循環(huán)水養(yǎng)殖中生物濾器的應(yīng)用

循環(huán)水養(yǎng)殖中生物濾器的應(yīng)用

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中氨氮是重要的魚類排出成分，對(duì)魚類具有高度的毒性。在工廠化封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖中經(jīng)常使用生物(過(guò))濾器來(lái)去除養(yǎng)殖水體中的氨態(tài)氮。這一處理方式通常被稱為生物過(guò)濾。生物過(guò)濾一直是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié),其形式和水平直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型和可靠性。過(guò)去30多年,美國(guó)在生物濾器方面的研究相當(dāng)豐富,也取得了許多成果。本文旨在介紹近年來(lái)在美國(guó)比較流行的生物過(guò)濾技術(shù)及研究重點(diǎn)。1非離子態(tài)氨濃度所謂的生物過(guò)濾是使用微生物來(lái)降解水體中氨氮的一種處理方法,一般被稱為生物膜凈化法。生物膜凈化法屬于附著式生物凈化法,泛指利用棲附在固體表面上的生物膜,不斷和污水充分接觸,并在好氧環(huán)境中,通過(guò)生長(zhǎng)在生物膜上的微生物,將污水中的有機(jī)物分解,或?qū)⒂卸疚廴疚锵?以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。氨態(tài)氮在養(yǎng)殖水體中主要以非離子態(tài)氨(NH3)和離子態(tài)氨NH+4這2種形式存在,對(duì)魚體都是有毒性的。一般情況下,養(yǎng)殖水體中的非離子態(tài)氨濃度不能超過(guò)0.0125mg/L,但也有報(bào)道提出該數(shù)字可以達(dá)到0.025mg/L。在總氨氮濃度(NH3+NH+4)一定的條件下,非離子態(tài)氨和離子態(tài)氨之間的比例會(huì)隨著溫度和pH值改變,因此,在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中一直使用總氨氮濃度作為衡量氨態(tài)氮濃度的主要指標(biāo)。在硝化反應(yīng)過(guò)程中,氨態(tài)氮首先會(huì)被硝化細(xì)菌氧化成亞硝酸鹽(NO-2),然后再進(jìn)一步氧化成為毒性更小的硝酸鹽(NO-3)。公式(1)和(2)顯示了硝化反應(yīng)過(guò)程中主要的化學(xué)反應(yīng)方程:NH+4+1.5O2→2H++H2O+NO-2(1)NO-2+1.5O2→NO-3(2)整個(gè)硝化反應(yīng)方程可以寫成公式(3)NH4+1.83O2+1.98HCO-3→0.021C5H7O2N+0.98NO-3+1.041H2O+1.88H2CO-3(3)其中,C5H7O2N可以理解為硝化細(xì)菌物質(zhì)的化學(xué)表達(dá)式。通過(guò)該方程可以算出,將1gTAN轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮需要消耗大約4.18g氧和7.07g堿度(以CaCO3計(jì))以及產(chǎn)生0.17g細(xì)菌物質(zhì)。生物濾器從其反應(yīng)機(jī)理上來(lái)說(shuō)是一系列化學(xué)反應(yīng),因此水質(zhì)參數(shù)對(duì)其影響很大。主要包括TAN濃度、溶解氧濃度、水流情況(固、液傳質(zhì)情況)、有機(jī)物、水溫、pH值、堿度和鹽度。2美國(guó)生物濾器的主要類型2.1專利信息技術(shù):《專利》:《專利》是《專利法》微珠生物濾器技術(shù)是紐約州康奈爾大學(xué)MichaelB.Timmons教授的發(fā)明專利。使用的濾料是發(fā)泡聚苯乙烯顆粒(ExpandedPolystyreneBeads,EPS),主要有1mm和3mm兩種規(guī)格,密度為16kg/m3,比表面積3936m2/m3(規(guī)格1mm顆粒)。2.1.1生物處理濾料該濾器的進(jìn)水水流經(jīng)過(guò)布水,采用滴流的形式往下噴灑在濾料層上。通過(guò)大水流對(duì)浮性濾料層的沖擊,可以沖刷掉粘附在濾料上的大部分顆粒物質(zhì),達(dá)到清洗效果。在暖水系統(tǒng)中,在進(jìn)水氨氮濃度2~3mg/L條件下,其生物處理能力設(shè)計(jì)值可以達(dá)到1.2kg/(m3·d)。