冲洗方式是气水联合反冲洗，即先用气冲，再用气、水联合冲洗，最后再用水漂洗，因此，曝气池的建设、使用和维护存在费用过大的不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术存在的上述问题，提供一种养殖尾水再生利用的水上稻作方法；该方法可根据工程情况，通过控制曝气强度和水力负荷，提升对水产养殖废水等低污染物浓度水体净化功能和水处理体量，并通过经济作物的种植，实现更高的经济效益和更好的环境效益。

本发明的技术方案是：

一种养殖尾水再生利用的水上稻作方法；其特征在于，它包括以下步骤：

1）、将水上稻作系统中的养殖池塘中的养殖废水通过涵管经暗渠排入集水井中，以进行粗过滤和沉降；

2）、经粗过滤和沉降的废水通过进水提升泵提升，经管道流入种植池的进水管；并溢流进入楔形配水槽以对种植池进行均匀的布水;

3）、溢流入种植池废水首先经进水端卵石滤层再次过滤，以进一步去除集水井未能过滤的固体颗粒物质；

4）、经进水端卵石滤层粗过滤的废水进入种植池，种植池底部铺设有基质，基质上方通过陶粒浮板种植有水稻，种植池中陶粒浮板的覆盖率控制在50%~70%；通过种植池底部基质的间隙和水稻根区陶粒基质间隙的生物膜，可将大分子含氮有机物分解为小分子无机物释放到外层水体，以促进植物吸收作用，同时发达的水稻根系对废水中残留的颗粒物质能起到明显的截留，以实现废水的再次净化。

5）、水稻在种植过程中，在水稻返青期前需控制滤池水力负荷不低于1.16 m³/(m²·d)，并于分蘖期、抽穗期、扬花期和灌浆期喷施叶面肥，以保证水稻不同生长期营养需求；

6）、水稻在种植过程中种植池内的废水，一是通过种植池底部基质的间隙和水稻根区陶粒基质间隙的生物膜进行硝化反硝化作用，二是同时控制与总曝气管连通的鼓风机的运行时间，以控制对种植池的曝气强度，使其在合适的气水比条件下，促使种植池内部能够形成较完善的厌氧-缺氧-好氧区，由此增加内部微生物活性，实现同步硝化和反硝化过程，以对废水进行净化；

7）、种植池中反复净化的废水经收水端卵石滤层又一次过滤后，通过总收水管与溢流管连接流入收水池，然后经收水池一侧暗管流入修饰塘；

8）、向修饰塘添加硅藻藻种和硅藻促生剂，利用未被种植池降解的营养物质进行硅藻培育，提升修饰塘中水体溶氧，处理过后的水体由修饰塘的出水口，通过与出水口连通的地下砼管回流入养殖池塘进水沟，再以跌水的方式回流入养殖池塘回用，从而实现一次养殖尾水的再生利用；如此反复，完成养殖池塘的养殖废水净化和净化过程中的水稻种植；

步骤5所述的水稻种植过程包括：

1）、品种选择：

选择生长期能够覆盖养殖生物主要养殖期，矮梗，高质高产的品种，并按常规方法进行育秧；

2）、移栽：

在秧龄为30-35天时，采用人工进行移栽，每个定植篮移栽2-3个秧苗，并用陶粒固定秧苗植株；

3）、施肥：

由于种植池中没有土壤基质，因此不宜按照传统稻田种植的施肥方式；总体按照N:P:K=1:0.5:1.2的比例进行施肥。

）、叶面肥喷施：

根据水稻生长情况，适时适量喷洒叶面肥进行补充。从移栽到收获，水稻生长分为分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、黄熟期，根据各时期水稻生长情况进行适时适量的追肥；施肥量按照水稻生长前期多，后期少的原则；追肥氮磷钾比例与基肥一致，也可根据水稻营养元素实际缺乏情况按照营养元素缺乏症检索表进行调整。

5）、病害防治：

种植池水稻病害相对传统农田较少，其防治方法与传统方法种植水稻一致，在喷洒农药后应保持3—5天左右不换水。

水位管理：

基肥施加后，种植池停止进排水，仅开启曝气装置，保持3-5天至水稻返青。水稻够苗后，为抑制无效分蘖，滤池暂停运行，排空晒田。晒田程度与传统水稻种植一致。晒田完成后即可恢复运行。水稻收割前一周，种植池排空，暂停运行，水稻收割后恢复运行。

