羅國芝，曹寶鑫，陳曉慶，譚洪新

(上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心(上海市科委)，農(nóng)業(yè)部淡水水產(chǎn)種質(zhì)資源重點實驗室，水產(chǎn)科學(xué)國際級實驗教學(xué)示范中心(教育部)，上海海洋大學(xué)，上海 201306)

魚蝦對蛋白質(zhì)需求高但消化吸收能力有限，相當(dāng)一部分投喂飼料中的氮不能被利用[1-2]。開放式養(yǎng)殖系統(tǒng)中未被利用的氮素被排放到周圍水環(huán)境中[3]。封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中通常利用固液分離技術(shù)去除殘餌和糞便。殘餌和糞便包含了養(yǎng)殖過程中30%～60%未被養(yǎng)殖動物利用的氮素，其余未被利用的氮素以有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的形式存在于養(yǎng)殖水體中[4]。氨氮是蛋白質(zhì)代謝的最終產(chǎn)物之一[5]，對水生動物有明顯毒害作用，是養(yǎng)殖過程中主要控制的水質(zhì)指標(biāo)之一[6]。循環(huán)水養(yǎng)殖的養(yǎng)殖密度較高(30～120 kg/m3)、投飼量大(日投飼量為體質(zhì)量的2%～5%，即0.6～6 kg/m3)、投喂飼料蛋白質(zhì)含量較高(30%～50%)、氨氮產(chǎn)生量大(可達(dá)70 mg/(L·d))，需要進(jìn)行有效處理以實現(xiàn)養(yǎng)殖用水的重復(fù)利用[4]。

固定膜式生物過濾器指為硝化細(xì)菌提供附著的載體或者基質(zhì)(常被稱為濾料)，在濾料表面形成生物膜，將氨氮經(jīng)由亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮。與懸浮式生物反應(yīng)器相比，固定生物膜式反應(yīng)器更穩(wěn)定，易于管理和維護(hù)，應(yīng)用更廣泛[7-11]。根據(jù)生物膜載體與水流的接觸方式，可將固定膜式生物反應(yīng)器分為兩種類型：一種是生物膜載體處于移動狀態(tài)，主動與水流接觸，比如流化床(FBB)和移動床(MBBR)；另一種是生物膜載體處于靜止?fàn)顟B(tài)，比如滴濾式過濾器(TF)和浸沒式過濾器(SF)。也可根據(jù)載體在水體中的位置進(jìn)行分類，流化床和移動床的載體完全浸沒在水體里，可以被歸為浸沒式，滴濾式和生物轉(zhuǎn)盤(BD)有部分載體在水體以外，被歸為裸露式。本文對滴濾式、流化床、浸沒式、生物轉(zhuǎn)盤、移動床、珠式生物過濾器(BF)等幾種常用生物過濾器進(jìn)行總結(jié)，為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的氨氮控制研究提供參考。

1 滴濾式生物過濾器

滴濾式生物過濾器頂部有布水管，進(jìn)水向下流過介質(zhì)，保持細(xì)菌濕潤，但并不完全淹沒介質(zhì)(圖1)[13]，是應(yīng)用較早的一種生物過濾方式，很多關(guān)于生物過濾的基礎(chǔ)性研究都是以這種過濾器作為研究對象。典型的溫水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100～250 m3/(m2·d)的水力負(fù)荷，介質(zhì)深度1～5 m，介質(zhì)比表面積100～300 m2/m3，總氨氮(TAN)去除率為0.1～0.9 g/(m2·d)[14]。關(guān)于滴濾式生物過濾器的形狀有兩種類型：高而窄和矮而寬。前者可以增加接觸時間但同時也需增加提升動力，后者的關(guān)鍵是要保證布水的均勻性。在水流一定的情況下建議使用后者。當(dāng)水流量在15～25 L/(min·m2)范圍內(nèi)時，氨氮去除效率主要取決于接觸時間[15]。已報道滴濾式生物過濾器最高氨氮去除效率為1.1 g /(m2·d)[16]。

該種過濾器的載體孔隙空間充滿的是空氣而不是水，所以濾料表面的細(xì)菌不會缺氧。滴濾式生物過濾器的優(yōu)點在于容易建造和操作，可以反沖，能夠有效脫去CO2，運(yùn)行成本較低。主要缺點是易堵塞和“短路”，硝化細(xì)菌的分布不均勻[14]。