這種過(guò)濾形式相當(dāng)簡(jiǎn)單可靠,但其缺點(diǎn)是受濾料層厚度的限制,一旦濾料層太厚就非常容易造成堵塞。一般情況下其濾料層厚度不高于55cm,而水力加載負(fù)荷大于1200m3/(m2·d)。2.1.2網(wǎng)格微珠生物濾器該濾器在傳統(tǒng)微珠生物濾器基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),它依靠水體本身作用在濾料上的浮力使濾料層整體產(chǎn)生位移,同時(shí)在局部設(shè)置障礙物使濾料和濾料之間產(chǎn)生相對(duì)位移,通過(guò)相互之間的摩擦、擠壓,達(dá)到自凈化的效果。圖1為反應(yīng)容器在正常工作的各個(gè)不同階段容器內(nèi)水位和濾料層不同狀態(tài)的示意圖。容器內(nèi)部設(shè)置的格柵(Breakerbar)在濾料層隨著水位的上升和下降過(guò)程中可對(duì)濾料層的移動(dòng)造成阻礙,加劇濾料之間的摩擦和擠壓,使粘附在濾料表面的污物脫落,沉淀到容器底部。相對(duì)于傳統(tǒng)形式的微珠生物濾器,網(wǎng)格微珠生物濾器有以下優(yōu)點(diǎn):一是濾料層厚度不受限制,濾料層的合理高度在1~2m;二是自凈化效果更好,濾料層一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),再加上格柵的作用(適當(dāng)?shù)钠貧饣蛘邍娝?可以很大程度上避免生物堵塞現(xiàn)象的產(chǎn)生;三是更適合硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的水流環(huán)境;四是結(jié)構(gòu)更緊湊,更有利于產(chǎn)品化。2.2產(chǎn)品生產(chǎn)向度自動(dòng)化產(chǎn)品珠子系列過(guò)濾器技術(shù)是路易斯安那州立大學(xué)RonaldF.Malone教授的發(fā)明專利。它將物理過(guò)濾與生物過(guò)濾結(jié)合在一起,目前已經(jīng)有了3種成熟的系列化產(chǎn)品。在濾料的選擇方面,使用比較多的是標(biāo)準(zhǔn)球型珠子濾料和改良型珠子濾料。改良型珠子濾料是專為適宜硝化細(xì)菌生長(zhǎng)而設(shè)計(jì)的新型濾料,其表面有一條凹槽,同時(shí)起到承載硝化細(xì)菌、保護(hù)其不在反沖洗過(guò)程中遭到破壞的功能。2種濾料都使用PE材質(zhì),在容器內(nèi)的填充率大約50%。2種濾料各自的基本參數(shù)見表1。2.2.1非織造過(guò)濾裝置圖2所示為一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型PBF的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。PBF為一個(gè)加壓容器,正常工作狀態(tài)下,由于濾料比重比水輕,被水流頂在容器頂部,當(dāng)待過(guò)濾的水流通過(guò)一定厚度的濾料層后既可以截留住相當(dāng)一部分的懸浮顆粒,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生硝化反應(yīng),降解氨氮。PBF的反沖洗是通過(guò)在容器頂部設(shè)置一根螺旋槳通入濾料層內(nèi)部。螺旋槳由電機(jī)帶動(dòng),定期開動(dòng)攪動(dòng)濾料層。PBF正常工作壓力在0.7~1.4bar,也就是7~14m水頭。PBF的優(yōu)點(diǎn)在于反沖洗徹底,但其缺點(diǎn)也正在于此。由于PBF的螺旋槳反沖洗太過(guò)劇烈,往往會(huì)使得濾料表面生長(zhǎng)的生物膜遭到破壞,沒(méi)辦法達(dá)到生物過(guò)濾的效果。因此,很多時(shí)候僅僅作為物理過(guò)濾裝置來(lái)使用。其對(duì)于50μm以上懸浮顆粒的去除率達(dá)到了100%,5~10μm的懸浮顆粒去除率也可以達(dá)到48%。2.2.2容器頂部反沖洗過(guò)濾相比較于PBF,BBF更適合于養(yǎng)殖負(fù)荷低,水力負(fù)荷較小的養(yǎng)殖系統(tǒng)。BBF的反沖洗不使用任何動(dòng)力設(shè)施,而僅僅是通過(guò)合理利用氣壓原理,依靠容器本身的形狀來(lái)完成。如圖3所示,正常工作狀態(tài)下,濾料層被水流頂在容器頂部。當(dāng)需要反沖洗時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閥門和出水閥門,打開排污閥門,此時(shí)容器底部的大部分沉淀顆粒都會(huì)隨著排污管被排出;同時(shí),由于內(nèi)部水體的流失,容器頂部會(huì)形成真空,外界大氣會(huì)從進(jìn)氣管灌入容器,瞬間涌入的氣流會(huì)對(duì)濾料層形成劇烈的攪動(dòng)和翻滾,達(dá)到反沖洗的目的。