本实用新型属于养殖废水处理技术领域，具体涉及一种用于循环水养殖系统的废水强化脱氮的装置，适用于大部分工厂化高密度循环水养殖系统，以及一些水资源匮乏、缺少甚至没有废水集中处理系统的农村地区。
背景技术：
循环水养殖系统(Recirculating Aquaculture System，RAS)是一种在水产养殖生产过程中引入废水处理工艺，以此来控制水质，减少用水量，同时提高产品产量和品质的养殖模式。循环水养殖系统通过对养殖水体的净化回用，使之保持相对稳定的适合养殖对象生长的生态环境，降低或清除不利于养殖对象的有机物和氨氮，并增强鱼、虾机体新陈代谢、提高饲料转换率、提高抗病能力、成活率和生长速度，从而在节水的同时，实现高密度水产养殖的目的。采用循环水养殖系统，还可以使养殖过程易于监控，通过对养殖过程的监控管理，使养殖产品更易于达到国际食品卫生标准，保证产品顺利进入国际市场。
氨氮是水产养殖水体中最为重要的水质指标之一，养殖水体中的氨氮主要来源于饵料、水产动物的排泄物和动植物死亡后的残体。当氨溶于水时，其中一部分氨与水反应生成铵离子(NH4+-N)，一部分则形成水合氨，也称非离子氨(NH3-N)，这两者之和称为总氨氮(Total Ammonia Nitrogen，TAN)。氨在水中具体以哪一种形式存在，与水体的pH值密切相关。研究表明，当水温为20℃，pH等于7.0时，水体中的非离子氨仅占总氨氮的0.4％，但是一旦当pH大于8以后，非离子氨占总氨氮的比例会随着pH的升高快速增加，最高能达到80％以上。非离子态的氨氮对鱼类具有很强的毒性，当其在鱼类血液中的浓度升高时，血液的pH随之相应上升，会导致鱼体内多种酶的活性受到抑制；在高氨氮浓度下，还会降低血液的输氧能力，破坏鳃表皮组织，导致氧气和废物交换不畅而窒息，甚至造成鱼类的死亡；在低浓度情况下也会降低鱼类的摄食量、生长速度和抗病力，导致养殖鱼类生长缓慢或发生病害。由于循环水养殖一般都采取高密度养殖模式，单位水体中的饵料投加量和养殖对象排泄量都很大，必然会造成养殖水体中氨氮浓度升高，C/N降低，如不及时处理，则会影响水产养殖的产量和品质。因此，氨氮的积累是循环水养殖模式中提高养殖密度的重要限制因子，有效 去除水中的氨氮，是循环水养殖系统能否正常高效运行的必要条件。
目前在高密度循环水养殖系统中常用的氨氮去除方法有空气吹脱、离子交换吸附、臭氧氧化处理、沉水植物处理、微生物处理等。空气吹脱是通过调整水体的pH，利用气液相平衡和介质传递亨利定律，向养殖水体中充入大量气体，减少水体中可溶性气体的分压，排出溶解于水体中的NH3，达到去除氨氮的目的。此法对养殖水体的pH要求较高，要稳定保持一个既能大幅提高氨氮处理效率，又能满足鱼类安全生产水体的pH难度较大；同时该方法需要吹入大量空气，降低了养殖水体的温度，导致鱼类生长速度较慢。离子交换吸附是利用交换介质(沸石、氟石、交换树脂等)的物理特性实现养殖水体中氨氮的交换和吸附，从而最终达到降解氨氮的效果。此方法的问题在于吸附剂需要频繁再生，且再生产生的废液仍需进行处理，操作困难、成本较高。臭氧是一种强氧化剂、消毒剂，有消毒和去除水产养殖水中悬浮物的作用，在氨氮处理方面也有较好的效果。臭氧催化氧化可直接将氨氮转化为N2排出水体，但容易产生一些氧化副产物如NO2-和NO3-，反而增加了养殖水体中的硝酸盐含量，同时也会对水体的pH造成影响。沉水植物处理氨氮是通过沉水植物利用养殖鱼类代谢的氮、磷物质，进行光合作用从而达到降解氨氮的目的。但此方法的处理效率和稳定性有待提高，有时还需要在水下补充光照，管理维护较为困难。微生物处理则是利用硝化细菌和亚硝化细菌的硝化作用转化养殖水体中的氨氮，也是目前应用较为广泛的一类氨氮处理技术。常见的微生物处理工艺包括接触氧化法、序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor，SBR)、周期循环活性污泥法(Cyclic Activated Sludge System，CASS)、曝气生物滤池(Biological Aerated Filter，BAF)等。这些工艺有一个共同的特点，就是需要曝气设备，而曝气风机价格较高，且功率都较大，其能耗占到废水处理成本的相当大一部分。
厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation，ANAMMOX)工艺是由荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室所开发，该工艺在厌氧条件下，微生物以CO2或HCO3-为碳源，以NH4+-N为电子供体，NO2--N为电子受体，将NH4+-N直接转化为N2，从而达到脱氮的目的。厌氧氨氧化工艺一般多用来处理高氨氮浓度的废水，但近来有学者发现，在氨氮浓度较低的条件下，厌氧氨氧化反应也能顺利进行，且由于该反应不需要氧气和外加碳源，因此十分适合用于低C/N 的水产养殖废水的低成本脱氮处理。
人工湿地是在天然湿地净化功能基础上发展起来的一种污水处理资源化生态工程技术，具有基建投资低、运行费用少、增加绿地面积、改善和美化生态环境、维护与管理相对简单、处理效果好等优点。其净化途径包括过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物代谢等，通过物理、化学和生物的协同作用，可有效去除废水中的悬浮固体、有机物、氮、磷、重金属和病源微生物。根据废水在湿地内部流态的不同，人工湿地可分为多种类型，其中复合垂直流人工湿地(Integrated Vertical-flow Constructed Wetland，IVCW)以其独特的结构和“下行-上行”水流方式有效解决了其它类型湿地易出现的“短路”现象，给微生物提供了好氧-缺氧-厌氧的生活环境，有利于湿地系统的脱氮作用。同时该技术能够充分利用基质、植物和微生物的综合作用，对废水中的有机物和悬浮物有显著的去除效率。此外，复合垂直流人工湿地独有的流态和结构形成了良好的硝化与反硝化功能区，使得其对氨氮的去除效果要明显优于其它类型的湿地。
厌氧氨氧化工艺能够有针对性地去除废水中的氨氮，但对于其它污染物的净化效果却不甚理想。复合垂直流人工湿地虽可全面去除中低浓度有机废水中的各种污染物，但由于高密度循环水养殖废水中的氨氮浓度往往很高，其氨氮净化效果难以直接达到渔业用水的标准。因此，本实用新型综合两者的优缺点，提出了“厌氧氨氧化+复合垂直流人工湿地”组合处理工艺，高氨氮养殖废水首先进入厌氧氨氧化池进行初步脱氮，再由复合垂直流人工湿地进行全面净化，最终实现对高氨氮废水的强化脱氮处理。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供了一种高效低耗的循环水养殖系统中高氨氮废水的强化脱氮装置，该装置以厌氧氨氧化池和复合垂直流人工湿地为主要处理单元，综合了两者的优点，兼顾了氨氮的强化处理及一般污染物的去除，结构简单，能耗低，处理效果好，使用维护方便。
为了实现上述的目的，本实用新型采用以下技术措施：
一种用于循环水养殖系统的废水强化脱氮的装置，包括机械格栅、集水井、提升泵、厌氧氨氧化池、组合填料、进水管I、布水管I、出水管I、中间沉淀池、进水管II、布水管II、下行流池、下行流池填料、隔墙底部管孔、上行流池、上 行流池填料、收水管、出水管II、下行流池植物、上行流池植物、曝气池、曝气系统和风机，其特征在于：机械格栅与集水井相连，集水井中设置提升泵，提升泵连接进水管I，进水管I进入厌氧氨氧化池，连接布水管I，布水管I敷设于厌氧氨氧化池底部，厌氧氨氧化池中上部布设组合填料，以提高废水脱氮效果，厌氧氨氧化池顶部设置出水管I，出水管I进入中间沉淀池，中间沉淀池出水进入进水管II，进水管II进入下行流池，连接布水管II，布水管II敷设于下行流池填料表面，同时下行流池填料表面种植下行流池植物，下行流池与上行流池通过隔墙底部管孔相连通，下行流池与上行流池的隔墙底部有多个管孔平行并列设置，以保证水流能从下行流池进入上行流池；上行流池中湿地填料表面铺设收水管，同时上行流池填料表面种植上行流池植物，收水管连接出水管II，出水管II穿过上行流池墙体和曝气池墙体，出水管II进入曝气池，曝气池中曝气系统采用微孔曝气形式，由风机供气，通过曝气提高水中的DO浓度。
