傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)因占地面積大，適合養(yǎng)殖的地域有限，易受地理氣候條件影響及越來越嚴(yán)重的環(huán)境問題和水產(chǎn)品安全性問題，已經(jīng)難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的發(fā)展。在此背景下，具有節(jié)水、節(jié)地、產(chǎn)品質(zhì)量高度可控性和可追溯性等優(yōu)點(diǎn)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)日益引起關(guān)注。在歐洲等部分發(fā)達(dá)國家，在其商業(yè)化的成魚和育苗系統(tǒng)中已全部采用循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)。

在廣大科技工作者的努力下，我國的循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)也得到了一定程度的發(fā)展，從基礎(chǔ)理論、裝備集成創(chuàng)新、商業(yè)化養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建等各層面均取得了一定成果?，F(xiàn)就應(yīng)用生物反應(yīng)器去循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中硝酸鹽氮的技術(shù)作詳細(xì)的介紹和探討。

一、循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)硝酸鹽氮的產(chǎn)生及其影響

水處理技術(shù)是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的關(guān)鍵，在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水處理技術(shù)中，主要是通過生物過濾器的硝化作用將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，從而導(dǎo)致水體中積累很高的硝酸鹽氯濃度。據(jù)報道系統(tǒng)中硝酸鹽氮濃度可達(dá)400~500毫克升。

相對于氨氮和亞硝態(tài)氮而言，硝酸鹽氮對養(yǎng)殖對象的毒性相對較低，但是大量研究表明，高濃度硝酸鹽氮也會影響?zhàn)B殖對象的生長，造成水生動物的生長速度降低、易患病、成活率降低等，甚至是中等濃度的硝酸鹽氮(30~60毫克升)也會影響?zhàn)B殖對象的組織發(fā)育和激素分泌，導(dǎo)致體質(zhì)變?nèi)跎踔了劳?。同時，高濃度硝酸鹽氮含量的養(yǎng)殖水體與環(huán)境受納水體進(jìn)行交換，也是引起水體富營養(yǎng)化和地下水硝酸鹽含量超標(biāo)的因素之一。

因此，研究者認(rèn)為將循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的硝酸鹽氮濃度控制在50毫克升以下為較理想?？梢哉J(rèn)為，對于一個真正“零交換”的閉合循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)而言，脫氮功能單元是必須在系統(tǒng)的整體設(shè)計實(shí)施中加以構(gòu)建的。

二、生物反應(yīng)器脫氮的主要影響因素

1、溶解氧

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)常采用純氧、液體氧通過氣水混合器輸入養(yǎng)殖池中，以滿足飼養(yǎng)對象的生長要求，一般溶解氧多在4毫克升以上。但多數(shù)反硝化細(xì)菌在完全好氧的條件下，不能合成完整的反硝化酶系統(tǒng)，所以一般情況下反硝化作用在厭氧或者兼性厭氧狀態(tài)下進(jìn)行。
因此，進(jìn)行反硝化時需要先去除氧氣，溶解氧控制在0.5毫克升為宜，處理好后再重新充氧。已經(jīng)有研究者開始研究循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的有氧反硝化，并取得了一定的研究成果。

2、水力停留時間

大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，反硝化反應(yīng)進(jìn)行的時間對處理效果影響很大，水力停留時間越長，硝酸鹽氮去除率越高，水產(chǎn)養(yǎng)殖活動的連續(xù)性要求水產(chǎn)養(yǎng)殖用水反硝化處理的連續(xù)性。反硝化反應(yīng)裝置的水體停留時間不宜太長，以適應(yīng)生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。

3、溫度

溫度對反硝化的影響主要是使反硝化細(xì)菌的生長速率降低，同時使菌體的代謝率降低，從而降低了反硝化速率。反硝化反應(yīng)的適宜溫度為15~35℃，當(dāng)溫度低于10℃，反硝化速率明顯下降，溫度低于3℃，反硝化作用停止，因此必須注意溫度的控制。

4、pH

反硝化的pH范圍是在7.0~8.0之間，當(dāng)環(huán)境中的pH偏離這佳值，反硝化速率逐漸下降。環(huán)境中的pH不僅會影響反硝化速率，面且也影響到反硝化的產(chǎn)物。當(dāng)pH低于6.0-6.5時，產(chǎn)物以氧化氮占優(yōu)勢。當(dāng)pH>8時，會出現(xiàn)亞硝酸鹽氮的積累，當(dāng)pH越高時，積累愈嚴(yán)重。

