（环境工程专业论文）海水循环水养殖系统中生物滤器污染物去除机理的初步研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 海水循环养殖系统的关键技术是养殖废水的处理和再利用，作为封闭循环系 统水处理的核心单元，生物滤器对于养殖水体中污染物的去除起着至关重要的作 用。本课题以污染物去除机理的初步探索为研究目的，对生物滤器的抗冲击负荷 能力和污染物的沿程变化进行了研究。主要结论如下： 7 1 本实验生物滤器采用自然挂膜方式，选择竹质空心生化球为载体填料， 在进水氨氮为0 6 - 0 8 m g l ，c o d r a , 为8 - 2 0m g l ，水温为6 - - 2 0 c ，p h 为7 8 - - 8 0 ，d o 为1 8 3 8 m g l ，气水比3 ：1 的条件下，出水氨氮和亚氮分别小于0 3m g l 和0 0 1 m g l ，认为挂膜成功，这个过程需要4 0 天。 2 氨氮的去除率随氨氮负荷的增加呈先上升后下降的趋势。当进水氨氮负 荷为0 8 7g ( 氨氮) m 3 ( 填料) h 时，氨氮去除率最高约为7 0 ，继续增加氨 氮负荷去除率开始降低，故氨氮负荷以不大于0 8 7 m 3 h 为最佳。 c o d m n 的去除率随有机负荷的增加而增加，但是，当有机负荷超过1 1 5 8 g ( c o d m n ) m 3 ( 填料) h 后，增速变缓，说明生物滤器的处理量开始接近饱和， 故有机负荷以不大于1 1 5 8g m 3 - h 为宜。 适当的增加水力负荷对c o d m n 和氨氮的去除率影响不大，但是当超过 0 8 7 m 3 ( 废水) n 1 3 ( 填料) h 后，去除率明显下降，故认为0 8 7 m 3 m 3 - h 是临 界值。 生物滤器进水溶解氧为1 8 3 8m g l ，由于异氧菌和硝化细菌去除污染物 需耗氧，不曝气时生物滤器局部区域溶氧较低，微生物将蛋白质等有机物转化为 氨氮等小分子物质的速率大于氨氮等的去除速率，导致氨氮和c o d m n 浓度升高， 出水水质恶化。因此，为了使生物滤器较好地运行，应给予适当曝气，以提高溶 解氧浓度。 3 对于上流式生物滤器有机物与氨氮的去除有不同的最佳床层高度，沿水 流方向，氨氮的去除滞后于c o d h , t u 。c o d r 订m 和氨氮的主要去除区间分别为0 1 0 e r a 和0 - - 3 0 c r n ，表明上流式生物滤器中碳化异养菌活跃层较硝化菌活跃层靠 下。 生物量与生物活性的变化趋势相似，均沿程降低。上层填料的生物量较下层 青岛理工大学工学硕士学位论文 少，但仍保持一定活性。当生物滤器受到冲击时，下层滤料无法降解的污染物便 会随水流迁移到更高的滤料层去除，所以适当加高滤床高度有利于增强生物滤器 的抗冲击能力。 养殖废水经过1 0 0 目和4 0 0 目筛绢过滤后，1 0 0 目( 颗粒物粒径9 0g tm ) 的c o d r , _ i n 和t s s 的去除效果较4 0 0 目( 颗粒物粒径2 5 l am ) 的好，而二者的 氨氮去除率相近，说明生物滤器对大颗粒物质的去除好于小颗粒物质；因此，从 去除效果上看，生物滤器对1 0 0 目的进水，污染物去除率较高。但是，进入生物 滤器的颗粒物越多，粒径越大，反应器越容易堵塞，会增加反冲洗的频率，所以 在工程上要综合考虑。 关键词海水生物滤器；竹质空心生化球填料；抗冲击负荷；污染物去除机理 i i a b s t r a c t t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u s i n gi s a l w a y sp l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l ei n r a s a st h ec o r eu n i to fr a s ，b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) p l a y sak e yr o l eo n r e m o v i n gp o l l u t a n t si na q u a c u l t u r ew a s t e w a t e r t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os t u d y t h em e c h a n i s mo fp o l l u t a n t sr e m o v a l ，a n dt h ep a p e rd i s c u s s e dt h es h o c kr e s i s t a n t a b i l i t yo ft h eb a fa n dt h ec o n v e r s i o no fp o l l u t a n t sa l o n gt h ef l o wd i r e c t i o n m 出 c o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep r o c e s so fn a t u r a lh a n g i n gm e m b r a n e c h a r g e dw i t hb a m b o os u b s t r a t el a s t s 4 0d a y s ，u n d e rt h ei n f l u e n tc o n d i t i o n so fa m m o n i u m n i t r o g e ni so 6 o 8 m g l c o d m n i s8 2 0m l ，t e m p e r a t u r ei s6 - 。