循环水养殖系统中生物过滤器技术简介

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循环水养殖系统中生物过滤器技术简介

资讯类型：行业新闻加入时间：2008年5月9日15:58

                              循环水养殖系统中生物过滤器技术简介
                                           朱松明
                                 加拿大农业部食品研究与开发中心
    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1 mg／L，或非离子态氨小于0．025 mg／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最终转化成硝态氮。一般认为，每转化1 g氨氮约需4．18—4．57 g氧，生成0．17 g细菌干物质，同时还消耗7．14 g碱度(碳酸钙)及8．6 g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，欧美一些先进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专用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=0．27 C一0．08 g／(in ·天)，式中C为氨态氮浓度(g／m )。

    (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200 g／m (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。
    3 生物过滤器的基本类型
    生物过滤器的种类很多，目前在欧美较常见的有滴流式过滤器、浸没式过滤器、塑料珠填料过滤器、砂粒流化床过滤器、生物转盘过滤器等。
    (1)浸没式过滤器
    这种过滤器的结构比较简单(图1)，其特点是生物膜依附的固体基物(如碎石、塑料块等)被浸没在水中。含有氨氮及溶氧的水流经过滤器，以供生物膜中的细菌消耗。水流可以是自上而下，也可以自下而上。在过滤器中适当放置充气石，既可增氧，又能增大水体的紊流扩散作用，有效地提高氨氮去除效率。运行一段时间后，过滤器中会有一些沉积物，严重时会引起堵塞，因此需定期清洗。

    (2)滴流式过滤器
    滴流式过滤器的结构与浸没式相近，只是它的固体基物没有被浸没在水中，而是被水喷淋。氧气可直接来自空气，因此一般不需要专门的增氧设备。有时可配置风机，以增大气流供氧。这种过滤器的结构取材比较简单，固体基物的堆积可深可浅。
    (3)填料滚筒式过滤器
    这种过滤器是一个圆柱形通孔滚筒，内含某种空隙表面积较大的填料，作为生物膜生长的固体基物。工作时，滚筒以中心轴缓慢旋转，其中有约一半浸入水中(图2)。在水中的那部分就好像浸没式过滤器，而暴露在空气中的那一半又象滴流式过滤器，因此一般不需增氧装置。滚筒的转速是一个重要参数，过快易使生物膜剥落，过慢会造成暴露部分变干而浸没部分缺氧。这种过滤器不太会被堵塞。

    (4)生物转盘过滤器
    生物转盘与填料滚筒式过滤器的结构相近，只是它用碟片取代了滚筒填料。两者的工作原理与要求也很相似。
    (5)砂粒流化床过滤器
    砂粒流化床主要由容器和一定量的砂粒组成(图3)。工作时，水流自下而上，流速被控制在一定的范围内，使砂粒悬浮在水体中，形成一个具有流化状态的砂床。细菌生物膜生长在砂粒表面。由于砂粒较细，单位体积的表面积很大，因此在同等氨氮去除规模下，总体结构相对较小。这种过滤器的氨氮转化能力和效率都较高。其缺点是能量消耗大，容易堵塞或砂流床难以启动，也会导致砂粒流失。因此，设计与运行管理难度较大。但近年来，砂流床技术在养殖应用中得到了不少改进，如进水口的设计采用侧向涡流和垂直分散式，解决了砂流床启动中经常遇到的问题。

    (6)塑料珠填料过滤器
    塑料珠填料被悬浮在一个封闭的容器内，形成一个静态滤床(图4)。水流自下而上经过时，氨氮被塑料珠表面的生物膜硝化菌转化，同时部分悬浮物被这层静态滤床过滤掉。当塑料珠问的空间被积累的悬浮物占满以后，过滤器需要反冲去除悬浮物。这时，过滤器停止进水，塑料珠床用机械的方式打散，悬浮物与塑料珠脱离后沉淀到过滤器底部，塑料珠浮到过滤器上部重新形成静态滤床，沉淀的污泥被排出后，新的一个过滤循环开始。这种过滤器的缺点是能量消耗相对较高。

    5 生物过滤器的设计与应用
    生物过滤器的设计涉及到与鱼类和硝化菌的代谢有关的物理、生物化学参数，其设计目的是要使所设计的过滤器有足够的硝化菌量来去除鱼摄食生长过程中的氨氮排泄量，维持养殖系统中的氨氮浓度在预定范围以内，以确保鱼类的安全与有效生长。氨氮是鱼类生物代谢活动的产物，而氨氮的转化去除则是硝化菌生命活动的结果。确定氨氮排泄量与生物过滤器的氨氮去除率是设计的最大难点，因为这两个生物过程要受到许多环境因素的影响。
    下面举例简要介绍基本设计思想方法，但由于养殖系统的具体条件(如鱼的品种、水温、饵料、过滤器的类型等等)有所不同，仅供参考。试设计一个砂粒流化床生物过滤器，用于5 000公斤规模的罗非鱼越冬循环水系统。设日饵率为3％，每立方米砂粒的表面积为7 500平方米(砂粒的直径约为0．8毫米)，要求水体离开过滤器时的溶氧浓度不低于3毫克／升。
    设计计算：
    (1)氨氮排泄量(P)：根据表1，以日投饵率的3％计算，则

文章来自：中国过滤器网

文章作者：网络管理员

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