所述的厌氧氨氧化池高度3-8m，其中布设有由醛化纤纶材质的软性填料与聚乙烯材质的半软性填料组合而成的组合填料，单个片状，串状填充，比表面积3000-5000m2/m3，废水由进水管I进入后，通过布水管I进入厌氧氨氧化池，由下向上流动至厌氧氨氧化池顶部，经出水管I排出，进入中间沉淀池，厌氧氨氧化池中废水上升流速不大于0.5m/h；NH4+-N容积负荷不大于0.5kg/(m3·d)，水力停留时间8-12h，厌氧氨氧化池进水口处设置碱度调节装置和加热装置，北方寒冷地区需在厌氧氨氧化池体外加设隔热保温层。
所述的复合垂直流人工湿地由进水管II、布水管II、下行流池、下行流池填料、隔墙底部管孔、上行流池、上行流池填料、收水管、出水管II、下行流池植物和上行流池植物组成，下行流池中填料为砾石，从下到上分为3层，粒径分别为30-50mm，15-30mm，5-15mm；上行流池填料底层为粒径30-50mm的砾石，中层为粒径15-30mm的砾石，上层为粒径较小的粗砂(0.5-2mm)、高炉渣、硅藻土混合基质，池深0.8-1.2m，下行流池填料厚度比上行流池高10-30cm，底坡取0.5％-1％，水力停留时间12-24h，下行流池和上行流池表面分别种植植物，下行流池表层铺设布水管，上行流池表层布设收水管，两池中间设有隔墙，底部设有管孔，连通下行流池和上行流池。废水由进水管II进入，经过布水管II进入下行流池，由上向下穿越下行流池填料，在下行流池底部汇集后，穿过隔墙底 部管孔进入上行流池，在上行流池中，废水由下向上流动通过上行流池填料，在表层经收水管收集后由出水管II排出。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：
(1)本实用新型针对循环水养殖废水含氮量较高、C/N低的特点，提出厌氧氨氧化+复合垂直流人工湿地工艺，实现了废水深度脱氮的目的。废水经处理后，出水中主要污染物的去除率均在90％以上，总氮、氨氮及其他主要水质指标均可达到《渔业水质标准》(GB 11607-1989)或《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中I～II类水体的要求。
(2)本实用新型实现了水产养殖废水的循环使用，满足了渔业水资源匮乏地区发展水产养殖的需要，同时也避免了水产养殖废水未经处理随意排放对水环境造成的污染。
(3)本实用新型能够高效去除水产养殖废水中的氨氮，为养殖对象营造一个相对稳定且适合其生长的生态环境，从而提高养殖对象的饲料转换率、抗病能力、成活率和生长速度，在节水的同时，实现高密度水产养殖的目的。
(4)本实用新型工艺流程中废水主要依靠重力自流，仅在集水井中经水泵进行了一次提升，同时只在曝气池中设置了简单曝气系统，与常规生物处理工艺相比，设备投入和运行费用均有所降低。
附图说明
图1为一种用于循环水养殖系统的废水强化脱氮装置结构示意图。
其中，1－机械格栅；2－集水井；3－提升泵；4－厌氧氨氧化池；5－组合填料；6－进水管I；7－布水管I；8－出水管I；9－中间沉淀池；10－进水管II；11－布水管II；12－下行流池；13－下行流池填料；14－隔墙底部管孔；15－上行流池；16－上行流池填料；17－收水管；18－出水管II；19－下行流池植物；20－上行流池植物；21－曝气池；22－曝气系统(膜片式微孔曝气，平均孔隙80-100μm)；23－风机(普通)。箭头为水流方向。
具体实施方式
实施例1：
