譯/單建軍

生物過濾器中二氧化碳含量對鮭科魚類循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的影響

譯/單建軍

一、引言

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)用足夠的補充水去沖洗稀釋系統(tǒng)，以這種方式來控制總的氨氮和CO2累積。在傳統(tǒng)的魚池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，主要用細(xì)菌的硝化作用來去除氨氮，用強制曝氣的方法添加純氧除去溶解的CO2。

1.氨氮控制

生物處理過程是利用附在潮濕或者水下表面（在一固定層），或者簡單的懸浮在水柱中的微生物。一個包含固定層的生物處理過程的物理單元稱之為生物過濾器。一些常用的生物過濾器有浸沒式過濾器、滴流式過濾器、生物轉(zhuǎn)盤過濾器、液壓水滴過濾器和砂粒流化床過濾器。還有一些過濾器是多功能的，比如滴流式過濾器，在過濾器的外面以及通風(fēng)填滿時，硝化作用、氧氣吸附和CO2剝離同時進行。

生物過濾器會影響到循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)、水處理的可靠性以及系統(tǒng)的資本和運營成本。北美的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中普遍使用砂粒流化床過濾器來養(yǎng)殖鮭科魚類（例如剛游入海水的鮭魚、紅點鮭、虹鱒），那是因為這種過濾器成本較低（US$ 40-US$70/m3），而且比表面積高（4000-45000 m2/m3），減少了增加表面積的成本（US$0.02-US$0.001每平方米表面積），同時使砂粒流化床過濾器結(jié)構(gòu)更加緊湊。再者在鮭魚養(yǎng)殖系統(tǒng)中使用砂粒流化床過濾器，不但可以高效的除去氨氮，而且使NO2-N濃度維持相當(dāng)?shù)偷乃?。砂粒流化床過濾器是浸沒式的，不能提供曝氣。

生物過濾器中通過硝化細(xì)菌和異養(yǎng)微生物來代謝系統(tǒng)中的氨氮和有機物。生物過濾器中的微生物通過呼吸作用可以降低氨氮、可生物降解的有機物、溶解氧、堿度和PH值，并增加有機物的氧化物、NO2-N、硝酸鹽和CO2溶解量。生物過濾器的主要作用體現(xiàn)在能很好地識別溶解氧、氨氮、NO2-N和堿性。但是溶解的CO2重要性卻被極大的忽略掉了，正如本文所述，生物過濾器的CO2產(chǎn)量是重要的，為使CO2維持在低水平，在設(shè)計循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)時必須考慮進去。

硝化細(xì)菌是專性需氧菌，主要是專性自養(yǎng)生物，溶解的CO2是它們的主要碳源。但是，硝化作用產(chǎn)生的游離酸與水中的堿性HCO3-反應(yīng)釋放出來的CO2比自養(yǎng)生物消耗釋放的多。根據(jù)EPA （1975），使硝化作用和硝化合成連在一起，總體的化學(xué)計量與銨、HCO3-、耗氧、細(xì)胞團、硝酸鹽、水和產(chǎn)生的H2CO3有關(guān)，如下：

H2CO3和CO2在化學(xué)平衡中更傾向于CO2，因此在水中CO2溶解量是H2CO3的600倍。

式中K0是酸堿平衡常數(shù)，與H2CO3和CO2的摩爾濃度有關(guān)。

因此，根據(jù)化學(xué)方程式（1）和（2），對于每消耗1mg/L的氨氮，當(dāng)產(chǎn)生大約5.9mg/L的CO2，硝化細(xì)菌會消耗4.6 mg/L的氧。

在生物過濾器中，異氧微生物（例如細(xì)菌、原生動物、微型后生動物）與硝化細(xì)菌共存，通過生物代謝降解有機物。然而，由于硝化細(xì)菌的繁殖能力并沒有異養(yǎng)微生物快，當(dāng)遇到溶解物的濃度和顆粒有機物過高時，在生物處理過程中會受到表面積和氧氣的限制，異養(yǎng)微生物會替換掉硝化細(xì)菌。較大的異養(yǎng)微生物也會去捕食硝化細(xì)菌種群。

