利用双氧水与紫外线协同去除工厂化循环养殖水体土腥味及杀菌的系统和方法与流程

本发明属于工厂化水产养殖水质处理领域，具体涉及一种在工厂化循环水养殖（recirculating aquaculture system，ras）系统中，利用双氧水（h2o2）与紫外线（uv）协同构建高级氧化工艺（advanced oxidation process，aop），去除养殖水体中土腥味特征物质并同步杀灭病原微生物的系统和方法。

背景技术：

1、工厂化循环水养殖（ras）系统通过机械过滤、生物滤池、曝气增氧等单元实现养殖用水的循环利用，是虹鳟（oncorhynchus mykiss）等冷水性鱼类的重要高密度养殖模式。然而，循环水系统中高密度的鱼群和有机物积累为放线菌（actinobacteria）及蓝藻（cyanobacteria）的大量繁殖提供了有利条件。这些微生物代谢产生土臭素（geosmin，化学名：(4s,4ar,8as)-4,8a-dimethyl-decahydronaphthalene-4a-ol）和2-甲基异莰醇（2-methylisoborneol，2-mib），是造成养殖鱼体出现土腥味（earthy-musty off-flavor）的主要原因。人类嗅觉对土臭素和2-mib极为敏感，嗅觉阈值分别约为4～10 ng/l和6～10 ng/l，即使水体中这两种物质含量极低，消费者仍可感知明显的土腥异味，严重影响产品市售品质和市场价值。

2、现有去除土腥味的技术手段主要包括以下几类：第一，净养（purging）法，即在上市前将鱼转移至清洁水体中暂养数天，待鱼体将吸附的土腥味物质代谢排出，但该方法需要大量清洁水源，且净养时间长，通常7～14天、占用设施面积大、增加生产成本；第二，臭氧氧化法，臭氧对土臭素和2-mib有一定降解效果，但臭氧本身对鱼有毒性，且在循环水系统中难以精确控制残余臭氧浓度，存在对生物滤池硝化菌群的抑制风险；第三，活性炭吸附法，活性炭可吸附土腥味物质，但对溶解有机物具有非选择性，吸附容量有限，更换频率高，运营成本较大；第四，单独紫外照射，对土臭素和2-mib有一定的直接光解效果，但所需紫外剂量极高，通常需超过2000 mj/cm2，能耗大，对鱼体的安全性也存在一定顾虑。

3、上述现有技术均存在处理效率有限、操作复杂或对养殖环境产生不良影响等缺陷，难以在ras系统中实现低成本、高效、稳定的土腥味原位去除与同步杀菌。因此，亟需一种能在循环水养殖过程中原位、持续、安全地降解土腥味物质并有效杀灭病原微生物的新方法。

技术实现思路

1、为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用双氧水与紫外线协同去除工厂化循环养殖水体土腥味及杀菌的系统和方法。通过在ras主循环水系统中设置旁路高级氧化处理单元，由h2o2反应池在线发生h2o2，采用h2o2与uv协同构建高级氧化工艺（aop），利用生成的·oh自由基强氧化性降解土臭素和2-mib，并同步实现广谱高效杀菌；同时通过催化分解单元消除余量h2o2，保障回流水体对虹鳟的安全性；再借助在线监测与闭环反馈实现发生量的自动优化，从根本上解决传统方法效率低、副作用大的问题。

2、本发明的技术方案是：利用双氧水与紫外线协同去除工厂化循环养殖水体土腥味及杀菌的系统，其特征在于：包括预过滤池、双氧水反应池、紫外线反应池、二氧化锰催化分解池、水质稳定池、混合接触安全回流池、在线传感器组、在线监测系统和中央控制系统；

3、所述预过滤池的进液口通过管道连接养殖池出液口；所述预过滤池的出液口分两路：主路通过管道连接至所述混合接触安全回流池的进液口，旁路配备有旁路取水泵并通过管道连接至所述双氧水反应池的进液口；所述双氧水反应池配备有电解在线发生装置，所述电解在线发生装置能够产生双氧水并输入至所述双氧水反应池内；所述双氧水反应池的出液口通过管道连接至所述紫外线反应池的进液口；所述紫外线反应池的出液口通过管道连接至所述二氧化锰催化分解池的进液口；所述二氧化锰催化分解池的出液口通过管道连接至所述水质稳定池的进液口；所述水质稳定池的出液口通过管道连接至所述混合接触安全回流池的进液口；所述混合接触安全回流池的出液口通过管道连接至所述养殖池进液口；

4、所述在线传感器组包括紫外线透过率传感器、进水ph传感器、进水溶解氧传感器、温度传感器、旁路流量计、第一h2o2浓度传感器、紫外线反应池进水流量计、紫外光强监测模块、第二h2o2浓度传感器、出水ph传感器和出水溶解氧传感器；所述在线传感器组内的各传感器与所述中央控制系统通信连接；

