循環水養殖系統中幾種常用的固定膜式生物過濾器

羅國芝，曹寶鑫，陳曉慶，譚洪新

(上海水產養殖工程技術研究中心(上海市科委)，農業部淡水水產種質資源重點實驗室，水產科學國際級實驗教學示范中心(教育部)，上海海洋大學，上海 201306)

魚蝦對蛋白質需求高但消化吸收能力有限，相當一部分投喂飼料中的氮不能被利用[1-2]。開放式養殖系統中未被利用的氮素被排放到周圍水環境中[3]。封閉循環水養殖系統中通常利用固液分離技術去除殘餌和糞便。殘餌和糞便包含了養殖過程中30%～60%未被養殖動物利用的氮素，其余未被利用的氮素以有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的形式存在于養殖水體中[4]。氨氮是蛋白質代謝的最終產物之一[5]，對水生動物有明顯毒害作用，是養殖過程中主要控制的水質指標之一[6]。循環水養殖的養殖密度較高(30～120 kg/m3)、投飼量大(日投飼量為體質量的2%～5%，即0.6～6 kg/m3)、投喂飼料蛋白質含量較高(30%～50%)、氨氮產生量大(可達70 mg/(L·d))，需要進行有效處理以實現養殖用水的重復利用[4]。

固定膜式生物過濾器指為硝化細菌提供附著的載體或者基質(常被稱為濾料)，在濾料表面形成生物膜，將氨氮經由亞硝酸鹽氮轉化成硝酸鹽氮。與懸浮式生物反應器相比，固定生物膜式反應器更穩定，易于管理和維護，應用更廣泛[7-11]。根據生物膜載體與水流的接觸方式，可將固定膜式生物反應器分為兩種類型：一種是生物膜載體處于移動狀態，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狀態，比如滴濾式過濾器(TF)和浸沒式過濾器(SF)。也可根據載體在水體中的位置進行分類，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、生物轉盤、移動床、珠式生物過濾器(BF)等幾種常用生物過濾器進行總結，為循環水養殖系統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，進水向下流過介質，保持細菌濕潤，但并不完全淹沒介質(圖1)[13]，是應用較早的一種生物過濾方式，很多關于生物過濾的基礎性研究都是以這種過濾器作為研究對象。典型的溫水系統設計標準為100～250 m3/(m2·d)的水力負荷，介質深度1～5 m，介質比表面積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。當水流量在15～25 L/(min·m2)范圍內時，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，所以濾料表面的細菌不會缺氧。滴濾式生物過濾器的優點在于容易建造和操作，可以反沖，能夠有效脫去CO2，運行成本較低。主要缺點是易堵塞和“短路”，硝化細菌的分布不均勻[14]。

圖1 滴濾式生物過濾器工藝

2 靜態浸沒式生物過濾器

本文中所指浸沒式特指靜態浸沒式。靜態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，內部容易缺氧，需要定期機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，易產生生物腐臭，且運作成本較高，現已不常用到。

3 流化態浸沒式生物過濾器

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(圖3)[18]。設計流化床時需要嚴格計算濾床尺寸、靜止和流化狀態濾料的壓降、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到4 000～20 000 m2/m3，水流速度最高可達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、成本低的優點，但需要較高的水流速度以確保濾床的膨化狀態及其與濾料的充分接觸。Timmons等[21]的研究結果表明，流化床的建設成本低于生物轉盤、滴濾器、珠式過濾器等。因為不同地區、不同時期的建造成本會有差異，所以該結果僅供參考。流化床不需要特意補充氧氣，通過連續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，不能超過設計流速的±30%；不能靜止時間過長，否則會造成厭氧狀態。

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，區別在于MBBR中的濾料密度略低于水，呈懸浮狀態。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”，能充分發揮附著相和懸浮相生物的優越性(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示意圖

每個濾料內部生長一些厭氧菌或兼性好氧菌，外部為好養菌，因此每個濾料都是一個微型反應器，可同時進行硝化反應和反硝化反應。MBBR的優點在于容積得到充分利用，耐沖擊能力強，性能穩定，操作方便，維護簡單，無堵塞，工藝靈活，使用時間長。可采用深、淺、方、圓等各種池型，可選擇不同濾料填充率[23]。MBBR應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，運行過程中不能有死角，以避免產生厭氧狀態而使水中生成硫化氫等毒性物質。

MBBR的氨氮去除效率可以達到125～267 g /(m3·d)(以未膨化狀態體積計)，每立方載體、每分鐘需要氣體0.08～0.13 m3/(min·m3)；0.75 kW的鼓風機可以啟動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，也可以附著細菌進行硝化和反硝化[27]。微珠過濾器的技術優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 旋轉式生物接觸反應器

