工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中生物過濾系統(tǒng)，你真的了解嗎？

   工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式是以養(yǎng)殖廢水在處理凈化后再循環(huán)利用的一種新型水產(chǎn)養(yǎng)殖模式，與傳統(tǒng)的外塘養(yǎng)殖和流水養(yǎng)殖相比，有著節(jié)水、省電、高效利用土地資源的明顯優(yōu)勢，而且通過污水處理可以基本實現(xiàn)養(yǎng)殖廢水零排放，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，其水處理工藝核心便是生物過濾系統(tǒng)。然而，你真的了解這個系統(tǒng)嗎？讓我們來一探究竟。

首先，我們需要了解循環(huán)水養(yǎng)殖的主要污染物來源有哪些？

   在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，氮是養(yǎng)殖水環(huán)境廢物的主要組成部分，也是首要隱患。含氮廢棄物有4種主要來源：魚蝦產(chǎn)生的氨、尿素、尿酸、氨基酸；從尸體或者瀕死的養(yǎng)殖動物體上脫落的碎屑；殘餌、糞便以及空氣中的氮氣。尤其是魚通過鰓部擴撒、鰓部離子交換、排尿和排便所產(chǎn)生的多種含氮廢棄物為大多數(shù)。

其次，了解這些含氮污染物都有哪些存在形式，分別對養(yǎng)殖動物都有哪些影響？

   氨作為蛋白質(zhì)分解代謝的主要產(chǎn)物會通過魚的鰓部以復(fù)合氨的形式排出。氨、亞硝酸鹽以及硝酸鹽都是易溶于水的。氨在水中有兩種存在形式：非離子態(tài)氨（NH₃）和離子態(tài)銨（NH₄⁺）。兩者在水中的濃度比例主要受pH、溫度、鹽度的影響。兩者總和（NH₃+NH₄⁺）稱為總氨。在化學(xué)上，通常會根據(jù)它們所含有的氮的形式來表示無機氮的組成，例如，NH₄⁺-N（離子態(tài)銨氮），NH₃-N（非離子態(tài)氨氮），NO₂-N（亞硝態(tài)氮），NO₃-N（硝態(tài)氮）。這可以更加簡單估算總氨，也便于在硝化反應(yīng)的不同階段進行轉(zhuǎn)換。

表1 含氮化合物和氮之間的濃度轉(zhuǎn)化

   隨著pH和溫度的升高，非離子氨的比例相對于離子銨呈現(xiàn)上升趨勢。例如，在20℃、pH值7.0的情況下，非離子氨比例只有0.4%，當(dāng)pH上升到10的時候，其比例也升到80%。非離子氨在低濃度時即對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物有毒害，其96h半致死濃度隨種類不同而變化較大。通過長期觀察，非離子氨的濃度取決于養(yǎng)殖品種和溫度，但正常生產(chǎn)中應(yīng)保持NH₃-N低于0.2mg/L。

   亞硝酸鹽是硝化反應(yīng)的中間產(chǎn)物。雖然在通常情況下會迅速轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，但是缺少生物氧化也會造成濃度上升并對養(yǎng)殖動物有毒害作用，尤其是在海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中。高濃度的亞硝酸鹽也是生物濾池即將失效的標(biāo)志，應(yīng)當(dāng)及時處理，可以采取投加亞鹽去除菌（NOB）以強化生物濾池的亞鹽去除功能。亞硝酸鹽的毒性在于影響血紅蛋白運輸氧氣的能力。當(dāng)進入血液循環(huán)系統(tǒng)后，亞硝酸鹽會氧化血紅蛋白中的鐵，使其從亞鐵離子變成鐵離子，最終變成高鐵血紅蛋白，因其具有標(biāo)志性的棕色，俗稱為“棕血病”。

   硝酸鹽是硝化反應(yīng)的最終產(chǎn)物，也是所有含氮化合物中毒性最小的。在一般養(yǎng)殖水體中的半致死濃度通常大于800mg/L。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，硝酸鹽濃度通常通過反硝化反應(yīng)或換水來控制。在換水率低或者水力停留時間長的系統(tǒng)中，反硝化反應(yīng)作為一種去除硝酸鹽的控制手段正在變的越來越重要。隨著海水養(yǎng)殖系統(tǒng)的增多，由于這些系統(tǒng)的高水力停留時間以及較高的配制和處理鹽水的成本，其對反硝化反應(yīng)的需求也越來越高。