5、所述紫外线透过率传感器、进水ph传感器、进水溶解氧传感器和温度传感器设置于所述预过滤池的出液口与所述双氧水反应池的进液口之间的液体管路上；所述旁路流量计设置于所述旁路取水泵后的液体管路上；所述第一h2o2浓度传感器和所述紫外线反应池进水流量计设置于所述双氧水反应池的出液口与所述紫外线反应池的进液口之间的液体管路上；所述紫外光强监测模块设置于所述紫外线反应池的有效紫外照射区域内；所述第二h2o2浓度传感器设置于所述二氧化锰催化分解池的出液口；所述出水ph传感器和出水溶解氧传感器设置于所述水质稳定池内或者所述水质稳定池的出液口；

6、所述在线监测系统内设置有微生物检测单元，所述微生物检测单元能够检测所取样品的土臭素浓度、2-甲基异莰醇浓度、菌落总数、指示菌和特定病原微生物指标，并将检测结果上传至所述中央控制系统；所述微生物检测单元包括有两个自动取样器：一个自动取样器通过取样管连接所述预过滤池的出液口，一个自动取样器通过取样管连接所述水质稳定池的出液口；

7、所述中央控制系统接收所述在线传感器组和所述在线监测系统传输的检测数据，进行实时在线控制调节。

8、进一步的，所述微生物检测单元中，所述土臭素浓度和2-甲基异莰醇浓度采用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用法（spme-gc-ms）或等效自动取样检测方法测定；所述菌落总数采用自动培养计数法、流式细胞计数法或等效检测方法测定；所述指示菌或特定病原微生物采用实时荧光定量pcr、免疫检测或等效生物传感方法测定。

9、进一步的，所述紫外线反应池中采用低压汞灯或中压汞灯，低压汞灯的主波长为254 nm；采用中压汞灯时，以254 nm处的等效有效辐照剂量进行标定，主波长为254nm，紫外辐照剂量为400～1200 mj/cm2。

10、进一步的，所述二氧化锰催化分解池中配备有负载二氧化锰催化剂的填料床。

11、本发明还提供利用双氧水与紫外线协同去除工厂化循环养殖水体土腥味及杀菌的方法，具体步骤如下：

12、步骤一、养殖水体土腥味物质浓度在线监测；

13、所述中央控制系统实时或按设定周期通过在线监测系统取样检测所述预过滤池的出液口处液体中的土臭素浓度、2-甲基异莰醇浓度、菌落总数、指示菌和特定病原微生物指标；

14、所述中央控制系统同步采集所述在线传感器组内的各传感器的检测数据；

15、当土臭素浓度超过10 ng/l或2-甲基异莰醇浓度超过10 ng/l时，进入步骤二；当菌落总数、指示菌或特定病原微生物指标超过设定阈值时，也进入步骤二；

16、步骤二、双氧水在线发生与浓度调控；

17、所述中央控制系统控制启动旁路取水泵，将所述预过滤池内的养殖水输送至所述双氧水反应池内；同时，所述中央控制系统控制所述电解在线发生装置在线产生双氧水并输入至所述双氧水反应池内；当养殖水与在线产生的双氧水充分混合5～15 min后，将混合后的液体输送至所述紫外线反应池内；

18、所述电解在线发生装置在线产生双氧水的约束目标是：在双氧水反应池的出液口通过第一h2o2浓度传感器测得的双氧水反应池目标双氧水浓度能够达到5～20 mg/l；

19、步骤三、紫外协同高级氧化处理；

20、对进入紫外线反应池内的混合液体进行紫外照射，施加的紫外辐照剂量为400～1200 mj/cm2；然后将进行紫外照射后的液体输送至所述二氧化锰催化分解池；

21、uv有效剂量（mj/cm2）由灯管额定功率、反应器有效容积和水体流速联合决定，采用公式：

22、

23、式中：为uv灯管总功率（w）；为灯管辐射效率（低压汞灯约30%～35%）；为紫外线反应池进水流量计测得的液体流量（m3/h）；为紫外线反应池有效体积（m3）。

24、h2o2在254 nm紫外光驱动下发生均裂，每摩尔h2o2产生2摩尔·oh，反应方程式为：

25、

26、所产生的·oh自由基的氧化电位为2.80 v，仅次于氟，其与土臭素和2-mib发生反应，将其氧化降解为小分子有机酸和co2、h2o，同时对细菌、病毒、真菌孢子等水体病原微生物实现高效灭活。

27、经过紫外线反应池处理后的液体的土腥味物质去除率：土臭素≥ 85%，2-mib（2-甲基异莰醇浓度） ≥ 80%；病原微生物灭活：细菌≥ 3-log，病毒 ≥ 4-log。

