养殖土木工程学-硝化反应与生物滤池

硝化反应与生物滤池

综述第一部分

氨氮、亚硝酸、硝酸的产生、毒性和去除第二部分氨氮代谢

1.鱼类代谢和氨氮的产生

2.氨氮排泄率的测定第三部分生物过滤影响因素鱼类氮的排泄途径

1.鳃的渗透

2.鳃的离子交换作用

3.尿

4.粪便氮在养殖系统中的循环

TAN→NO2→NO3→NO2→N2

水产养殖系统中的氮外源氨氮：肥料，工业渗漏等鱼类直接排泄有机物分解氨氮的产生氨氮的排泄氨氮排泄计算公式

KgTAN=WT×RF×ND×NM×NE影响因素

饲料组成

投喂措施

消化吸收率水温和溶解氧其它因素鱼类氨氮排泄规律鱼类氨氮排泄率测定测定方法1.静水式密闭水箱，测定初始和最终氨氮浓度2.流水式采用半封闭水箱，测定入水和出水中氨氮浓度，通过流量计算氨氮排泄率优缺点比较

静水式简单，可靠，但是不连续流水式可以连续观测氨氮排泄率种类氨氮排泄率（gTAN-N/kgdiet/day)备注虹鳟60.4-78.5Fycon(1977)虹鳟20-30Wester(1981)虹鳟38Gunther(1981)马哈鱼32Speece(1973)总结20-78.5启示鱼种内差异很大育种间差异很大3.普通在30gTAN-N/kgdiet/day左右氨氮的组成

氨氮有游离性氨氮和溶解氨氮组成

TAN=NH3+NH4+温度和pH是决定因素NH3=（1.214TAN10pH)/{e[(6344/(273+T)]+10pH}损坏鱼鳃降低生长速度引起死亡氨氮的毒性表现氨氮的毒性原理

渗透压失衡，导致肾功能丧失内源氨氮排泄不畅，导致细胞功能和神经系统受损鳃丝受损，引起窒息影响氨氮毒性的因素pH的影响通常认为NH3的毒性大。所以pH越高，

NH3的比例越高，TAN的毒性越大。相反的观点，NH4+和TAN都有毒性。溶解氧的影响氨氮的毒性和溶解氧的浓度成反比关系温度的影响低温增加氨氮的毒性，但是也有相反的观点二氧化碳浓度的影响浓度越高，引起窒息的概率越大离子浓度的影响

1.增加或者降低盐度增加毒性。

2.增加钙，钠粒子浓度降低毒性，由于离子交换原因

鱼类自身的影响

1.幼鱼对氨氮浓度更加敏感。

2.大鱼对氨氮的抵抗力更强。影响氨氮毒性的因素类型氨氮浓度（mgNH3-N/L)备注0.0125安全鳟鱼0.006鳃损伤EIFAC0.021慢性毒性虹鳟0.0125生理组织变化生长缓慢EPA0.016安全慢性毒性安全浓度96h-LC50致死浓度96h-LC50致死浓度

96个小时内使鱼类死亡达到50%的浓度。氨氮的96h-LC50致死浓度报道范围

0.32-3.10mg/LNH3-N外源亚硝酸：污水等氨氮代谢的中间产物反硝化过程的不完善亚硝酸（Nitrite)的产生亚硝酸在鱼体内的累积以NO2-,透过鳃的吸收，血液中亚硝酸的浓度可以达到周围环境的10倍以HNO2，溶解于脂类中进入鱼体亚硝酸从血浆进入血红细胞氧化铁到三价铁，形成氧化血红素氧化血红素不能运输氧亚硝酸毒性原理亚硝酸毒性表现可以引起组织机理的改变，肝功能损伤增加氧化血红素含量，引起氧运输困难使鱼类生长速度减慢引起窒息死亡96h-LC50致死浓度类型浓度虹鳟0.24-3.9鲶鱼7.5团头鲂45罗非鱼16鲈鱼140总范围0.24-140氯离子氯离子的浓度越高，亚硝酸的毒性越低；

1mg/L的氯离子可以补偿0.37mg/L的NO2-N其它阴离子溴粒子，碳酸氢根离子，硝酸根离子两价和三价粒子的影响比较小影响亚硝酸毒性的因素阳离子钙、钾、钠和镁离子等可以降低毒性；阻止氯离子的流失，阻止吸收亚硝酸酸度在正常的pH范围内，酸度对毒性的影响很小溶解氧低溶解氧浓度可以增加毒性影响亚硝酸毒性的因素温度低温可以降低毒性

鱼的规格鱼的规格越小，抵抗力越强，但是差异不明显鱼种差异不同鱼种对亚硝酸的抵抗力差异很大影响亚硝酸毒性的因素硝酸的来源

1.硝化反应的产物

2.其它水生生物的代谢产物毒性表现

1.降低免疫功能

2.引起生化和病理反应

3.可能引起死亡

4.增加亚硝酸亚浓度升高的可能性硝酸盐的毒性硝酸的去除常用换水的方式反硝化反应

NO3→NO2→NO→N2O→N2

硝化反应公式

NH4++1.5O2→2H++H2O+NO2ˉNO2ˉ+0.5O2→NO3ˉ

NH4++1.83O2+1.98HCO3ˉ→0.021C5H7O2N+0.98NO3ˉ+1.041H2O+1.88H2CO3

1克氨氮转化为硝酸，需要4.18克氧气，7.14克碱度（CaCO3),

产生8.59克碳酸，0.17克生物细胞。硝化细菌的分类1.亚硝化细菌（Nitosomonas）把氨氮转化为亚硝酸的细菌总称2.硝化细菌（Nitrobacter)