2 0 c ，p hi s7 8 - - 8 0 ，d oi s 1 8 3 8 m g l ，g a s w a t e r r a t i oi s3 ：1 t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o na m m o n i u m n i t r o g e na n dn i t r i t ea r el o wa n dl e s s t h a n0 3m e g la n d0 01m g l r e s p e c t i v e l y 2 r e m o v a le f f i c i e n c yo fa m m o n i an i t r o g e na s c e n d e df i r s tt h e nd e s c e n d e dw i t h t h er i s i n go fa m m o n i an i t r o g e nl o a d i n g r e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e nr e a c h e su p t o7 0 w h e nt h ea m m o n i an i t r o g e nl o a d i n gw a s0 8 7 9 m 3 h ，a n dt h et r e n dw o u l db e d e c r e a s e di fe o n t i n u e l yi n c r e a s e dt h el o a d s s ot h ea m m o n i an i t r o g e nl o a d i n gs h o u l d n t b em o r et h a n0 8 7g m 3 - h r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d m ni n c r e a s e dw i t ht h er i s i n go fo r g a n i cl o a d i n g ，b u t t h er a t eo fi n c r e a s ew a ss l o w e dw h e nt h eo r g a n i cl o a d i n ge x c e e d e d11 5 8e c r u 3 h ，i t s h o w st h a tt h er e m o v a lc a p a c i t yo fb a fw a sc l o s et os a t u r a t i o n ，s ot h eo r g a n i cl o a d i n g w a sn o tm o r et h a n1 1 5 8g m 3 h i n c r e a s i n gt h eh y d r a u l i cl o a da p p r o p r i a t e l yd i dn o tm a r k e d l yi n f l u e n c et h e e f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t s ，b u tr e m o v a le f f i c i e n c yw o u l db ed e c r e a s e di ft h eo r g a n i c l o a d i n ge x c e e d e d0 8 7g m 3 h ，s o0 8 7g m 3 hi st h et h r e s h o l d b e c a u s eo f t h ed i s s o l v e do x y g e ni s1 8 3 8m g lo f i n f l u e n t , a n dt h ec a r b o n i z e s b a c t e r i aa n d n i t r i f y i n g b a c t e r i aw o u l dc o n s u m eo x y g e nw h e np o l l u t a n t sw a s d e g r a d a t e d ，s ot h ed oi nl o c a l a r e ao ft h eb a fw a sa t1 0 w1 e v e l s i nt h i sc a s e b i o d e g r a d a t i o nr a t eo fa m m o n i an i t r o g e nc o n v e r t e dt on i t r a t en i t r o g e ni sl o w e rt h a n t h er a t eo fp r o t e i nc