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

圖6 旋轉式生物接觸反應器

以生物轉盤為例，生物轉盤在城市生活污水處理中得到了廣泛應用，現在也被應用于高密度養殖廢水的處理中。其優點是操作簡單，能夠去除二氧化碳、增加溶氧，并且具有自動清洗能力；缺點是建設成本高，需要機械傳動、氣動和水動，支桿和機械部件經常浸沒在水里，會導致機械故障。生物轉盤有35%～40%浸沒在水中，外周切線轉速11～15 m/min。如直徑為1.2 m的生物轉盤，其設計轉速為3～4 r/min。轉盤主要由纖維板、塑料塊組件、聚乙烯管狀的介質等組成，比表面積一般為200 m2/m3，硝化率一般為 76 g/(m3·d)。基于這樣的硝化效率，一般要求能滿足投飼量為3.6 kg/(d·m3)過濾材料的設計標準。在運行過程中，轉盤重量會比自身重量增加10倍，在設計時應充分考慮該因素。一般情況下，0.02 m3/(min·m3)的空氣量可轉動直徑1.22 m的轉盤，0.76 kW鼓風機可以轉動100 m3的生物轉盤[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的一個最大優點是日常運作中都會向水流中補充氧氣，還能脫去一部分CO2。相反，靜態浸沒式、流化床、移動床和微珠過濾器都是純粹的O2消耗者，完全依靠進水中的氧氣來維持生物膜的好氧環境。不管什么原因，一旦進水中溶氧不足，就會在生物濾器中產生厭氧環境，進而影響到硝化效率。

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，這比達到相同比表面積的滴濾器和生物轉盤更節省成本和空間。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，很容易發生生物腐敗。異養細菌的生長速度是自養硝化細菌的10倍左右，這種高的生長率結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 養殖系統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454 t的羅非魚循環水養殖車間

5 生物過濾器設計舉例

滴濾式生物過濾器是應用最早、研究比較系統的一種生物過濾方式，現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水養殖系統中的應用研究尚未形成系統的研究成果。本文以滴濾式生物過濾器的設計為例[33]，介紹生物過濾器設計時需要考慮的主要技術參數和設計流程，旨在為其它幾種過濾器的設計提供參考。

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

(2)養殖水體。根據目標產量和養殖密度，計算出需要的水體為75.6 m3(目標產量/養殖密度，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荷。本設計中，早期日投飼量為體質量的6%，收獲時1.5%～3.0%，最多投飼量會出現在最后收獲的時候。用2%的日投飼量用來作為氨氮負荷的估算數據，則日投飼量181 kg(目標產量×日投飼量)。

(4)氧氣補充量和氨氮產生量。根據投飼量可以估算需要的氧氣量和氨氮的產生量。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飼料需要補充氧氣0.25 kg；產生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，在配置氧氣發生器或羅茨鼓風機時需要考慮。總TAN產生量為5.4 kg/d(總投飼量×每千克飼料產氨氯)。需要注意的是，氨氮的產生速率不是勻速的，通常投飼后2～3 h左右產氨率最高，可以調整水體交換率以避免氨氮的突然升高對養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產生量×1 000÷(24 h×養殖水體積×每小時水體交換次數)]。

(5)濾器設計。24 ℃水溫，1.5 mg/L的TAN質量濃度，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)。生物過濾器水力負荷范圍30～225 m3/(m2·d)，則總水流量為3 634 m3/d(養殖水體體積×24 h×每小時水體交換次數)。如果設置6個過濾器，則每個過濾器承擔的水量為605.6 m3/d；每個反應器濾料體積為4.1 m3。基于最大水力負荷，接觸面的面積為2.7 m2(每個濾器的日處理水量÷最大水力負荷)。對于圓筒狀過濾器，直徑為1.85 m。假設圓筒狀過濾器的直徑為2 m，則高度可計算為1.31 m(反應器體積÷接觸面積)，則圓筒狀過濾器的主要參數為：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 結論

滴濾式、流化床、浸沒式、生物轉盤、移動床、微珠式生物過濾器是循環水養殖系統中幾種常用生物過濾器，其中滴濾式、浸沒式現在已基本不用，生物轉盤使用較少，流化床、移動床和微珠式生物過濾器使用較廣泛。可根據養殖系統的養殖產量、養殖用水重復利用率、商品魚的規格、最大養殖密度、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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