那么，這些對養(yǎng)殖動物有害的污染物該如何去除呢？

   前面已經(jīng)了解到氨、亞硝酸鹽和某些情況下的硝酸鹽是有毒性的，所以在集約化的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，分解去除這些含氮化合物就顯得尤為重要。通過生物濾池去除氨的過程稱為硝化反應(yīng)，包括將氨氧化成亞硝酸鹽和將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的兩步連續(xù)過程。其反向過程被稱為反硝化反應(yīng)，傳統(tǒng)反硝化反應(yīng)是在厭氧環(huán)境下將硝酸鹽轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽并最終轉(zhuǎn)化為氮氣，因其反應(yīng)條件為厭氧環(huán)境，故而在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中很難實際應(yīng)用，僅在養(yǎng)殖尾水處理中部分應(yīng)用。隨著工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖密度的提高和換水率的減少，尤其是海水養(yǎng)殖，在養(yǎng)殖系統(tǒng)中硝酸鹽的含量極度增高。近兩年，基于硫自養(yǎng)反硝化菌和硫鐵礦作為載體填料發(fā)展起來的無需有機碳源的自養(yǎng)反硝化方式去除水體硝酸鹽正在蓬勃發(fā)展和應(yīng)用。

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖水處理工藝環(huán)節(jié)中，生物過濾中的硝化反應(yīng)是控制氨的有效手段，建立高效的生物過濾系統(tǒng)，是決定工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖成敗的重要一環(huán)!

既然生物過濾如此重要，那么循環(huán)水處理工藝中生物濾池的硝化反應(yīng)原理是如何的？正常循環(huán)運行中，我們又該控制好哪些基本條件？

   生物濾池中硝化反應(yīng)是分為兩步的，包括先將氨氧化成亞硝酸鹽再氧化成硝酸鹽。這兩步通常是依序進行的，由于第一步比第二步具有更快的反應(yīng)速度，所以總體的反應(yīng)速度通常通過氨的氧化來控制，如此不會造成明顯的亞硝酸鹽累積。以下反應(yīng)方程式表示了亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌在氧化反應(yīng)中的基本過程。

亞硝化反應(yīng)：NH₄⁺+1.5O₂→NO₂^-+2H⁺+H₂O

硝化反應(yīng)：NO₂^-+0.5O₂→NO₃^-

總反應(yīng)：NH₄⁺+2O₂→NO₃^-+2H⁺+H₂O

根據(jù)上述化學(xué)式可知，硝化反應(yīng)是需要滿足幾個基本條件的，這也是生物濾池日常運行所需要控制好的幾個基本條件：

①溶氧（DO）：通過反應(yīng)方程式可以清楚看出反應(yīng)過程中需要有氧氣參與，所以生物濾池需要保證水體有足夠的溶氧，通常DO需大于2mg/L，當(dāng)溶解氧的濃度低于0.5mg/L時，硝化反應(yīng)將會受到限制。

②pH：從反應(yīng)方程式可以看出來，氨氧化階段會產(chǎn)生氫離子，水體會變酸，pH呈現(xiàn)下降趨勢，需要及時補堿，以提高水體pH，一般硝化反應(yīng)比較適宜的pH范圍為7.0-8.5，當(dāng)pH低于6.5時，硝化反應(yīng)會變得極其緩慢，建議水體pH保持在7.5-8.0為宜；當(dāng)水體pH降低時，可通過添加含有氫氧化物、碳酸鹽或碳酸氫鹽離子的化學(xué)物質(zhì)來提高水體pH和堿度。

③溫度：通常硝化細(xì)菌適宜生長溫度為15~35℃，15℃以下時，會降低硝化細(xì)菌的活性導(dǎo)致反應(yīng)速度急劇下降，高于40℃時，容易導(dǎo)致細(xì)菌滅活失去活性，同樣也會影響反應(yīng)速度，建議水溫25~30℃為宜。

④湍流：在生物濾池運行過程中，需要保持生物載體處于充分流化的狀態(tài)，避免載體漂浮堆積，從而影響載體表面生物膜與水體的充分接觸和反應(yīng)。

   綜上所述，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中的生物過濾系統(tǒng)在現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)中具有重要的地位和作用。通過了解它的反應(yīng)原理，調(diào)控它的基本運作條件，可以使其更有效地去除養(yǎng)殖廢水中的污染物，保持養(yǎng)殖水體的清潔和穩(wěn)定。然而，生物過濾系統(tǒng)仍然面臨一些挑戰(zhàn)，需要不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新和改進。相信隨著科學(xué)技術(shù)的進步和研究的深入，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中的生物過濾系統(tǒng)將越來越完善，為人類提供健康、安全的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品。