一種養殖尾水再生利用的水上稻作方法與流程

2023-05-26 23:20:11 1

本發明涉及一種養殖尾水再生利用的水上稻作方法；屬養殖廢水處理和再利用技術領域。

背景技術：

人工溼地作為一種生態水處理技術，在汙水處理、生態修復等方面得到廣泛應用。有研究表明（孫文章，2014），在水力負荷為0.33m/d時，採用增加溼地基質溶解氧含量，對COD、TAN、TP有最高去除率為84%、69%和68%；對來自沼液廢水，在水力負荷為0.1m/d時，人工溼地對COD、TAN、TP去除率最大，分別為90%、85%、98%（李美玲，2014），一般情況下人工溼地最佳水力負荷在0.5m/d以下（和麗萍，2014），然而受汙染地表水、農村生活汙水等往往具有N、P等汙染物濃度低，水量大等特點，因此，採用人工溼地處理養殖廢水存在佔地面積大的不足。

在人工溼地淨化汙水過程中，植物作用可以歸納為三個方面：1）直接吸收利用汙水中可利用態的營養物質、吸附和富集重金屬和一些有毒有害物質；2）為根區好氧微生物輸送氧氣；3）增強和維持介質的水力傳輸。目前人工溼地選種植物通常為鳶尾、菖蒲、再力花等，這些植物一般為生物量大、根系發達的常綠植物，但存在經濟價值不高，一定程度上影響人工溼地推廣應用。

曝氣生物濾池BAF（Biological Aerated Filter）是20世紀80年代歐美開發的一種新型汙水處理技術。它借鑑了汙水處理接觸氧化法和給水快濾池的設計思路，集曝氣、高濾速、截留懸浮物及定期反衝洗等特點於一體，具有負荷高、佔地少、能耗低、出水好及工藝簡單靈活等優點，曝氣生物濾池借鑑了生物接觸氧化反應器和深床過濾單元的設計原理，省去了二次沉澱池設備,大大減少了佔地面積，它是在普通生物濾池的基礎上發展起來的一種汙水處理新工藝，最大的特點是集生物氧化和截留懸浮固體於一體，節省了後續的二次沉澱池，即保證了良好的處理效果，又最大程度的簡化了處理工藝。曝氣生物濾池工藝還具有機物容積負荷高、水力負荷大、水力停留時間短等特點。曝氣生物濾池的濾料一般為合成纖維、聚苯乙烯小球、波紋板等材料，在運行過程中由於濾料堵塞，必須通過反衝洗恢復水處理特性，普遍採用的反衝洗方式是氣水聯合反衝洗，即先用氣衝，再用氣、水聯合衝洗，最後再用水漂洗，因此，曝氣池的建設、使用和維護存在費用過大的不足。

技術實現要素：

本發明的目的在於：針對現有技術存在的上述問題，提供一種養殖尾水再生利用的水上稻作方法；該方法可根據工程情況，通過控制曝氣強度和水力負荷，提升對水產養殖廢水等低汙染物濃度水體淨化功能和水處理體量，並通過經濟作物的種植，實現更高的經濟效益和更好的環境效益。

本發明的技術方案是：

一種養殖尾水再生利用的水上稻作方法；其特徵在於，它包括以下步驟：

1）、將水上稻作系統中的養殖池塘中的養殖廢水通過涵管經暗渠排入集水井中，以進行粗過濾和沉降；

2）、經粗過濾和沉降的廢水通過進水提升泵提升，經管道流入種植池的進水管；並溢流進入楔形配水槽以對種植池進行均勻的布水;

3）、溢流入種植池廢水首先經進水端卵石濾層再次過濾，以進一步去除集水井未能過濾的固體顆粒物質；

4）、經進水端卵石濾層粗過濾的廢水進入種植池，種植池底部鋪設有基質，基質上方通過陶粒浮板種植有水稻，種植池中陶粒浮板的覆蓋率控制在50%~70%；通過種植池底部基質的間隙和水稻根區陶粒基質間隙的生物膜，可將大分子含氮有機物分解為小分子無機物釋放到外層水體，以促進植物吸收作用，同時發達的水稻根系對廢水中殘留的顆粒物質能起到明顯的截留，以實現廢水的再次淨化。

5）、水稻在種植過程中，在水稻返青期前需控制濾池水力負荷不低於1.16 m3/(m2·d)，並於分櫱期、抽穗期、揚花期和灌漿期噴施葉面肥，以保證水稻不同生長期營養需求；

