工厂化循环水养殖中生物过滤系统，你真的了解吗？

   工厂化循环水养殖模式是以养殖废水在处理净化后再循环利用的一种新型水产养殖模式，与传统的外塘养殖和流水养殖相比，有着节水、省电、高效利用土地资源的明显优势，而且通过污水处理可以基本实现养殖废水零排放，实现可持续发展，其水处理工艺核心便是生物过滤系统。然而，你真的了解这个系统吗？让我们来一探究竟。

首先，我们需要了解循环水养殖的主要污染物来源有哪些？

   在水产养殖中，氮是养殖水环境废物的主要组成部分，也是首要隐患。含氮废弃物有4种主要来源：鱼虾产生的氨、尿素、尿酸、氨基酸；从尸体或者濒死的养殖动物体上脱落的碎屑；残饵、粪便以及空气中的氮气。尤其是鱼通过鳃部扩撒、鳃部离子交换、排尿和排便所产生的多种含氮废弃物为大多数。

其次，了解这些含氮污染物都有哪些存在形式，分别对养殖动物都有哪些影响？

   氨作为蛋白质分解代谢的主要产物会通过鱼的鳃部以复合氨的形式排出。氨、亚硝酸盐以及硝酸盐都是易溶于水的。氨在水中有两种存在形式：非离子态氨（NH₃）和离子态铵（NH₄⁺）。两者在水中的浓度比例主要受pH、温度、盐度的影响。两者总和（NH₃+NH₄⁺）称为总氨。在化学上，通常会根据它们所含有的氮的形式来表示无机氮的组成，例如，NH₄⁺-N（离子态铵氮），NH₃-N（非离子态氨氮），NO₂-N（亚硝态氮），NO₃-N（硝态氮）。这可以更加简单估算总氨，也便于在硝化反应的不同阶段进行转换。

表1 含氮化合物和氮之间的浓度转化

   随着pH和温度的升高，非离子氨的比例相对于离子铵呈现上升趋势。例如，在20℃、pH值7.0的情况下，非离子氨比例只有0.4%，当pH上升到10的时候，其比例也升到80%。非离子氨在低浓度时即对水产养殖动物有毒害，其96h半致死浓度随种类不同而变化较大。通过长期观察，非离子氨的浓度取决于养殖品种和温度，但正常生产中应保持NH₃-N低于0.2mg/L。

   亚硝酸盐是硝化反应的中间产物。虽然在通常情况下会迅速转化为硝酸盐，但是缺少生物氧化也会造成浓度上升并对养殖动物有毒害作用，尤其是在海水养殖系统中。高浓度的亚硝酸盐也是生物滤池即将失效的标志，应当及时处理，可以采取投加亚盐去除菌（NOB）以强化生物滤池的亚盐去除功能。亚硝酸盐的毒性在于影响血红蛋白运输氧气的能力。当进入血液循环系统后，亚硝酸盐会氧化血红蛋白中的铁，使其从亚铁离子变成铁离子，最终变成高铁血红蛋白，因其具有标志性的棕色，俗称为“棕血病”。

   硝酸盐是硝化反应的最终产物，也是所有含氮化合物中毒性最小的。在一般养殖水体中的半致死浓度通常大于800mg/L。在循环水养殖系统中，硝酸盐浓度通常通过反硝化反应或换水来控制。在换水率低或者水力停留时间长的系统中，反硝化反应作为一种去除硝酸盐的控制手段正在变的越来越重要。随着海水养殖系统的增多，由于这些系统的高水力停留时间以及较高的配制和处理盐水的成本，其对反硝化反应的需求也越来越高。

那么，这些对养殖动物有害的污染物该如何去除呢？

   前面已经了解到氨、亚硝酸盐和某些情况下的硝酸盐是有毒性的，所以在集约化的循环水养殖系统中，分解去除这些含氮化合物就显得尤为重要。通过生物滤池去除氨的过程称为硝化反应，包括将氨氧化成亚硝酸盐和将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的两步连续过程。其反向过程被称为反硝化反应，传统反硝化反应是在厌氧环境下将硝酸盐转化成亚硝酸盐并最终转化为氮气，因其反应条件为厌氧环境，故而在循环水养殖系统中很难实际应用，仅在养殖尾水处理中部分应用。随着工厂化循环水养殖密度的提高和换水率的减少，尤其是海水养殖，在养殖系统中硝酸盐的含量极度增高。近两年，基于硫自养反硝化菌和硫铁矿作为载体填料发展起来的无需有机碳源的自养反硝化方式去除水体硝酸盐正在蓬勃发展和应用。

工厂化循环水养殖水处理工艺环节中，生物过滤中的硝化反应是控制氨的有效手段，建立高效的生物过滤系统，是决定工厂化循环水养殖成败的重要一环!

既然生物过滤如此重要，那么循环水处理工艺中生物滤池的硝化反应原理是如何的？正常循环运行中，我们又该控制好哪些基本条件？

   生物滤池中硝化反应是分为两步的，包括先将氨氧化成亚硝酸盐再氧化成硝酸盐。这两步通常是依序进行的，由于第一步比第二步具有更快的反应速度，所以总体的反应速度通常通过氨的氧化来控制，如此不会造成明显的亚硝酸盐累积。以下反应方程式表示了亚硝化细菌和硝化细菌在氧化反应中的基本过程。

亚硝化反应：NH₄⁺+1.5O₂→NO₂^-+2H⁺+H₂O

硝化反应：NO₂^-+0.5O₂→NO₃^-

总反应：NH₄⁺+2O₂→NO₃^-+2H⁺+H₂O

根据上述化学式可知，硝化反应是需要满足几个基本条件的，这也是生物滤池日常运行所需要控制好的几个基本条件：

①溶氧（DO）：通过反应方程式可以清楚看出反应过程中需要有氧气参与，所以生物滤池需要保证水体有足够的溶氧，通常DO需大于2mg/L，当溶解氧的浓度低于0.5mg/L时，硝化反应将会受到限制。

②pH：从反应方程式可以看出来，氨氧化阶段会产生氢离子，水体会变酸，pH呈现下降趋势，需要及时补碱，以提高水体pH，一般硝化反应比较适宜的pH范围为7.0-8.5，当pH低于6.5时，硝化反应会变得极其缓慢，建议水体pH保持在7.5-8.0为宜；当水体pH降低时，可通过添加含有氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐离子的化学物质来提高水体pH和碱度。

③温度：通常硝化细菌适宜生长温度为15~35℃，15℃以下时，会降低硝化细菌的活性导致反应速度急剧下降，高于40℃时，容易导致细菌灭活失去活性，同样也会影响反应速度，建议水温25~30℃为宜。

④湍流：在生物滤池运行过程中，需要保持生物载体处于充分流化的状态，避免载体漂浮堆积，从而影响载体表面生物膜与水体的充分接触和反应。

   综上所述，工厂化循环水养殖中的生物过滤系统在现代养殖业中具有重要的地位和作用。通过了解它的反应原理，调控它的基本运作条件，可以使其更有效地去除养殖废水中的污染物，保持养殖水体的清洁和稳定。然而，生物过滤系统仍然面临一些挑战，需要不断地进行技术创新和改进。相信随着科学技术的进步和研究的深入，工厂化循环水养殖中的生物过滤系统将越来越完善，为人类提供健康、安全的水产养殖产品。