生物过滤器中二氧化碳含量对鲑科鱼类循环水养殖系统的影响

译/单建军

生物过滤器中二氧化碳含量对鲑科鱼类循环水养殖系统的影响

译/单建军

一、引言

循环水养殖系统用足够的补充水去冲洗稀释系统，以这种方式来控制总的氨氮和CO2累积。在传统的鱼池循环水养殖系统中，主要用细菌的硝化作用来去除氨氮，用强制曝气的方法添加纯氧除去溶解的CO2。

1.氨氮控制

生物处理过程是利用附在潮湿或者水下表面（在一固定层），或者简单的悬浮在水柱中的微生物。一个包含固定层的生物处理过程的物理单元称之为生物过滤器。一些常用的生物过滤器有浸没式过滤器、滴流式过滤器、生物转盘过滤器、液压水滴过滤器和砂粒流化床过滤器。还有一些过滤器是多功能的，比如滴流式过滤器，在过滤器的外面以及通风填满时，硝化作用、氧气吸附和CO2剥离同时进行。

生物过滤器会影响到循环水养殖系统的水质、水处理的可靠性以及系统的资本和运营成本。北美的循环水养殖系统中普遍使用砂粒流化床过滤器来养殖鲑科鱼类（例如刚游入海水的鲑鱼、红点鲑、虹鳟），那是因为这种过滤器成本较低（US$ 40-US$70/m3），而且比表面积高（4000-45000 m2/m3），减少了增加表面积的成本（US$0.02-US$0.001每平方米表面积），同时使砂粒流化床过滤器结构更加紧凑。再者在鲑鱼养殖系统中使用砂粒流化床过滤器，不但可以高效的除去氨氮，而且使NO2-N浓度维持相当低的水平。砂粒流化床过滤器是浸没式的，不能提供曝气。

生物过滤器中通过硝化细菌和异养微生物来代谢系统中的氨氮和有机物。生物过滤器中的微生物通过呼吸作用可以降低氨氮、可生物降解的有机物、溶解氧、碱度和PH值，并增加有机物的氧化物、NO2-N、硝酸盐和CO2溶解量。生物过滤器的主要作用体现在能很好地识别溶解氧、氨氮、NO2-N和碱性。但是溶解的CO2重要性却被极大的忽略掉了，正如本文所述，生物过滤器的CO2产量是重要的，为使CO2维持在低水平，在设计循环水养殖系统时必须考虑进去。

硝化细菌是专性需氧菌，主要是专性自养生物，溶解的CO2是它们的主要碳源。但是，硝化作用产生的游离酸与水中的碱性HCO3-反应释放出来的CO2比自养生物消耗释放的多。根据EPA （1975），使硝化作用和硝化合成连在一起，总体的化学计量与铵、HCO3-、耗氧、细胞团、硝酸盐、水和产生的H2CO3有关，如下：

H2CO3和CO2在化学平衡中更倾向于CO2，因此在水中CO2溶解量是H2CO3的600倍。

式中K0是酸碱平衡常数，与H2CO3和CO2的摩尔浓度有关。

因此，根据化学方程式（1）和（2），对于每消耗1mg/L的氨氮，当产生大约5.9mg/L的CO2，硝化细菌会消耗4.6 mg/L的氧。

在生物过滤器中，异氧微生物（例如细菌、原生动物、微型后生动物）与硝化细菌共存，通过生物代谢降解有机物。然而，由于硝化细菌的繁殖能力并没有异养微生物快，当遇到溶解物的浓度和颗粒有机物过高时，在生物处理过程中会受到表面积和氧气的限制，异养微生物会替换掉硝化细菌。较大的异养微生物也会去捕食硝化细菌种群。

异养微生物利用有机物作为细胞合成的碳源，并且作为能量源。微生物有氧代谢有机物的普遍反应式是

有机物 + O2+ 营养盐 → CO2+ H2O + 新细胞 + 营养盐 + 能量 （3）

根据公式（4）细胞团（一般公式C5H7NO2）可以经历进一步的降解

因为有机物质的分子构成比较复杂，对有机物的氧化不能提供准确的化学计量。由于硝化作用，生物过滤器中测量的溶解氧的浓度会减少，并且低于标准的耗氧量，另外还要考虑生物过滤器中异养微生物的呼吸作用每消耗1 mg/L的溶解氧，产生1.38 mg/ L的CO2。

