生物絮凝技術在海產循環水養殖除氮中應用的可行性探究

杜興峰 馬嘉浩 張乙宸 徐國同 李濱洋

摘要：本文是哈爾濱工業大學（威海）創新研修課程《秋季海珍品養殖》課程論文，主要討論了循環海水養殖有較大的環保價值，但氮素污染問題突出，簡略給出了水產養殖中物理化學方法和傳統生物化學方法除氮技術的原理、應用和缺陷，隨后較為詳細地討論了生物絮凝技術的原理和應用價值，從而論述了生物絮凝技術在循環海水養殖中進行應用的可行性，供相關研究和有關創新研修課程論文和設計參考。

關鍵詞：生物絮凝技術;循環水養殖;除氮技術

1 海產養殖中的氮素污染簡述

文獻數據表明，海洋養殖魚類僅能利用餌料中20%左右的蛋白質，殘余餌料氮素和代謝產生的氮素以氨氮等排泄物、殘餌和糞便等排遺物等形式，大量存在于養殖水環境[1]。水產養殖業快速發展，導致養殖尾水中無機氮含量超標，不僅影響養殖主物生長，其排入自然水體引發的水環境污染問題也日趨嚴重。對此一種處理方法是進行換水，這樣會消耗大量水資源且無法解決污染天然水體的問題。本文討論的內容基于第二種方法，即循環水養殖（Recirculating Aquaculture System，RAS）。該法是指將養殖用水進行處理再利用，被認為是一種環境友好的水產養殖模式。本文主要討論此模式中可行或已經有所應用的除氮技術，并給出利用生物絮凝技術除氮方案[2]。

2 水產養殖中除氮技術的分類

目前已知的除氮技術可根據其主要依據的原理和技術手段分為物理化學除氮技術和生物化學除氮技術。物理化學除氮技術主要包括折點氯化法、化學沉淀法、離子交換與吸附法、氧化法、吹脫法與汽提法、電滲析法等;生物化學方法主要包括較傳統的傳統生物硝化與反硝化法、曝氣法等，也包括本文所討論的生物絮凝法[3]。

3 水產養殖中物理化學除氮技術及其缺陷

3.1 折點氯化法

折點氯化法是利用有效氯制劑作為氧化劑，將氮鹽氧化還原為N2從而除去的一種氮素污染處理方法。該法對去除氨氮和亞硝酸鹽等還原性無機氮方面具備較大作用，值得一提的是，該法還對于水體中的微生物具備一定殺滅作用，能兩方面改善水質。但這種方法缺陷非常明顯：含氯氧化劑在養殖水池對水產品有大量化學副反應，對水環境產生許多其他污染和破壞;由于投加藥劑是該法主要干預手段，該法的應用要考慮加藥成本問題和反應最適理化性質區間，折點氯化法要求的水體理化性質和加藥量較為嚴格，此二者可能限制了該法在水產養殖廢水處理，特別是循環水養殖中的推廣[4-5]。

3.2 化學沉淀法

化學沉淀法是指向水體中投加一定量的混凝試劑和助凝劑，使得無機氮以沉淀或以共沉淀的方式加以去除的技術和方法。考慮成本，不光是上文中提到的混凝試劑和助凝劑的成本，固液分離與加藥裝置也要考慮投資問題，化學沉淀法類似于以折點氯化法為代表的化學氧化法都要投加相關化學藥品，因此都存在藥劑成本這一問題，難以做到低成本[5]。

3.3 離子交換與吸附法

離子交換法和吸附法類似，分別是利用離子交換樹脂和各種吸附材料去除氨氮等無機氮。此類方法在處理能力和處理效果上都基本上滿足行業要求。其中，活性炭的物理吸附作用和天然沸石的離子交換作用得到了許多實驗和小范圍應用的驗證和探索，此二者原材料成本也較低，被認為具有很大的應用價值，特別是在用活性沸石處理方面。該方法優點是：操作方便，投資少，工藝簡單，方便實現養殖廠相關操作與水質回用之間的結合，便于產業鏈的形成。但是，吸附材料的再生、如何就地選材和應用造成該法難以推廣。特別地，在高鹽度、大離子交換容量的海水養殖中，這種方法的成本急劇上升，其有效性可能有所下降[5，7]。

3.4 電解氧化法

電解氧化的作用機理與化學氧化法相同，都是基于電子轉移，形成一定的氧化還原能力，從而達到氨氮的氧化去除，區別在于是利用電解的相關機理。相對來說，化學氧化法中的選擇藥劑，電解氧化法中的水質要求，并沒有廣泛適應性。雖然電解氧化法在操作、穩定、處理能力等方面具有優勢，但還需要解決從構建成品設備到解決能耗高、電極材料腐蝕等問題[6]。

3.5 吹脫法與汽提法

吹脫法和汽提法都是用吹氣的機械方式，利用固液相傳質平衡，從而促進氨氮揮發去除。但這種技術對硝酸鹽和亞硝酸鹽氮的作用不大，只能結合下面所述的生化脫氮來進行。吹脫可以采用不同的技術，一般分為自然通風、機械通風和鼓風通風。但就低氨氮濃度污染而言，只能采用強機械通風或鼓風通風，這將導致巨大的運營成本。汽提法通過直接或間接加熱或者蒸汽去除氨氮，更是存在嚴重的能耗問題。在相對氨氮濃度較低的情況下上述缺點更加放大化[7-8]。

