循环水可溶性有害物的去除工艺（一）：危害及去除原理

一、水溶性有害物的去除工艺

     水溶性有害物质包括水溶性有机物、可溶性无机物。水溶性无机物是指未被食用的饲料以及从养殖生物肠道排出的未消化部分。这些未被利用的饲料含有丰富的有机物，会在微生物分泌的蛋白酶作用下，分解为更小的肽段和氨基酸，从而变成水溶性有机物。水溶性无机物是指在水中能够溶解的无机化合物，主要是氨氮（NH3- N ）、亚硝态氮（NO7- N )和硝酸盐。水溶性无机物对循环水养殖危害最大，水溶性有害物的去除是事关养殖成败的重要因素。

一、循环水养殖常见的可溶性有害物质
1氨氮（NH? - N）
（1）、氮的来源

     氮是所有生物体的必需营养素，普遍存在于蛋白质、核酸、磷酸腺苷、吡啶核苷酸和色素中。在循环水养殖水环境中，氮是养殖废物的组成部分，也是首要隐患。氮是如何产生的呢？在循环水养殖过程中，氮主要来源于鱼类饲料中的蛋白质。投喂饲料中的蛋白质只有25％左右被鱼同化，其余的蛋白质虽然被消化分解成氨基酸等，但未能吸收同化，最终以固体物、水溶性物等形式被排泄到养殖水体中主要是由养殖生物的排泄物、残饵以及水体中有机物的分解产生。在水产养殖环境中，含氮有机物在微生物的作用下，通过氨化作用将有机氮转化为氨氮。

（2）、氮的氨化

     在循环水养殖系统中，氮的氨化是指含氮有机物（如鱼的排泄物、残饵中的蛋白质、核酸等）在微生物的作用下分解转化为非离子氨（NH?）和铵根离子（NH??）的过程。这是循环水养殖系统中氮循环的初始环节，对整个系统的水质有着深远的影响。

（3）、氨氮的危害

     氨作为蛋白质分解代谢的主要最终产物会通过鱼的鳃部以复合氨的形式排出。氨、亚硝酸盐以及硝酸盐都是易溶于水的。氨在水中有两种存在形式：非离子态氨（NH3）和离子态铵（ NH??)，两者总和（NH?+ NH??）称为总氨。非离子态氨（NH?）和离子态铵（ NH??)在水中的浓度比例主要受 pH 、温度、盐度的影响。随着 pH 和温度的升高，非离子氨的比例相对于离子铵呈现上升趋势。例如，在20℃、pH7.0的情况下，非离子氨比例只有0.4%，当 pH 上升到10的时候，其比例也升到80%。非离子氨在低浓度时即对鱼类有毒害，其96小时半致死浓度随种类不同而变化较大，从驼背大马哈鱼的0.08mg/ L 到鲤鱼的2.2mg/ L 。通过长期观察，非离子氨的浓度取决于养殖品种和温度，但正常生产中应保持 NH?- N 低于1mg/ L 。但是具体的数值要根据养殖的品种和水质而定。

2. 亚硝酸盐（NO?? - N）

（1）、亚硝酸盐（NO?? - N）来源

     亚硝酸盐（NO??- N）是氨氮在硝化过程中的中间产物。在循环水养殖系统中，由于硝化细菌的作用不完全，氨氮在转化为硝酸盐（NO??- N）的过程中会产生亚硝酸盐积累。

（2）、亚硝酸盐（NO?? - N）的危害

     血液系统方面：亚硝酸盐能将水生生物血液中的血红蛋白氧化为高铁血红蛋白。血红蛋白的主要功能是运输氧气，而高铁血红蛋白失去了携带氧气的能力。例如在鱼类中，当血液中的高铁血红蛋白含量达到一定比例时，就会导致鱼体组织缺氧。一般来说，当高铁血红蛋白占总血红蛋白的 20% - 30% 时，鱼类就会出现呼吸困难、浮头的现象；当这个比例超过 50%，可能会引起鱼类死亡。