水稻收割：

水稻种植过程中的杂草主要采用人工清除，水稻成熟后采用人工收割。水稻收割后取出陶粒浮板中的定植篮，将定植篮中的稻草根拔除。

步骤1）所述水上稻作系统包括养殖池塘、种植池，设置在种植池一侧的进水池和设置在种植池另一侧的收水池，进水池内设置有与集水井连通的滤池进水管，进水池与种植池之间设置有溢流墙，溢流墙的顶端设置有楔形配水槽，靠近溢流墙一侧的种植池内设置有进水端卵石滤层，靠近收水池一侧的种植池内设置有收水端卵石滤层，进水端卵石滤层和收水端卵石滤层均为斜坡状。

所述种植池的底部设置有基质，基质内埋设有多孔收水管，多孔收水管内设置有纳米微孔曝气管，纳米微孔曝气管与鼓风机连通，种植池的水面设置有陶粒浮板，陶粒浮板内设置有栽培孔，栽培孔内设置有定植篮，多孔收水管与总收水管连通，总收水管与设置在收水池中的溢流管连通，收水池与修饰塘连通。

所述的修饰塘的四侧为斜坡状，修饰塘的底部及四侧自下至上设置有植绒土工膜、砂垫层和植草砼块层。

所述的集水井内设置有横向空心砖墙和纵向空心砖墙，集水井的一角设置有集水井进水口，集水井的另一角设置有集水井出水口，集水井进水口与养殖池塘连通，集水井出水口与种植池连通，集水井进水口处的横向空心砖墙和纵向空心砖墙为夹层空心砖墙，夹层空心砖墙内设置有卵石。

所述的多孔收水管为多根且平行分布在基质内，各个多孔收水管均与对应的立管连通，立管的顶端设置有封盖，封盖上设置有纳米微孔曝气管安装孔，各个多孔收水管内的纳米微孔曝气管穿出纳米微孔曝气管安装孔与总曝气管连通，总曝气管与鼓风机连接。

所述的基质为轻质陶粒，轻质陶粒的容重为7~10kN/m³，

所述的陶粒浮板由陶粒、珍珠岩、硅酸水泥、粉煤灰和泡沫混合压制而成。

表1 水稻营养元素缺乏症检索表

为表明本本发明的有益效果，进行了各项对比试验，其结果如下：

表2. 稻作系统对实验塘养殖尾水的利用效果

集水井进水和修饰塘出水之间的比较具显著性差异（P<0.05），表2中，上标a和b分别用来区别集水井进水相关数据和修饰塘出水相关数据。

从表2可以看出，湿地出水水质参数均显著低于进水水质参数（P<0.05），养殖池塘废水中氮磷营养物质的利用率从35.91%到80.96，通过该复合循环水养殖系统，能有效利用池塘养殖废水中的氮磷营养物质。

表3水稻考种指标

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、增加了可调节的底部曝气增氧设备，结合了曝气生物滤池有机物容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短等特点，相对减少了投资运行和维护成本；

2、使用轻质页岩陶粒作为湿地的基质，增强了湿地的水力学特性，为微生物提供更大的附着面积，增强系统对污染物的去处。该基质的特点是疏松多孔、通气性好、表面积大，主要表现为：一方面便于微生物的附着，特别是为硝化细菌和反硝化细菌提供了良好的附着点；另一方面便于曝气管中的氧气进入湿地，为硝化细菌提供充足的氧气，同时，由于该基质多孔，含水率高，便于湿地形成厌氧环境，有利于反硝化作用除氦。此外，这种基质质轻，松散容量小，有足够的机械强度，有效避免堵塞，提高了运行周期；

3、选择轻质浮床作为水生植物的载体，设计了专用的栽培盘，相对于直接在湿地基质中栽种植物更加方便；

4、选择了具有经济价值的植物（如水稻、空心菜、水芹菜和水雍菜等），通过种植经济作物，发达的根系不仅可以吸附拦截固体颗粒，根部形成的好氧/缺氧区促进硝化和反硝化的反应进程，并且能够产生一定的经济效益。此外由于人工湿地的植物种植效果，使得植物水面相映营造了优美的环境效果。并且本发明通过将养殖池塘废水引入种植池，不仅净化了水质，同时也为种植池中的水稻生长提供了营养物质，将水质净化和经济作物种植有机的结合起来，实现不同生物之间的共生互利关系，营养物质得到循环。

附图说明

图1为本发明的种植池的结构示意图；

图2为本发明的种植池的俯视结构示意图；

图3为本发明的陶粒浮板的俯视结构示意图；

图4为本发明的陶粒浮板的剖面结构示意图；

图5为本发明的集水井的俯视结构示意图；

图6为本发明的修饰塘的截面结构示意图。

图中：1、种植池，2、进水池，3、收水池，4、集水井，5、滤池进水管，6、溢流墙，7、进水端卵石滤层，8、收水端卵石滤层，9、基质，10、多孔收水管，11、纳米微孔曝气管，12、陶粒浮板，13、定植篮，14、总收水管，15、溢流管，16、修饰塘，17、立管，18、植绒土工膜，19、砂垫层，20、植草砼块层，21、水稻，22、横向空心砖墙，23、纵向空心砖墙，24、集水井进水口，25、集水井出水口。