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)BBF更加簡(jiǎn)單,維護(hù)要求低,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其反沖洗強(qiáng)度比較柔和,不會(huì)對(duì)濾料表面的生物膜造成破壞,所以其生物過(guò)濾的效果非常良好。但是,由于其反沖洗效果受到容器大小的限制,使得其水處理量受到了一定程度的限制。研究表明,BBF在合適的工作條件下,TAN去除能力可以達(dá)到380g/(m3·d),亞硝酸鹽氮的去除能力可以達(dá)到518g/(m3·d)。2.2.3定期反沖洗設(shè)計(jì)PGF是珠子系列生物濾器應(yīng)用研究當(dāng)中最新的一項(xiàng)發(fā)明專利。它區(qū)別于其他幾種珠子過(guò)濾器最大的原因在于它的氣室反沖洗功能。只要設(shè)計(jì)合理,完全可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)定期的自動(dòng)反沖洗。在PGF容器內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)氣室(圖4中的V2),PGF正常過(guò)濾的同時(shí),氣室內(nèi)會(huì)不斷被注入空氣,一旦氣室被注滿到一定程度,這股空氣便會(huì)通過(guò)氣室和過(guò)濾腔之間的一根連通管瞬間涌入過(guò)濾腔(V1),攪動(dòng)濾料層實(shí)現(xiàn)反沖洗。設(shè)計(jì)者完全可以通過(guò)調(diào)整氣室大小或者是調(diào)整進(jìn)氣速度來(lái)獲得想要的反沖洗頻率。針對(duì)大型養(yǎng)殖系統(tǒng),PGF也可以設(shè)計(jì)成開放式的結(jié)構(gòu),以滿足高處理量的需求。2.3沙流過(guò)濾技術(shù)2.3.1流化沙床的細(xì)菌生長(zhǎng)流化沙床生物濾器在美國(guó)的使用相當(dāng)普遍,它使用高比表面積的細(xì)沙粒作為生物濾料,其常用粒徑為D10=0.19mm,均勻系數(shù)UC為1.6。通過(guò)在容器中形成一個(gè)具有流化狀態(tài)的沙床使細(xì)菌生長(zhǎng)在沙粒表面;由于比表面積大(4000~20000m2/m3),所以在同等氨氮去除速率的前提下,其總體結(jié)構(gòu)相對(duì)較小。這種過(guò)濾器的氨氮轉(zhuǎn)化能力和效率都較高。但缺點(diǎn)也很明顯,就是能耗大,濾器啟動(dòng)時(shí)難以形成流化以及沙粒的流失等。有鑒于此,近些年來(lái)對(duì)于流化沙床過(guò)濾器技術(shù)的革新,就是漩渦式流化砂床過(guò)濾器。2.3.2旋轉(zhuǎn)水流對(duì)于沙床的均勻膨脹和傳統(tǒng)流化沙床的區(qū)別在于,在CYCLO下部進(jìn)水管處設(shè)置了一個(gè)環(huán)形的布水箱,進(jìn)水水流沿著切向進(jìn)入這個(gè)布水箱,這路進(jìn)水產(chǎn)生強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)水流,并順著容器底部的槽口流入過(guò)濾腔(圖5)。旋轉(zhuǎn)水流對(duì)于沙床的均勻膨脹起到了良好的效果。與傳統(tǒng)流化沙床復(fù)雜的布水管路相比,它的管路局部損失以及沿程損失都更小、更合理。研究表明,CYCLO的總氨氮去除負(fù)荷在冷水系統(tǒng)中為0.2~0.4kg/(d·m3),在溫水系統(tǒng)中為0.6~1.0kg/(d·m3)。2.4生物膜載體生物處理工藝MBBR技術(shù)是為解決固定床反應(yīng)器需要定期反沖洗、流化床需要使載體流化、能耗高、生物濾池阻塞需要清洗濾料和更換曝氣器的復(fù)雜操作而發(fā)展起來(lái)的。因其生物膜載體(濾料)具有與水接近的密度,生物膜能在濾料內(nèi)外表面大量生長(zhǎng),這些濾料在反應(yīng)器內(nèi)混合液的回旋反轉(zhuǎn)作用下自由移動(dòng)。在好氧反應(yīng)中通過(guò)曝氣作用,而在厭氧反應(yīng)器中則是通過(guò)機(jī)械攪拌,為填料提供回旋力使其移動(dòng)(圖6)。它是懸浮生長(zhǎng)的活性污泥法和附著生長(zhǎng)的生物摸法相結(jié)合的一種生物處理工藝。