用于紫扇贝养殖生物污垢废水的集成单宁基混凝与太阳能高级氧化处理系统:设计、性能及水回用潜力

《Aquacultural Engineering》:Integrated tannin-based coagulation and solar advanced oxidation treatment system for biofouling wastewater from Argopecten purpuratus scallop culture: design, performance, and water reuse potential

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月01日 来源:Aquacultural Engineering 4.4

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   摘要在Argopecten purpuratus(紫扇贝)养殖系统中去除生物污损过程中产生的废水含有高水平的污染物,包括悬浮固体 (32,200 mg/L)、总有机碳 TOC (920.8 mg/L)、色度 (2,715 PCU) 和Vibrio spp.(弧菌属)(2.09

  

摘要

在Argopecten purpuratus(紫扇贝)养殖系统中去除生物污损过程中产生的废水含有高水平的污染物,包括悬浮固体 (32,200 mg/L)、总有机碳 TOC (920.8 mg/L)、色度 (2,715 PCU) 和Vibrio spp.(弧菌属)(2.09×104 CFU/mL)。如果不经处理直接排放,这些污染物会给沿海受纳水体带来病原体传播和富营养化的风险;然而,针对这种特定废水的处理策略仍未得到充分探索。本研究首次对该复杂水产养殖废水基质进行了综合混凝/絮凝和太阳高级氧化工艺 (AOPs) 的系统评估。单宁基预处理 (1 g/L) 在使用 250 W 离心泵和 5 μm 过滤阶段时,分别实现了对浊度、色度和总悬浮固体 (TSS) 83%、88% 和 73% 的去除率。结合 UV-A、O? 和 H?O? 的 AOP 配置通过灭活动力学(鸡 - 沃森、Hom 和 Geeraerd 模型)和协同作用量化进行了比较评估。三元 UV-A/O?/H?O? 系统实现了最佳的整体性能:总可培养细菌减少 4.27 log??,Vibrio spp.(弧菌属)减少≥3.3 log??,以及 94.2% 的 TOC 去除率。值得注意的是,UV-A+O? 系统对Vibrio spp.(弧菌属)表现出卓越的协同作用 (SI ≥ 9.03),这是一种对单独处理特别具有抗性的海洋生物。处理后的废水显示出符合智利灌溉标准 (NCh 1.333) 的潜力,支持在水资源匮乏的科金博地区进行安全的水回用。

