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user: 2. 海水鱼类工厂化养殖尾水原位水处理技术 原位水处理技术常见于循环式或半循环式海水工厂化养殖体系中，养殖尾水一般经过机械过滤、蛋白分离、生物膜接触氧化、消毒增氧、调温等工艺处理后，进行循环或部分循环利用(图1)。该工艺的关键点有以下几处：① 机械过滤的效率及抗腐蚀性；② 生物膜处理工艺；③ 消毒增氧的方式；④ 调温的方式。 图1. 养殖尾水原位处理过程示意图 2.1. 物理过滤 物理过滤主要分为机械过滤和泡沫分离两种。目前常用的养殖尾水机械过滤装置有微滤机、弧形筛两种；常用的泡沫分离装置有气浮机和蛋白质分离器两种。 机械过滤装置的原理均为养殖尾水在经过装置滤网后，固体物质被过滤收集起来，而养殖尾水顺利通过筛绢或金属网进入下一个处理装置。常见的微滤机有转鼓式、转盘式、格栅式和履带式四种，目前海水养殖尾水处理中常用的是转鼓式和履带式微滤机。制造成本高、占地面积大、过滤效率低、滤布更换频繁是困扰微滤机应用的主要问题。弧形筛在使用过程中无机械运动部件，不产生能耗，且安装操作维护均较为简单，但弧形筛对材料的刚性和韧度要求较高，整体造价较高。 过滤效率及抗腐蚀性是机械过滤装置的核心问题。随着机械过滤的进行，过滤装置表面的微孔会被水体中的固形物堵塞，严重影响过滤效率。反冲洗是过滤网再生的重要环节，反冲洗效果的好坏对过滤系统有极大影响。反冲洗的工作原理是：使用反冲洗泵抽取过滤后的水或者新源水，通过喷头喷射水柱对滤网进行由外往内的冲洗，从而清除堆积在滤网表面的固体悬浮物 [ 2 ] 。由于机械过滤装置长期在海水中工作，因此其抗腐蚀性尤为重要，其金属组成部件一般均需采用316L不锈钢制作。 泡沫分离装置的原理是通过在水中产生大量的微细气泡，使空气以高度分散的微小气泡的形式附着在悬浮物颗粒上，造成密度小于水的状态，利用浮力原理使其浮在水面，从而实现固–液分离。目前气浮机及蛋白分离器装置已非常成熟，并广泛应用在海水养殖中 [ 3 ] [ 4 ] ，其关键点是微细气泡的产生及射流距离。 2.2. 生物接触氧化处理 生物接触氧化处理是原位水处理工艺的核心，其主要目的是通过生物接触氧化法降低水体中氨元素，提高养殖水的重复利用率。生物接触氧化处理工艺主要由微生物附着基和微生物组成 [ 5 ] 。微生物附着基的来源和形状多种多样，如无机材料、有机材料、粒状、环状、球状、线状等。目前常见的微生物附着基有沸石、麦饭石、活性炭、纤维球、纤毛刷、陶瓷环、高分子材料等，这些材料均具有合适的比表面积，既能为硝化细菌和反硝化细菌提供充足的附着场所，又不易被堵塞；微生物附着基还要具有较高的机械强度，能够抵抗水流的冲击 [ 6 ] ；此外，微生物附着基的形状和空隙不能阻碍水的流动。 生物接触氧化法的核心是微生物的挂膜，完全成熟的生物膜由硝化细菌、反硝化细菌、微藻、净化细菌和一些原生生物组成 [ 7 ] ，且以硝化细菌和反硝化细菌为主。硝化细菌又分为亚硝酸菌(氨氧化剂)和硝酸菌(亚硝酸氧化菌)，前者负责将 NH 4 + 氧化为亚硝酸，后者将亚硝酸氧化成硝酸氮；反硝化细菌负责将硝酸氮转化为氮气。 亚硝酸菌转化水体中氨氮的反应式如下： NH 3 + H 2 O → NH 4 + + OH − (1) 2 NH 4 + + 3 O 2 → 2 NO 2 + 4 H + + 2 H 2 O (2) 硝酸菌转化水体中亚硝酸的反应式如下： 2 HNO 2 + O 2 → 2 HNO 3 (3) 反硝化细菌转化水体中硝酸的反应式如下 [ 8 ] ： NO 3 − + 1.08 CH 3 OH + 0.24 H 2 CO 3 → 0.056 C 5 H 7 NO 2 + 0.47 N 2 + 1.68 H 2 O + HCO 3 − (4) 由上述反应式可见，硝化和反硝化反应的适宜条件是不一样的，硝化过程需要有氧环境，反硝化过程需要厌氧和偏碱性环境。实验条件下，硝化反应过程中，水体中的溶氧下降的很快，如不及时充气，硝化反应将会停止。因此在实际生产中，水处理的生物滤池硝化部分需要充气。反硝化细菌需要厌氧和偏碱性环境，而在实际生产中，厌氧条件较容易满足，而水体的酸碱度调节较为复杂。此外，由于硝化细菌属于自养型细菌，而反硝化细菌属于异养型细菌，故反硝化细菌比硝化细菌更为脆弱，不易培养，但工作效率更高。