6）、水稻在種植過程中種植池內的廢水，一是通過種植池底部基質的間隙和水稻根區陶粒基質間隙的生物膜進行硝化反硝化作用，二是同時控制與總曝氣管連通的鼓風機的運行時間，以控制對種植池的曝氣強度，使其在合適的氣水比條件下，促使種植池內部能夠形成較完善的厭氧-缺氧-好氧區，由此增加內部微生物活性，實現同步硝化和反硝化過程，以對廢水進行淨化；

7）、種植池中反覆淨化的廢水經收水端卵石濾層又一次過濾後，通過總收水管與溢流管連接流入收水池，然後經收水池一側暗管流入修飾塘；

8）、向修飾塘添加硅藻藻種和硅藻促生劑，利用未被種植池降解的營養物質進行硅藻培育，提升修飾塘中水體溶氧，處理過後的水體由修飾塘的出水口，通過與出水口連通的地下砼管回流入養殖池塘進水溝，再以跌水的方式回流入養殖池塘回用，從而實現一次養殖尾水的再生利用；如此反覆，完成養殖池塘的養殖廢水淨化和淨化過程中的水稻種植；

步驟5所述的水稻種植過程包括：

1）、品種選擇：

選擇生長期能夠覆蓋養殖生物主要養殖期，矮梗，高質高產的品種，並按常規方法進行育秧；

2）、移栽：

在秧齡為30-35天時，採用人工進行移栽，每個定植籃移栽2-3個秧苗，並用陶粒固定秧苗植株；

3）、施肥：

由於種植池中沒有土壤基質，因此不宜按照傳統稻田種植的施肥方式；總體按照N:P:K=1:0.5:1.2的比例進行施肥。

）、葉面肥噴施：

根據水稻生長情況，適時適量噴灑葉面肥進行補充。從移栽到收穫，水稻生長分為分櫱期、拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、黃熟期，根據各時期水稻生長情況進行適時適量的追肥；施肥量按照水稻生長前期多，後期少的原則；追肥氮磷鉀比例與基肥一致，也可根據水稻營養元素實際缺乏情況按照營養元素缺乏症檢索表進行調整。

5）、病害防治：

種植池水稻病害相對傳統農田較少，其防治方法與傳統方法種植水稻一致，在噴灑農藥後應保持3—5天左右不換水。

水位管理：

基肥施加後，種植池停止進排水，僅開啟曝氣裝置，保持3-5天至水稻返青。水稻夠苗後，為抑制無效分櫱，濾池暫停運行，排空曬田。曬田程度與傳統水稻種植一致。曬田完成後即可恢復運行。水稻收割前一周，種植池排空，暫停運行，水稻收割後恢復運行。

水稻收割：

水稻種植過程中的雜草主要採用人工清除，水稻成熟後採用人工收割。水稻收割後取出陶粒浮板中的定植籃，將定植籃中的稻草根拔除。

步驟1）所述水上稻作系統包括養殖池塘、種植池，設置在種植池一側的進水池和設置在種植池另一側的收水池，進水池內設置有與集水井連通的濾池進水管，進水池與種植池之間設置有溢流牆，溢流牆的頂端設置有楔形配水槽，靠近溢流牆一側的種植池內設置有進水端卵石濾層，靠近收水池一側的種植池內設置有收水端卵石濾層，進水端卵石濾層和收水端卵石濾層均為斜坡狀。

所述種植池的底部設置有基質，基質內埋設有多孔收水管，多孔收水管內設置有納米微孔曝氣管，納米微孔曝氣管與鼓風機連通，種植池的水面設置有陶粒浮板，陶粒浮板內設置有栽培孔，栽培孔內設置有定植籃，多孔收水管與總收水管連通，總收水管與設置在收水池中的溢流管連通，收水池與修飾塘連通。

所述的修飾塘的四側為斜坡狀，修飾塘的底部及四側自下至上設置有植絨土工膜、砂墊層和植草砼塊層。

所述的集水井內設置有橫向空心磚牆和縱向空心磚牆，集水井的一角設置有集水井進水口，集水井的另一角設置有集水井出水口，集水井進水口與養殖池塘連通，集水井出水口與種植池連通，集水井進水口處的橫向空心磚牆和縱向空心磚牆為夾層空心磚牆，夾層空心磚牆內設置有卵石。