o n v e r t e dt oa m m o n i an i t r o g e n ，s ot h ee f f l u e n t c o d m na n d i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 a m m o n i u mn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d ，a n dt h eo u t f l o ww a t e rq u a l i t yw o r s e d i t s h o u l db eg i v e na p p r o p r i a t ea e r a t i o ni no r d e rt oe n s u r et h es t a b l er u n n i n go ft h eb a f 3 t h eb e s tb e dh e i g h to fo r g a n i cr e m o v a lw a sd i f f e r e n tf r o mt h a to fa m m o n i a n i t r o g e nr e m o v a li nu p - f l o wb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r a l o n gt h ef l o wd i r e c t i o n ，t h e a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a ll a g g e db e h i n dt h ec o d m b i tw a si n d i c a t e dt h a tt h ea c t i v e l a y e ro fc a r b o n i z e sb a c t e r i aw a si nt h el o w e ro fr e a c t o ra n dt h ea c t i v el a y e ro f n i t r i f y i n gb a c t e r i aw a si nu p p e rt h eo fr e a c t o r t h em a i nr e m o v a lh e i g h to fc o d m n a n da m m o n i an i t r o g e nw a so - - - lo c ma n d0 - - 3 0 c mr e s p e c t i v e l y t h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo fb i m a s si ss i m i l a rw i t hb i o a c t i v i t ya l o n gt h ef l u e n t d i r e c t i o n w h i c ha r ea l li n c r e a s e d t h e u p p e r b i o m e m b r a n es t i l lh a v ec e r t a i n b i o a c t i v i t y , a l t h o u g ht h eu p p e r b i m a s si sf e w e rt h a nt h el o w e r p o l l u t a n t sw h i c hc a nn o t b ed e g r a d a t e do fl o w e rm e d i ac o u l db er e m o v e do nu p p e rm e d i aw h e nb a fa t i m p a c t ，s oh e i g h to ff i l t e rb e dc o u l db ea p p r o p r i a t e l yi n c r e a s e di no r d e rt om a k et h e b a fh a dp o w e r f u lr e s i s t a n c et oi m p a c t t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o d m , a n dt s so f10 0m e s hn e t ( p a r t i c l e s i z e = = 9 0 m ) w a sb e t t e rt h a n4 0 0m e s hn e t ( p a r t i c l es i z e = 2 5p a n ) ，a n dt h er e m o v a lr a t e o fa m m o n i u mn i t r o g e na r es i m i l a r , w h e nt h ew a s t e w a t e rw a sf i l t e r e db y10 0a n d4 0 0 m e s hs c r e e nr e s p e c t i v e l y i ts h o w st h a tt h er e m o v a le f f e c to fb i g