28、步骤四、余量h2o2消除及水质稳定；

29、进入二氧化锰催化分解池的液体在负载二氧化锰催化剂的填料床空床接触时间3～8 min，使得自所述二氧化锰催化分解池出液口流出的液体经过第二h2o2浓度传感器检测后，残余h2o2浓度不高于0.5 mg/l；

30、催化分解反应为：

31、

32、然后将经过二氧化锰催化分解池催化分解后的液体输送至所述水质稳定池，在所述水质稳定池内进行ph调节和补充曝气，将水质稳定池内的液体ph调节为7.0～8.0，溶解氧调节为浓度不低于8 mg/l；

33、然后将经过所述水质稳定池调节后的液体输送至所述混合接触安全回流池，与所述混合接触安全回流池内通过主路输送过来的养殖水充分混合后回流至养殖池内。

34、进一步的，还包括步骤五、处理效果闭环评价；

35、所述中央控制系统实时或按设定周期通过在线监测系统取样检测所述水质稳定池的出液口处液体中的土臭素浓度、2-甲基异莰醇浓度、菌落总数、指示菌和特定病原微生物指标；

36、以第二h2o2浓度传感器检测的所述二氧化锰催化分解池出液口处液体残余h2o2浓度不高于0.5 mg/l为优先约束；若检测到所述水质稳定池的出液口处液体中土臭素浓度仍超过10 ng/l或2-甲基异莰醇浓度仍超过10 ng/l，则下一循环中央控制系统控制所述电解在线发生装置在线产生双氧水量在当前基础上递增10%～20%；若水体菌落总数、指示菌或者特定病原微生物指标超过设定阈值，则下一循环中央控制系统控制优先提高紫外辐照剂量，每次递增量不超过100 mj/cm2；

37、当紫外线透过率传感器检测到紫外线透过率异常下降、第二h2o2浓度传感器检测到h2o2浓度异常或连续3次递增后仍未达标时，触发系统预警并通知操作人员介入。

38、进一步的，步骤二中旁路取水泵启动取水的流量为预过滤池的出液口总流量的10%～30%。旁路系统与主循环并行运行，不中断正常养殖过程。

39、进一步的，步骤二中所述双氧水反应池目标双氧水浓度按下式确定：

40、；

41、其中，为通过在线监测系统取样检测所述预过滤池的出液口处液体中的土臭素浓度；为通过在线监测系统取样检测所述预过滤池的出液口处液体中的2-甲基异莰醇浓度；为紫外线透过率传感器检测到的254 nm处水体uv透过率；k为经初始标定获得的经验系数，取值为0.05～0.15。

42、进一步的，步骤三中，所述紫外辐照剂量通过紫外剂量计、uvt修正模型或生物剂量法进行标定。

43、进一步的，步骤四中，系统异常或短时波动情况下，自所述二氧化锰催化分解池出液口流出的液体经过第二h2o2浓度传感器检测后，残余h2o2浓度不得超过针对虹鳟设定的1.5 mg/l安全上限。

44、本发明的有益效果是：提供一种利用双氧水与紫外线协同去除工厂化循环养殖水体土腥味及杀菌的系统和方法。通过在ras主循环水系统中设置旁路高级氧化处理单元，由h2o2反应池在线发生h2o2，采用h2o2与uv协同构建高级氧化工艺（aop），利用生成的·oh自由基强氧化性降解土臭素和2-mib，并同步实现广谱高效杀菌；同时通过催化分解单元消除余量h2o2，保障回流水体对虹鳟的安全性；再借助在线监测与闭环反馈实现发生量的自动优化，从根本上解决传统方法效率低、副作用大的问题。

45、去除效率高：uv/ h2o2 aop产生的·oh自由基氧化电位高达2.80 v，对土臭素和2-mib的降解效率显著优于单独uv或单独h2o2处理，在h2o2浓度5～20 mg/l、uv剂量400～1200mj/cm2条件下，土臭素去除率可达85%～98%，2-mib去除率可达80%～95%。

46、杀菌广谱高效：uv辐射形成环丁烷嘧啶二聚体cpd，对细菌dna/rna产生直接损伤，·oh自由基进一步攻击微生物细胞膜和蛋白质，实现3-log以上细菌灭活，同时对弧菌、气单胞菌（）等水产常见病原菌具有良好的控制效果。

47、对养殖对象安全：采用旁路处理模式，h2o2不直接进入养殖池；经催化分解单元处理后残余h2o2 ≤ 0.5 mg/l，远低于虹鳟的安全阈值，不影响鱼体正常生理和生物滤池硝化功能。

48、操作自动化强：全程采用在线传感器与中央控制系统，h2o2发生量和uv剂量可根据实时监测数据自动调整，无需人工频繁操作，适合规模化工厂化养殖场推广应用。

49、副产物安全：h2o2光解及催化分解的最终产物为h2o和o2，不产生二次污染，尾水中无有害残留，符合绿色水产养殖的环保要求。