把亚硝酸转化为硝酸的细菌总称硝化细菌特性硝化细菌特征长杆状，也有一些带有一到两个鞭毛，细胞凹陷，富含细胞色素，大量繁殖时，呈现铁锈色硝化细菌活性

1.具有顽强的生命力，可以存活在陆地和水中

2.作为自养细菌，可以独立完成生物合成过程

3.在饥饿和厌氧条件下，可以存活很长时间消化细菌的弱点

1.具有光抑性

2.生长和活力在酸性和碱性环境下低下

3.在5度以下和42度以上活力低下

4.特定生长率较低理想状态下，7-8小时可以翻一番；亚硝化细菌需要26小时以上；硝化细菌需要60小时以上硝化细菌特性硝化细菌的附着性

1.硝化细菌分泌脂多糖用于附着，形成生物膜。生物膜的密度为1.14克/立方厘米

2.70-95%的游离硝化细菌可以在30分钟内附着

3.附着的硝化细菌具有更强的省生命力硝化细菌特性硝化反应动力学硝化细菌的活性受基质的影响最大动力学公式

v=vmax[S/(s1/2+S)]TAN[S//(S/1/2+S/)]DO

亚硝化反应中，

S1/2,0.6mg/LTAN,S/1/2,0.2mg/LO2

硝化反应中，

S1/2,2.8mg/LNO2-N,S/1/2,0.25mg/LO2生物滤池的形状和滤材多式多样生物膜的组成不同各种化学和物理因素的影响影响生物过滤效果的因素

影响生物过滤效果的化学因素pH的影响pH值最佳范围是6－9细菌逐渐适应，其pH范围可以从5到10硝化过程在pH值低于6时有明显的下降趋势，达到pH为5时完全停止PH值水平应保持在6以上pH的影响氨的含量随pH值的升高而升高,pH值应尽量保持在较低的水平

pH值变化迅速，大大降低细菌的过滤效果直到它们适应新的环境影响生物过滤效果的化学因素

碱度的影响TAN在向硝酸盐转化的过程中要消耗到碱碳酸盐对硝化细菌的生长非常关键，是一种营养元素。有助于保持pH值的稳定性。碱度至少要保持在1.5meq/L才能确保它的最大硝化率保持不变影响生物过滤效果的化学因素溶解氧的影响氧气供应不足，硝化速率下降生物过滤器的设计构造就决定了氧气首先被异养物利用，然后才是亚硝化细菌和硝化细菌。在氧气只能由水流来提供的过滤器中，硝化反应常常处在缺氧状态下影响生物过滤效果的化学因素

溶解氧的影响一般认为，氧气含量在1mg/L以上就能达到要求，若含量高于2mg/L就保证没问题生物膜外有一层薄而浊的界面层。像其它几种细胞所必要的化学元素一样，氧气必须穿过界面层，需要较高的溶解氧浓度影响生物过滤效果的化学因素

氨氮和亚硝酸盐浓度的影响过高浓度的氨氮和亚硝酸有害

游离氨氮对亚硝化细菌的有害浓度高于对硝化细菌的有害浓度（前者是10－150mg/L,后者是0.1-1.0mg/L）亚硝酸的限制浓度在0.22－2.8mg/L之间养殖水体中氨氮和亚硝酸盐的含量一般较低。氨和/或亚硝酸盐往往比氧气更能起到限制作用。影响生物过滤效果的化学因素

固体颗粒的影响阻塞生物过滤器，导致厌氧生物的形成固体颗粒直径范围从0.2到5.0微米的颗粒比1.4到2.7微米的颗粒能带来最优硝化效果。固体颗粒尺寸越小其所提供的特定表面积越大为异养细菌提供基质促使其与硝化细菌争夺生长空间影响生物过滤效果的化学因素

溶解有机物的影响当有机物含量升高时氨氮的去除率就低当BOD5/TKN比率为0.25时，硝化速率达到最大，而比率升高硝化速率下降影响生物过滤效果的化学因素

盐度的影响几乎可以在任何盐度条件下工作。淡水硝化细菌在海水条件下会受严重影响。盐度的突然变化会使硝化剂受到打击并降低硝化速率。

稳定的盐度是保证硝化速率最大的前提。影响生物过滤效果的化学因素

气体扩散速度的影响过滤器中的滤材介质表面有一层生物膜。而细菌细胞就生长在其中。在这层生物膜外面还有一层浑浊不流动的水层。因此氧气、氨氮以及亚硝酸盐必须能渗透进去在一些情况下，气体扩散也就成了限制硝化速率的因素。扩散速率随温度升高而升高影响生物过滤效果的化学因素