具体实施方式

将水上稻作系统中的养殖池塘中的养殖废水通过涵管经暗渠排入集水井4中，以进行粗过滤和沉降。水上稻作系统包括养殖池塘、种植池1，设置在种植池一侧的进水池2和设置在种植池另一侧的收水池3，进水池2内设置有与集水井4连通的滤池进水管5，进水池2与种植池1之间设置有溢流墙6，溢流墙6的顶端设置有楔形配水槽，靠近溢流墙6一侧的种植池1内设置有进水端卵石滤层7，靠近收水池3一侧的种植池1内设置有收水端卵石滤层8，进水端卵石滤层7和收水端卵石滤层8均为斜坡状。进水端卵石滤层7和收水端卵石滤层8选用粒径为8～15cm的卵石构建，进水端卵石滤层7和收水端卵石滤层8的高度均为90cm。

种植池1的底部设置有基质9，基质9为轻质陶粒，轻质陶粒的容重为7~10kN/m³，基质9的厚度为30cm，基质9的粒径为1～2cm，空隙率为0.4的陶粒。构成基质9的轻质陶粒由于其疏松多孔的特性，增加了底部曝气输送的气体与水体的接触面积与扩散路径，便于微生物附着，且能有效避免基质9堵塞，基质9表面覆盖聚乙烯网片，覆盖聚乙烯网片四周及中部通过卵石袋压住，以防止基质9因加水上浮。

基质9内埋设有多个多孔收水管10，多孔收水管10内设置有纳米微孔曝气管11，多孔收水管10上开设有孔径为0.6cm的收水孔。多孔收水管10平行分布在基质9内，其一端设置有与其对应并连通的立管17，立管17的顶端设置有封盖，封盖上设置有气管安装孔，各多孔收水管10内的纳米微孔曝气管11穿出安装孔与总曝气管连通，总曝气管与鼓风机连接；鼓风机的功率选用0.75KW，出气量为110m³/h 。

种植池1的水面设置有陶粒浮板12，陶粒浮板12由陶粒、珍珠岩、硅酸水泥、粉煤灰和泡沫原料混合压制而成。陶粒浮板12内设置有栽培孔，陶粒浮板12的长宽厚为0.5m×0.5m×0.08m，种植池1陶粒浮板12的覆盖率保持在50%~70%。陶粒浮板12横向2~3块，纵向8~12块，通过细尼龙绳固定组合，以强化陶粒浮板12抗风浪能力和稳定性；陶粒浮板12上设置的栽培孔数量为4个，栽培孔孔径为10cm，栽培孔内设置有定植篮13。从而通过定植篮13将水稻21栽种于陶粒浮板129中，水稻栽种密度为9.24株/m²，定植篮13内填充有陶粒，以起到固定水稻21的作用。

多孔收水管10一端设置有总收水管14，多孔收水管10与总收水管14连通；总收水管14与设置在收水池3中的溢流管15连通，收水池3与修饰塘16连通。

修饰塘16的底部及四侧自下至上设置有植绒土工膜18、砂垫层19和植草砼块层20。

集水井4内设置有横向空心砖墙22和纵向空心砖墙23，集水井4的一角设置有集水井进水口24，集水井4的另一角设置有集水井出水口25，集水井进水口24与养殖池塘连通，集水井出水口25与种植池1连通，集水井进水口24处的横向空心砖墙22和纵向空心砖墙23为夹层空心砖墙，夹层空心砖墙内设置有卵石。

在集水井4中通过粗过滤和沉降的养殖废水通过提升泵提升（提升泵305采用功率：3-4KW，扬程：30m。），经管道流入滤池进水管5，并通过楔形配水槽均匀的对种植池1进行溢流布水。

溢流入种植池1中的废水首先经进水端卵石滤层7进行再次过滤，以进一步去除集水井4未能过滤的固体颗粒物质；经进水端卵石滤层7粗过滤的废水进入种植池1，由于种植池1底部铺设有基质9，基质9上方通过陶粒浮板12种植有水稻21，且种植池1中陶粒浮板109的覆盖率控制在50%~70%；种植池1底部基质9的间隙和水稻21根区陶粒基质间隙的生物膜通过硝化反硝化作用，可将大分子含氮有机物分解为小分子无机物释放到外层水体，促进植物吸收作用，发达的水稻21根系对废水中残留的颗粒物质能起到明显的截留作用。

水稻21在种植过程中，在水稻21返青期前需控制滤池水力负荷不低于1.16 m³/(m²·d)，并于分蘖期、抽穗期、扬花期和灌浆期喷施叶面肥，以保证水稻21营养需求。