     免疫系统方面：长期处于亚硝酸盐超标的环境中，水生生物的免疫系统会受到抑制。亚硝酸盐会干扰免疫细胞的正常功能，降低水生生物对病原体的抵抗力。比如，在虾类养殖中，高浓度亚硝酸盐会使虾更容易感染细菌、病毒等病原体，导致虾病频发。

     神经系统方面：亚硝酸盐对水生生物的神经系统也有不良影响。它可能会干扰神经信号的传导，使水生生物的行为出现异常。例如，鱼类可能会出现游动迟缓、失去平衡等现象，这是因为神经系统的正常功能受到了破坏。

生长受阻：亚硝酸盐会影响水生生物的生长速度。它干扰了生物体内的能量代谢和蛋白质合成等生理过程。在水产养殖中，当亚硝酸盐浓度过高时，水生动物的摄食量会减少，饲料转化率降低。例如，在鳗鱼养殖中，亚硝酸盐超标会使鳗鱼的生长速度明显减慢，肉质也会受到影响。

3.硝酸盐（NO?? - N）

（1）、硝酸盐（NO?? - N）来源

     主要是氨氮经过硝化细菌的硝化作用逐步转化而来。在正常的循环水养殖系统中，随着养殖时间的延长和饲料的投入，硝酸盐会逐渐积累。

（2）、硝酸盐（NO?? - N）的危害

     硝酸盐是硝化反应的最终产物，也是所有含氮化合物中毒性最小的。在新鲜水体中的半致死浓度通常大于1000mg/ L。在循环水系统中，硝酸盐浓度通常通过换水来控制。在换水率低或者水力停留时间长的系统中，反硝化反应作为一种控制手段正变得越来越重要。随着海水系统的增多，由于这些系统的高水力停留时间以及较高的配制和处理盐水的成本，其对反硝化反应的需求也重视了起来。虽然硝酸盐的毒性相对较低，但当浓度过高时，也会对养殖生物产生不良影响，如影响水生生物的生长、繁殖等

二、可溶性有害物的去除原理

     可溶性有害物的去除有两种方法，一是换水，二是生物过滤。对循环水养殖而言，无法进行大量的换水，因此只能通过生物过滤的方法去除可溶性有害物质。

     生物滤池是循环水养殖中有效去除可溶性有害物的主要设备，其工作原理是依靠生物滤料上覆盖的生物膜分解和利用养殖水体中的有机物和溶解态无机氮化物等污染物，从而达到净化目的。当水体流经 生物滤池时，生物滤料表面附着的微生物对污染物（如悬浮颗粒物以及氨氮、亚硝酸盐氮等）进行吸附、分解、氧化、吸收。这个过程就是生物过滤的过程。 生物膜作为生物过滤的核心，对水体污染物的处理性能至关重要。

1.生物膜及其形成

     循环水养殖中，当养殖尾水经过生物滤料表面时，尾水中的微生物会附着在载体表面，在溶氧充足的条件下吸附并分解废水中的有机物，以获得养料及能量，自身得以增殖，形成一层含有大量微生物的生物膜。随着微生物数量的增加，不同种类的微生物之间会逐渐形成复杂的相互关系。例如，一些细菌可以为其他微生物提供生长因子，而另一些微生物则可能通过代谢共生来利用彼此的代谢产物。在这个过程中，微生物群落的结构不断丰富和复杂，生物膜的厚度也开始增加。经过一段时间的生长和演替，生物膜的结构和功能逐渐达到稳定状态。此时，生物膜内形成了包括细菌、真菌、原生动物等多种微生物组成的复杂生态系统。这些微生物在空间上呈现出一定的分层现象，例如，靠近滤池表面或者填料表面的微生物主要是进行物质代谢和转化的细菌，而在生物膜外层可能会有一些以细菌为食的原生动物。生物膜的成熟标志着它已经具备了较为稳定的水质净化功能。

