循环水养殖系统中几种常用的固定膜式生物过滤器

罗国芝，曹宝鑫，陈晓庆，谭洪新

(上海水产养殖工程技术研究中心(上海市科委)，农业部淡水水产种质资源重点实验室，水产科学国际级实验教学示范中心(教育部)，上海海洋大学，上海 201306)

鱼虾对蛋白质需求高但消化吸收能力有限，相当一部分投喂饲料中的氮不能被利用[1-2]。开放式养殖系统中未被利用的氮素被排放到周围水环境中[3]。封闭循环水养殖系统中通常利用固液分离技术去除残饵和粪便。残饵和粪便包含了养殖过程中30%～60%未被养殖动物利用的氮素，其余未被利用的氮素以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的形式存在于养殖水体中[4]。氨氮是蛋白质代谢的最终产物之一[5]，对水生动物有明显毒害作用，是养殖过程中主要控制的水质指标之一[6]。循环水养殖的养殖密度较高(30～120 kg/m3)、投饲量大(日投饲量为体质量的2%～5%，即0.6～6 kg/m3)、投喂饲料蛋白质含量较高(30%～50%)、氨氮产生量大(可达70 mg/(L·d))，需要进行有效处理以实现养殖用水的重复利用[4]。

固定膜式生物过滤器指为硝化细菌提供附着的载体或者基质(常被称为滤料)，在滤料表面形成生物膜，将氨氮经由亚硝酸盐氮转化成硝酸盐氮。与悬浮式生物反应器相比，固定生物膜式反应器更稳定，易于管理和维护，应用更广泛[7-11]。根据生物膜载体与水流的接触方式，可将固定膜式生物反应器分为两种类型：一种是生物膜载体处于移动状态，主动与水流接触，比如流化床(FBB)和移动床(MBBR)；另一种是生物膜载体处于静止状态，比如滴滤式过滤器(TF)和浸没式过滤器(SF)。也可根据载体在水体中的位置进行分类，流化床和移动床的载体完全浸没在水体里，可以被归为浸没式，滴滤式和生物转盘(BD)有部分载体在水体以外，被归为裸露式。本文对滴滤式、流化床、浸没式、生物转盘、移动床、珠式生物过滤器(BF)等几种常用生物过滤器进行总结，为循环水养殖系统中的氨氮控制研究提供参考。

1 滴滤式生物过滤器

滴滤式生物过滤器顶部有布水管，进水向下流过介质，保持细菌湿润，但并不完全淹没介质(图1)[13]，是应用较早的一种生物过滤方式，很多关于生物过滤的基础性研究都是以这种过滤器作为研究对象。典型的温水系统设计标准为100～250 m3/(m2·d)的水力负荷，介质深度1～5 m，介质比表面积100～300 m2/m3，总氨氮(TAN)去除率为0.1～0.9 g/(m2·d)[14]。关于滴滤式生物过滤器的形状有两种类型：高而窄和矮而宽。前者可以增加接触时间但同时也需增加提升动力，后者的关键是要保证布水的均匀性。在水流一定的情况下建议使用后者。当水流量在15～25 L/(min·m2)范围内时，氨氮去除效率主要取决于接触时间[15]。已报道滴滤式生物过滤器最高氨氮去除效率为1.1 g /(m2·d)[16]。

该种过滤器的载体孔隙空间充满的是空气而不是水，所以滤料表面的细菌不会缺氧。滴滤式生物过滤器的优点在于容易建造和操作，可以反冲，能够有效脱去CO2，运行成本较低。主要缺点是易堵塞和“短路”，硝化细菌的分布不均匀[14]。

图1 滴滤式生物过滤器工艺

2 静态浸没式生物过滤器

本文中所指浸没式特指静态浸没式。静态浸没式生物过滤器的载体和生物膜浸没在水里，水流可以向上、向下或者水平方向(图2)[17]。

图2 典型浸没式生物过滤器示意图

这种过滤器容易堵塞，内部容易缺氧，需要定期机械冲洗以维持过滤器长期正常工作，在实际使用过程中成本较高，易产生生物腐臭，且运作成本较高，现已不常用到。

3 流化态浸没式生物过滤器

3.1 流化床

流化床的载体在水流或者气流的冲击下呈悬浮状态(图3)[18]。设计流化床时需要严格计算滤床尺寸、静止和流化状态滤料的压降、确保膨化的最小水流速度、既定水流速度滤床的膨化状况及其它可控因素。流化床中膨化1 m 的滤料需要1 m的水头，设计时必须要考虑从底部到水面的水头损失，从水泵出口到流化床的水流表面，总的动态水泵水头 0.35～0.55 Pa，具体取决于流化床的高度[19-20]。一般使用小的沙砾和聚氯乙烯(PVC)球做流化床载体，粒径0.1～1 mm为宜，不超过3 mm，相对密度为1左右，以利于悬浮。PVC球的比表面积可以达到4 000～20 000 m2/m3，水流速度最高可达190 L/s，出水中的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮能够保持在较低水平[19]。