異養(yǎng)微生物利用有機物作為細(xì)胞合成的碳源，并且作為能量源。微生物有氧代謝有機物的普遍反應(yīng)式是

有機物 + O2+ 營養(yǎng)鹽 → CO2+ H2O + 新細(xì)胞 + 營養(yǎng)鹽 + 能量 （3）

根據(jù)公式（4）細(xì)胞團（一般公式C5H7NO2）可以經(jīng)歷進一步的降解

因為有機物質(zhì)的分子構(gòu)成比較復(fù)雜，對有機物的氧化不能提供準(zhǔn)確的化學(xué)計量。由于硝化作用，生物過濾器中測量的溶解氧的濃度會減少，并且低于標(biāo)準(zhǔn)的耗氧量，另外還要考慮生物過濾器中異養(yǎng)微生物的呼吸作用每消耗1 mg/L的溶解氧，產(chǎn)生1.38 mg/ L的CO2。

當(dāng)同時考慮硝化細(xì)菌和異養(yǎng)微生物的呼吸作用，生物過濾器的CO2量可以通過測量流經(jīng)水中消耗掉的溶解氧和氨氮濃度來估算。換言之，就是每消耗1mg/L的氨氮就會產(chǎn)生5.9mg/ L的CO2，每消耗1mg/L的溶解氧就會產(chǎn)生1.38mg/L的CO2。在一給定條件下，通過這種方法估計的溶解CO2的濃度，可以當(dāng)作在同等條件下實際測量CO2的濃度。

2.二氧化碳控制

當(dāng)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)通過提供過飽和的溶解氧濃度來增加承載能力，這對控制累積溶解的CO2是種挑戰(zhàn)。增加回水的溶解氧很容易受到溶解CO2的影響，由于增氧單元不允許去除大量的CO2，氧的需求會提高喂養(yǎng)率，會使溶解CO2濃度增高。因此，現(xiàn)在在高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中安裝強制通風(fēng)曝氣裝置，特別是用來養(yǎng)殖鮭魚，可以阻止溶解CO2的積累，使魚處在健康的環(huán)境之中。

正如本文所述，生物過濾器中的CO2量在整個系統(tǒng)CO2中占很大的比例。因此，在質(zhì)量平衡過程中必須考慮過濾器中的CO2溶解量和脫氣裝置，無論脫氣裝置放在過濾器的前面或后面，它常常決定著循環(huán)水系統(tǒng)的處理量。當(dāng)CO2脫氣裝置放在生物過濾器的前面，魚將面臨過濾器產(chǎn)生的CO2濃度加上未被脫氣裝置除掉的CO2濃度之和。另外一種就是CO2脫氣裝置直接接在生物過濾器的后面，使脫氣裝置處在系統(tǒng)溶解CO2濃度最大處。

3.研究目的

本文的研究目的是（1）在實驗中通過化學(xué)計量來量化生物過濾器中CO2的溶解量（2）用化學(xué)計量法來估算由于生物過濾中硝化作用和異養(yǎng)需氧反應(yīng)產(chǎn)生CO2量（3）在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，比較魚產(chǎn)生的CO2和生物過濾器中細(xì)菌產(chǎn)生的CO2（4）在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，很大一部分CO2是由生物過濾器產(chǎn)生的，同時討論其對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計的影響。