水稻21在种植过程包括：

品种选择：

选择生长期能够覆盖养殖生物主要养殖期，矮梗，高质高产的品种，如：Y两优11号，全生育期135天左右，秧龄期30天左右。并按常规方法进行育秧；

移栽：

根据所选水稻品种的不同，移栽秧苗的秧龄也有所差异。常规手栽中苗一般在6叶期左右移栽，秧龄30-35天。如，Y两优11号秧龄期30天左右，应选择此时的秧苗进行移栽。通常稻田移栽密度约20-30穴/m²，陶粒浮板12栽培孔密度通常略低于该水平，且养殖肥水营养相对水稻21生长所需水平较低，移栽时需相对常规稻田增加每穴苗数。采用人工移栽，每个定植篮2-3个秧苗，用陶粒固定秧苗植株。

施肥：

由于生物滤池没有土壤基质，因此不宜按照稻田种植的施肥方式。养殖水体氮磷元素较为充足，而钾比较缺乏。总体按照N:P:K=1:0.5:1.2的比例进行施肥，另外根据养殖肥水中氮磷比例，可适当调整添加的配比和剂量。按照少量多次的原则进行施肥。基肥、孽肥、穗肥、粒肥等可按照约30%：30%：20%：20%的比例进行施加，也可结合水稻实际生长情况进行调整。

叶面肥喷施：

根据水稻生长情况，适时适量喷洒叶面肥进行补充。从移栽到收获，水稻生长分为分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、黄熟期，根据各时期水稻生长情况进行适时适量的追肥；施肥量按照水稻生长前期多，后期少的原则；追肥氮磷钾比例与基肥一致，也可根据水稻营养元素实际缺乏情况按照营养元素缺乏症检索表进行调整（参见表1）。

病害防治：

种植池水稻病害相对传统农田较少，其防治方法与传统方法种植水稻一致，在喷洒农药后应保持3——5天左右不换水。

水位管理：

基肥施加后，种植池停止进排水，仅开启曝气装置，保持3-5天至水稻返青。水稻够苗后，为抑制无效分蘖，滤池暂停运行，排空晒田。晒田程度与传统水稻种植一致。晒田完成后即可恢复运行。水稻收割前一周，种植池排空，暂停运行，水稻21收割后恢复运行。

水稻收割：

水稻种植过程中的杂草主要采用人工清除，水稻成熟后采用人工收割。水稻收割后取出陶粒浮板12中的定植篮13，将定植篮13中的稻草根拔除。

水稻21在种植过程中种植池1内的废水，一是通过种植池1底部基质9的间隙和水稻根区陶粒基质间隙的生物膜进行硝化反硝化作用，二是同时控制与总曝气管连通过的鼓风机的运行时间，以控制对种植池1的曝气强度，使其在合适的气水比条件下，促使种植池内部能够形成较完善的厌氧-缺氧-好氧区，由此增加内部微生物活性，实现同步硝化和反硝化过程，达到对废水进行净化的目的；

种植池1中完成净化的废水经收水端卵石滤层8又一次过滤后，通过总收水管14和与其连通的溢流管15连接流入收水池3，然后经收水池3一侧暗管流入修饰塘16。

修饰塘16为长×宽×深=17m×10m×1m的砖块混凝土结构，修饰塘16的四壁为坡度为1：1.5的斜壁，修饰塘16的植绒土工膜18的厚度为4mm、砂垫层19的厚度为200mm，植草砼块层20的厚度为60mm。植绒土工膜18起到防渗作用，砂垫层19位于植绒土工膜18和植草砼块20之间，植草砼块20上种植有植物，不仅可以固定砂垫层19和植草砼块20之间的连接，还可以通过光合作用为修饰塘16中水体复氧。

向修饰塘16中分别添加硅藻藻种和硅藻促生剂，利用未被种植池1降解的营养物质进行硅藻培育，提升修饰塘16中水体溶氧，处理过后的水体由修饰塘16的出水口，通过与出水口连通的地下砼管回流入养殖池塘进水沟，再以跌水的方式回流入养殖池塘回用，从而完成一次废水净化循环；如此反复，完成养殖池塘的养殖废水净化和净化过程中的水稻种植；

本发明种植池1采用序批式进水—停留反应—连续出水—排空闲置的方式运行，种植池1的水力停留时间为24小时，水力负荷为0.58 m³/(m²·d)，鼓风机向种植池1的通气量与种植池1中水的体积的比值气水比为2:1。每天上午8点对种植池1进行布水，种植池1中的水力停留时间为24小时，期间每3小时曝气30分钟，于第二天上午8点将水排出，并回流至各养殖池塘。

上述描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。