生物处理水产养殖废水有何高效新方法？

为什么需要生物处理水产养殖废水？

水产养殖废水主要来源于养殖动物的排泄物、未摄食的饲料残渣以及生物死亡后分解产生的有机物,这些废水中含有高浓度的：

1. 氨氮：主要来自鱼类排泄的氨（NH₃）和离子态铵（NH₄⁺），氨对鱼类有剧毒，即使低浓度也会影响生长、免疫力,甚至导致死亡。
2. 亚硝酸盐氮 (NO₂⁻)：由氨氮转化而来，同样具有毒性，会破坏鱼类血液的输氧能力，导致“褐血病”。
3. 硝酸盐氮 (NO₃⁻)：由亚硝酸盐转化而来，毒性较低，但高浓度会抑制生长,并成为水体富营养化的潜在源头。
4. 有机物：残饵和粪便会消耗水中的溶解氧,并滋生有害细菌。
5. 磷酸盐：来自饲料,是导致水体富营养化的关键元素之一。

生物处理的目的就是利用微生物的生命活动，将这些有害物质转化为无毒或低毒的物质，从而净化水质，为养殖动物提供一个稳定、健康的生长环境,同时减少对外部水环境的污染。

核心生物处理原理：氮循环

水产养殖废水生物净化的核心是氮循环，这是一个由不同微生物群落分步完成的生化过程,主要包括以下几个关键步骤：

1. 氨化作用

   • 过程：将蛋白质、氨基酸等含氮有机物分解成氨氮（NH₃/NH₄⁺）。
   • 微生物：异养菌，如芽孢杆菌、假单胞菌等。
   • 作用：这是氮循环的第一步，将有机氮转化为无机氮，为后续的硝化作用提供“原料”。

2. 硝化作用

   • 过程：这是生物处理中最关键的一步，分两步进行：
     • 第一步（亚硝化）：氨氮（NH₃/NH₄⁺）在亚硝化单胞菌 等好氧微生物的作用下，被氧化成亚硝酸盐氮。 2NH₃ + 3O₂ → 2NO₂⁻ + 2H⁺ + 2H₂O + 能量
     • 第二步（硝化）：亚硝酸盐氮在硝化杆菌 等好氧微生物的作用下，被氧化成硝酸盐氮。 2NO₂⁻ + O₂ → 2NO₃⁻ + 能量
   • 关键点：
     • 严格好氧：必须有充足的溶解氧。
     • 缓慢：硝化细菌生长繁殖速度慢，对环境（温度、pH、毒素）敏感，是整个系统的“瓶颈”。
     • 产酸：过程会产生氢离子（H⁺）,导致水体pH下降。

3. 反硝化作用

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 过程：在缺氧或厌氧条件下，硝酸盐氮（NO₃⁻）在反硝化细菌（如假单胞菌、芽孢杆菌）的作用下，最终被还原成无害的氮气（N₂）释放到大气中。 5CH₃OH + 6NO₃⁻ → 5CO₂ + 3N₂ + 7H₂O + OH⁻
   • 关键点：
     • 缺氧/厌氧：需要无氧或低氧环境。
     • 需要碳源：反硝化细菌需要有机物（如甲醇、乙酸）或简单有机物（如甲醇）作为电子供体，在实际应用中,可以利用废水自身残留的有机物或添加外部碳源。
     • 产碱：过程会产生氢氧根离子（OH⁻），可以中和硝化作用产生的酸,有助于系统pH的稳定。

主要的生物处理技术

根据上述原理，发展出了多种生物处理技术，主要分为两大类：活性污泥法和生物膜法，在水产养殖领域，生物膜法因其更稳定、更适合处理低浓度废水而应用更广。

活性污泥法

• 原理：在曝气池中，连续通入空气，让大量的微生物（活性污泥）与废水充分混合，微生物将废水中的有机物和氨氮等作为“食物”进行降解，随后混合液流入沉淀池，活性污泥沉淀下来，部分回流到曝气池,净化后的水排出。
• 优点：处理效率高,启动快。
• 缺点：
  • 污泥产量大,需要定期排放和处理。
  • 系统运行不稳定,容易受到冲击负荷的影响。
  • 能耗较高（需要持续曝气）。
  • 对管理要求较高。
• 应用：在大型工业化RAS或污水处理厂中应用较多,但在小型或中型养殖系统中相对较少。