圖一　淡水研究所鮭科魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)流程圖

二、材料和方法

1.循環(huán)水系統(tǒng)詳述

為了使系統(tǒng)的水質(zhì)保持均勻，避免晝夜波動，在24h之內(nèi)給魚喂12次（每隔2h）。光周期是恒定連續(xù)的。

自然保護基金淡水研究所測量了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中溶解的CO2量和去除的CO2量。Summerfelt等設(shè)計的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（圖一），用在養(yǎng)殖紅點蛙，溫度相對恒定在大約13°C左右。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)使用5臺高壓水泵，水循環(huán)流量為4800 L/min（1250 gpm）。水泵把水加壓到0.56bar（8.3psig）的壓力，打到底端直徑2.7m（9ft）高6.1m（20ft）的生物砂粒流化床過濾器。水流經(jīng)大約4.5m寬的膨脹床（即擴大生物涂膜層沙子和污泥），在頂端砂粒流化床過濾器通過一個包圍圓柱的v形缺口堰把水收集起來。水依靠重力依次流經(jīng)強制通風(fēng)曝氣裝置、低壓溶氧裝置和紫外線殺菌裝置，然后水流到150 m3（40000 gallon）的養(yǎng)殖池。在養(yǎng)殖池內(nèi)大約93%的水會通過“康奈爾式”側(cè)排水，剩下的7%會通過底部排水。在加入側(cè)排水之前，底部排水直接通向旋流分離器。這種結(jié)合使水進入泵池前經(jīng)過一個轉(zhuǎn)鼓式微濾機（圖一）。

注意強制通風(fēng)曝氣裝置的放置位置（圖一），水從生物過濾器中流出之后應(yīng)立即進行曝氣處理，在水流出之前應(yīng)經(jīng)過低壓溶氧裝置。強制通風(fēng)曝氣裝置就應(yīng)該按這樣來布置，因為它可以在系統(tǒng)濃度達(dá)到最高點時，在溶解氧變得過飽和之前，去除溶解的CO2。并且，把強制通風(fēng)曝氣裝置放到低壓溶氧裝置之前，提高溶解氧的濃度使其接近飽和，在低壓溶氧裝置中會使幾乎所有的純氧原料氣用于飽和溶氧水。

2.實驗測量

實驗持續(xù)3周，在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中5個位置取7組水樣?，F(xiàn)場分析水樣的氨氮、亞硝酸氮以及溶解CO2的濃度。從底部進水口處取一組水樣，分析CO2溶解量，因為底部水體的交換與空氣接觸較少，并且降低樣品收集過程中CO2溢出的可能性。同時，在收集水樣的時候，用空氣校準(zhǔn)探頭（Model 550 Dissolved Oxygen Monitor， YSI Incorporated， Yellow Springs， OH）來檢測水中溶解氧的濃度。記錄生物過濾器和養(yǎng)殖池（包含側(cè)排水和底部排水）進水口和出水口的水質(zhì)參數(shù)。

使用哈?；す?250滴定法（根據(jù)水和廢水標(biāo)準(zhǔn)檢測方法（APHA， 1998）中的4500-CO2）測量溶解CO2濃度。氨氮和亞硝酸鹽通過納氏試劑法和重氮法測量，所使用試劑和a DR4000分光光度計是哈?；す咎峁↙oveland，Colorado）。

在生物過濾器的進水管道上安裝超聲波流量計（Transport Model PT868 Portable Flowmeter， Panametrics， Inc.， Waltham， MA）來測量流過生物過濾器的水流量。通過氣體溶解裝置和養(yǎng)殖池的水流量與生物過濾器的水流量是一樣的。

三、結(jié)果與討論

表1是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中不同位置溶解CO2、O2、TAN和NO2-N的平均濃度（±標(biāo)準(zhǔn)差）

表2是生物過濾器、氣體溶解裝置、養(yǎng)殖池中TAN、CO2和O2濃度的變化。因為在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，水流過所有組成設(shè)備的流量是相同的，所以所有設(shè)備中TAN、CO2和O2溶解的質(zhì)量變化與其濃度變化成比例。

表3描述了在生物過濾器中由于硝化細(xì)菌和異養(yǎng)微生物所消耗掉溶解氧的估算值與硝化細(xì)菌和所有微生物產(chǎn)生的CO2估算值。在表3最后一組中展示了生物過濾器中產(chǎn)生的CO2測量值和估算值的不同。