g e rp a r t i c l e sw a s b e t t e rt h a nt h es m a l l e r s f r o mt h er e m o v a le f f e c t , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t s i sb e t t e ru n d e rt h ei n f l u e n tf i l t e r e db y10 0m e s hs c r e e n h o w e v e r , t h em o r ep a r t i c l e s g e ti n t ot h eb i o f i l t e ra n dt h el a r g e rt h e i rs i z e sa r e ，t h em o r ep r o n e t ob eb l o c k e dt h e r e a c t o rw i l lb e ，a n dt h ef r e q u e n c yo fb a c k w a s hw i l lb ei n e a s e d ，s ot h e s es h o u l db e c o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l yi ne n g i n e e r i n g k e yw o r d sm a r i n eb i o f i l t e r ；b a m b o om e d i u m ；r e s i s t a n c et oi m p a c tl o a d ；p o l l u t a n t s r e m o v a lm e c h a n i s m w 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 海水封闭循环养殖技术 1 1 1 海水封闭循环养殖技术的起源 我国是海水养殖大国，无论从养殖面积( 1 5 7 9 千公顷，2 0 0 8 年) 和总产量 均居世界首位。世界粮农组织( f a o ) 的统计资料显示，我国海水养殖业总产量 1 9 5 5 年仅1 0 万吨，2 0 0 8 年上升到1 3 4 0 万吨，占国内海洋水产品产量的5 1 6 ， 约占世界海水养殖总产量的2 3 。据预测，2 0 0 0 - - 2 0 1 0 年，我国水产品总需求量 将以每年2 3 的速度增长，人均消费量将由1 6 k g 增加到1 9 , - 一2 1 k g 。随着我国海 水养殖业的快速发展，诸如渔业资源衰退、环境污染( 按照2 0 0 7 年“中国渔业 生态环境状况公报数据，2 0 0 7 年因环境污染造成可预测天然渔业资源经济损 失5 3 9 亿元) 等问题日益表现出来，特别是优质水资源量的减少已成为制约我 国海水养殖业发展的重要问题之一。 发展新的养殖技术和养殖模式，使水产养殖过程更为“环境友好已成为海 水养殖业亟待解决的关键问题。工厂化养殖被普遍认为是解决环境污染、提高产 品质量的有效途径。养殖企业也希望通过发展工厂化养殖，能够实现可持续发展， 特别是能适应全球开放市场的需求和进一步降低生产成本。我国现有的海水工厂 化养殖，基本是采用开放式流水生产，处于工厂化养殖初级阶段。其特点是用水 量过大，对水质的前处理简单，产量难以提高，绝大多数养殖单位不设后处理， 养殖废水直接排放入海，造成海区污染并危及企业自身的持久生存。为此，从保 护环境和持续利用资源的全局出发，走封闭式循环水工厂化养殖之路，彻底改善 养殖生产与环境保护之间不协调的关系是最佳的出路。 封闭循环水养殖( r e c i r c u a l t i n ga q u a c u l t u r es y s t e m ，r a s ) 通过综合集成现 代生物学、建筑学、化学、电子学和工程学等领域的技术。利用机械过滤、生物 过滤去除养殖水体中的残饵、粪便以及t a n 、n o z - - n 等有害物质，再经消毒增氧、 去除c 0 。、调温后输回养殖池实现养殖用水的循环利用，这样可大大节约水资源， 使养殖水体持续保持高溶氧状态和稳定的水质环境，显著提高单位水体生产力。 在封闭循环水养殖系统中，需要控制总氨氮、悬浮物、溶解性有机物以及二 青岛理工大学工学硕士学位论文 氧化碳( c 0 2 ) 等代谢物的积累。循环水养殖所需要的水处理单元取决于水循环 利用率、经济性和养殖对象的水质要求。典型的循环水养殖系统的处理程序单元 ( 如图1 1 所示) 包含：悬浮颗粒物去除( 机械过滤) 、气体控制( 氧气供应，c o 。 去除) 和生物处理( 生物过滤的氨硝化反应和消毒) 等。 圃 固 团 图1 - 1 封闭循环水养殖系统单元组成 f i g 1 - 1 u n i tc o m p o s i t i o no fr e c i r e u l a t i n ga q u a c u l t u r es y s t e m ( f r o ml o s o r d o 订 a z ，1 9 9 9 ) 封闭循环水工厂化养殖无论是用水量还是占地面积均要显著低于池塘养殖 和开放式流水养殖模式，并可大大提高养殖密度；另外工厂化养殖把外来污染源 和病原体的危害降低到最小程度，生产环境稳定，可生产出完全符合国际标准的 优质无公害产品，并通过对养殖废水的资源化处理，减少养殖生产对环境的污染， 实现环境友好。 