当同时考虑硝化细菌和异养微生物的呼吸作用，生物过滤器的CO2量可以通过测量流经水中消耗掉的溶解氧和氨氮浓度来估算。换言之，就是每消耗1mg/L的氨氮就会产生5.9mg/ L的CO2，每消耗1mg/L的溶解氧就会产生1.38mg/L的CO2。在一给定条件下，通过这种方法估计的溶解CO2的浓度，可以当作在同等条件下实际测量CO2的浓度。

2.二氧化碳控制

当循环水养殖系统通过提供过饱和的溶解氧浓度来增加承载能力，这对控制累积溶解的CO2是种挑战。增加回水的溶解氧很容易受到溶解CO2的影响，由于增氧单元不允许去除大量的CO2，氧的需求会提高喂养率，会使溶解CO2浓度增高。因此，现在在高密度循环水养殖系统中安装强制通风曝气装置，特别是用来养殖鲑鱼，可以阻止溶解CO2的积累，使鱼处在健康的环境之中。

正如本文所述，生物过滤器中的CO2量在整个系统CO2中占很大的比例。因此，在质量平衡过程中必须考虑过滤器中的CO2溶解量和脱气装置，无论脱气装置放在过滤器的前面或后面，它常常决定着循环水系统的处理量。当CO2脱气装置放在生物过滤器的前面，鱼将面临过滤器产生的CO2浓度加上未被脱气装置除掉的CO2浓度之和。另外一种就是CO2脱气装置直接接在生物过滤器的后面，使脱气装置处在系统溶解CO2浓度最大处。

3.研究目的

本文的研究目的是（1）在实验中通过化学计量来量化生物过滤器中CO2的溶解量（2）用化学计量法来估算由于生物过滤中硝化作用和异养需氧反应产生CO2量（3）在循环水养殖系统中，比较鱼产生的CO2和生物过滤器中细菌产生的CO2（4）在循环水养殖系统中，很大一部分CO2是由生物过滤器产生的，同时讨论其对循环水养殖系统设计的影响。

图一　淡水研究所鲑科鱼类养殖系统流程图

二、材料和方法

1.循环水系统详述

为了使系统的水质保持均匀，避免昼夜波动，在24h之内给鱼喂12次（每隔2h）。光周期是恒定连续的。

自然保护基金淡水研究所测量了循环水养殖系统中溶解的CO2量和去除的CO2量。Summerfelt等设计的循环水养殖系统（图一），用在养殖红点蛙，温度相对恒定在大约13°C左右。循环水养殖系统使用5台高压水泵，水循环流量为4800 L/min（1250 gpm）。水泵把水加压到0.56bar（8.3psig）的压力，打到底端直径2.7m（9ft）高6.1m（20ft）的生物砂粒流化床过滤器。水流经大约4.5m宽的膨胀床（即扩大生物涂膜层沙子和污泥），在顶端砂粒流化床过滤器通过一个包围圆柱的v形缺口堰把水收集起来。水依靠重力依次流经强制通风曝气装置、低压溶氧装置和紫外线杀菌装置，然后水流到150 m3（40000 gallon）的养殖池。在养殖池内大约93%的水会通过“康奈尔式”侧排水，剩下的7%会通过底部排水。在加入侧排水之前，底部排水直接通向旋流分离器。这种结合使水进入泵池前经过一个转鼓式微滤机（图一）。

注意强制通风曝气装置的放置位置（图一），水从生物过滤器中流出之后应立即进行曝气处理，在水流出之前应经过低压溶氧装置。强制通风曝气装置就应该按这样来布置，因为它可以在系统浓度达到最高点时，在溶解氧变得过饱和之前，去除溶解的CO2。并且，把强制通风曝气装置放到低压溶氧装置之前，提高溶解氧的浓度使其接近饱和，在低压溶氧装置中会使几乎所有的纯氧原料气用于饱和溶氧水。