因其建造簡(jiǎn)單、操作方便,一般不需要反沖洗,可單獨(dú)使用也可以多級(jí)串聯(lián)或與其他處理工藝結(jié)合,對(duì)有機(jī)物、氮、磷等都有較好的去除率,有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。3分析與討論3.1生物濾料的流化方式在美國(guó),常用的生物濾料材質(zhì)有EPS、PE和沙子,國(guó)內(nèi)方面也有使用竹子、陶粒、麥飯石等?？梢?對(duì)于一臺(tái)設(shè)計(jì)合理的生物濾器來(lái)說(shuō),濾料的選擇面是相當(dāng)廣泛的。前提條件就是必須根據(jù)濾料的特性設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)方式。而這里所謂的反應(yīng)方式如前文所述,主要包括反應(yīng)器內(nèi)的水流狀態(tài)和固液傳質(zhì)情況。最為典型的就是采用流化形式,使用沙子作為生物濾料的流化沙床生物濾器。沙子的比表面積相當(dāng)高,如果使用傳統(tǒng)浸沒(méi)式的過(guò)濾方式,不僅不能充分利用其比表面積,而且會(huì)造成能耗高、反沖洗困難等缺點(diǎn)。而使用流化形式可以使得沙子與水體充分接觸,形成良好的生物細(xì)菌生長(zhǎng)環(huán)境;另外,其高能耗的缺點(diǎn)也可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的合理布局進(jìn)行彌補(bǔ)。表2是幾種生物濾器主要工作特性的對(duì)照。3.2濾料表面生物膜反沖洗方法及其強(qiáng)烈程度的控制很大程度上決定了一個(gè)生物濾器的工作性能。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外生物濾器的應(yīng)用情況來(lái)看,反沖洗形式主要分為外力反沖洗型和自清洗型2種。外力反沖洗型是指通過(guò)在濾料層上施加一定的外源動(dòng)力,使得濾料層呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài),通過(guò)濾料與濾料之間的相互摩擦、擠壓來(lái)去除粘附在濾料表面的顆粒物質(zhì)和老舊生物膜。其中,施加的外源動(dòng)力可以使用機(jī)械源動(dòng)力(如螺旋槳反沖洗型珠子過(guò)濾器)、空氣源動(dòng)力(如氣泡反沖洗型珠子過(guò)濾器)和水源動(dòng)力(如網(wǎng)格微珠生物濾器中的水反沖洗方式)等。外力反沖洗型生物濾器在反沖洗過(guò)程中一般都需要斷開進(jìn)、出水水流,通過(guò)人為操作過(guò)程來(lái)完成反沖洗,然后重新進(jìn)入循環(huán)的初始階段,由于排污不徹底等原因,往往會(huì)造成一段時(shí)間內(nèi)出水氨氮濃度相對(duì)較高。這對(duì)于一個(gè)需要連續(xù)生產(chǎn)的高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不利的。另一方面,外力反沖洗型生物濾器在反沖洗時(shí)的劇烈程度也相當(dāng)重要。太過(guò)劇烈會(huì)造成濾料表面的生物膜遭到破壞,太過(guò)柔和則無(wú)法做到徹底反沖洗。從這一角度來(lái)講,螺旋槳反沖洗型珠子過(guò)濾器并不適合作為一臺(tái)生物濾器來(lái)使用,其過(guò)于劇烈的反沖洗一定程度上會(huì)破壞生物膜的生長(zhǎng);而氣室反沖洗型珠子過(guò)濾器雖然反沖洗相當(dāng)柔和,但是它提供了一個(gè)間歇性的、連續(xù)不斷的反沖洗,只要?dú)馐掖笮≡O(shè)計(jì)合理,同樣能夠達(dá)到良好的反沖洗效果。3.3生物濾料和過(guò)濾系統(tǒng)的應(yīng)用前景正是由于外力反沖洗型生物濾器的種種缺點(diǎn)與不足,自清洗型生物濾器技術(shù)近些年來(lái)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。它主要是通過(guò)鼓風(fēng)曝氣(如移動(dòng)床)或者是水力推流(如流化沙床)等方法,使得反應(yīng)器內(nèi)的濾料一直處于一種循環(huán)往復(fù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。相對(duì)于浸沒(méi)式生物濾器,自凈化生物濾器內(nèi)的濾料不斷相互碰撞、摩擦,使濾料表面的生物膜一直保持在“新鮮”的狀態(tài)下工作,達(dá)到最佳的工作效果。相比較外力反沖洗型生物濾器,