1 1 2 海水封闭循环养殖技术的研究和发展情况 在欧洲，当前绝大多数养殖企业的苗种孵化和育成均采用循环水工艺，有越 来越多的海水和淡水封闭循环水养殖模式在各地得以成功实践。在丹麦大约有超 过1 0 的鲑鱼养殖企业正积极把流水养殖改造为循环水养殖，以达到减少用水量 和利用过滤地下水减少病害的目的。在法国，所有的大菱鲆苗种孵化和商品鱼养 殖均在封闭循环水养殖车间进行，鲑鱼的封闭循环水养殖也开始进行生产实践。 海水封闭循环水养殖理论与技术也是欧盟建议的重要研究领域之一。 近2 0 年来我国海水工厂化养鱼以山东省为龙头迅猛发展起来，成为水产业 有活力的新兴产业，形成了南方以网箱养鱼，北方以工厂化养鱼为主体的格局。 青岛理工大学工学硕士学位论文 从节能减排、高效和生产无公害水产品考虑，海水循环水高效养殖，技术含量高， 今后应深入研究适合中国国情的循环水养殖模式，包括水处理工艺、研发新一代 水处理设施设备、补充水处理方式和外排废水综合处理利用，并进一步提高水产 品产量和质量，满足市场供应，逐渐向规模化、标准化及集团化方向发展。循环 水养殖模式是海水养殖业发展的根本方向，应通过课题研究、基地建设大力推广 循环水养殖模式。 由于封闭循环水养殖具有大大减少养殖用水量、增加每单位水体产量和实现 更为人工可控的养殖水环境，因此海水封闭循环水养殖在中国越来越受到重视。 “九五”和“十五”计划中，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 设置了3 个 相关课题开展海水封闭循环水养殖理论与应用技术研究，并取得了一系列成果。 在“十一五”8 6 3 计划中，海水设施养殖与工程化技术也被列为重点项目。可 以预见，在此方面将有更多的世界先进技术在中国得以创新应用，海水封闭循环 水养殖在中国也将长期被列为研究和生产推广应用的重要技术。 1 2 海水封闭循环水处理技术 1 2 1 海水养殖废水的组成和特点 1 211 海水养殖废水的特点 与城市生活污水和工业废水相比，养殖废水有其独特的特点，例如相对的寡 营养、高盐度、中低温和一次排水量大等特点，增加了处理的难度。养殖废水中 氮磷营养成分、溶解性有机物、悬浮物和病原体是处理的重点。 1 2 1 2 养殖废水的组成 养殖废水中的污染物主要是未被摄食的残饵、养殖生物的排泄物和分泌物、 化学药品和治疗剂。广义的“废物 还包括死亡和濒死的鱼以及逃逸的鱼、病原 体等。 1 残铒、粪便 鱼、虾、蟹和贝类等水产动物在育苗及养殖过程中，会排泄或分泌大量的含 氮化合物，包括氨、尿素、三甲基胺、肌酸、肌酸酐、蛋白质等。根据被消化的 食物，生产l k g 的鱼类生物量估计可产生1 6 2 9 有机物的粪便废物，其中包含5 0 9 蛋白质、3 1 9 脂质和8 1 9 碳水化合物，营养盐废物的产生量为包括8 9 蛋白氮和 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 9 总氨态氮( t a n ) ，合计为3 0 9 的总氮( t n ) 以及7 9 的总磷( t p ) 。由此推算，生 产l k g 的鱼类生物量，约有5 1 的氮和6 4 的磷成为废物。这些固体废物颗 粒可对养殖生物及水质产生潜在影响，主要包括：直接损害鱼鳃；堵塞废水 处理生物滤器的机械，使水循环率增加而限制系统的承载力；矿化作用产生氨 和其他有害产物；分解过程中消耗大量氧气2 i 。 2 化学药物 药物防治是水产动物病害控制的三大措施之一，也是我国水产动物病害防治 中最直接、最有效和最经济的方法，由于我国养殖品种众多，成为渔药生产和使 用的大国。一般地，水产养殖中常用的化合物主要是为控制病害向水体中施用的 杀菌剂、杀真菌药、杀寄生虫剂，这些药物使用后在鱼体内多有残留。 3 危害 养殖废水中的主要污染物包括：颗粒态固体( 粪便和饲料废物) 、溶解态代 谢废物、饲料和粪便中的溶解态营养盐、抗微生物制剂和药物残留。这些污染物 可导致近岸、湖泊等水域发生富营养化，细菌数量增加，水中溶解氧含量下降， 赤潮或藻类水华大面积发生，水体恶臭，鱼类异味，甚至改变底栖动物区系或对 水生生物产生毒性等，不但降低了水生生物的经济价值，而且还可能对人类的健 康产生影响。表1 中列出了与水产养殖有关的各种环境问题口1 ： 表1 - 1 与养殖业有关的环境问题 t a b 1 - 1e n v i r o n m e n tp r o b l e m si nc u l t i v a t i o n 问题范围问题种类 废物和营养负荷 水交换 陆地环境退化 固体、n 、p 、维生素、矿物质、致病化合物、抗菌素的输出：废物 对底栖生物、水生生物种群或群落多样性、水质指标、赤潮或水 华产生的影响 集约化陆上养殖系统中的水交换，冲洗海、淡水网箱或围隔过程中 的水交换 在沿岸区域，由土壤盐渍化作用导致的土地退化，砍伐红树林及清 除保护性覆盖物导致的退化。 逃逸种 姜粪薹盏麦薹蓬票鐾翥；嚣蕞，对土著种的遗传污染、疾病传播， 对被保护的敏感种类导致养殖种类的损害和减少，产生与压力相关的疾病，需要控制但 的捕食不应危及保护种类的安全。 社会、舒适性扰乱养殖设施对人类视觉、听觉( 噪声) 及行为的干扰。