其它化学无机物的影响对硝化过程起积极作用的元素：

Ca、磷酸盐、Mg、Mn、Fe、Ca、Na。

起消极作用的元素：

Ca(浓度超过0.5mg/L)、铬、镍，Zn、Cu、Hg，Ag

有机化合物包括：维生素、氨基酸及其它元素福尔马林，CuSO4，KMnO4，以及NaCl溶液没有影响，但其它溶液有一定的影响（或限制或促进）影响生物过滤效果的化学因素

温度的影响发现当细菌在－5℃条件下时它的最适生长温度是22℃，而所能承受的最高极限温度为29℃。但当细菌适应25℃条件时它的最适生长温度却是30℃，最高极限温度为38℃。充足的时间，硝化细菌所能适应的温度范围是很大的

氨氮的氧化率与温度之间呈线性比例关系。虽然温度超出7℃－35℃的范围外线性关系不再存在,但在这一范围内基本保持线性关系。影响生物过滤效果的物理因素

生物滚筒中硝化反应和温度的关系

AMR=140+8.5TNRTP=63+9.9TAMR：氨氮去除率

NRTP：硝酸盐的生成率

T：温度（℃）浸没式过滤器中氨的去除率和温度的关系

ACR＝（0.11T－0.2）(S/10)ACR：氨氮的消耗速率

S：氨的浓度影响生物过滤效果的物理因素

RBC转动速度的影响RBC转动速度会影响到生物薄膜的脱落，以及基质和硝化细菌之间的接触情况转动速度在一定范围内（不超过0.355m/sec）增加会加强BOD和氨氮的去除率转动速率超过这一水平不再提高BOD和氨氮的去除率影响生物过滤效果的物理因素

空隙率的影响空隙率指的是生物滤池装上滤材以后剩余的空间容量与滤池容积的比值空隙率大可以减少阻塞。固体颗粒可以更容易的穿过生物滤池，不易阻塞影响生物过滤效果的物理因素

滤材类型和尺寸的影响滤材的选择主要依据颗粒大小，比表面积，成本，有效性以及每单位体积的重量沙粒和石子的比重大，单位体积量的价格便宜。像石灰石及大理石等碳酸盐类石头，有缓冲作用塑料质的过滤介质常具有较高的空隙率，重量小，单位体积的价格高，无缓冲作用影响生物过滤效果的物理因素

流化床需要相对较小、较重的滤材，沙子是相当好的选择对生物圆筒式和生物圆盘，滤材的重量非常重要。它一般使用塑料环塑料球及其它类型的塑料滤材由于滤材的尺寸减小会增加阻塞率以及压头损失，所以就限制了滤材的尺寸不能大小影响生物过滤效果的物理因素

比表面积的影响比表面积即单位容积内滤材的总表面积滤材颗粒大小，空隙率和比表面积三者相互联系。滤材尺寸越小，通常比表面积越大，而空隙率越小。比表面积越大，每单位容积内能附着在率材表面生长的细菌就越多，单位容积内氨的总去除量就高影响生物过滤效果的物理因素

水力负荷的影响在浸没式、滴流式以及流化床生物滤器中，单位时间内，生物滤池单位表面积的水流量；生物转盘或生物滚筒，通过单位滤材表面积的水流量水力负荷最小量必须保证能保持硝化细菌的湿润。滴流式过滤器，滤材必须保持湿润以使细菌可以存活。浸没式过滤器，氧气的供应必须满足过滤器的要求。滚筒式或转盘式过滤器，保证所提供的营养及水份能保持硝化细菌的生存和湿润影响生物过滤效果的物理因素

水力负荷的影响滴流式生物虑池中的用NortonActifil滤材，它对最小流量的要求是29m3/m2·d。若滤材为塑料环，对水流量的需求为32－55m3/m2·d。所允许的最大水力负荷取决于水流速度是否会冲掉滤材上的细菌或产生过多压头损失。最大水流速度在流化床生物滤池中须保证介质不被冲出过滤容器。在滴流式过滤器中，最大水力负荷为72－350m3/m2·d。影响生物过滤效果的物理因素

水力负荷的影响无论最小还是最大水力负荷都与滤材大小、生物滤池类型、材料及其它因素有关。而生物滤池类型对水流大小影响最为显著。硝化细菌的生长速度和硝化速度与基质的浓度无关，而与供应的基质的量有关。对滴流式过滤器的研究中有类似的发现，COD的去除效率依赖于COD的总供应量而非单位容积中COD的浓度。影响生物过滤效果的物理因素

生物滤池深度的影响深度对浸没式和滴流式过滤器非常重要。而圆盘式和圆桶式过滤器的浸水深度则比较重要，35％－50％之间合理需要有足够的深度保证完整的硝化反应有机物被异养细菌氧化是所有硝化过程必不可少的过程。以沙粒为滤材完成所以这些转变过程只需几厘米的深度，以8厘米直径的塑料环为滤材的滴流式过滤器则需4－5m深度影响生物过滤效果的物理因素

反应阶段的影响

利用分阶段的生物过滤模式可以提高效率使不同的细菌生长在不同的处理阶段上，有利