一种实现循环水养殖废水强化脱氮装置，它由机械格栅1、集水井2、提升泵3、厌氧氨氧化池4、组合填料5、进水管I6、布水管I7、出水管I8、中间沉淀池9、 进水管II10、布水管II11、下行流池12、下行流池填料13、隔墙底部管孔14、上行流池15、上行流池填料16、收水管17、出水管II18、下行流池植物19、上行流池植物20、曝气池21、曝气系统22、风机23组成，其连接是：机械格栅1与集水井2相连，集水井2中设置提升泵3，提升泵3连接进水管I6，进水管I6进入厌氧氨氧化池4，连接布水管I7，布水管I7敷设于厌氧氨氧化池4底部，厌氧氨氧化池4中上部布设组合填料7，以提高废水脱氮效果，厌氧氨氧化池4顶部设置出水管I8，出水管I8进入中间沉淀池9，中间沉淀池9出水进入进水管II10，进水管II10进入下行流池12，连接布水管II11，布水管II11敷设于下行流池填料13表面，同时下行流池填料13表面种植下行流池植物19，下行流池12与上行流池15通过隔墙底部管孔14相连通，下行流池12与上行流池15的隔墙底部有多个管孔平行并列设置，以保证水流能从下行流池12进入上行流池15；上行流池15中湿地填料表面铺设收水管17，同时上行流池填料16表面种植上行流池植物20，收水管17连接出水管II18，出水管II18穿过上行流池15墙体和曝气池21墙体，出水管II18进入曝气池21，曝气池21中曝气系统22采用膜片式微孔曝气形式，由风机23供气，通过曝气提高水中的DO浓度。
所述的下行流池植物19具体为宽叶香蒲(Typha latifolia)和剑麻(Agave sisalana)；
所述的下行流池填料13为砾石，从下到上分为三层，粒径分别为30-50mm，15-30mm，5-15mm；
所述的上行流池填料16为下层为粒径30-50mm的砾石，中层为粒径15-30mm的砾石，上层为按一定比例配比的粗砂(粒径0.5-2mm)、高炉渣、硅藻土混合基质；
所述的上行流池植物20具体为美人蕉(Canna genaralis)和水竹(Phyllostachys heteroclada)。
其中，机械格栅1栅距不大于4mm，集水井2内安装提升泵3，集水井有效容积(以最低设计水位计)不小于井中最大一台提升泵15min的出水量，且提升泵每小时启动次数不大于3，提升泵采用自动液位控制，厌氧氨氧化池4NH4+-N容积负荷0.21kg/(m3·d)，水力停留时间12h，中间沉淀池9采用竖流式，表面负荷0.6m3/(m2·h)。
管道均采用UPVC管，使用粘连剂连接，布水管I7、布水管II11与收水管17分为主管和支管，其中主管为DN100，支管为DN75，布水支管沿竖向管轴斜向下45度交错开孔，孔径3mm，收水管支管均匀开孔。
下行流池填料13为砾石，从下到上分为三层，粒径分别为30-50mm，15-30mm，5-15mm，表面种植宽叶香蒲(Typha latifolia)和剑麻(Agave sisalana)；上行流池填料16底层为粒径30-50mm的砾石，中层为粒径15-30mm的砾石，上层为粒径较小的粗砂(粒径0.5-2mm)、高炉渣、硅藻土混合基质，表面种植美人蕉(Canna genaralis)和水竹(Phyllostachys heteroclada)。下行流池填料厚度比上行流池填料高10-30cm，底坡取0.5％-1％，池深0.8-1.2m。
运行方式：间歇运行，理论水力停留时间12-24h。
将本实用新型中的装置，应用于某循环水养殖系统中试试验基地，该试验系统占地面积1500m2，处理水量160m3/d，包括机械格栅、集水井、提升泵、厌氧氨氧化池、组合填料、进水管I、布水管I、出水管I、中间沉淀池、进水管II、布水管II、下行流池、下行流池填料、隔墙底部管孔、上行流池、上行流池填料、收水管、出水管II、下行流池植物、上行流池植物、曝气池、曝气系统和风机。如表1所示，该强化脱氮处理装置能够有效去除循环水养殖废水中的主要污染物，尤其是氨氮和总氮。
表1主要工艺节点污染物去除率(平均值)
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