基于超声波定位技术的流化床生物滤器研发与性能分析

张海耿，刘安东，徐金铖，高霞婷，张宇雷

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2 同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；3 农业农村部水产养殖设施工程重点实验室，上海 200092)

流化床生物滤器是指通过流体将滤器中的滤料颗粒化，而滤料仍停留在滤器中不被流体带出的生物过滤器，主要用于去除养殖水体中氨氮等营养盐，由于其具有处理效率高、占地面积小等优势，有望成为未来工厂化水产养殖领域主流的生物过滤器。流化床生物滤器最先由美国西弗吉尼亚淡水研究所研发而成，历经了垂直歧管流化床生物滤器、水平歧管流化床生物滤器、涡旋式流化床生物滤器等阶段[1]，研发人员对装置的进水方式进行了不断的优化与升级，以期在降低装置运行能耗的同时，提升滤料在装置中的流态化，进而提升该滤器的生物过滤性能。目前，对流化床生物滤器的研究主要集中在水力特性[2-3]，流态数值模拟[4-5]和水处理性能方面[6]，有学者研究发现，在温水和冷水条件下流化床生物滤器对氨氮的去除负荷分别达到了600～1000 g/(m3·d)和140～170 g/(m3·d)[7]，显示出该装置应用于工业化水产养殖系统中的优越潜力。

流化床生物滤器一般选用的滤料粒径较小，比表面积高达6 000～15 000 m2/m3，故滤料表面较易附着生物膜。超高的生物量丰度使得流化床生物滤器具有优越的硝化性能，但在实际应用过程中也带来了一定问题。随着生物膜的逐渐增厚，滤料的比重也会变轻，进而导致滤器床层高度的不断增加，表层的滤料容易被水流带出滤器。流化床生物滤器中滤料的不断流失不仅会影响该装置的水处理性能，也会增加该装置的运行成本。

本研究研发了一种基于超声波定位技术的流化床生物滤器，并采用高通量测序技术分析了生物滤器中细菌群落的变化，以期实现流化床生物滤器床层高度的稳定，并进一步明确该生物滤器的净水机制，为其在工业化养殖系统中的应用提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 流化床生物滤器

研制了基于超声波定位技术的流化床生物滤器装置(图1)，由超声波泥位计、自清洗水泵、环形吸料管和流化床生物滤器筒体等组件构建。筒体由上部沉淀区和下部膨胀区组成，沉淀区直径0.9 m、高0.5 m，膨胀区直径0.7 m、总高2.1 m、滤料放置高度0.8 m。环形吸料管位于膨胀区顶部，自清洗水泵安装于筒体底部外侧。

超声波泥位计由超声波探头和控制器组成，声波频率为200 kHz，采用485通信，模拟输出4～20 mA，探头防护等级IP68，24 V供电，中文液晶显示，测量精度1%～3%。超声波探头位于流化床生物滤器筒体顶部正中心，当流化床生物滤器运行时，启动超声波泥位计，并在控制器中设定滤器的床层膨胀高度值，超声波探头实时将探头至床层高度的距离以声波信号反馈至控制器中。当床层膨胀高度超过设定值时，控制器发出信号，自动开启自清洗水泵，滤器表层的滤料通过环形吸料管流至滤器底部，在水泵叶轮的剪切作用下，滤料表面过厚的生物膜脱落，进而将滤料表面的生物膜维持在合理水平。当床层膨胀高度低于设定值时，控制器发出信号，自动关闭自清洗水泵，通过实时控制自清洗水泵，实现流化床生物滤器床层高度的自动控制。

1.2 试验设计

试验以常规流化床生物滤器为对照组(CF)，以研发的基于超声波定位技术的流化床生物滤器为试验组(EF)。将流化床生物滤器并联于宝石鲈循环水养殖系统，并采用养殖水进行生物挂膜，挂膜成熟后，设计130%、150%和180% 3组床层膨胀率，监测CF组和EF组的滤料流失和床层增高情况，试验周期为1个月。

试验结束后，取CF组流化床生物滤器和EF组流化床生物滤器的表层和底层样品共4个，分别记为CF-S、CF-B、EF-S和EF-B。

1.3 指标测定方法

1.3.1 水质指标

氨氮去除率，硝酸盐氮去除率及氨氮去除负荷的计算方法如下[8]：

(1)

(2)

(3)

1.3.2 生物膜样品分析

4个生物膜样品总DNA提取按照傅莲英等报道[9]的方法，采用细菌通用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)对样品16s rRNA进行PCR扩增[10]。扩增条件按照文献[11]进行，而后在Illumina-MiSeq平台上进行测序。测序完后，对样品进行OTU聚类分析，采用Student T检验进行不同组别在属水平的显著性差异分析[12]。

