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工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中生物過濾系統(tǒng),你真的了解嗎?

2023-08-18

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中生物過濾系統(tǒng),你真的了解嗎?

 

   工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式是以養(yǎng)殖廢水在處理凈化后再循環(huán)利用的一種新型水產(chǎn)養(yǎng)殖模式,與傳統(tǒng)的外塘養(yǎng)殖和流水養(yǎng)殖相比,有著節(jié)水、省電、高效利用土地資源的明顯優(yōu)勢,而且通過污水處理可以基本實現(xiàn)養(yǎng)殖廢水零排放,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,其水處理工藝核心便是生物過濾系統(tǒng)。然而,你真的了解這個系統(tǒng)嗎?讓我們來一探究竟。

 

首先,我們需要了解循環(huán)水養(yǎng)殖的主要污染物來源有哪些?

 

   在水產(chǎn)養(yǎng)殖中,氮是養(yǎng)殖水環(huán)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(chǎn)生的氨、尿素、尿酸、氨基酸;從尸體或者瀕死的養(yǎng)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(chǎn)生的多種含氮廢棄物為大多數(shù)。

 

 

其次,了解這些含氮污染物都有哪些存在形式,分別對養(yǎng)殖動物都有哪些影響?

 

   氨作為蛋白質(zhì)分解代謝的主要產(chǎn)物會通過魚的鰓部以復(fù)合氨的形式排出。氨、亞硝酸鹽以及硝酸鹽都是易溶于水的。氨在水中有兩種存在形式:非離子態(tài)氨(NH3)和離子態(tài)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(xué)上,通常會根據(jù)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(tài)銨氮),NH3-N(非離子態(tài)氨氮),NO2-N(亞硝態(tài)氮),NO3-N(硝態(tài)氮)。這可以更加簡單估算總氨,也便于在硝化反應(yīng)的不同階段進行轉(zhuǎn)換。

 

1 含氮化合物和氮之間的濃度轉(zhuǎn)化

   隨著pH和溫度的升高,非離子氨的比例相對于離子銨呈現(xiàn)上升趨勢。例如,在20℃、pH7.0的情況下,非離子氨比例只有0.4%,當(dāng)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(chǎn)養(yǎng)殖動物有毒害,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于養(yǎng)殖品種和溫度,但正常生產(chǎn)中應(yīng)保持NH3-N低于0.2mg/L

 

 

   亞硝酸鹽是硝化反應(yīng)的中間產(chǎn)物。雖然在通常情況下會迅速轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,但是缺少生物氧化也會造成濃度上升并對養(yǎng)殖動物有毒害作用,尤其是在海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中。高濃度的亞硝酸鹽也是生物濾池即將失效的標(biāo)志,應(yīng)當(dāng)及時處理,可以采取投加亞鹽去除菌(NOB)以強化生物濾池的亞鹽去除功能。亞硝酸鹽的毒性在于影響血紅蛋白運輸氧氣的能力。當(dāng)進入血液循環(huán)系統(tǒng)后,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(biāo)志性的棕色,俗稱為“棕血病”。

 

 

   硝酸鹽是硝化反應(yīng)的最終產(chǎn)物,也是所有含氮化合物中毒性最小的。在一般養(yǎng)殖水體中的半致死濃度通常大于800mg/L。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中,硝酸鹽濃度通常通過反硝化反應(yīng)或換水來控制。在換水率低或者水力停留時間長的系統(tǒng)中,反硝化反應(yīng)作為一種去除硝酸鹽的控制手段正在變的越來越重要。隨著海水養(yǎng)殖系統(tǒng)的增多,由于這些系統(tǒng)的高水力停留時間以及較高的配制和處理鹽水的成本,其對反硝化反應(yīng)的需求也越來越高。

 

 

 

那么,這些對養(yǎng)殖動物有害的污染物該如何去除呢?

 

   前面已經(jīng)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(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)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(yīng),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(xù)過程。其反向過程被稱為反硝化反應(yīng),傳統(tǒng)反硝化反應(yīng)是在厭氧環(huán)境下將硝酸鹽轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽并最終轉(zhuǎn)化為氮氣,因其反應(yīng)條件為厭氧環(huán)境,故而在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中很難實際應(yīng)用,僅在養(yǎng)殖尾水處理中部分應(yīng)用。隨著工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖密度的提高和換水率的減少,尤其是海水養(yǎng)殖,在養(yǎng)殖系統(tǒng)中硝酸鹽的含量極度增高。近兩年,基于硫自養(yǎng)反硝化菌和硫鐵礦作為載體填料發(fā)展起來的無需有機碳源的自養(yǎng)反硝化方式去除水體硝酸鹽正在蓬勃發(fā)展和應(yīng)用。

 

 

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖水處理工藝環(huán)節(jié)中,生物過濾中的硝化反應(yīng)是控制氨的有效手段,建立高效的生物過濾系統(tǒng),是決定工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖成敗的重要一環(huán)!

 

 

既然生物過濾如此重要,那么循環(huán)水處理工藝中生物濾池的硝化反應(yīng)原理是如何的?正常循環(huán)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(yīng)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,由于第一步比第二步具有更快的反應(yīng)速度,所以總體的反應(yīng)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(yīng)方程式表示了亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌在氧化反應(yīng)中的基本過程。

 

亞硝化反應(yīng):NH4++1.5O2NO2-+2H++H2O

 

硝化反應(yīng):NO2-+0.5O2NO3-

 

總反應(yīng):NH4++2O2NO3-+2H++H2O

 

 

根據(jù)上述化學(xué)式可知,硝化反應(yīng)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(yīng)方程式可以清楚看出反應(yīng)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需大于2mg/L,當(dāng)溶解氧的濃度低于0.5mg/L時,硝化反應(yīng)將會受到限制。

pH從反應(yīng)方程式可以看出來,氨氧化階段會產(chǎn)生氫離子,水體會變酸,pH呈現(xiàn)下降趨勢,需要及時補堿,以提高水體pH,一般硝化反應(yīng)比較適宜的pH范圍為7.0-8.5,當(dāng)pH低于6.5時,硝化反應(yīng)會變得極其緩慢,建議水體pH保持在7.5-8.0為宜;當(dāng)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(xué)物質(zhì)來提高水體pH和堿度。

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

 

 

   綜上所述,工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中的生物過濾系統(tǒng)在現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)中具有重要的地位和作用。通過了解它的反應(yīng)原理,調(diào)控它的基本運作條件,可以使其更有效地去除養(yǎng)殖廢水中的污染物,保持養(yǎng)殖水體的清潔和穩(wěn)定。然而,生物過濾系統(tǒng)仍然面臨一些挑戰(zhàn),需要不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新和改進。相信隨著科學(xué)技術(shù)的進步和研究的深入,工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中的生物過濾系統(tǒng)將越來越完善,為人類提供健康、安全的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品。

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