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 由上可知，将养殖废水随意排放，不但会污染环境，还会影响养殖生物的数 量和质量。因此，对养殖废水的处理和再利用成了解决这些危害的的唯一出路。 由于海水盐度效应，增加了养殖废水的处理难度。因此当前单纯针对海水工 厂化养殖废水外排处理的专有技术较少。为了最大限度地减少大量工厂化养殖废 水对海洋环境所产生的危害，近年来国内外学者针对海水工厂化养殖废水的特 点，对处理技术分别进行了应用研究，取得了许多实用性成果。下面就海水循环 水处理技术作出介绍。 1 2 2 海水封闭循环水处理技术的研究现状 随着我国海水养殖业的迅猛发展，养殖废水任意排放造成的环境问题也日益 受到重视。在高密度的海水养殖水体中，鱼虾排泄物和残饵残渣在细菌的分解下 会使水质迅速恶化，若不及时处理养殖过程中产生的废水，不但会降低养殖生物 的数量和质量，随意排放还会造成严重的环境污染。因此，对养殖废水的处理和 再利用成了解决这一问题的唯一出路h 1 。目前处理养殖废水的方法主要包括物 理处理技术、化学处理技术、生物处理技术等。 1 2 2 1 物理处理技术 常规的物理处理技术主要有沉淀、过滤和吸附等，而对于养殖废水，排泄物 和残铒大部分以悬浮颗粒形式存在，采用物理处理技术是最经济、快捷的方法， 较为常用的主要是机械过滤和泡沫分离技术口3 。 机械过滤是水产养殖系统中用来固液分离的主要手段，机械过滤通常可去除 粒径为6 0 - 2 0 0 1 tm 的颗粒物。常用的机械过滤设备有固定筛、旋转筛、振动筛、 砂滤器等】。 泡沫分离技术的原理是向废水中通入空气，使水中的表面活性物质被微小气 泡吸着，并随气泡一起上浮到水面形成泡沫，然后分离水面泡沫，从而达到去除 废水中溶解态和悬浮态污染物的目的。由于泡沫分离技术不仅可以将蛋白质等有 机物在未被矿化成氨化物和其它有毒物质前加以去除，避免了有毒物质在水体中 积累，而且可向养殖水体提供所必需的溶解氧，对维护养殖水体生态环境有良好 作用嘲”。 1 2 2 2 化学处理技术 在消除有害物质净化水质方面，往废水中投加石灰、高锰酸钾等，调节p h ， 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 净化水质，杀菌消毒。对于特定物质，例如：重金属铬的去除一般用还原剂硫酸 亚铁或亚硫酸钠将六价铬化合物还原为三价铬化合物，从而达到“解毒”的目的； 用硫酸铜来抑制藻类的生长繁殖，吴垠等( 1 9 9 8 ) 曾对二氧化氯改善养殖水环境效 果进行了研究，结果表明二氧化氯能明显增加水体溶氧量，降低有机物和氨氮浓 度5 1 。 在用化学法消毒技术，目前使用较多是臭氧消毒法。它是一种强氧化剂，能 破坏细菌的细胞壁，并迅速扩散到细胞内部，氧化破坏或分解细胞中的酶而立即 致死病原菌，具有无残余毒性和二次污染的优点，另外，由于臭氧具有迅速分解 成氧的特性，处理后的水含有饱和溶解氧，对循环水养殖特别有利，因而在养殖 废水的处理中得到了广泛的应用阳 。 1 2 2 3 生物处理技术 生物处理技术是利用微生物的吸收、代谢等作用，降解水体中有机物和营养 盐，主要去除水中溶解性污染物。养殖过程中投放的饵料和养殖生物排泄物主要 是碳水化合物、蛋白质、脂肪等，生化降解性较好，且生物处理技术投资少、不 易产生二次污染，因此，生物处理法在循环水养殖中起着重要的作用。生物法主 要有生物膜法和特定生物处理技术。 实践证明，光合细菌等微生物，水浮莲等高等水生植物，螺、贝类以及适当 放养量的鲢、鳙、鲫、罗非鱼等鱼类都有一定的净水作用。在国内，光合细菌在 沿海虾池和育苗池中应用较广，有一定的市场前景。目前全国已有数家生产光合 细菌的厂家m 1 。 生物膜法是一大类生物处理法的总称，又称固定生物膜法，是指生物膜或固 定生长或附着生长于固体填料( 或称载体) 的表面，大多数细菌可分泌胞外糖 类多聚物，使之具有“生物胶水 的作用而黏附生长于载体填料表面凹3 。附着 于载体上的微生物利用养殖废水中的碳水化合物、脂肪、蛋白质、氨氮等污染物， 作为细胞本身活动所需要的能源和细胞合成所需的物质基础，将污染物转换成 无害的二氧化碳、水、硝酸盐等物质，达到净化废水的目的。其反应方程式可简 化为： ( 1 ) 有机物氧化 c 日，d 2 + o + y 4 一z 2 ) 0 2 _ x c 0 2 + y 2 h 2 0 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 细胞合成 刀e h y q - 1 - n ( x + y 4 - 衫2 5 ) 吼+ n n h 3 _ ( c 5 h 7 0 2 忉。+ n ( x - 5 ) c 0 2 + , 2 h 2 0 ( 3 ) 细胞体分解 ( c 5 日7 q ) 。+ 5 ，z d 2 5 n c o ：+ 2 n i l 2 0 + n n h 3 ( 4 ) 硝化反应 n h ；+ 1 8 3 q 4 - 1 9 8 h c 0 ；一0 0 2 1 c 5 h 7 0 2 + 0 9 8 n o ；十1 0 4 1 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3y 2 h 2 0 生物滤器即浸没式曝气生物滤器( b a f ) 作为生物膜法的新发展，与传统污 水处理技术相比，它具有处理效率高、占地面积小、基建及运行费用低、管理方 便和抗冲击负荷能力强等特点。 