循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生物反應(yīng)器脫氮技術(shù)

賴才勝，王智勇，許嘉翔，王廣軍，李志斐

（1.廣東省惠州市惠城區(qū)水產(chǎn)技術(shù)推廣站，惠州 516001；2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所，廣州 510380）

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)因占地面積大，適合養(yǎng)殖的地域有限，易受地理氣候條件影響，加上越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和水產(chǎn)品安全性問(wèn)題，已越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。在此背景下，具有節(jié)水、節(jié)地、產(chǎn)品質(zhì)量高度可控性和可追溯性等優(yōu)點(diǎn)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)日益引起關(guān)注。在歐洲等部分發(fā)達(dá)國(guó)家，已在其商業(yè)化的成魚(yú)和育苗系統(tǒng)中全部采用循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)。在廣大科技工作者的努力下，我國(guó)的循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)也得到了一定程度的發(fā)展，從基礎(chǔ)理論、裝備集成創(chuàng)新、商業(yè)化養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建等各層面均取得了一定成果?，F(xiàn)就應(yīng)用生物反應(yīng)器去除循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中硝酸鹽氮的技術(shù)作一些介紹和探討。

1 、循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)硝酸鹽氮的產(chǎn)生及其影響

水處理技術(shù)是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的關(guān)鍵，在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水處理技術(shù)中，主要是通過(guò)生物過(guò)濾器的硝化作用將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，從而導(dǎo)致水體中積累很高的硝酸鹽氮濃度。據(jù)報(bào)道，系統(tǒng)中最高硝酸鹽氮濃度可達(dá)400-500mg/L。相對(duì)于氨氮和亞硝態(tài)氮而言，硝酸鹽氮對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的毒性相對(duì)較低，但是大量研究表明，高濃度硝酸鹽氮也會(huì)影響?zhàn)B殖對(duì)象的生長(zhǎng)，造成水生動(dòng)物的生長(zhǎng)速度降低、易患病、成活率降低等，甚至是中等濃度的硝酸鹽氮(30-60mg/L)也會(huì)影響?zhàn)B殖對(duì)象的組織發(fā)育和激素分泌，導(dǎo)致體質(zhì)變?nèi)跎踔了劳觥Ｍ瑫r(shí)，高濃度硝酸鹽氮含量的養(yǎng)殖水體與環(huán)境受納水體進(jìn)行交換，也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化和地下水硝酸鹽含量超標(biāo)的因素之一。因此，研究者認(rèn)為將循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的硝酸鹽氮濃度控制在50mg/L以下為較理想濃度?？梢哉J(rèn)為，對(duì)于一個(gè)真正“零交換”的閉合循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)而言，脫氮功能單元是必須在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)實(shí)施中加以構(gòu)建的。

2 、生物反應(yīng)器脫氮的主要影響因素

2.1 溶解氧

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)常采用純氧、液體氧通過(guò)氣水混合器輸入養(yǎng)殖池中，以滿足飼養(yǎng)對(duì)象的生長(zhǎng)要求，一般溶解氧多在4mg/L以上。但多數(shù)反硝化細(xì)菌在完全好氧的條件下，不能合成完整的反硝化酶系統(tǒng)，所以一般情況下反硝化作用在厭氧或者兼性厭氧狀態(tài)下進(jìn)行。因此，進(jìn)行反硝化時(shí)需要先去除氧氣，溶解氧控制在0.5mg/L為宜，處理好后再重新充氧。最近已經(jīng)有研究者開(kāi)始研究循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的有氧反硝化，并取得了一定的研究成果。

2.2 水力停留時(shí)間

大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行證實(shí)，反硝化反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間對(duì)處理效果影響很大，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，硝酸鹽氮去除率越高，水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)的連續(xù)性要求水產(chǎn)養(yǎng)殖用水反硝化處理的連續(xù)性。反硝化反應(yīng)裝置的水體停留時(shí)間不宜太長(zhǎng)，以適應(yīng)生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。

2.3 溫度

溫度對(duì)反硝化的影響主要是使反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率降低，同時(shí)使菌體的代謝率降低，從而降低了反硝化速率。反硝化反應(yīng)的適宜溫度為15-35℃，當(dāng)溫度低于10℃，反硝化速率明顯下降，溫度低于3℃，反硝化作用停止，因此必須注意溫度的控制。

