循环水养殖系统生物反应器脱氮技术

赖才胜，王智勇，许嘉翔，王广军，李志斐

（1.广东省惠州市惠城区水产技术推广站，惠州 516001；2.中国水产科学研究院珠江水产研究所，广州 510380）

传统水产养殖业因占地面积大，适合养殖的地域有限，易受地理气候条件影响，加上越来越严重的环境问题和水产品安全性问题，已越来越难以实现可持续性发展。在此背景下，具有节水、节地、产品质量高度可控性和可追溯性等优点的循环水养殖系统日益引起关注。在欧洲等部分发达国家，已在其商业化的成鱼和育苗系统中全部采用循环水养殖技术。在广大科技工作者的努力下，我国的循环水养殖产业也得到了一定程度的发展，从基础理论、装备集成创新、商业化养殖系统构建等各层面均取得了一定成果。现就应用生物反应器去除循环水养殖系统中硝酸盐氮的技术作一些介绍和探讨。

1 、循环水养殖系统硝酸盐氮的产生及其影响

水处理技术是循环水养殖系统的关键，在循环水养殖系统的水处理技术中，主要是通过生物过滤器的硝化作用将氨态氮转化为硝酸盐氮，从而导致水体中积累很高的硝酸盐氮浓度。据报道，系统中最高硝酸盐氮浓度可达400-500mg/L。相对于氨氮和亚硝态氮而言，硝酸盐氮对养殖对象的毒性相对较低，但是大量研究表明，高浓度硝酸盐氮也会影响养殖对象的生长，造成水生动物的生长速度降低、易患病、成活率降低等，甚至是中等浓度的硝酸盐氮(30-60mg/L)也会影响养殖对象的组织发育和激素分泌，导致体质变弱甚至死亡。同时，高浓度硝酸盐氮含量的养殖水体与环境受纳水体进行交换，也是引起水体富营养化和地下水硝酸盐含量超标的因素之一。因此，研究者认为将循环水养殖系统中的硝酸盐氮浓度控制在50mg/L以下为较理想浓度。可以认为，对于一个真正“零交换”的闭合循环养殖系统而言，脱氮功能单元是必须在系统的整体设计实施中加以构建的。

2 、生物反应器脱氮的主要影响因素

2.1 溶解氧

循环水养殖系统常采用纯氧、液体氧通过气水混合器输入养殖池中，以满足饲养对象的生长要求，一般溶解氧多在4mg/L以上。但多数反硝化细菌在完全好氧的条件下，不能合成完整的反硝化酶系统，所以一般情况下反硝化作用在厌氧或者兼性厌氧状态下进行。因此，进行反硝化时需要先去除氧气，溶解氧控制在0.5mg/L为宜，处理好后再重新充氧。最近已经有研究者开始研究循环水养殖系统的有氧反硝化，并取得了一定的研究成果。

2.2 水力停留时间

大量实验和实际运行证实，反硝化反应进行的时间对处理效果影响很大，水力停留时间越长，硝酸盐氮去除率越高，水产养殖活动的连续性要求水产养殖用水反硝化处理的连续性。反硝化反应装置的水体停留时间不宜太长，以适应生产的连续进行。

2.3 温度

温度对反硝化的影响主要是使反硝化细菌的生长速率降低，同时使菌体的代谢率降低，从而降低了反硝化速率。反硝化反应的适宜温度为15-35℃，当温度低于10℃，反硝化速率明显下降，温度低于3℃，反硝化作用停止，因此必须注意温度的控制。

2.4 pH

反硝化的最佳pH范围是在7.0-8.0之间，当环境中的pH偏离这一最佳值，反硝化速率逐渐下降。环境中的pH不仅会影响反硝化速率，而且也影响到反硝化的最终产物。当pH低于6.0-6.5时，最终产物以N2O占优势。当pH＞8时，会出现亚硝酸盐氮的积累，当pH越高时，积累愈严重。

2.5 碳源

异养反硝化过程需要有机碳源，可以为反硝化细菌所利用的碳源是多种多样的，一般认为，当废水中所含的碳(BOD5)、氮比值大于3时，无须外加碳源，即可达到脱氮的目的。水产养殖饲料中一般蛋白含量在40%左右，脂肪含量在30%左右。经过饲养对象的消化吸收和微生物的转化，水体中一般碳(BOD5)、氮比值在1-2之间，所以需要对循环水养殖系统的水体进行预处理，比如添加有机碳源的方式或者进行自养反硝化。

