工廠化循環水養殖中生物過濾系統，你真的了解嗎？

   工廠化循環水養殖模式是以養殖廢水在處理淨化後再循環利用的一種新型水產養殖模式，與傳統的外塘養殖和流水養殖相比，有着節水、省電、高效利用土地資源的明顯優勢，而且通過污水處理可以基本實現養殖廢水零排放，實現可持續發展，其水處理工藝核心便是生物過濾系統。然而，你真的了解這個系統嗎？讓我們來一探究竟。

首先，我們需要了解循環水養殖的主要污染物來源有哪些？

   在水產養殖中，氮是養殖水環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：魚蝦產生的氨、尿素、尿酸、氨基酸；從屍體或者瀕死的養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、排尿和排便所產生的多種含氮廢棄物為大多數。

其次，了解這些含氮污染物都有哪些存在形式，分別對養殖動物都有哪些影響？

   氨作為蛋白質分解代謝的主要產物會通過魚的鰓部以複合氨的形式排出。氨、亞硝酸鹽以及硝酸鹽都是易溶於水的。氨在水中有兩種存在形式：非離子態氨（NH₃）和離子態銨（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。在化學上，通常會根據它們所含有的氮的形式來表示無機氮的組成，例如，NH₄⁺-N（離子態銨氮），NH₃-N（非離子態氨氮），NO₂-N（亞硝態氮），NO₃-N（硝態氮）。這可以更加簡單估算總氨，也便於在硝化反應的不同階段進行轉換。

表1 含氮化合物和氮之間的濃度轉化

   隨着pH和溫度的升高，非離子氨的比例相對於離子銨呈現上升趨勢。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養殖動物有毒害，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於養殖品種和溫度，但正常生產中應保持NH₃-N低於0.2mg/L。

   亞硝酸鹽是硝化反應的中間產物。雖然在通常情況下會迅速轉化為硝酸鹽，但是缺少生物氧化也會造成濃度上升並對養殖動物有毒害作用，尤其是在海水養殖系統中。高濃度的亞硝酸鹽也是生物濾池即將失效的標誌，應當及時處理，可以採取投加亞鹽去除菌（NOB）以強化生物濾池的亞鹽去除功能。亞硝酸鹽的毒性在於影響血紅蛋白運輸氧氣的能力。當進入血液循環系統後，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，因其具有標誌性的棕色，俗稱為「棕血病」。

   硝酸鹽是硝化反應的最終產物，也是所有含氮化合物中毒性最小的。在一般養殖水體中的半致死濃度通常大於800mg/L。在循環水養殖系統中，硝酸鹽濃度通常通過反硝化反應或換水來控制。在換水率低或者水力停留時間長的系統中，反硝化反應作為一種去除硝酸鹽的控制手段正在變的越來越重要。隨着海水養殖系統的增多，由於這些系統的高水力停留時間以及較高的配製和處理鹽水的成本，其對反硝化反應的需求也越來越高。

那麼，這些對養殖動物有害的污染物該如何去除呢？

   前面已經了解到氨、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水養殖系統中，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，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過程。其反向過程被稱為反硝化反應，傳統反硝化反應是在厭氧環境下將硝酸鹽轉化成亞硝酸鹽並最終轉化為氮氣，因其反應條件為厭氧環境，故而在循環水養殖系統中很難實際應用，僅在養殖尾水處理中部分應用。隨着工廠化循環水養殖密度的提高和換水率的減少，尤其是海水養殖，在養殖系統中硝酸鹽的含量極度增高。近兩年，基於硫自養反硝化菌和硫鐵礦作為載體填料發展起來的無需有機碳源的自養反硝化方式去除水體硝酸鹽正在蓬勃發展和應用。

工廠化循環水養殖水處理工藝環節中，生物過濾中的硝化反應是控制氨的有效手段，建立高效的生物過濾系統，是決定工廠化循環水養殖成敗的重要一環!

既然生物過濾如此重要，那麼循環水處理工藝中生物濾池的硝化反應原理是如何的？正常循環運行中，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，由於第一步比第二步具有更快的反應速度，所以總體的反應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。以下反應方程式表示了亞硝化細菌和硝化細菌在氧化反應中的基本過程。

亞硝化反應：NH₄⁺+1.5O₂→NO₂^-+2H⁺+H₂O

硝化反應：NO₂^-+0.5O₂→NO₃^-

總反應：NH₄⁺+2O₂→NO₃^-+2H⁺+H₂O

根據上述化學式可知，硝化反應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）：通過反應方程式可以清楚看出反應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需大於2mg/L，當溶解氧的濃度低於0.5mg/L時，硝化反應將會受到限制。

②pH：從反應方程式可以看出來，氨氧化階段會產生氫離子，水體會變酸，pH呈現下降趨勢，需要及時補鹼，以提高水體pH，一般硝化反應比較適宜的pH範圍為7.0-8.5，當pH低於6.5時，硝化反應會變得極其緩慢，建議水體pH保持在7.5-8.0為宜；當水體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物質來提高水體pH和鹼度。

③溫度：通常硝化細菌適宜生長溫度為15~35℃，15℃以下時，會降低硝化細菌的活性導致反應速度急劇下降，高於40℃時，容易導致細菌滅活失去活性，同樣也會影響反應速度，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於充分流化的狀態，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。

   綜上所述，工廠化循環水養殖中的生物過濾系統在現代養殖業中具有重要的地位和作用。通過了解它的反應原理，調控它的基本運作條件，可以使其更有效地去除養殖廢水中的污染物，保持養殖水體的清潔和穩定。然而，生物過濾系統仍然面臨一些挑戰，需要不斷地進行技術創新和改進。相信隨着科學技術的進步和研究的深入，工廠化循環水養殖中的生物過濾系統將越來越完善，為人類提供健康、安全的水產養殖產品。