综上所述，一个合理完善的循环水处理系统是物理、化学、生物法共同作用 的结果。随着海水集约化养殖的发展以及对海水养殖废水处理研究的深入，人们 逐渐认识到单一的处理技术或传统的陆域污水处理法已无法满足要求，投入少、 低成本、低能耗和高效率的海水养殖废水综合处理技术日益获得关注1 。 1 3 曝气生物滤器( b a f ) 在海水养殖废水处理中的应用 1 3 1b a f 的净化机理 曝气生物滤器是介于活性污泥法和生物滤池的一种水处理技术n 纠。其工艺 原理是：生物滤池的载体滤料表面生长着微生物，污水在流经滤料表面的过程中， 通过有机营养物质的吸附、氧向生物膜内部的扩散以及生物膜中所发生的生物氧 化等作用，对污染物质进行氧化分解，使污水得到净化 1 纠。 生物滤池中废水的净化过程包括复杂的生物代谢作用、生物絮凝作用、物理 过滤作用及生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用 丝 1 4 】 寸 o 1 过滤及吸附阻截作用 曝气生物滤器具有优良的过滤性能，污水在垂直方向上通过填料层时，滤料 呈压实状态，截留水中的大量悬浮物n5 i 。与此同时，微生物同样在滤料表面落 户并大量繁殖形成生物膜，微生物新陈代谢作用中产生的粘性物质如多糖类、酯 类等起吸附架桥作用，与悬浮颗粒及胶体粒子粘结在一起，形成细小絮体，通过 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 接触絮凝作用而被去除。 2 生物代谢作用 在生物膜上栖息生长着大量的种类繁多的微生物，成为生物膜法的工作主 体。生物膜的宏观结构是生物及水力剪切共同作用的结果。根据溶解氧的扩散， 生物膜在结构上可分为2 层，一是好氧生物膜层，二是厌氧生物膜层。依据底物 在生物膜内的扩散，生物膜在功能结构上同样可划分为2 部分，一是底物利用 区，二是生物膜微生物饥饿区。处于饥饿区生物膜的微生物，必须代谢它们自身 的细胞物质才能维持生命。处于饥饿区的微生物一般失去了黏附于载体的能力， 因而很容易脱落。对于混合种群生物膜，在生物膜内部存在一定的种群分布。一 般认为好氧菌在生物膜外部表层，而厌氧菌则集中于生物膜内部深层。增长率较 高的细菌一般集中生长在膜的外表层，而增长率较低的细菌种群往往处于膜的内 层n 6 1m 3 。l y d m a r k 等用f i s h 技术对硝化细菌在生物膜上的空间分布进行了研 究，发现了硝化细菌在生物膜上的分层分布，f i s h 结果显示异养菌分布在最外 层，而氨氧化菌分布在次外层，并且聚集成团。生物膜内的微观结构较为复杂， 一般认为生物膜的微观结构是按生理功能以及环境条件的最优化原则而构造的。 正因为生物膜上的微生物种属多种多样，因此可以形成一个稳定的生态系统n 引。 3 食物链的分级捕食作用 一般而言，构成生物膜的生物种类、数量要比活性污泥系统的多得多，其食 物链也比活性污泥的长而复杂，这样丰富的微生物种群特征使得生物膜内的食物 链关系较为复杂，也使有机食料在这一食物链系统中得到迅速彻底的转化。在曝 气生物滤器中，沿着水流方向自下而上有明显的食物链分级，每一段的优势生物 类群各不相同，基本上形成了有机物一细菌一原生动物的食物链，同时加上其交 叉所形成的网状食物链关系，使反应器系统的物质转化效率达到最高n 9 1 。另外， 随着有机物浓度的逐渐降低，水流尾段反应器区域的细菌可以进入内源呼吸阶段 从而自身氧化，大大降低了出水中的有机物浓度，达到处理的目的呦1 。 1 3 2b a f 在国内外的发展现状和研究进展 曝气生物滤器( b a f ，b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) 是一种高效、节能、占地面 积小、运行管理方便的水处理新技术，近年来该技术得到了广泛应用并取得了很 大发展，应用于海水养殖废水处理的生物滤器也逐渐成为研究热点。 青岛理工大学工学硕士学位论文 曝气生物滤器是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初在普通生物滤池的基础上，借 鉴给水滤池工艺而开发的污水处理新技术瞳。自8 0 年代在欧洲建成第一座曝气 生物滤池污水处理厂后，曝气生物滤池已在欧美和日本等发达国家广为流行，出 现了比较有代表性的b i o f o r 、b i o s t y r 、b i o p u r 和d e e p b e d 等反应器和 工艺形式。 目前全世界范围内的以曝气生物滤器作为处理主体的污水处理厂已有很多， 主要分布在欧洲和北美地区，亚洲的韩国、中国台湾也有实际应用，大连马栏河 污水处理厂也引进了b i o f o r 形式的曝气生物滤器。这些滤器被应用于处理工 业废水，生活污水以及为微污染源水的预处理中，取得了良好的处理效果，在水 处理工业中发挥着越来越重要的作用。 9 0 年代以来有关曝气生物滤器的技术方法、工艺流程不断完善，在填料的 选择、反冲洗技术的改进以及提高滤速研究等方面取得了一定的进展。随着研究 的深入，生物滤器从单一的工艺逐渐发展成系列综合工艺，具有去除c o d 、b o d 、 s s 和脱氮作用。 