3 、生物反应器脱氮方法

3.1 异养反硝化

异养反硝化工艺指缺氧条件下异养菌将硝酸盐氮转化为氮气的过程，同时需要有机碳源作为电子供体，用于产能和细胞合成的一类工艺。异养反硝化细菌在硝酸盐转换过程中是十分有效的,已成功应用于各种废水处理领域，各种工艺设计参数较多。国外循环水养殖系统的脱氮功能大多依据异养反硝化完成，在去除水体硝酸盐氮的同时产生碱度，从而弥补系统中因硝化作用而引起的pH下降。然而，若需完成异养反硝化，水质中碳(BOD5)、氮比值需达3-6，针对循环水养殖系统水体的C/N比较低的水质特点，在脱氮过程中需要投加有机碳源。在异养反硝化系统中投加甲醇等液体碳源存在过量的风险，也对系统的稳定运行和维护提出较高要求，尤其在循环水养殖系统硝酸盐氮存在波动的情况下，碳源投加量的调控更加困难。棉花、麦秆等固体碳源可以降低运行成本，但也因为存在碳源释放效率低并且成分复杂，在去除硝酸盐的同时易污染出水水质。近几年，研究者转而采用可生物降解材料（BDPs）作为碳源用于循环水养殖系统的异养反硝化，其优势在于BDPs为非水溶性物质，只能在微生物体内酶的作用下进行生物降解为反硝化菌提供碳源，不会向水中浸出有害物质，对出水水质的影响小，并且有较高的反硝化效率，因此，BDPs工艺运用于养殖水体进行脱氮逐渐获得研究者的关注。

3.2 自养反硝化

自养反硝化工艺是指氨氮转化为氮气的过程全部是由自养菌完成，整个过程不需外加任何可生物降解有机碳化合物的一类工艺。自养反硝化不需向反应器中投加有机碳源，只靠碳酸盐或重碳酸盐为碳源，利用无机物(如H2、S2、S、Fe、Fe2+等)作为硝酸根还原的电子供体，由自养反硝化菌将硝酸盐还原为氮气。与异养反硝化相比，自养反硝化不需要向水体引入有机物，可避免对养殖水体的再次污染。自养反硝化有两个优势：①不用外加有机碳源，进而降低成本；②产泥量少，减少对出水水质的影响。自养反硝化根据电子供体的不同又可分为：硫自养反硝化和氢自养反硝化。

(1)硫自养反硝化：以硫为电子供体的硫自养反硝化具有工况维持简易稳定，反硝化速率较高，产泥速率慢等优点，将其应用于循环水养殖系统脱氮是完全可行的。但硫自养反硝化过程会产生硫酸盐，污染水质，因此硫酸盐浓度的控制至关重要，直接影响到硫自养反硝化能否在工厂化循环水养殖系统中得到推广和应用，若要真正实现商业化，需要针对硫酸盐浓度积累的控制问题做更为细致的研究。

(2)氢自养反硝化：以氢为电子供体的氢自养反硝化不产生任何影响水质安全的副产物，是一种清洁的水体脱氮方法。但外源供氢具有安全隐患，而且利用效率低，通过电化学过程产氢很难收集氢气，并且生成氢气又比较昂贵，不适宜处理较大体积的养殖用水。

3.3 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化工艺是指在厌氧环境中，同时存在氨氮和亚硝酸盐氮时，厌氧氨氧化细菌利用氨氮作为电子供体，亚硝酸盐氮作为电子受体，产生氮气的生物反应。与其他脱氮工艺相比较，厌氧氨氧化实现了氨氮的短途径化，具有不需要外加电子供体、不产生碱度、产泥少等优点。但其工艺要求亚硝酸盐氮的稳定积累，厌氧氨氧化菌对环境要求苛刻，反应器种类及构型也会影响厌氧氨氧化过程的脱氮效率，使得厌氧氨氧化过程的启动和稳定运行面临很多困难，限制了其在水体脱氮中的推广应用。如若将其应用于循环水养殖系统,该技术还需解决一些迫切需要解决的问题,比如：厌氧氨氧化的脱氮机理、动力学及细菌方面的研究，目前很大程度上都尚处于推测阶段,有待进一步的认识和了解；接种污泥来源与缩短反应器启动时间、工艺参数和运行边界条件的控制因素等都还需要进行更为细致的研究。

4 、展望

循环水养殖模式是水产养殖的重要发展方向，在发达国家已成为传统池塘养殖业的补充和替代产业，在我国也正受到越来越多的重视，得到了快速的发展。而以前我国在循环水养殖系统的水处理工艺的研究上多集中在硝化型生物过滤器设备性能等方面，通过硝化型生物过滤器的硝化作用将水体的氨氮转化为硝酸盐氮，水体中积累的硝酸盐氮浓度通常很高[8]。高硝酸盐氮浓度已经成为影响养殖对象生长的一个重要因素，如何有效去除工厂化循环水养殖系统中的硝酸盐，降低对养殖对象产生的有害影响，是循环水养殖系统中的一个急需解决的问题。近来，国内外研究者开始关注循环水养殖系统中脱氮的研究，在应用生物反应器脱氮技术去除硝酸盐的研究上已经有所进展，但这些研究大部分停留在实验室小试阶段，对于商业规模的循环水养殖系统，还缺少实践的检验，在开发高效、稳定、低成本的商业性反硝化设备方面，尚需要开展大量的、有针对性的基础研究。

（略）