所述的多孔收水管為多根且平行分布在基質內，各個多孔收水管均與對應的立管連通，立管的頂端設置有封蓋，封蓋上設置有納米微孔曝氣管安裝孔，各個多孔收水管內的納米微孔曝氣管穿出納米微孔曝氣管安裝孔與總曝氣管連通，總曝氣管與鼓風機連接。

所述的基質為輕質陶粒，輕質陶粒的容重為7~10kN/m3，

所述的陶粒浮板由陶粒、珍珠巖、矽酸水泥、粉煤灰和泡沫混合壓制而成。

表1 水稻營養元素缺乏症檢索表

為表明本本發明的有益效果，進行了各項對比試驗，其結果如下：

表2. 稻作系統對實驗塘養殖尾水的利用效果

集水井進水和修飾塘出水之間的比較具顯著性差異（P<0.05），表2中，上標a和b分別用來區別集水井進水相關數據和修飾塘出水相關數據。

從表2可以看出，溼地出水水質參數均顯著低於進水水質參數（P<0.05），養殖池塘廢水中氮磷營養物質的利用率從35.91%到80.96，通過該複合循環水養殖系統，能有效利用池塘養殖廢水中的氮磷營養物質。

表3水稻考種指標

本發明相對於現有技術具有以下有益效果：

1、增加了可調節的底部曝氣增氧設備，結合了曝氣生物濾池有機物容積負荷高、水力負荷大、水力停留時間短等特點，相對減少了投資運行和維護成本；

2、使用輕質頁巖陶粒作為溼地的基質，增強了溼地的水力學特性，為微生物提供更大的附著面積，增強系統對汙染物的去處。該基質的特點是疏鬆多孔、通氣性好、表面積大，主要表現為：一方面便於微生物的附著，特別是為硝化細菌和反硝化細菌提供了良好的附著點；另一方面便於曝氣管中的氧氣進入溼地，為硝化細菌提供充足的氧氣，同時，由於該基質多孔，含水率高，便於溼地形成厭氧環境，有利於反硝化作用除氦。此外，這種基質質輕，鬆散容量小，有足夠的機械強度，有效避免堵塞，提高了運行周期；

3、選擇輕質浮床作為水生植物的載體，設計了專用的栽培盤，相對於直接在溼地基質中栽種植物更加方便；

4、選擇了具有經濟價值的植物（如水稻、空心菜、水芹菜和水雍菜等），通過種植經濟作物，發達的根系不僅可以吸附攔截固體顆粒，根部形成的好氧/缺氧區促進硝化和反硝化的反應進程，並且能夠產生一定的經濟效益。此外由於人工溼地的植物種植效果，使得植物水面相映營造了優美的環境效果。並且本發明通過將養殖池塘廢水引入種植池，不僅淨化了水質，同時也為種植池中的水稻生長提供了營養物質，將水質淨化和經濟作物種植有機的結合起來，實現不同生物之間的共生互利關係，營養物質得到循環。

附圖說明

圖1為本發明的種植池的結構示意圖；

圖2為本發明的種植池的俯視結構示意圖；

圖3為本發明的陶粒浮板的俯視結構示意圖；

圖4為本發明的陶粒浮板的剖面結構示意圖；

圖5為本發明的集水井的俯視結構示意圖；

圖6為本發明的修飾塘的截面結構示意圖。

圖中：1、種植池，2、進水池，3、收水池，4、集水井，5、濾池進水管，6、溢流牆，7、進水端卵石濾層，8、收水端卵石濾層，9、基質，10、多孔收水管，11、納米微孔曝氣管，12、陶粒浮板，13、定植籃，14、總收水管，15、溢流管，16、修飾塘，17、立管，18、植絨土工膜，19、砂墊層，20、植草砼塊層，21、水稻，22、橫向空心磚牆，23、縱向空心磚牆，24、集水井進水口，25、集水井出水口。

具體實施方式

將水上稻作系統中的養殖池塘中的養殖廢水通過涵管經暗渠排入集水井4中，以進行粗過濾和沉降。水上稻作系統包括養殖池塘、種植池1，設置在種植池一側的進水池2和設置在種植池另一側的收水池3，進水池2內設置有與集水井4連通的濾池進水管5，進水池2與種植池1之間設置有溢流牆6，溢流牆6的頂端設置有楔形配水槽，靠近溢流牆6一側的種植池1內設置有進水端卵石濾層7，靠近收水池3一側的種植池1內設置有收水端卵石濾層8，進水端卵石濾層7和收水端卵石濾層8均為斜坡狀。進水端卵石濾層7和收水端卵石濾層8選用粒徑為8～15cm的卵石構建，進水端卵石濾層7和收水端卵石濾層8的高度均為90cm。