流化床具有效率高、成本低的优点，但需要较高的水流速度以确保滤床的膨化状态及其与滤料的充分接触。Timmons等[21]的研究结果表明，流化床的建设成本低于生物转盘、滴滤器、珠式过滤器等。因为不同地区、不同时期的建造成本会有差异，所以该结果仅供参考。流化床不需要特意补充氧气，通过连续流能提供饱和度大于90%的溶氧(DO)和去除二氧化碳(CO2)。实际使用过程中的水流范围也比较窄，不能超过设计流速的±30%；不能静止时间过长，否则会造成厌氧状态。

3.2 移动床式生物过滤器

移动床式生物过滤器(MBBR)和流化床相似，区别在于MBBR中的滤料密度略低于水，呈悬浮状态。滤器中的滤料依靠曝气和水流的冲击在水中互相碰撞和剪切，形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，并充满整个反应器，载体与水体频繁接触，因而被称为“移动的生物膜”，能充分发挥附着相和悬浮相生物的优越性(图4)[22]。

图3 流化床生物过滤器

图4 移动床生物过滤器工作状态示意图

每个滤料内部生长一些厌氧菌或兼性好氧菌，外部为好养菌，因此每个滤料都是一个微型反应器，可同时进行硝化反应和反硝化反应。MBBR的优点在于容积得到充分利用，耐冲击能力强，性能稳定，操作方便，维护简单，无堵塞，工艺灵活，使用时间长。可采用深、浅、方、圆等各种池型，可选择不同滤料填充率[23]。MBBR应用过程中会定期排出脱落的生物膜以维持适宜的处理能力，运行过程中不能有死角，以避免产生厌氧状态而使水中生成硫化氢等毒性物质。

MBBR的氨氮去除效率可以达到125～267 g /(m3·d)(以未膨化状态体积计)，每立方载体、每分钟需要气体0.08～0.13 m3/(min·m3)；0.75 kW的鼓风机可以启动10～13 m3的载体(载体密度不同，需要的动力会略有差别)[24-25]。

3.3 微珠过滤器

微珠过滤器和流化床及移动床生物过滤器类似(图5)[26]。用食品级聚乙烯材料作为悬浮载体，直径3～5 mm，相对密度略低于水，空隙率大于35%，比表面积1 150～1 475 m2/m3，可以同时作为去除5～10 μm粒径的颗粒物，也可以附着细菌进行硝化和反硝化[27]。微珠过滤器的技术优势在于可以有效地反洗，既能有效去除截留的固体颗粒物，也能保留必要的生物膜和絮体[28]。

3.4 旋转式生物接触反应器

生物转盘和生物转筒式生物过滤器处理原理相近，均为旋转式生物接触反应器(RBC)(图6)[29]。

图6 旋转式生物接触反应器

以生物转盘为例，生物转盘在城市生活污水处理中得到了广泛应用，现在也被应用于高密度养殖废水的处理中。其优点是操作简单，能够去除二氧化碳、增加溶氧，并且具有自动清洗能力；缺点是建设成本高，需要机械传动、气动和水动，支杆和机械部件经常浸没在水里，会导致机械故障。生物转盘有35%～40%浸没在水中，外周切线转速11～15 m/min。如直径为1.2 m的生物转盘，其设计转速为3～4 r/min。转盘主要由纤维板、塑料块组件、聚乙烯管状的介质等组成，比表面积一般为200 m2/m3，硝化率一般为 76 g/(m3·d)。基于这样的硝化效率，一般要求能满足投饲量为3.6 kg/(d·m3)过滤材料的设计标准。在运行过程中，转盘重量会比自身重量增加10倍，在设计时应充分考虑该因素。一般情况下，0.02 m3/(min·m3)的空气量可转动直径1.22 m的转盘，0.76 kW鼓风机可以转动100 m3的生物转盘[30-31]。

4 各种滤器的氨氮去除率及成本比较

每种生物过滤器都有各自的性能和成本(表1)[32]。滴滤式生物过滤器和RBC的一个最大优点是日常运作中都会向水流中补充氧气，还能脱去一部分CO2。相反，静态浸没式、流化床、移动床和微珠过滤器都是纯粹的O2消耗者，完全依靠进水中的氧气来维持生物膜的好氧环境。不管什么原因，一旦进水中溶氧不足，就会在生物滤器中产生厌氧环境，进而影响到硝化效率。

滤器的成本与其总比表面积成正比。因滴滤式滤器和RBC的滤料比表面积太低，所以成本较高。相反，浮球式生物过滤器和流化床使用的滤料都有高的比表面积，这比达到相同比表面积的滴滤器和生物转盘更节省成本和空间。滴滤器和RBC的另外一个缺点是，如果悬浮颗粒物(SS)控制不当，很容易发生生物腐败。异养细菌的生长速度是自养硝化细菌的10倍左右，这种高的生长率结合对氧气的需求不断地使硝化菌窒息而被埋在生物膜的深处，最终死亡并从生物膜上脱落。