1.在實驗中量化砂粒流化床過濾器中產(chǎn)生溶解CO2以及消耗溶解氧和氨氮的量

從表1可知，進入和離開砂粒流化床過濾器的平均CO2濃度分別是20.2±0.6mg/L和24.3±0.6mg/L，因此，在本研究中砂粒流化床過濾器產(chǎn)生大約4.1±0.2 mg/L CO2。進入和離開砂粒流化床過濾器的平均溶氧濃度分別是10.1±0.1mg/L和6.4±0.2 mg/L，因此，砂粒流化床過濾器去除大約3.8±0.2 mg/L溶解氧。也就是在生物過濾器中消耗掉3.8±0.2 mg/L溶解氧，硝化作用消耗掉大約2.3±0.1 mg/L的氧（見表2），另外的1.5±0.1mg/L氧是被異養(yǎng)微生物消耗掉，因此生物過濾器中硝化作用消耗掉60%的氧，這是一種很高效的氧利用。

進入和離開砂粒流化床過濾器的平均氨氮濃度分別是0.71±0.02mg/L和0.19±0.01mg/L，因此每通過一次砂粒流化床過濾器可去除73%的氨氮，在鮭魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中使用砂粒流化床過濾器是很典型。進入和離開砂粒流化床過濾器的平均亞硝酸氮濃度分別是0.18±0.01mg/L和0.20±0.01mg/L。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中砂粒流化床過濾器維持一種相對較低以及穩(wěn)態(tài)的亞硝酸氮濃度，這和在其它鮭魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的0.1-0.3 mg/L的亞硝酸氮濃度很相似。

表1　 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)不同位置溶解CO2、O2、TAN和NO2-N的平均濃度（±標(biāo)準(zhǔn)差）

表2　 生物過濾器、氣體溶解裝置、養(yǎng)殖池中TAN、CO2和 O2濃度的變化

表3　 在生物過濾器中由于硝化細(xì)菌和異養(yǎng)微生物所消耗掉溶解氧的估算值和硝化細(xì)菌和所有微生物產(chǎn)生的CO2估算值

2.由于硝化作用和異養(yǎng)氧需求，通過生物過濾器的二氧化碳量

考慮到通過生物過濾器的CO2量是氨氮和溶解氧去除后測量，生物過濾器的CO2量估計為5.0±0.3 mg/L（表2）。大約2.0±0.2 mg/L的CO2來源于異養(yǎng)呼吸作用，剩下的大約3.0±0.1mg/L的CO2是由于硝化作用。生物過濾器中估算的總的CO2（5.0±0.3 mg/L）幾乎大于實驗測得的CO2量（4.1±0.2 mg/L）20%左右。

本文采用直接測量CO2濃度。然而，直接測量的CO2濃度并沒有考慮到發(fā)生在溶解無機碳系統(tǒng)中的酸堿平衡。生物過濾器中升高的CO2導(dǎo)致總的碳酸鹽碳系統(tǒng)分離成各種形態(tài)，比如CO2、H2CO3、HCO3-和CO3-。根據(jù)水的PH值和溫度，酸堿平衡設(shè)定每個組成部分的相對比例。然而，由于溶解CO2的升高，生物過濾器中主要的改變是溶解無機碳。因此直接測量溶解CO2的變化，比較生物過濾器中溶解的CO2量和魚產(chǎn)生的溶解CO2量，因為實際工作中設(shè)計工程師需要知道這個量。而且，由于總的無機碳系統(tǒng)的構(gòu)成存在相對較低的溶解CO2，測量通過每一個單元過程總的無機碳濃度的變化，將需要在相對較大的總無機碳濃度中區(qū)別相對較小的改變（比如改變?yōu)?-5 mg/L），（圖一）。