2.实验测量

实验持续3周，在循环水养殖系统中5个位置取7组水样。现场分析水样的氨氮、亚硝酸氮以及溶解CO2的浓度。从底部进水口处取一组水样，分析CO2溶解量，因为底部水体的交换与空气接触较少，并且降低样品收集过程中CO2溢出的可能性。同时，在收集水样的时候，用空气校准探头（Model 550 Dissolved Oxygen Monitor， YSI Incorporated， Yellow Springs， OH）来检测水中溶解氧的浓度。记录生物过滤器和养殖池（包含侧排水和底部排水）进水口和出水口的水质参数。

使用哈希化工公司8250滴定法（根据水和废水标准检测方法（APHA， 1998）中的4500-CO2）测量溶解CO2浓度。氨氮和亚硝酸盐通过纳氏试剂法和重氮法测量，所使用试剂和a DR4000分光光度计是哈希化工公司提供（Loveland，Colorado）。

在生物过滤器的进水管道上安装超声波流量计（Transport Model PT868 Portable Flowmeter， Panametrics， Inc.， Waltham， MA）来测量流过生物过滤器的水流量。通过气体溶解装置和养殖池的水流量与生物过滤器的水流量是一样的。

三、结果与讨论

表1是循环水养殖系统中不同位置溶解CO2、O2、TAN和NO2-N的平均浓度（±标准差）

表2是生物过滤器、气体溶解装置、养殖池中TAN、CO2和O2浓度的变化。因为在循环水养殖系统中，水流过所有组成设备的流量是相同的，所以所有设备中TAN、CO2和O2溶解的质量变化与其浓度变化成比例。

表3描述了在生物过滤器中由于硝化细菌和异养微生物所消耗掉溶解氧的估算值与硝化细菌和所有微生物产生的CO2估算值。在表3最后一组中展示了生物过滤器中产生的CO2测量值和估算值的不同。

1.在实验中量化砂粒流化床过滤器中产生溶解CO2以及消耗溶解氧和氨氮的量

从表1可知，进入和离开砂粒流化床过滤器的平均CO2浓度分别是20.2±0.6mg/L和24.3±0.6mg/L，因此，在本研究中砂粒流化床过滤器产生大约4.1±0.2 mg/L CO2。进入和离开砂粒流化床过滤器的平均溶氧浓度分别是10.1±0.1mg/L和6.4±0.2 mg/L，因此，砂粒流化床过滤器去除大约3.8±0.2 mg/L溶解氧。也就是在生物过滤器中消耗掉3.8±0.2 mg/L溶解氧，硝化作用消耗掉大约2.3±0.1 mg/L的氧（见表2），另外的1.5±0.1mg/L氧是被异养微生物消耗掉，因此生物过滤器中硝化作用消耗掉60%的氧，这是一种很高效的氧利用。

进入和离开砂粒流化床过滤器的平均氨氮浓度分别是0.71±0.02mg/L和0.19±0.01mg/L，因此每通过一次砂粒流化床过滤器可去除73%的氨氮，在鲑鱼循环水养殖系统中使用砂粒流化床过滤器是很典型。进入和离开砂粒流化床过滤器的平均亚硝酸氮浓度分别是0.18±0.01mg/L和0.20±0.01mg/L。在循环水养殖系统中砂粒流化床过滤器维持一种相对较低以及稳态的亚硝酸氮浓度，这和在其它鲑鱼循环水养殖系统中发现的0.1-0.3 mg/L的亚硝酸氮浓度很相似。

表1　 循环水养殖系统不同位置溶解CO2、O2、TAN和NO2-N的平均浓度（±标准差）

表2　 生物过滤器、气体溶解装置、养殖池中TAN、CO2和 O2浓度的变化

表3　 在生物过滤器中由于硝化细菌和异养微生物所消耗掉溶解氧的估算值和硝化细菌和所有微生物产生的CO2估算值

2.由于硝化作用和异养氧需求，通过生物过滤器的二氧化碳量

考虑到通过生物过滤器的CO2量是氨氮和溶解氧去除后测量，生物过滤器的CO2量估计为5.0±0.3 mg/L（表2）。大约2.0±0.2 mg/L的CO2来源于异养呼吸作用，剩下的大约3.0±0.1mg/L的CO2是由于硝化作用。生物过滤器中估算的总的CO2（5.0±0.3 mg/L）几乎大于实验测得的CO2量（4.1±0.2 mg/L）20%左右。