5、碳源

異養(yǎng)反硝化過程需要有機(jī)碳源，可以被反硝化細(xì)菌所利用的碳源是多種多樣的，一般認(rèn)為，當(dāng)廢水中所含的碳(BOD3)、氮比值大于3時，無須外加碳源，即可達(dá)到脫氮的目的。水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料中一般蛋白含量在40%左右，脂肪含量在30%左右。經(jīng)過飼養(yǎng)對象的消化吸收和微生物的轉(zhuǎn)化，水體中一般碳、氮比值在1-2之間，所以需要對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水體進(jìn)行預(yù)處理，比如添加有機(jī)碳源的方式或者進(jìn)行自養(yǎng)反硝化。

三、生物反應(yīng)器脫氮方法

1、異養(yǎng)反硝化

異養(yǎng)反硝化工藝指缺氧條件下異養(yǎng)菌將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^程，同時需要有機(jī)碳源作為電子供體，用于產(chǎn)能和細(xì)胞合成的一類工藝異養(yǎng)反硝化細(xì)菌在硝酸鹽轉(zhuǎn)換過程中是十分有效的，已成功應(yīng)用于各種廢水處理領(lǐng)域，各種工藝設(shè)計參數(shù)較多。國外循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的脫氮功能大多依據(jù)異養(yǎng)反硝化完成，在去除水體硝酸鹽氮的同時產(chǎn)生堿度，從而彌補(bǔ)系統(tǒng)中因硝化作用而引起的pH下降。

然而若需完成異養(yǎng)反硝化，水質(zhì)中碳、氮比值需達(dá)3-6，針對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水體的碳氮比值比較低的水質(zhì)特點(diǎn)，在脫氮過程中需要投加有機(jī)碳源。在異養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中投加甲醇等液體碳源存在過量的風(fēng)險，也對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)提出較高要求，尤其在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)硝酸鹽氮存在波動的情況下，碳源投加量的調(diào)控更加困難。棉花、麥稈等固體碳源可以降低運(yùn)行成本但也因?yàn)榇嬖谔荚瘁尫判实筒⑶页煞謴?fù)雜，在去除硝酸鹽的同時易污染出水水質(zhì)。

2、自養(yǎng)反硝化

自養(yǎng)反硝化工藝是指氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^程全部是由自養(yǎng)菌完成，整個過程不需外加任何可生物降解有機(jī)碳化合物的一類工藝。自養(yǎng)反硝化不需向反應(yīng)器中投加有機(jī)碳源，只靠碳酸鹽或重碳酸鹽為碳源，利用無機(jī)物作為硝酸根還原的電子供體，由自養(yǎng)反硝化菌將硝酸鹽還原為氮?dú)?。與異養(yǎng)反硝化相比，自養(yǎng)反硝化不需要向水體引入有機(jī)物，可避免對養(yǎng)殖水體的再次污染。自養(yǎng)反硝化有兩個優(yōu)勢:(1)不用外加有機(jī)碳源，進(jìn)而降低成本;(2)產(chǎn)泥量少，減少對出水水質(zhì)的影響

3、厭氧化

厭氧氨氧化工藝是指在厭氧環(huán)境中，同時存在氨氮和亞硝酸鹽氮時，厭氧氨氧化細(xì)菌利用氮氮作為電子供體，亞硝酸鹽氮作為電子受體產(chǎn)生氮?dú)獾纳锓磻?yīng)。與其他脫氮工藝相比較，厭氧氨氧化實(shí)現(xiàn)了氨氮的短途徑化，具有不需要外加電子供體、不產(chǎn)生堿度、產(chǎn)泥少等優(yōu)點(diǎn)，但其工藝要求亞硝酸鹽氮的穩(wěn)定積累，厭氧氨氧化菌對環(huán)境要求苛刻，反應(yīng)器種類及構(gòu)型也會影響厭氧氨氧化過程的脫氮效率，使得厭氧氨氧化過程的啟動和穩(wěn)定運(yùn)行面臨很多困難，限制了其在水體脫氮中的推廣應(yīng)用。

如若將其應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，該技術(shù)還需解決一些迫切需要解決的問題，比如：厭氧氨氧化的脫氮機(jī)理、動力學(xué)及細(xì)菌方面的研究目前很大程度上尚處于推測階段，有待進(jìn)一步的認(rèn)識和了解；接種污泥來源與縮短反應(yīng)器啟動時間、工藝參數(shù)和運(yùn)行邊界條件的控制因素等都還需要進(jìn)行更為細(xì)致的研究。

近來，國內(nèi)外研究者開始關(guān)注循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中脫氮的研究，在應(yīng)用生物反應(yīng)器脫氮技術(shù)去除硝酸鹽的研究上已經(jīng)有所進(jìn)展，但這些研究大部分停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段，對于商業(yè)規(guī)模的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，還缺少實(shí)踐的檢驗(yàn)，在開發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本的商業(yè)性反硝化設(shè)備方面，尚需要開展大量的、有針對性的基礎(chǔ)研究。