2 结果与分析

2.1 床层滤料升高与流失情况

流化床生物滤器床层增高和滤料流失情况由图2所示。

注：A代表流化床生物滤器床层增高；B代表流化床生物滤器滤料流失

本试验设计了基于超声波技术的滤料自清洗组件，即当床层高度高于设定值时，通过超声波信号控制自清洗水泵的启停。由图2A可知，采用基于超声波技术的自清洗装置时(EF组)，每周床层仅增高0.2～0.4cm，其增高数值显著低于CF组(P<0.05)。而由图2可知，CF组随着床层膨胀率的增加，滤料的流失量也逐渐增加。而EF组即使床层膨胀率达到180%，每周的滤料流失量仅为38±5 g，显著低于CF组(P<0.05)。流化床生物滤器上部为悬浮物沉淀区，流失的滤料沉降至该区域，经清洗后可回收使用。

2.2 流化床生物滤器氨氮去除负荷分析

流化床生物滤器对TAN的去除负荷如图3所示。

注：A代表流化床生物滤器床层增高；B代表流化床生物滤器滤料流失

流化床生物滤器生物膜成熟后，EF组和CF组进行了4个批次的TAN去除试验，图3A显示了试验系统水体中不同时刻下TAN质量浓度变化。每个批次开始时，试验系统水体中的平均TAN质量浓度设计在6.46±0.05 mg/L，经流化床生物滤器过滤后，水体中TAN质量浓度逐渐降低。4 h后，EF组水体中的平均TAN质量浓度从6.46±0.05 mg/L降至0.11±0.01 mg/L，而CF组水体中的平均TAN质量浓度从6.46±0.05 mg/L降至0.39±0.13 mg/L。从TAN质量浓度下降幅度来看，EF组和CF组呈现出相似的规律，即在第2或第3小时TAN浓度下降幅度最大，两组TAN质量浓度分别下降了2.35 mg/L和2.31 mg/L。

图3B显示了流化床生物滤器对TAN的去除负荷，每个时间段EF组和CF组的TAN去除负荷有所差异，随着时间的推移，TAN去除负荷呈现先增加后降低的趋势。以第一批次为例，在第1小时，EF组和CF组的TAN去除负荷分别为604.8 g/(m3·d)和430.08 g/(m3·d)，而在第3小时，TAN去除负荷分别达到了1128 g/(m3·d)和887.04 g/(m3·d)，其余批次也呈现相似的规律。整体而言，EF组的平均TAN去除负荷达到了762±164.33 g/(m3·d)，显著高于CF组(P<0.05)。

2.3 流化床生物滤器进出水水质指标变化情况

流化床生物滤器进出水亚硝酸盐氮和硝酸盐氮质量浓度变化如图4所示。

注：A为亚硝酸盐氮浓度变化；B为硝酸盐氮浓度变化

流化床生物滤器进出水COD、碱度和溶氧质量浓度变化如图5所示。

注：A为COD；B为碱度；C为溶氧

图5A显示了试验过程中流化床生物滤器进出水COD浓度变化情况，不同批次下水体中的COD浓度都呈现逐渐下降的趋势。在第1小时，EF组和CF组的出水COD浓度显著低于进水，而后进出水COD浓度的差值逐渐缩小。

经过4 h后，EF组和CF组平均出水COD质量浓度分别为14.25±1.89 mg/L和16.75±3.1 mg/L，对COD的去除率分别达到了79.82%±2.88%和76.26%±4.67%。图5B和图5C显示了流化床生物滤器进出水碱度和溶氧的变化情况，随着时间的推移，水体中的碱度呈现逐渐下降的趋势，EF组和CF组中的碱度从140±1.97 mg/L分别下降至100.33±1.02 mg/L和100.98±1.48 mg/L。流化床出水溶氧质量浓度显著低于进水， EF组和CF组进出水的溶氧差值分别为4.29±0.34 mg/L和4.1±0.34 mg/L，两组的出水溶氧最低值分别仅为0.45 mg/L和0.65 mg/L。

2.4 流化床生物滤器细菌群落结构分析

对EF组和CF组流化床生物滤器表层和底层的滤料进行了高通量测序，表1显示了不同区域滤料表面细菌群落门水平变化。EF组表层和底层的门水平细菌种群丰度差别不大，优势细菌为变形菌门(Proteobacteria，27.41%～28.93%)，放线菌门(Actinobacteriota，18.18%～21.46%)和厚壁菌门(Firmicutes，13.5%～13.71%)。 说明采用自清洗装置后，流化床生物滤器表层和底层的滤料进行了充分的交接与接触，滤料的流态更加均一，各区域滤料表面门水平的细菌种类也无显著差异。

表1 不同组别细菌群落结构组成所占比例

CF组表层和底层的细菌种群丰度有一定差别，表层细菌丰度最高的门依次为厚壁菌门(Firmicutes，33.72%)，变形菌门 (Proteobacteria，24.21%)和绿弯菌门(Chloroflexi，18.32%)，而底层细菌丰度最高的门依次为变形菌门 (Proteobacteria，30.88%)，厚壁菌门(Firmicutes，25.26%)和放线菌门(Actinobacteriota，14.09%)。流化床生物滤器不同区域细菌群落属水平分析如图6所示。