本文采用直接测量CO2浓度。然而，直接测量的CO2浓度并没有考虑到发生在溶解无机碳系统中的酸碱平衡。生物过滤器中升高的CO2导致总的碳酸盐碳系统分离成各种形态，比如CO2、H2CO3、HCO3-和CO3-。根据水的PH值和温度，酸碱平衡设定每个组成部分的相对比例。然而，由于溶解CO2的升高，生物过滤器中主要的改变是溶解无机碳。因此直接测量溶解CO2的变化，比较生物过滤器中溶解的CO2量和鱼产生的溶解CO2量，因为实际工作中设计工程师需要知道这个量。而且，由于总的无机碳系统的构成存在相对较低的溶解CO2，测量通过每一个单元过程总的无机碳浓度的变化，将需要在相对较大的总无机碳浓度中区别相对较小的改变（比如改变为2-5 mg/L），（图一）。

在一组类比当中，测量到养殖池中平均氧的需求为7.1±0.25mg/L，而平均产的CO2为6.9±0.4mg/L。鱼呼吸作用每消耗掉1.0mg/L的溶解氧，产生1.38mg/L的CO2。但是，收集到的数据并没有显示溶解的CO2是1.38倍的溶解氧需求。测量溶解CO2浓度与预测的差距，是由无机碳系统对进来CO2做出反应，导致酸碱平衡改变所引起的。

3.鱼产生的二氧化碳和生物过滤器的细菌产生相对量的二氧化碳比较

在相同时间段生物过滤器和养殖池中鱼产生的溶解CO2分别是4.1±0.2 mg/L和6.9±0.4mg/L，而且这在循环水养殖系统中占总的CO2一部分。因此，在循环水养殖系统中生物过滤器产生CO2占总的37%。

4.讨论生物过滤器中二氧化碳量对循环水养殖系统设计的影响

一般的，在循环水养殖系统中放置强制通风曝气装置，以便于CO2的浓度达到最高后剥离，即在生物过滤器之后，氧装置之前。放置强制通风曝气装置是用来处理离开生物过滤器的再循环流量，在系统溶解CO2达到最高时，可以去除溶解CO2，而且同时还可以返还溶解氧使其浓度接近饱和。因此，强制通风曝气装置提供饱和氧给氧装置，使其趋向过饱和。如果强制通风曝气装置放到生物过滤器之前，也是一些装备供应商推荐的，水流进养殖池之前剥离装置是没有机会去除生物过滤器中产生的CO2。因此，当强制通风曝气装置放到生物过滤器之前，鱼将会处在生物过滤器产生的CO2浓度下，这就是研究所示的在循环水养殖系统中生物过滤器产生的CO2占总的37%。

Liao和Mayo最先展示了污水浓度（稳态状况下），比如离开养殖池水中溶解的CO2和循环水养殖系统中CO2脱气装置的废水处理效率成反比。因此，一个循环水养殖系统中拥有一台高效CO2脱气装置，比起一低效的CO2脱气装置，将会产生低含量稳态的CO2浓度（假设其他都相同）。在其他因素当中，通过脱气装置去除溶解CO2的效率，取决于使用填充的高度和脱气装置中空气与水接触的面积大小。因此，设计一台要在循环水中去除更大比例的CO2的脱气装置，就需要增加滴流的高度和使用填充物（随机性的填充要比结构化的填充更加有效），或者增加气液接触的面积，这些都会增加脱气装置运行的成本。而且，增加滴流高度就需要更高的屋顶，这也很贵。所以，这些因素将会减少养殖池中总的溶解CO220%以上，这也就相当于很大的提高了脱气装置的效率。既然直接将脱气装置放到生物过滤器之后，养殖池中CO2浓度就可以降低超过20%，相反的，直接将脱气装置放到生物过滤器之前，除非更高或更有效的脱气装置。

因此，当尝试优化循环水养殖系统的水质，要考虑到生物过滤器中的CO2量，在过滤器之后应设置CO2脱气装置。但必须考虑两个装置基本原理的设计方法。

（文章译自：Elsevier《aquacultural engineering》32（2004）171-182

作者Steven T. Summerfelt，Mark J. Sharrer，经作者许可译为中文，文责译者自负）

译者单位：农业部渔业装备与工程技术重点实验室中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所