種植池1的底部設置有基質9，基質9為輕質陶粒，輕質陶粒的容重為7~10kN/m3，基質9的厚度為30cm，基質9的粒徑為1～2cm，空隙率為0.4的陶粒。構成基質9的輕質陶粒由於其疏鬆多孔的特性，增加了底部曝氣輸送的氣體與水體的接觸面積與擴散路徑，便於微生物附著，且能有效避免基質9堵塞，基質9表面覆蓋聚乙烯網片，覆蓋聚乙烯網片四周及中部通過卵石袋壓住，以防止基質9因加水上浮。

基質9內埋設有多個多孔收水管10，多孔收水管10內設置有納米微孔曝氣管11，多孔收水管10上開設有孔徑為0.6cm的收水孔。多孔收水管10平行分布在基質9內，其一端設置有與其對應並連通的立管17，立管17的頂端設置有封蓋，封蓋上設置有氣管安裝孔，各多孔收水管10內的納米微孔曝氣管11穿出安裝孔與總曝氣管連通，總曝氣管與鼓風機連接；鼓風機的功率選用0.75KW，出氣量為110m3/h 。

種植池1的水面設置有陶粒浮板12，陶粒浮板12由陶粒、珍珠巖、矽酸水泥、粉煤灰和泡沫原料混合壓制而成。陶粒浮板12內設置有栽培孔，陶粒浮板12的長寬厚為0.5m×0.5m×0.08m，種植池1陶粒浮板12的覆蓋率保持在50%~70%。陶粒浮板12橫向2~3塊，縱向8~12塊，通過細尼龍繩固定組合，以強化陶粒浮板12抗風浪能力和穩定性；陶粒浮板12上設置的栽培孔數量為4個，栽培孔孔徑為10cm，栽培孔內設置有定植籃13。從而通過定植籃13將水稻21栽種於陶粒浮板129中，水稻栽種密度為9.24株/m2，定植籃13內填充有陶粒，以起到固定水稻21的作用。

多孔收水管10一端設置有總收水管14，多孔收水管10與總收水管14連通；總收水管14與設置在收水池3中的溢流管15連通，收水池3與修飾塘16連通。

修飾塘16的底部及四側自下至上設置有植絨土工膜18、砂墊層19和植草砼塊層20。

集水井4內設置有橫向空心磚牆22和縱向空心磚牆23，集水井4的一角設置有集水井進水口24，集水井4的另一角設置有集水井出水口25，集水井進水口24與養殖池塘連通，集水井出水口25與種植池1連通，集水井進水口24處的橫向空心磚牆22和縱向空心磚牆23為夾層空心磚牆，夾層空心磚牆內設置有卵石。

在集水井4中通過粗過濾和沉降的養殖廢水通過提升泵提升（提升泵305採用功率：3-4KW，揚程：30m。），經管道流入濾池進水管5，並通過楔形配水槽均勻的對種植池1進行溢流布水。

溢流入種植池1中的廢水首先經進水端卵石濾層7進行再次過濾，以進一步去除集水井4未能過濾的固體顆粒物質；經進水端卵石濾層7粗過濾的廢水進入種植池1，由於種植池1底部鋪設有基質9，基質9上方通過陶粒浮板12種植有水稻21，且種植池1中陶粒浮板109的覆蓋率控制在50%~70%；種植池1底部基質9的間隙和水稻21根區陶粒基質間隙的生物膜通過硝化反硝化作用，可將大分子含氮有機物分解為小分子無機物釋放到外層水體，促進植物吸收作用，發達的水稻21根系對廢水中殘留的顆粒物質能起到明顯的截留作用。

水稻21在種植過程中，在水稻21返青期前需控制濾池水力負荷不低於1.16 m3/(m2·d)，並於分櫱期、抽穗期、揚花期和灌漿期噴施葉面肥，以保證水稻21營養需求。