2.4 pH

反硝化的最佳pH范圍是在7.0-8.0之間，當(dāng)環(huán)境中的pH偏離這一最佳值，反硝化速率逐漸下降。環(huán)境中的pH不僅會(huì)影響反硝化速率，而且也影響到反硝化的最終產(chǎn)物。當(dāng)pH低于6.0-6.5時(shí)，最終產(chǎn)物以N2O占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)pH＞8時(shí)，會(huì)出現(xiàn)亞硝酸鹽氮的積累，當(dāng)pH越高時(shí)，積累愈嚴(yán)重。

2.5 碳源

異養(yǎng)反硝化過(guò)程需要有機(jī)碳源，可以為反硝化細(xì)菌所利用的碳源是多種多樣的，一般認(rèn)為，當(dāng)廢水中所含的碳(BOD5)、氮比值大于3時(shí)，無(wú)須外加碳源，即可達(dá)到脫氮的目的。水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料中一般蛋白含量在40%左右，脂肪含量在30%左右。經(jīng)過(guò)飼養(yǎng)對(duì)象的消化吸收和微生物的轉(zhuǎn)化，水體中一般碳(BOD5)、氮比值在1-2之間，所以需要對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水體進(jìn)行預(yù)處理，比如添加有機(jī)碳源的方式或者進(jìn)行自養(yǎng)反硝化。

3 、生物反應(yīng)器脫氮方法

3.1 異養(yǎng)反硝化

異養(yǎng)反硝化工藝指缺氧條件下異養(yǎng)菌將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程，同時(shí)需要有機(jī)碳源作為電子供體，用于產(chǎn)能和細(xì)胞合成的一類工藝。異養(yǎng)反硝化細(xì)菌在硝酸鹽轉(zhuǎn)換過(guò)程中是十分有效的,已成功應(yīng)用于各種廢水處理領(lǐng)域，各種工藝設(shè)計(jì)參數(shù)較多。國(guó)外循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的脫氮功能大多依據(jù)異養(yǎng)反硝化完成，在去除水體硝酸鹽氮的同時(shí)產(chǎn)生堿度，從而彌補(bǔ)系統(tǒng)中因硝化作用而引起的pH下降。然而，若需完成異養(yǎng)反硝化，水質(zhì)中碳(BOD5)、氮比值需達(dá)3-6，針對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水體的C/N比較低的水質(zhì)特點(diǎn)，在脫氮過(guò)程中需要投加有機(jī)碳源。在異養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中投加甲醇等液體碳源存在過(guò)量的風(fēng)險(xiǎn)，也對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)提出較高要求，尤其在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)硝酸鹽氮存在波動(dòng)的情況下，碳源投加量的調(diào)控更加困難。棉花、麥稈等固體碳源可以降低運(yùn)行成本，但也因?yàn)榇嬖谔荚瘁尫判实筒⑶页煞謴?fù)雜，在去除硝酸鹽的同時(shí)易污染出水水質(zhì)。近幾年，研究者轉(zhuǎn)而采用可生物降解材料（BDPs）作為碳源用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化，其優(yōu)勢(shì)在于BDPs為非水溶性物質(zhì)，只能在微生物體內(nèi)酶的作用下進(jìn)行生物降解為反硝化菌提供碳源，不會(huì)向水中浸出有害物質(zhì)，對(duì)出水水質(zhì)的影響小，并且有較高的反硝化效率，因此，BDPs工藝運(yùn)用于養(yǎng)殖水體進(jìn)行脫氮逐漸獲得研究者的關(guān)注。

3.2 自養(yǎng)反硝化

自養(yǎng)反硝化工藝是指氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程全部是由自養(yǎng)菌完成，整個(gè)過(guò)程不需外加任何可生物降解有機(jī)碳化合物的一類工藝。自養(yǎng)反硝化不需向反應(yīng)器中投加有機(jī)碳源，只靠碳酸鹽或重碳酸鹽為碳源，利用無(wú)機(jī)物(如H2、S2、S、Fe、Fe2+等)作為硝酸根還原的電子供體，由自養(yǎng)反硝化菌將硝酸鹽還原為氮?dú)狻Ｅc異養(yǎng)反硝化相比，自養(yǎng)反硝化不需要向水體引入有機(jī)物，可避免對(duì)養(yǎng)殖水體的再次污染。自養(yǎng)反硝化有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：①不用外加有機(jī)碳源，進(jìn)而降低成本；②產(chǎn)泥量少，減少對(duì)出水水質(zhì)的影響。自養(yǎng)反硝化根據(jù)電子供體的不同又可分為：硫自養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化。