生物膜法

这是水产养殖废水处理的主流技术，其核心是在反应器内提供巨大的比表面积，让微生物附着在上面，形成一层“生物膜”。

• 原理：废水流过生物膜表面，膜上的微生物利用水中的污染物进行新陈代谢，从而净化水质，由于微生物是附着生长的，不像活性污泥法那样容易流失,因此系统非常稳定。

常见的生物膜反应器：

a) 滴滤池 / 淋滤塔

• 结构：一个填充有塑料、陶瓷或石头等惰性填料的塔，废水从塔顶喷洒下来,空气从底部或侧面进入。
• 工作方式：废水在填料表面形成一层薄薄的水膜，生物膜附着在填料上，空气与水膜充分接触，为好氧微生物（主要是硝化细菌）提供氧气。
• 优点：结构简单，运行成本低,对硝化效果很好。
• 缺点：容易堵塞,水力分布不均时处理效率下降。

b) 移动床生物膜反应器

• 结构：一个曝气池，池内填充有大量微小的、密度略小于水的塑料填料（如Kaldnes、AnoxKaldnes™ 填料）。
• 工作方式：通过曝气使填料在池内自由翻滚、碰撞，不断冲刷生物膜表面的老化部分，使其保持较高的活性,剧烈的搅动保证了良好的氧传质。
• 优点：
  • 比表面积巨大：微生物附着量极高。
  • 抗冲击负荷能力强：系统非常稳定。
  • 不易堵塞：填料的运动起到了自我清洁作用。
  • 效率高：同时进行硝化和反硝化（在反应器内可形成好氧区和缺氧区）。
• 缺点：初始投资成本较高。
• 应用：是目前现代RAS系统中最主流、最推荐的生物处理技术。

c) 流化床生物膜反应器

• 结构：与MBBR类似，但填料密度更大，需要更高的水流速度或气体流速使填料“流化”。
• 工作方式：填料在反应器内呈流化状态,传质效率极高。
• 优点：处理效率极高,占地小。
• 缺点：能耗更高,系统控制更复杂。

d) 转盘生物滤器

• 结构：一系列平行排列的、部分浸没在废水中的圆盘。
• 工作方式：电机驱动圆盘缓慢转动，圆盘交替暴露在空气中（供氧）和浸没在废水中（吸收营养物）,生物膜在圆盘表面生长。
• 优点：能耗低,运行稳定。
• 缺点：占地面积大,生物膜可能过厚导致脱落。

生物处理系统的关键运行参数

要保证生物处理系统高效稳定运行,必须严格控制以下参数：

1. 溶解氧：

   • 硝化区：必须保持> 5 mg/L 的高DO水平，因为硝化细菌是严格好氧的,且对DO敏感。
   • 反硝化区：DO应< 0.5 mg/L,以创造缺氧环境。

2. pH值：

   • 最佳范围：7.5 - 8.5，硝化作用会消耗碱度导致pH下降，反硝化作用会产生碱度，需要监测并补充碱度（如小苏打、石灰）以维持稳定。

3. 温度：

   • 最佳范围：25°C - 30°C，温度低于15°C时，硝化细菌活性会急剧下降,是冬季RAS运行的最大挑战之一。

4. 水力停留时间：废水在反应器中停留的平均时间,需要足够长以保证微生物有充分时间处理污染物。

5. 污泥龄 / 生物膜龄：微生物在反应器中停留的平均时间，对于硝化细菌，需要较长的SRT（>10天），以确保它们不会被“冲出”系统。

挑战与发展趋势

1. 挑战：

   • 低温适应性：冬季水温低,硝化效率低下。
   • 启动慢：生物膜的形成需要几周时间。
   • 管理复杂性：需要专业知识来监控和调控各项参数。
   • 成本：高质量的生物膜反应器初期投资较高。

2. 发展趋势：

   • 复合生物技术：将生物处理与其他技术（如臭氧消毒、蛋白质分离器、紫外线杀菌）结合,形成更高效的RAS系统。
   • 新型填料开发：研发具有更高比表面积、更优挂膜性能和更长使用寿命的填料。
   • 微生物强化技术：投加经过筛选和驯化的高效菌剂,加速系统启动或提高处理效率。
   • 智能化控制：利用在线传感器和AI算法，实时监控水质并自动控制曝气、投药等,实现精准化管理。

生物处理是水产养殖废水净化的“心脏”，它巧妙地利用自然界中的氮循环原理，将剧毒的氨氮转化为毒性较低的硝酸盐，甚至最终去除。生物膜法，特别是MBBR技术，凭借其高效、稳定、抗冲击的优点，已成为现代水产养殖，尤其是循环水养殖系统的首选生物处理方案，成功运行一个生物处理系统，需要对微生物学和水化学有深刻的理解，并精细地控制各项环境参数，最终实现水产养殖的经济效益、社会效益和环境效益的统一。

标签： 生物处理水产养殖废水高效新技术 水产养殖废水生物处理新方法 高效生物处理养殖废水技术