水稻21在種植過程包括：

品種選擇：

選擇生長期能夠覆蓋養殖生物主要養殖期，矮梗，高質高產的品種，如：Y兩優11號，全生育期135天左右，秧齡期30天左右。並按常規方法進行育秧；

移栽：

根據所選水稻品種的不同，移栽秧苗的秧齡也有所差異。常規手栽中苗一般在6葉期左右移栽，秧齡30-35天。如，Y兩優11號秧齡期30天左右，應選擇此時的秧苗進行移栽。通常稻田移栽密度約20-30穴/m2，陶粒浮板12栽培孔密度通常略低於該水平，且養殖肥水營養相對水稻21生長所需水平較低，移栽時需相對常規稻田增加每穴苗數。採用人工移栽，每個定植籃2-3個秧苗，用陶粒固定秧苗植株。

施肥：

由於生物濾池沒有土壤基質，因此不宜按照稻田種植的施肥方式。養殖水體氮磷元素較為充足，而鉀比較缺乏。總體按照N:P:K=1:0.5:1.2的比例進行施肥，另外根據養殖肥水中氮磷比例，可適當調整添加的配比和劑量。按照少量多次的原則進行施肥。基肥、孽肥、穗肥、粒肥等可按照約30%：30%：20%：20%的比例進行施加，也可結合水稻實際生長情況進行調整。

葉面肥噴施：

根據水稻生長情況，適時適量噴灑葉面肥進行補充。從移栽到收穫，水稻生長分為分櫱期、拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、黃熟期，根據各時期水稻生長情況進行適時適量的追肥；施肥量按照水稻生長前期多，後期少的原則；追肥氮磷鉀比例與基肥一致，也可根據水稻營養元素實際缺乏情況按照營養元素缺乏症檢索表進行調整（參見表1）。

病害防治：

種植池水稻病害相對傳統農田較少，其防治方法與傳統方法種植水稻一致，在噴灑農藥後應保持3——5天左右不換水。

水位管理：

基肥施加後，種植池停止進排水，僅開啟曝氣裝置，保持3-5天至水稻返青。水稻夠苗後，為抑制無效分櫱，濾池暫停運行，排空曬田。曬田程度與傳統水稻種植一致。曬田完成後即可恢復運行。水稻收割前一周，種植池排空，暫停運行，水稻21收割後恢復運行。

水稻收割：

水稻種植過程中的雜草主要採用人工清除，水稻成熟後採用人工收割。水稻收割後取出陶粒浮板12中的定植籃13，將定植籃13中的稻草根拔除。

水稻21在種植過程中種植池1內的廢水，一是通過種植池1底部基質9的間隙和水稻根區陶粒基質間隙的生物膜進行硝化反硝化作用，二是同時控制與總曝氣管連通過的鼓風機的運行時間，以控制對種植池1的曝氣強度，使其在合適的氣水比條件下，促使種植池內部能夠形成較完善的厭氧-缺氧-好氧區，由此增加內部微生物活性，實現同步硝化和反硝化過程，達到對廢水進行淨化的目的；

種植池1中完成淨化的廢水經收水端卵石濾層8又一次過濾後，通過總收水管14和與其連通的溢流管15連接流入收水池3，然後經收水池3一側暗管流入修飾塘16。

修飾塘16為長×寬×深=17m×10m×1m的磚塊混凝土結構，修飾塘16的四壁為坡度為1：1.5的斜壁，修飾塘16的植絨土工膜18的厚度為4mm、砂墊層19的厚度為200mm，植草砼塊層20的厚度為60mm。植絨土工膜18起到防滲作用，砂墊層19位於植絨土工膜18和植草砼塊20之間，植草砼塊20上種植有植物，不僅可以固定砂墊層19和植草砼塊20之間的連接，還可以通過光合作用為修飾塘16中水體復氧。

向修飾塘16中分別添加硅藻藻種和硅藻促生劑，利用未被種植池1降解的營養物質進行硅藻培育，提升修飾塘16中水體溶氧，處理過後的水體由修飾塘16的出水口，通過與出水口連通的地下砼管回流入養殖池塘進水溝，再以跌水的方式回流入養殖池塘回用，從而完成一次廢水淨化循環；如此反覆，完成養殖池塘的養殖廢水淨化和淨化過程中的水稻種植；

本發明種植池1採用序批式進水—停留反應—連續出水—排空閒置的方式運行，種植池1的水力停留時間為24小時，水力負荷為0.58 m3/(m2·d)，鼓風機向種植池1的通氣量與種植池1中水的體積的比值氣水比為2:1。每天上午8點對種植池1進行布水，種植池1中的水力停留時間為24小時，期間每3小時曝氣30分鐘，於第二天上午8點將水排出，並回流至各養殖池塘。

上述描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。