圖1 滴濾式生物過濾器工藝

2 靜態(tài)浸沒式生物過濾器

本文中所指浸沒式特指靜態(tài)浸沒式。靜態(tài)浸沒式生物過濾器的載體和生物膜浸沒在水里，水流可以向上、向下或者水平方向(圖2)[17]。

圖2 典型浸沒式生物過濾器示意圖

這種過濾器容易堵塞，內(nèi)部容易缺氧，需要定期機(jī)械沖洗以維持過濾器長期正常工作，在實際使用過程中成本較高，易產(chǎn)生生物腐臭，且運(yùn)作成本較高，現(xiàn)已不常用到。

3 流化態(tài)浸沒式生物過濾器

3.1 流化床

流化床的載體在水流或者氣流的沖擊下呈懸浮狀態(tài)(圖3)[18]。設(shè)計流化床時需要嚴(yán)格計算濾床尺寸、靜止和流化狀態(tài)濾料的壓降、確保膨化的最小水流速度、既定水流速度濾床的膨化狀況及其它可控因素。流化床中膨化1 m 的濾料需要1 m的水頭，設(shè)計時必須要考慮從底部到水面的水頭損失，從水泵出口到流化床的水流表面，總的動態(tài)水泵水頭 0.35～0.55 Pa，具體取決于流化床的高度[19-20]。一般使用小的沙礫和聚氯乙烯(PVC)球做流化床載體，粒徑0.1～1 mm為宜，不超過3 mm，相對密度為1左右，以利于懸浮。PVC球的比表面積可以達(dá)到4 000～20 000 m2/m3，水流速度最高可達(dá)190 L/s，出水中的亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮能夠保持在較低水平[19]。

流化床具有效率高、成本低的優(yōu)點，但需要較高的水流速度以確保濾床的膨化狀態(tài)及其與濾料的充分接觸。Timmons等[21]的研究結(jié)果表明，流化床的建設(shè)成本低于生物轉(zhuǎn)盤、滴濾器、珠式過濾器等。因為不同地區(qū)、不同時期的建造成本會有差異，所以該結(jié)果僅供參考。流化床不需要特意補(bǔ)充氧氣，通過連續(xù)流能提供飽和度大于90%的溶氧(DO)和去除二氧化碳(CO2)。實際使用過程中的水流范圍也比較窄，不能超過設(shè)計流速的±30%；不能靜止時間過長，否則會造成厭氧狀態(tài)。

3.2 移動床式生物過濾器

移動床式生物過濾器(MBBR)和流化床相似，區(qū)別在于MBBR中的濾料密度略低于水，呈懸浮狀態(tài)。濾器中的濾料依靠曝氣和水流的沖擊在水中互相碰撞和剪切，形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜，并充滿整個反應(yīng)器，載體與水體頻繁接觸，因而被稱為“移動的生物膜”，能充分發(fā)揮附著相和懸浮相生物的優(yōu)越性(圖4)[22]。

圖3 流化床生物過濾器

圖4 移動床生物過濾器工作狀態(tài)示意圖

每個濾料內(nèi)部生長一些厭氧菌或兼性好氧菌，外部為好養(yǎng)菌，因此每個濾料都是一個微型反應(yīng)器，可同時進(jìn)行硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)。MBBR的優(yōu)點在于容積得到充分利用，耐沖擊能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，操作方便，維護(hù)簡單，無堵塞，工藝靈活，使用時間長?？刹捎蒙?、淺、方、圓等各種池型，可選擇不同濾料填充率[23]。MBBR應(yīng)用過程中會定期排出脫落的生物膜以維持適宜的處理能力，運(yùn)行過程中不能有死角，以避免產(chǎn)生厭氧狀態(tài)而使水中生成硫化氫等毒性物質(zhì)。

MBBR的氨氮去除效率可以達(dá)到125～267 g /(m3·d)(以未膨化狀態(tài)體積計)，每立方載體、每分鐘需要?dú)怏w0.08～0.13 m3/(min·m3)；0.75 kW的鼓風(fēng)機(jī)可以啟動10～13 m3的載體(載體密度不同，需要的動力會略有差別)[24-25]。

3.3 微珠過濾器

微珠過濾器和流化床及移動床生物過濾器類似(圖5)[26]。用食品級聚乙烯材料作為懸浮載體，直徑3～5 mm，相對密度略低于水，空隙率大于35%，比表面積1 150～1 475 m2/m3，可以同時作為去除5～10 μm粒徑的顆粒物，也可以附著細(xì)菌進(jìn)行硝化和反硝化[27]。微珠過濾器的技術(shù)優(yōu)勢在于可以有效地反洗，既能有效去除截留的固體顆粒物，也能保留必要的生物膜和絮體[28]。