引言

东缘上升流系统是洪堡德洋流系统的一部分,是地球上生产力最高的海洋生态系统之一。其动力学有利于富含营养物质的深层水上涌,从而维持重要的渔业和水产养殖活动 (Pe?a-Ja?a et al., 2025)。这些条件影响了Argopecten purpuratus(紫扇贝)的养殖,对智利北部的水产养殖工业具有重要意义 (González et al., 2025, González et al., 2024)。事实上,在智利水产养殖部门中,扇贝养殖位列第三大生产活动 (Bakit et al., 2024)。
海水的高生物生产力也促进了附生生物结壳的生长,通常称为污损或生物污损,出现在绳索、珍珠网、灯笼和浮标等悬浮式水产养殖系统上 (Loayza-Aguilar et al., 2024)。生物污损的影响可能会降低扇贝的生长率并增加死亡率,这是由于网内水流减少,意味着食物和溶解氧的供应减少 (Coleman et al., 2021),需要在灯笼更换或收获时处理扇贝,以及进行清洁劳动以去除生物污损 (Noren et al., 2025)。
为此,使用高压机器清洗养殖系统以去除生物污损,其中使用了大量淡水 (Comas et al., 2021),产生了含有高负荷有机物、微生物、色度和刺激性气味的废水。例如,可以发现Vibrio spp(弧菌属),它们是在水产养殖海水系统中常见的机会主义者 (Boisard et al., 2026),可以在海水中的塑料表面上产生生物膜 (Kesy et al., 2021);可能导致慢性感染 (Hokin et al., 2026),因其致病特性代表了一种环境风险 (Jauregui et al., 2026) (Son et al., 2026)。
这种废水在排放前需要处理以避免环境影响 (Andrés-Ma?as et al., 2024),如浊度、富营养化和病原体的存在。然而,考虑到降雨减少 (Shakya and Khan, 2025) 和缺水 (Sharma et al., 2025);(Munia et al., 2020) 影响干旱和半干旱地区 (Zhang et al., 2022) 的复杂情况,因此研究和技术策略的开发对于通过净化和回收水用于灌溉等不同目的来解决这个问题非常重要。
高级氧化工艺 (AOPs) 是优势方法,允许消毒过程 (Blanchon et al., 2024) 以及有机物的去除 (Santiago-Espi?eira et al., 2025)。这些方法基于活性氧物种的形成,如羟基自由基 (HO•)、硫酸盐自由基、超氧化物和单线态氧等 (Li et al., 2022)。这些物种是强氧化剂,能够降解水基质中各种有机和生物污染物 (Khan et al., 2023)。有许多 AOPs,如光催化、紫外线照射、臭氧化、超声 (Chen et al., 2025)、电化学过程 (Qing et al., 2021) 和等离子体技术,后者整合了紫外线、热辐射和电磁场的影响,其中产生了强效的抗菌活性物种 (Balazinski et al., 2026),需要考虑基础设施和运营成本 (Gopalakrishnan et al., 2023)。
例如,一种基于钯掺杂、氧空位修饰 TiO?的光催化剂被评估用于废水中抗生素的氧化,显示出高稳定性和光催化效率 (Kanjal et al., 2025)。
此外,利用银修饰缺氧 TiO?作为光催化剂,药物污染物如甲氨蝶呤已被完全去除,这是由于形成了氧空位以改善光催化性能 (Kanjal et al., 2026)。
由于胶体和总悬浮固体可以降低紫外线透射率,为了提高光解或光催化过程的效率,需要预处理,如沉淀、过滤和气浮,以减少阴影效应 (Dong et al., 2022)。过滤过程的使用可以去除大于过滤孔的颗粒;因此,它对细小颗粒的胶体没有用 (Andrés-Ma?as et al., 2024)。混凝/絮凝技术被广泛用于诱导胶体颗粒的沉淀,否则它们将自然无法沉降 (Dotto et al., 2019)。该过程涉及添加化学试剂,如铝矾土 (Ebeling et al., 2006),通过中和其表面的排斥静电荷来使水中的胶体脱稳。结果,颗粒可以与其他颗粒相互作用,形成更大的聚集体或絮体。一旦这些絮体生长到足够大小,它们就可以沉淀并通过沉淀去除 (Bruno et al., 2020)。一种可以作为混凝剂使用的试剂是单宁,这是一类来源于植物的高分子量多酚类物质 (>500 Da),表现出水溶性和生物降解性 (Lebron et al., 2020)。
混凝/絮凝过程的应用已被广泛研究用于去除水产养殖废水中的浊度和悬浮固体。例如,在混凝过程中使用聚合氯化铝和聚丙烯酰胺实现了从海参养殖废水中去除 92.7% 的总悬浮固体 (Wang et al., 2026)。使用有机和生物基絮凝剂,如粘质沙雷氏菌,从鲶鱼养殖废水中去除浊度显示出有前途的结果,去除率为 70.6% (Kurniawan et al., 2023)。此外,从Litopenaeus vannamei(凡纳滨对虾)外骨骼获得的壳聚糖已显示出对处理水产养殖废水有用的混凝和絮凝能力,实现了从苋属废水中去除 92.7% 的浊度。
在利用太阳 AOPs 处理水产养殖废水的情况下,很少有研究解决这一问题。在这方面,一项创新工艺评估了太阳/过氧单硫酸铁在消除水产养殖废水中抗药性细菌以及抗药性基因中的应用 (Li et al., 2023)。
在对太阳能消毒应用于净化被Enterobacter spp(肠杆菌属)、Pseudomonas spp.(假单胞菌属)和Aeromonas spp.(气单胞菌属)污染的废水的评估中,当太阳能 UV 与 H2O2 一起应用时,获得了最高水平的病原体消除 (Villar-Navarro et al., 2021)。
Silva 等人 (2023) 研究了在模拟太阳辐射下使用 TiO2-碳量子点复合材料从水产养殖废水中去除抗生素。尽管对清洗水产养殖养殖系统过程中产生的废水的环境担忧日益增加,但关于处理扇贝养殖废水的科学信息仍然有限,特别是那些以高浓度的悬浮固体、溶解有机物、色度和致病微生物为特征的废水。此外,针对这种特定废水基质的综合预处理和高级氧化策略的性能仍然了解甚少。在智利北部等水资源匮乏的地区,开发不仅减少污染物负荷而且能够实现水回收和回用的高效处理技术变得越来越重要。因此,本研究评估了综合单宁混凝/絮凝和过滤预处理与太阳 UV-A+O?+H?O? 高级氧化工艺,以处理在清洗*A. purpuratus* 养殖系统过程中收集的高污染废水。

章节片段

材料与方法

在 2025 年 12 月的一次采样活动中,从智利科金博用于*A. purpuratus* 扇贝养殖清洗灯笼系统的回转鼓式过滤器处理废水中收集了 200 L 水样。该废水的特征是高浓度的有机物和微生物。收集后,废水储存在密封的膨胀聚乙烯容器中,4°C 保存,并在收集后 5 天内使用。表 1 展示了主要特性

结果与讨论

本研究对六个处理参数进行了同时评估:色度、浊度、总悬浮固体、总可培养细菌、Vibrio spp.(弧菌属)和 TOC。这种多参数方法允许对处理性能进行全面评估。

结论

本研究首次对综合处理系统进行了系统评估,即用单宁进行混凝/絮凝和过滤,随后进行太阳高级氧化工艺,以处理在Argopecten purpuratus(紫扇贝)养殖系统中去除生物污损过程中产生的废水,这是一种研究较少的废水类型,以极端污染物负荷为特征。SNF p-25 单宁 (1 g/L) 预处理实现了对浊度 (83%)、色度 (88%) 和总悬浮

CRediT 作者贡献声明

Katherine Villalobos: 写作 – 审阅与编辑,软件,方法论,形式分析,数据管理,概念化。Agustín Olivares: 写作 – 审阅与编辑,可视化,方法论,形式分析,数据管理,概念化。Nataly Morales: 写作 – 审阅与编辑,验证,软件,方法论,调查,概念化。Jaime Chacana: 写作 – 审阅与编辑,可视化,验证,资源,调查,资金获取,形式分析,

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢智利国家研究与发展局对 SDGS230505102867 项目的资金支持。
罗德里戈·波布莱特 | 娜塔利·莫拉莱斯 | 奥古斯丁·奥利瓦雷斯 | 凯瑟琳·比利亚洛博斯 | 海梅·查卡纳
北方天主教大学,海洋科学学院,风险预防与环境学院,科金博,智利
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