(1)硫自養(yǎng)反硝化：以硫?yàn)殡娮庸w的硫自養(yǎng)反硝化具有工況維持簡(jiǎn)易穩(wěn)定，反硝化速率較高，產(chǎn)泥速率慢等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)脫氮是完全可行的。但硫自養(yǎng)反硝化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽，污染水質(zhì)，因此硫酸鹽濃度的控制至關(guān)重要，直接影響到硫自養(yǎng)反硝化能否在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中得到推廣和應(yīng)用，若要真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，需要針對(duì)硫酸鹽濃度積累的控制問(wèn)題做更為細(xì)致的研究。

(2)氫自養(yǎng)反硝化：以氫為電子供體的氫自養(yǎng)反硝化不產(chǎn)生任何影響水質(zhì)安全的副產(chǎn)物，是一種清潔的水體脫氮方法。但外源供氫具有安全隱患，而且利用效率低，通過(guò)電化學(xué)過(guò)程產(chǎn)氫很難收集氫氣，并且生成氫氣又比較昂貴，不適宜處理較大體積的養(yǎng)殖用水。

3.3 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化工藝是指在厭氧環(huán)境中，同時(shí)存在氨氮和亞硝酸鹽氮時(shí)，厭氧氨氧化細(xì)菌利用氨氮作為電子供體，亞硝酸鹽氮作為電子受體，產(chǎn)生氮?dú)獾纳锓磻?yīng)。與其他脫氮工藝相比較，厭氧氨氧化實(shí)現(xiàn)了氨氮的短途徑化，具有不需要外加電子供體、不產(chǎn)生堿度、產(chǎn)泥少等優(yōu)點(diǎn)。但其工藝要求亞硝酸鹽氮的穩(wěn)定積累，厭氧氨氧化菌對(duì)環(huán)境要求苛刻，反應(yīng)器種類及構(gòu)型也會(huì)影響厭氧氨氧化過(guò)程的脫氮效率，使得厭氧氨氧化過(guò)程的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行面臨很多困難，限制了其在水體脫氮中的推廣應(yīng)用。如若將其應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng),該技術(shù)還需解決一些迫切需要解決的問(wèn)題,比如：厭氧氨氧化的脫氮機(jī)理、動(dòng)力學(xué)及細(xì)菌方面的研究，目前很大程度上都尚處于推測(cè)階段,有待進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解；接種污泥來(lái)源與縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間、工藝參數(shù)和運(yùn)行邊界條件的控制因素等都還需要進(jìn)行更為細(xì)致的研究。

4 、展望

循環(huán)水養(yǎng)殖模式是水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要發(fā)展方向，在發(fā)達(dá)國(guó)家已成為傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖業(yè)的補(bǔ)充和替代產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)也正受到越來(lái)越多的重視，得到了快速的發(fā)展。而以前我國(guó)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水處理工藝的研究上多集中在硝化型生物過(guò)濾器設(shè)備性能等方面，通過(guò)硝化型生物過(guò)濾器的硝化作用將水體的氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，水體中積累的硝酸鹽氮濃度通常很高[8]。高硝酸鹽氮濃度已經(jīng)成為影響?zhàn)B殖對(duì)象生長(zhǎng)的一個(gè)重要因素，如何有效去除工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的硝酸鹽，降低對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象產(chǎn)生的有害影響，是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的一個(gè)急需解決的問(wèn)題。近來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)始關(guān)注循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中脫氮的研究，在應(yīng)用生物反應(yīng)器脫氮技術(shù)去除硝酸鹽的研究上已經(jīng)有所進(jìn)展，但這些研究大部分停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段，對(duì)于商業(yè)規(guī)模的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，還缺少實(shí)踐的檢驗(yàn)，在開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本的商業(yè)性反硝化設(shè)備方面，尚需要開(kāi)展大量的、有針對(duì)性的基礎(chǔ)研究。

（略）