3.4 旋轉(zhuǎn)式生物接觸反應(yīng)器

生物轉(zhuǎn)盤和生物轉(zhuǎn)筒式生物過濾器處理原理相近，均為旋轉(zhuǎn)式生物接觸反應(yīng)器(RBC)(圖6)[29]。

圖6 旋轉(zhuǎn)式生物接觸反應(yīng)器

以生物轉(zhuǎn)盤為例，生物轉(zhuǎn)盤在城市生活污水處理中得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在也被應(yīng)用于高密度養(yǎng)殖廢水的處理中。其優(yōu)點是操作簡單，能夠去除二氧化碳、增加溶氧，并且具有自動清洗能力；缺點是建設(shè)成本高，需要機(jī)械傳動、氣動和水動，支桿和機(jī)械部件經(jīng)常浸沒在水里，會導(dǎo)致機(jī)械故障。生物轉(zhuǎn)盤有35%～40%浸沒在水中，外周切線轉(zhuǎn)速11～15 m/min。如直徑為1.2 m的生物轉(zhuǎn)盤，其設(shè)計轉(zhuǎn)速為3～4 r/min。轉(zhuǎn)盤主要由纖維板、塑料塊組件、聚乙烯管狀的介質(zhì)等組成，比表面積一般為200 m2/m3，硝化率一般為 76 g/(m3·d)?；谶@樣的硝化效率，一般要求能滿足投飼量為3.6 kg/(d·m3)過濾材料的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)盤重量會比自身重量增加10倍，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮該因素。一般情況下，0.02 m3/(min·m3)的空氣量可轉(zhuǎn)動直徑1.22 m的轉(zhuǎn)盤，0.76 kW鼓風(fēng)機(jī)可以轉(zhuǎn)動100 m3的生物轉(zhuǎn)盤[30-31]。

4 各種濾器的氨氮去除率及成本比較

每種生物過濾器都有各自的性能和成本(表1)[32]。滴濾式生物過濾器和RBC的一個最大優(yōu)點是日常運(yùn)作中都會向水流中補(bǔ)充氧氣，還能脫去一部分CO2。相反，靜態(tài)浸沒式、流化床、移動床和微珠過濾器都是純粹的O2消耗者，完全依靠進(jìn)水中的氧氣來維持生物膜的好氧環(huán)境。不管什么原因，一旦進(jìn)水中溶氧不足，就會在生物濾器中產(chǎn)生厭氧環(huán)境，進(jìn)而影響到硝化效率。

濾器的成本與其總比表面積成正比。因滴濾式濾器和RBC的濾料比表面積太低，所以成本較高。相反，浮球式生物過濾器和流化床使用的濾料都有高的比表面積，這比達(dá)到相同比表面積的滴濾器和生物轉(zhuǎn)盤更節(jié)省成本和空間。滴濾器和RBC的另外一個缺點是，如果懸浮顆粒物(SS)控制不當(dāng)，很容易發(fā)生生物腐敗。異養(yǎng)細(xì)菌的生長速度是自養(yǎng)硝化細(xì)菌的10倍左右，這種高的生長率結(jié)合對氧氣的需求不斷地使硝化菌窒息而被埋在生物膜的深處，最終死亡并從生物膜上脫落。

表1 養(yǎng)殖系統(tǒng)中常用生物過濾器的平均氨氮去除率

注：成本分析基于年產(chǎn)454 t的羅非魚循環(huán)水養(yǎng)殖車間

5 生物過濾器設(shè)計舉例

滴濾式生物過濾器是應(yīng)用最早、研究比較系統(tǒng)的一種生物過濾方式，現(xiàn)在正逐漸被移動床生物過濾器和微珠式生物過濾器等取代，但是這幾種生物過濾器在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用研究尚未形成系統(tǒng)的研究成果。本文以滴濾式生物過濾器的設(shè)計為例[33]，介紹生物過濾器設(shè)計時需要考慮的主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計流程，旨在為其它幾種過濾器的設(shè)計提供參考。