在一組類比當(dāng)中，測量到養(yǎng)殖池中平均氧的需求為7.1±0.25mg/L，而平均產(chǎn)的CO2為6.9±0.4mg/L。魚呼吸作用每消耗掉1.0mg/L的溶解氧，產(chǎn)生1.38mg/L的CO2。但是，收集到的數(shù)據(jù)并沒有顯示溶解的CO2是1.38倍的溶解氧需求。測量溶解CO2濃度與預(yù)測的差距，是由無機碳系統(tǒng)對進來CO2做出反應(yīng)，導(dǎo)致酸堿平衡改變所引起的。

3.魚產(chǎn)生的二氧化碳和生物過濾器的細(xì)菌產(chǎn)生相對量的二氧化碳比較

在相同時間段生物過濾器和養(yǎng)殖池中魚產(chǎn)生的溶解CO2分別是4.1±0.2 mg/L和6.9±0.4mg/L，而且這在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中占總的CO2一部分。因此，在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中生物過濾器產(chǎn)生CO2占總的37%。

4.討論生物過濾器中二氧化碳量對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計的影響

一般的，在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中放置強制通風(fēng)曝氣裝置，以便于CO2的濃度達(dá)到最高后剝離，即在生物過濾器之后，氧裝置之前。放置強制通風(fēng)曝氣裝置是用來處理離開生物過濾器的再循環(huán)流量，在系統(tǒng)溶解CO2達(dá)到最高時，可以去除溶解CO2，而且同時還可以返還溶解氧使其濃度接近飽和。因此，強制通風(fēng)曝氣裝置提供飽和氧給氧裝置，使其趨向過飽和。如果強制通風(fēng)曝氣裝置放到生物過濾器之前，也是一些裝備供應(yīng)商推薦的，水流進養(yǎng)殖池之前剝離裝置是沒有機會去除生物過濾器中產(chǎn)生的CO2。因此，當(dāng)強制通風(fēng)曝氣裝置放到生物過濾器之前，魚將會處在生物過濾器產(chǎn)生的CO2濃度下，這就是研究所示的在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中生物過濾器產(chǎn)生的CO2占總的37%。

Liao和Mayo最先展示了污水濃度（穩(wěn)態(tài)狀況下），比如離開養(yǎng)殖池水中溶解的CO2和循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中CO2脫氣裝置的廢水處理效率成反比。因此，一個循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中擁有一臺高效CO2脫氣裝置，比起一低效的CO2脫氣裝置，將會產(chǎn)生低含量穩(wěn)態(tài)的CO2濃度（假設(shè)其他都相同）。在其他因素當(dāng)中，通過脫氣裝置去除溶解CO2的效率，取決于使用填充的高度和脫氣裝置中空氣與水接觸的面積大小。因此，設(shè)計一臺要在循環(huán)水中去除更大比例的CO2的脫氣裝置，就需要增加滴流的高度和使用填充物（隨機性的填充要比結(jié)構(gòu)化的填充更加有效），或者增加氣液接觸的面積，這些都會增加脫氣裝置運行的成本。而且，增加滴流高度就需要更高的屋頂，這也很貴。所以，這些因素將會減少養(yǎng)殖池中總的溶解CO220%以上，這也就相當(dāng)于很大的提高了脫氣裝置的效率。既然直接將脫氣裝置放到生物過濾器之后，養(yǎng)殖池中CO2濃度就可以降低超過20%，相反的，直接將脫氣裝置放到生物過濾器之前，除非更高或更有效的脫氣裝置。

因此，當(dāng)嘗試優(yōu)化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)，要考慮到生物過濾器中的CO2量，在過濾器之后應(yīng)設(shè)置CO2脫氣裝置。但必須考慮兩個裝置基本原理的設(shè)計方法。

（文章譯自：Elsevier《aquacultural engineering》32（2004）171-182

作者Steven T. Summerfelt，Mark J. Sharrer，經(jīng)作者許可譯為中文，文責(zé)譯者自負(fù)）

譯者單位：農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所