3. 生物膜的组成

（1）、微生物层：

     这是生物膜的核心部分，主要由细菌、真菌和藻类等微生物组成。细菌是生物膜中数量最多、代谢最活跃的成分，它们承担着大部分的水质净化任务。例如，在循环水养殖系统中，硝化细菌能够在生物膜内将氨氮转化为硝酸盐，从而去除水中的有毒物质。真菌可以分解一些复杂的有机物，而藻类则在有光照的条件下通过光合作用为生物膜提供氧气，并且吸收利用水中的营养物质。

（2）、胞外聚合物（EPS）层：

     EPS 是微生物分泌的一种复杂的高分子聚合物，主要包括多糖、蛋白质、核酸和脂类等成分。它像胶水一样将微生物细胞黏合在一起，并且为微生物提供了一个相对稳定的生存环境。EPS 还具有吸附和富集水中营养物质的功能，能够促进微生物对这些物质的摄取和利用。此外，EPS 能够抵抗外界环境的干扰，如水流的冲刷和化学物质的冲击，对生物膜的稳定性起到了重要的保护作用。

3、水层和物质交换通道：

     在生物膜内部，存在着一些充满水的通道，这些通道允许营养物质、代谢产物和氧气等在生物膜内外以及不同微生物层之间进行交换。水层的存在保证了生物膜内的微生物能够获得足够的物质供应，同时也有利于代谢废物的排出。

3.生物膜在循环水养殖生物滤池中的功能

     在循环水养殖中，生物膜中的微生物通过硝化反应和反硝化反应实现了对氨氮、亚硝酸盐及硝酸盐等有害物质的去除。

（1）、硝化反应

     生物滤池去除水体氨氮的过程称为硝化过程，是指氨氮（NH?- N）逐步被氧化为亚硝酸盐（NO??- N）和硝酸盐（NO??- N）的过程。在这个过程中，是由两类主要的硝化细菌：氨氧化细菌（AOB，如亚硝化单胞菌属）和亚硝酸氧化细菌（NOB，如硝化杆菌属）分两步完成的。

第一步：氨氧化细菌将氨氮（NH?- N）氧化为亚硝酸盐（NO??- N），这个过程的化学反应式为：

NH??+1.5O2→NO??+2H?+H2O

     第二步：亚硝酸氧化细菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐（NO??- N），反应式如下：

NO??+0.5 O2→NO??

这两步通常是依序进行的。第一步比第二步具有更快的反应速度，所以总体的反应速度通过氨的氧化来控制，如此便不会造成明显的亚硝酸盐积累。

     在硝化反应过程中，每1g氨转化为硝酸氮，会消耗4.1g溶解氧和7.05g碱度（1.69g无机碳），并产生0.20g微生物生物量（0.105g有机碳）和5.85gCO2(1.59g无机碳）。因此在硝化过程中必须保持足够的溶氧和碱度。

     硝化反应能将有毒的氨氮转化为相对低毒的硝酸盐，从而有效降低氨氮浓度，净化水质，是维持循环水养殖系统水质稳定的关键环节。

2、反硝化反应

     反硝化作用也称脱氮作用，是指在缺氧条件下，微生物将硝酸盐及亚硝酸盐还原为气态氮化物和氮气的过程，其反应式如下：

2 NO???+10e?+12H?→N2+6H2O

     反硝化过程的核心是利用有机碳源作为电子供体，反应在缺氧条件下进行，最终将硝酸盐转化为氮气，从而有效去除水体中的氮污染在循环水养殖系统中，反硝化作用对于控制和减少系统中的硝酸盐积累至关重要，因为硝酸盐的持续积累最终会导致系统出现问题。通过反硝化作用，可以将硝酸盐转化为气态氮，完成氮元素由水域向大气的转移，从而维持水质。

3、生物膜如何同时实现硝化反应与反硝化反应

     随着微生物不断增殖，生物膜逐渐加厚，厚度达到一定程度后其结构发生改变。膜表面与尾水直接接触，营养丰富，溶解氧浓度高，为好氧层。在溶解氧无法进入的深部形成了厌氧层，厌氧层随着生物膜的增厚而加厚。因此，生物膜可同时进行硝化反应和反硝化反应。