养殖生物的排泄物包含各种电解质、氨、尿素、尿酸等含氮产物，其中氨占 很大的比例，如牙鲆氮排泄物的5 0 以上为非离子氨( u n i o n i z e d a m m o n i u m ，u n ) 并且废水中残余饵料、排泄物在微生物的作用下分解转化也会释放出氨，这都会 造成循环水养殖水体中总氨氮( t o t a la m m o n i u mn i t r o g e n ，t a n ) 的积累。若离子 态氨、非离子态氨( u 队) 及病原生物的含量较高，会对水生生物的生长繁殖产 生抑制甚至毒害作用，尤其是u i a ，很低的浓度即可导致其死亡，如u i a 对鱼 有强烈的毒害作用( 一般食用鱼类在u i a 浓度高于o 1m g l ，珊瑚礁鱼类高于 0 0 1m g l 时会出现死亡) 【2 纠，因此，有关硝化性能及其相关问题的研究是目前 生物滤器研究的热点之一。在韩国的电子工业废水处理中，利用两级生物滤器进 行硝化反硝化脱氮，当好养和厌氧池的水力停留时间分别为1 3 6 h 和o 8 4 h 时， 生物滤器的硝化效率达9 9 5 ，总氮去除率达到9 0 7 。 在曝气生物滤器获得广泛应用的同时，应用于养殖废水处理的生物滤器的研 究引起了广泛关注，生物滤器作为封闭循环水养殖系统的核心水处理单元，利用 其填料表面生物膜的硝化作用来处理海水养殖废水中对鱼类有害的氨氮、亚硝酸 氮等，成为封闭循环水养殖技术的关键技术之一。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 课题的提出和主要研究内容 1 4 1 课题的研究背景 封闭循环水养殖由于大大减少了生产用水量和通过工程设施处理养殖废弃 物，使养殖生产对环境的影响最小，已被证明是实现海水工厂化养殖可持续发展 的必由之路。如何减少封闭循环水养殖系统能量消耗并提高效率是应用这种新的 养殖生产模式最为关注的问题之一，改善现有的生物滤器设计与运行参数是解决 该问题的有效手段。生物滤器主要用于去除养殖水中的水溶性有害物( 有机物和 氨氮) ，它是所有( 海水、淡水) 封闭循环水处理系统成功运行的关键，同时生 物滤器也是封闭循环水处理系统投资和能耗最大的水处理单元。尽管生物滤器是 整个水处理系统的核心单元，但至今还缺少对其系统的研究，仍被认为是转化氨 氮的“黑盒 ，特别是海水生物滤器中的硝化反应过程人们对其知之甚少，影响 和限制了封闭循环水养殖技术的进一步推广应用。 本研究的主要目的是对海水生物滤器的污染物去除机理做初步研究，以期为 今后进一步深入研究奠定基础。 1 4 2 课题的主要研究内容 本课题是在中国科学院海洋研究所承担的中法先进研究计划国际合作项目 ( 和法国国家海洋开发研究院合作) ：通过循环再利用减少海水集约化养殖对环 境的影响一生物滤器的设计与优化( e 0 7 0 3 ) 和国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 现代农业技术领域重点项目课题：工厂化海水养殖成套设备与无公害养殖 技术( 2 0 0 6 a a l 0 0 3 0 5 ) 的资助下进行的。 本课题的主要内容是：以海水生物滤器为研究对象，根据对生物滤器抗冲击 负荷能力和污染物沿程变化规律的研究，探讨海水生物滤器污染物的去除机理。 具体包括以下几个方面： 1 海水生物滤器的挂膜启动及微生物相分析； 2 海水生物滤器抗冲击负荷能力的研究； 3 海水生物滤器污染物去除机理的初步研究。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 实验装置与材料 2 1 1 实验装置 第2 章实验概况 反应器为上流式海水生物滤器，底部有进水管，污水在滤器中曲折向上流动， 至上部出水管流出，污水与填料充分接触，实验用反应器分为4 组，每组3 个重 复，共1 2 套，编号分别为1 号，2 号，3 号和4 号。 实验用生物滤器为圆柱形，如图2 1 所示，为上流式生物滤器，由白色不透 明p v c 材料制成，直径为中l l c m 、高为1 2 0 c m ，填料高度为l o o c m ，柱体的有 效体积约为9 5 l 。模拟养殖废水由潜水泵提升至高位水箱，由压差进入反应器 底部。每个生物滤器的进水和曝气都由液体流量计和气体流量计分别控制，以确 保相同的水力负荷和气水比。 原水 图2 - 1实验生物滤器示意图 r i g 2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o f i l t e rs y s t e m l o o c m 出水口 8 0 c m 采样口 6 0 c m 采样口 3 0 c m 采样口 l o c m 采样口 青岛理工大学工学硕十学位论文 图2 - 2 实验生物滤器实物图 f i g 2 - 2 t h ea c t u a lp i c t u r eo fe x p e r i m e n t a lb i o f i l t e rs y s t e m 底部为布气配水系统，有穿孔布水板，用以支撑填料，防止填料漏失，并起 到均匀布水的作用。生物滤器底部通过曝气管与气泵相连，一方面为微生物生长 和代谢提供充足的氧气，另一方面可以在滤器内部形成一定紊流条件。z h u 和 c h e n 通过理论分析和实验研究得出，流体的雷诺数对氨氮去除速率有很大影响 比。，对于固定的氨氮浓度，r e 为6 6 7 1 0 时的氮氮去除速