(1)背景參數(shù)。以封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖雜交條紋鱸(9 702 kg)為例。固液分離去除殘餌和糞便而損失掉一部分養(yǎng)殖水(一周約換掉總水體的20%)，其它的全部回收利用。與設(shè)計相關(guān)的系統(tǒng)指標(biāo)：商品魚規(guī)格為每尾0.7 kg，最大密度120 kg/m3，水溫24 ℃，日投飼量為體質(zhì)量的2%，水體交換率2～3次/h。水質(zhì)要求：溶氧>5.0 mg/L，pH6.5～9.0，堿度50～400 mg/L，分子態(tài)氨NH3<0.0125 mg/L，氮?dú)?110%氣體飽和度，二氧化碳0～15 mg/L，總懸浮顆粒物<80 mg/L。這也是水處理系統(tǒng)需要達(dá)到的要求[34]。

(2)養(yǎng)殖水體。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量和養(yǎng)殖密度，計算出需要的水體為75.6 m3(目標(biāo)產(chǎn)量/養(yǎng)殖密度，9 072 /120=75.6 m3)

(3)投飼量。日投飼量取決于生物過濾器需要處理的氮素負(fù)荷。本設(shè)計中，早期日投飼量為體質(zhì)量的6%，收獲時1.5%～3.0%，最多投飼量會出現(xiàn)在最后收獲的時候。用2%的日投飼量用來作為氨氮負(fù)荷的估算數(shù)據(jù)，則日投飼量181 kg(目標(biāo)產(chǎn)量×日投飼量)。

(4)氧氣補(bǔ)充量和氨氮產(chǎn)生量。根據(jù)投飼量可以估算需要的氧氣量和氨氮的產(chǎn)生量。1 kg飼料需要消耗0.21 kg溶氧，為了保證絕對安全，增加20%的氧氣量以確保溶氧量，則1 kg飼料需要補(bǔ)充氧氣0.25 kg；產(chǎn)生CO20.28 kg，固體物0.30 kg，TAN 0.03 kg[33]。日投飼181 kg，需要氧氣45.3 kg/d(總投飼量×每千克飼料需氧量)。氧氣傳輸效率在5%～90%不等，在配置氧氣發(fā)生器或羅茨鼓風(fēng)機(jī)時需要考慮?？俆AN產(chǎn)生量為5.4 kg/d(總投飼量×每千克飼料產(chǎn)氨氯)。需要注意的是，氨氮的產(chǎn)生速率不是勻速的，通常投飼后2～3 h左右產(chǎn)氨率最高，可以調(diào)整水體交換率以避免氨氮的突然升高對養(yǎng)殖對象造成的不利影響。以水體交換率為2次/h計算，TAN最高濃度為1.5 mg/(L·h)[總TAN產(chǎn)生量×1 000÷(24 h×養(yǎng)殖水體積×每小時水體交換次數(shù))]。

(5)濾器設(shè)計。24 ℃水溫，1.5 mg/L的TAN質(zhì)量濃度，氨氮的去除率估算為1.0 g/(m2.d)[34]。濾料直徑2.5 cm(1英寸)的塑料環(huán)空隙率92%比表面積220 m2/m3。需要的濾料表面積為5 400 m2(氨氮日產(chǎn)生量×1 000÷日氨氮去除率)。需要的濾料體積為24.6 m3(濾料表面積÷濾料比表面積)。生物過濾器水力負(fù)荷范圍30～225 m3/(m2·d)，則總水流量為3 634 m3/d(養(yǎng)殖水體體積×24 h×每小時水體交換次數(shù))。如果設(shè)置6個過濾器，則每個過濾器承擔(dān)的水量為605.6 m3/d；每個反應(yīng)器濾料體積為4.1 m3?；谧畲笏ω?fù)荷，接觸面的面積為2.7 m2(每個濾器的日處理水量÷最大水力負(fù)荷)。對于圓筒狀過濾器，直徑為1.85 m。假設(shè)圓筒狀過濾器的直徑為2 m，則高度可計算為1.31 m(反應(yīng)器體積÷接觸面積)，則圓筒狀過濾器的主要參數(shù)為：6個過濾器，高度1.3 m，直徑2.0 m，體積4.1 m3，接觸面積3.1 m2，TAN去除效率350～450 g/(m3·d)，水流速度605.6 m3/d。

6 結(jié)論

滴濾式、流化床、浸沒式、生物轉(zhuǎn)盤、移動床、微珠式生物過濾器是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中幾種常用生物過濾器，其中滴濾式、浸沒式現(xiàn)在已基本不用，生物轉(zhuǎn)盤使用較少，流化床、移動床和微珠式生物過濾器使用較廣泛?？筛鶕?jù)養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖產(chǎn)量、養(yǎng)殖用水重復(fù)利用率、商品魚的規(guī)格、最大養(yǎng)殖密度、日投飼量、水體交換率確定需要配置的生物過濾器。

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