循环水养殖系统中生物过滤器技术

  摘　要　简要介绍了固定膜式氨氮生物过滤器技术在循环水养殖（工厂化养殖）系统中的应用,包括其基本工作原理、主要影响因素、过滤器的基本类型及其在发达国家的研发与应用简况,并通过一个参考例子说明了其设计的基本思路与方法。
    关键词　工厂化养鱼　循环水　生物过滤器　生物膜　氨态氮
　　氨氮是鱼排泄物中的一个重要成分,它对鱼的毒性很大。一般鱼类养殖水体中要求总氨氮量不高于1mg/L,或非离子态氨小于0.025mg/L。生物过滤器用于去除氨氮,是循环水工厂化养殖系统的重要装置,其主要功能是通过细菌的作用,将氨氮转化为一般不具毒性的硝态氮。当然生物过滤器也有分解有机物的作用。本文将对生物过滤器技术作一基本介绍。
    1生物过滤器简介
    用于水处理的生物过滤器有两大类:有机物消化菌类与氨氮转化菌群类。循环水养殖系统中用到的是后一类,该过滤器的细菌以氨氮为基质生长并将氨氮zui终转化成硝态氮。一般认为,每转化1g氨氮约需4.18～4.57g氧,生成0.17g细菌干物质,同时还消耗7.14g碱度（碳酸钙）及8.6g有机碳。
    如按细菌生长的形式,生物过滤器又可分为悬浮生长式与固定膜式两类。养殖系统中常用的是固定膜式过滤器。顾名思义,这类过滤器的特点是氨态氮转化菌群依附在某种固体表面上生长,氨氮通过扩散的方式传递到固定生物膜内并被转化掉。因此,我们可以通过对固定膜面积的估算,对生物过滤器的工作进行设计与评估。
    近10年多来,欧美一些*国家对用于水产养殖系统的生物过滤器作了很多研究,对氨氮去除动态特性有了进一步的理解,并获得一些初步定量技术指标和经验设计参数（表1）。同时,近年来世界上还逐渐研发了一些于养殖系统的生物过滤器,比如塑料珠过滤器、流化床过滤器等。
    2生物过滤器的主要影响因素
    （1）氨态氮浓度由于鱼类生长的要求,生物过滤器都在氨氮浓度很低的条件下工作,这一点与工业水处理中的生物过滤器有很大的不同。在低浓度下,生物过滤器的氨氮去除率可以认为与氨氮浓度成正比。如有国外学者从试验中总结出,氨态氮去除率R=0.27C-0.08g/（m2·天）,式中C为氨态氮浓度（g/m3）。
     
    （2）溶解氧浓度
    生物过滤器工作中需要大量溶解氧。因此,溶解氧常常成为过滤器氨态氮去除率的一个限制因素。一般要求溶解氧浓度是氨态氮浓度的2.5倍以上。
    （3）有机物含量
    鱼类排泄物及饵料残渣使养殖水体的有机物含量较高。虽然氨氮转化菌的生长也需要一定的有机物,但过多的有机物会引发有机物消化菌的繁殖,并与氨氮转化菌在生物膜中竞争生长空间、溶解氧及营养物。而且,有机物消化菌的繁殖率比氨氮转化菌要快得多,这是造成养殖系统生物过滤器氨氮去除率低的重要原因。例如,当生化需氧量（COD）与氨态氮之比大于2.7时,氨氮去除率将下降70%左右。
    （4）pH值与碱度
    当pH值小于6.0时,生物过滤器工作效率大为下降,甚至停止。对氨氮转化生物过滤器来说,pH值的优化范围是7～9。氨氮转化过程中消耗很多碱度,因此需要添加缓冲剂来维持稳定pH值,使碱度维持在200g/m3（碳酸钙）以上。另一方面,从鱼的角度来看,pH值又不能太高,因为pH越高,毒性很大的非离子态氨的比例就越大,鱼的中毒危害可能性也越大。例如20℃水温的水体,当pH=7.0,8.0,9.0时,非离子态氨占总态氨的比例分别为0.39%,3.80%,28.30%。
    （5）水温
    一般认为,水温越高,过滤器的氨氮转化反应速度越快。但事实上如果水温在一定范围内缓慢变化,氨氮转化菌对温度有一定的调节适应能力,这样生物过滤器的工作效率不会受到较大的影响。例如试验表明,当生物过滤器在20℃或27℃水温下长期运行时,其氨氮去除率并没有明显差异。然而,如果水温突然大幅度下降,则细菌的生长会受到很大抑制,过滤器的工作效率将大为下降;如果水温突然上升较多,过滤器的工作效率也不会很快提高。
   （6）水体的对流混合作用
   由于固定膜式过滤器是依赖于物质（氨氮、溶解氧等）扩散传递来工作的,固定膜与水体间的对流混合作用对其工作效率影响很大。试验表明,适当增大水体的对流混合将有效地提高氨氮去除率。