表1 养殖系统中常用生物过滤器的平均氨氮去除率

注：成本分析基于年产454 t的罗非鱼循环水养殖车间

5 生物过滤器设计举例

滴滤式生物过滤器是应用最早、研究比较系统的一种生物过滤方式，现在正逐渐被移动床生物过滤器和微珠式生物过滤器等取代，但是这几种生物过滤器在循环水养殖系统中的应用研究尚未形成系统的研究成果。本文以滴滤式生物过滤器的设计为例[33]，介绍生物过滤器设计时需要考虑的主要技术参数和设计流程，旨在为其它几种过滤器的设计提供参考。

(1)背景参数。以封闭式循环水养殖杂交条纹鲈(9 702 kg)为例。固液分离去除残饵和粪便而损失掉一部分养殖水(一周约换掉总水体的20%)，其它的全部回收利用。与设计相关的系统指标：商品鱼规格为每尾0.7 kg，最大密度120 kg/m3，水温24 ℃，日投饲量为体质量的2%，水体交换率2～3次/h。水质要求：溶氧>5.0 mg/L，pH6.5～9.0，碱度50～400 mg/L，分子态氨NH3<0.0125 mg/L，氮气<110%气体饱和度，二氧化碳0～15 mg/L，总悬浮颗粒物<80 mg/L。这也是水处理系统需要达到的要求[34]。

(2)养殖水体。根据目标产量和养殖密度，计算出需要的水体为75.6 m3(目标产量/养殖密度，9 072 /120=75.6 m3)

(3)投饲量。日投饲量取决于生物过滤器需要处理的氮素负荷。本设计中，早期日投饲量为体质量的6%，收获时1.5%～3.0%，最多投饲量会出现在最后收获的时候。用2%的日投饲量用来作为氨氮负荷的估算数据，则日投饲量181 kg(目标产量×日投饲量)。

(4)氧气补充量和氨氮产生量。根据投饲量可以估算需要的氧气量和氨氮的产生量。1 kg饲料需要消耗0.21 kg溶氧，为了保证绝对安全，增加20%的氧气量以确保溶氧量，则1 kg饲料需要补充氧气0.25 kg；产生CO20.28 kg，固体物0.30 kg，TAN 0.03 kg[33]。日投饲181 kg，需要氧气45.3 kg/d(总投饲量×每千克饲料需氧量)。氧气传输效率在5%～90%不等，在配置氧气发生器或罗茨鼓风机时需要考虑。总TAN产生量为5.4 kg/d(总投饲量×每千克饲料产氨氯)。需要注意的是，氨氮的产生速率不是匀速的，通常投饲后2～3 h左右产氨率最高，可以调整水体交换率以避免氨氮的突然升高对养殖对象造成的不利影响。以水体交换率为2次/h计算，TAN最高浓度为1.5 mg/(L·h)[总TAN产生量×1 000÷(24 h×养殖水体积×每小时水体交换次数)]。

(5)滤器设计。24 ℃水温，1.5 mg/L的TAN质量浓度，氨氮的去除率估算为1.0 g/(m2.d)[34]。滤料直径2.5 cm(1英寸)的塑料环空隙率92%比表面积220 m2/m3。需要的滤料表面积为5 400 m2(氨氮日产生量×1 000÷日氨氮去除率)。需要的滤料体积为24.6 m3(滤料表面积÷滤料比表面积)。生物过滤器水力负荷范围30～225 m3/(m2·d)，则总水流量为3 634 m3/d(养殖水体体积×24 h×每小时水体交换次数)。如果设置6个过滤器，则每个过滤器承担的水量为605.6 m3/d；每个反应器滤料体积为4.1 m3。基于最大水力负荷，接触面的面积为2.7 m2(每个滤器的日处理水量÷最大水力负荷)。对于圆筒状过滤器，直径为1.85 m。假设圆筒状过滤器的直径为2 m，则高度可计算为1.31 m(反应器体积÷接触面积)，则圆筒状过滤器的主要参数为：6个过滤器，高度1.3 m，直径2.0 m，体积4.1 m3，接触面积3.1 m2，TAN去除效率350～450 g/(m3·d)，水流速度605.6 m3/d。

6 结论

滴滤式、流化床、浸没式、生物转盘、移动床、微珠式生物过滤器是循环水养殖系统中几种常用生物过滤器，其中滴滤式、浸没式现在已基本不用，生物转盘使用较少，流化床、移动床和微珠式生物过滤器使用较广泛。可根据养殖系统的养殖产量、养殖用水重复利用率、商品鱼的规格、最大养殖密度、日投饲量、水体交换率确定需要配置的生物过滤器。

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