理想的生物滤池可分为两个独立的部分，前一部分为硝化部分，保证充足供氧，同时也可以通过吊养大型藻类，降低水体中磷酸盐、增加溶氧 [ 9 ] ；后一部分为反硝化部分，要求保持厌氧环境，同时能够方便的调整酸碱度。 影响生物接触氧化法对养殖尾水处理效果的因素主要有菌水接触时间、菌种纯度与密度、温度、酸碱度、溶氧、盐度、附着基的物理性状等。一般来说，生物膜处理养殖尾水要求保证尾水与生物膜的接触超过一定时间，使菌水有充足的反应时间。故在建设生物反应池时，需要考虑尾水的流经速度、时间。其次，微生物菌种的纯度、密度与养殖尾水的处理效果密切相关。在适宜的温度下，保证充足的溶氧及氨氮和亚硝酸氮含量，有助于硝化细菌的生长，并保持优势菌种的地位；而在厌氧环境下，适当调节水体酸碱度，有助于反硝化细菌的生长，并保持优势菌种的地位；细菌的密度与微生物附着基的物理性状有关，附着基的比表面积大，可以为微生物提供更多的繁衍场所，有利于提高微生物的密度。此外，附着基的物理性状还与生物滤池的体积密切相关，物理性状好(比表面积大)的附着基可以降低生物滤池的体积。 目前常用于养殖尾水处理的微生物多来自池塘 [ 10 ] 、城市污水 [ 11 ] 、工业废水 [ 12 ] 等，其工作时的最佳环境因子(如温度、溶氧、酸碱度、底物种类与浓度)并不一致 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 。海水养殖尾水的水体一般较大，且为了提高海水的循环利用率，海水的温度、酸碱度和盐度需要保持相对稳定，而这些环境因子是影响微生物工作效率的关键因素。在海水工厂化养殖中，生物滤池中的微生物主要以定向条件下的自然繁殖为主。一般的工艺流程为：在已经构建好的生物滤池中，加入适量的NH 4 Cl和NaNO 2 ，充气，定向培养，一定时间后，通过检测水体中 NH 4 + 和 NO 2 − 浓度的变化，判断生物滤池是否熟化完全。由于微生物生长存在指数增长期、平台期、老化期，故水体中 NH 4 + 和 NO 2 − 浓度变化会出现相应的规律，这种工艺一般耗时较长 [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] 。针对这一问题，研究者从微生物的定向筛选方面入手，筛选出了异养硝化细菌 [ 19 ] [ 20 ] ，好氧反硝化细菌 [ 14 ] [ 21 ] [ 22 ] ，采用固定化硝化细菌 [ 12 ] [ 23 ] [ 24 ] 、建立同步短程硝化反硝化 [ 25 ] 等方式，缩短生物滤池熟化时间，提高生物滤池处理效率。 2.3. 消毒、增氧及调温 水产养殖中常用的消毒方法分为物理消毒(紫外光)和化学消毒(二氧化氯、臭氧)，海水工厂化养殖中常用的是物理消毒法，即紫外杀毒法和臭氧杀毒法，关于这两种方法的研究报道已经较多 [ 9 ] [ 26 ] [ 27 ] ，在此不再赘述，这两种技术的关键点是要控制好杀毒的时间和距离。 集约化养殖过程中，养殖密度较大，水体中溶氧消耗很快，因此需要及时向水体中增加氧气。通常是利用空气压缩机通过管道将空气输送至养殖水体中，养殖水体中溶氧的含量要保持在6 mg/L以上。有研究表明，随着养殖水体中溶氧含量的增加，养殖生物的生长速度加快，而水体水质指标更稳定 [ 28 ] ，且能缓解养殖密度带来的胁迫 [ 29 ] 。因此，纯氧充气已成为高密度循环水养殖必不可少的装备之一。 研究表明，水体温度直接影响养殖鱼类的存活、生长和摄食 [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] ，工厂化养殖的优点是能维持养殖环境的相对稳定，其中维持养殖水体的温度是整个养殖过程中能耗最大部分，也是限制海水工厂化养殖规模发展的主要瓶颈问题。由于国家环保政策的改变，燃煤调温被逐渐取缔，电能、地热、空气热逐渐成为海水工厂化养殖的主要调温手段。冷水机组常被用来降低养殖水的温度，而热泵机组常被用来提高养殖水的温度 [ 33 ] [ 34 ] ，前者主要依赖的是电能，而后者的能源有地热、空气热等多种形式。随着技术的进步，毛细管换热器 [ 35 ] 、温室调温 [ 36 ] 、太阳能调温等技术发展日趋成熟，为海水工厂化养殖的快速发展提供基础。