图6 流化床生物滤器不同区域细菌群落属水平分析

图6显示了流化床生物滤器不同区域细菌群落属水平分析(丰度大于1%)，共筛选获得362个微生物属。EF组滤料表层和底层滤料表面属水平细菌种群和丰度的差异都不大，优势细菌主要为赭黄嗜盐囊菌属(Haliangium，9.83%～9.97%)，小念珠菌属(Candidatus_Microthrix，7.17%～8.69%)，类诺卡氏菌属(Nocardioides，6.81%～8.34%)，norank_f_Rhizobiales_Incertae_Sedis(6.38%～8.01%)，红杆菌属(Rhodobacter，3.34%～3.35%)和硝化螺菌属(Nitrospira，3.11%～3.38%)。

CF组表层和底层滤料表面属水平细菌种群和丰度的差异都较大，而优势菌群的种类较为相似，主要为罗姆布茨菌(Romboutsia，7.81%～14.1%)，Clostridium_sensu_stricto_1(11.28%～12.60%)，类诺卡氏菌属(Nocardioides，4.58%～4.77%)和红杆菌属(Rhodobacter，1.87%～2.44%)。

采用Student T 检验法对EF组和CF组滤料属水平细菌种群进行差异性分析，获得了差异性最显著的15个属(图7)。EF组中的Haliangium，Candidatus_Protochlamydia，Nitrospira，unclassified_c_Bacteroidia和Paracoccus丰度显著高于CF组(P<0.05)，而Clostridium_sensu_stricto_1，Turicibacter和Devosia的丰度显著低于CF组。

图7 不同组别属水平差异性分析

3 讨论

3.1 流化床生物滤器滤料自清洗结构研制

工厂化循环水养殖系统中一般采用生物滤池或移动床生物滤器作为生物过滤单元[13-14]，需通过定期冲洗或排污的方式移除脱落的生物膜或颗粒物。由于流化床生物滤器的特殊性，目前尚未有效的滤料清洗装置，在滤器运行过程中常存在床层增高和滤料流失的问题。本研究通过采用超声波定位技术，研制了滤料实时自清洗装置，既实现了床层高度的稳定，又减少了滤器内部滤料的流失。流化床生物滤器在实际运行过程中，一般设计床层膨胀率为150%[15]，在该膨胀率下，采用自清洗装置的流化床生物滤器每周的床层增高和滤料流失仅为1.8±0.3 cm 和28±12 g，比对照组分别降低了500%和350%。流化床生物滤器床层高度的稳定不仅有利于装置的正常运行，也会减少流失的滤料对养殖对象的影响。通过自清洗装置清洗下来的微小悬浮颗粒物，在筒体上部布水挡板的作用下，随水流沉降至沉淀区，可通过定期排污的方式将其移出流化床生物滤器。

3.2 流化床生物滤器净水机制分析

目前，以实际养殖水为处理对象，移动床生物滤器对氨氮的去除负荷在34.32～186.4 (m3·d)之间[16-19]，采用模拟养殖水进行试验，其结果可高达374 g/(m3·d)[20]。本试验采用人工配水方式检测了流化床生物滤器的硝化性能，采用自清洗装置的流化床生物滤器对TAN的去除负荷达到了762±164.33 g/(m3·d)，其结果高于前人研究[21]。一方面，本试验选用的滤料比表面积较高，为细菌生长提供了巨大的场所；另一方面，运用超声波定位技术定期清洗生物膜可能有利于促进营养物质和微生物之间的传质效率，进而提升流化床生物生物滤器的硝化性能。对照组因对滤料未进行处理，表层滤料的生物膜会逐渐变厚，为细菌提供生长的面积变小，进而影响了滤器的硝化效率[22-23]。

高通量测序表明，流化床生物滤器中细菌的多样性较高，共鉴定出了362个微生物属。两组生物滤器都检测出硝化螺旋菌门，在降解TAN方面起了关键作用[29]。另外，也筛选出具有异养硝化功能的菌属，如红杆菌属(Rhodobacter)、硝化螺菌属(Nitrospira)、芽孢杆菌属(Bacillus)和假单胞菌属(Pseudomonas)等，而鉴定出的Devosia菌属具有好氧反硝化功能，但该菌属丰度非常低，这些菌属共同作用于养殖水体中氮的转化和COD等物质的去除[30]。试验研究发现EF组中的功能性细菌，如Nitrospira的丰度显著高于CF组，说明将生物膜厚度维持在一定水平可能有利于功能性细菌的富集，进而提升该装置运行时的硝化性能。

4 结论

研制了基于超声波定位技术的滤料自清洗装置，不仅可稳定控制流化床生物滤器床层高度的稳定和减少滤料的流失，也提升了滤器对TAN的去除负荷。当水体中初始TAN为6.46±0.05 mg/L时，流化床生物滤器对TAN的去除负荷达到了762±164.33 g/(m3·d)，在此过程，未出现亚硝酸盐氮的累积。与传统流化床生物滤器不同，采用自清洗装置的流化床生物滤器表层和底层滤料表面细菌种群结构和丰度未出现明显的差异，优势细菌主要为赭黄嗜盐囊菌属，Candidatus_Microthrix，类诺卡氏菌属，norank_f_Rhizobiales_Incertae_Sedis，红杆菌属和硝化螺菌属，共同作用于养殖水体中氨氮等营养物质的去除。

□