4 水產養殖中傳統生物化學除氮技術及其缺陷

傳統的生物脫氮技術一般包括硝化與反硝化兩個過程，分別利用的是一系列種類的硝化細菌和反硝化細菌。生物硝化一般是指硝化細菌在好氧條件下將氨氮轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽的一系列生化作用。反硝化是指反硝化細菌在沒有分子氧的情況下，利用相關含碳物質將硝酸鹽和亞硝酸鹽氮還原為氮氣，從而轉移氣相的生化作用[9]。

傳統的生物脫氮工藝包括厭氧—好氧法和厭氧—缺氧—好氧法等。這一系列的傳統生物脫氮工藝一般基建造價較高，運行管理和維護對于普通養殖人員來說有一定難度，需要特定技術人員來完成。包括活性污泥和生物膜等方面都會在運行中出現相應技術問題。此外傳統生物脫氮技術與水產養殖所產生污水特點結合并不緊密，因此不能很好做到海產養殖廠的低成本水質回收利用，但另一個角度上說，對集中處理區域水產養殖所匯集的含氮污水具備一定意義[10-12]。

5 利用生物絮凝技術解決除氮問題

5.1 生物絮凝技術及其原理概述

生物絮凝技術（Bio-floc Technology，BFT）被認為是解決海洋水產養殖，特別是循環水養殖所面臨的氮素污染、養殖環境制約和部分養殖飼料成本較高等問題的有效解決技術[13]。基于生物絮凝技術的循環水海產養殖模式（Biofloc-Aquaculture System，BAS）可以凈化水產養殖水環境，同時也可以實現部分餌料的多次利用。因此該模式被認為是具有較好生態、經濟效益的循環水水產養殖模式，現正在以色列、美國等國家為主進行研究、實踐和逐步推廣。

這種生物絮凝工藝最早是作為對城市污水的處理方法來研究的。其實質是異養微生物的無機氮同化過程，即微生物將氨氮等無機氮轉化成自身物質。近些年，生物絮凝技術獲得了較大程度的推廣應用。雖然對生物絮凝機理進行研究的非常多，但目前有關生物絮凝技術的原理實證性成果還相對空白，這一現象也表明了該技術機理的復雜性。

僅就膠體系絮凝劑機理而言，較為經典的絮凝機理包括胞外電性中和機理、聚合物橋架機理、體外纖維素纖絲機理、疏水機理、莢膜機理等。綜合文獻報道，絮凝過程復雜，絮凝劑分子的構型、分子量的大小、絮凝劑分子種類、絮凝劑濃度、水體pH、絮凝劑膠體性質等因素影響該過程和機理。

應用層面上，該技術的應用價值主要是實現水體中無機氮的有效轉化。這就是說水體中溶解態的碳、氮比維持某一平衡（例如碳氮比大于等于15），水體中的無機氮可以通過吸收利用轉化成異養微生物的生物量。大量研究表明，異養細菌的生長代謝速率快于硝化細菌類的自養細菌，所以實驗和理論分析都表明，異養氮素轉化快于硝化、反硝化作用實現的自養轉化，因此生物絮凝技術優化了循環水養殖的氮素污染處理及整個過程[14-15]。

5.2 水產養殖過程中生物絮凝過程及其條件

去除對水質有影響的氮化合物，在生物絮凝過程中主要可以通過以下途徑實現：（1）藻類及原生動物光合作用;（2）異養微生物同化作用;（3）硝化細菌化能合成作用。比較這三者可知：異養微生物群落生長繁殖穩定，一般不造成水體理化性質的大幅變化，也不受光照等條件影響。因此，生物絮凝與其他自凈化技術的區別是將養殖環境中的浮游植物群落自養凈化轉變成異養的細菌群落凈化。生物絮凝過程需要滿足的條件包括但不限于：足夠的混合強度、好氧環境，需要足夠的有機碳源和C/N，合適的溫度、pH、總懸浮固體量[16]。

5.3 水產養殖中生物絮凝法的優勢

生物絮凝技術在循環水水產養殖還利用水體中殘餌和糞便等碳源，絮凝后形成可以被養殖對象攝食的生物絮凝體。這一過程實現飼料所含氮素的再次利用，提高了飼料中氮素轉化率。簡單來說，在水產養殖系統中利用BFT凈化養殖水體只需要提供碳源，對理化性質要求不高，因而區別與上述化學法成本較低[17]。該技術可以解決養殖過程中的水質問題，也可降低飼料成本，在以色列、加拿大、美國等國家正在推廣，對于我國實現“面向海洋，經略海洋”的海水養的戰略轉變，和“既要綠水青山，也要金山銀山”的可持續發展戰略提供了一個很好的海水集中養殖參考模式。

5.4 水產養殖生物絮凝工藝分類

水產養殖中生物絮凝工藝可分為兩種：一是自養和異養相結合的藻菌共生生物絮凝，二是以細菌等異養微生物為主的生物絮凝。藻菌共生生物絮凝需要光照，適宜于室外養殖，細菌為主生物絮凝不需要光照，適宜于室內處理。水產養殖系統中應用生物絮凝技術也可如下分類：一是直接在養殖池進行，比如在露天海蝦養殖池中添加碳源并曝氣。二是將養殖水泵出原養殖池，于序批式反應器（Sequencing batch reactors，SBR）中進行生物絮凝。后者完成生物反應后回水或收集絮體可進行投喂，能更好地與循環水養殖結合，解決養殖含氮廢水處理問題[18-19]。

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