工厂化水产养殖水中氨氮处理技术的研究

Posted 2023-01-12 水体

篇首语：她其实只是想要个拥抱，可你却总是在讲道理。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了工厂化水产养殖水中氨氮处理技术的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

氨氮处理技术是工厂化水产养殖的关键技术之一。本文综述国内外工厂化养殖中常用的氨氮处理方法，如空气吹脱、离子交换吸附、微生物处理、臭氧氧化处理、沉水植物处理等，分析各种方法的优缺点，论证LED特定光照沉水植物处理氨氮方法的优势、可行性和发展方向，为实际应用和新技术开发提供参考。
文章编号：1005-3832(2014)05-0056-03
当前水产养殖方式主要包括传统池塘养殖、流水养殖和工厂化循环水养殖等。传统池塘和流水养殖方式具有消耗淡水量大、污染水资源和易受天气和季节影响等缺陷，工厂化循环水养殖已成为水产养殖业的发展趋势。这种养殖是一门新兴的生产方式，涉及应用工程技术、水处理技术和自动控制技术等，与传统养殖技术相比，具有养殖密度高、饲料系数低、生长快、病害少、不污染水资源等优点，发展前景较好[1-4]。在工厂化循环水养殖中，水处理技术是关键，主要包括增氧、悬浮物处理、氨氮处理、有害气体处理、消毒杀菌等过程，而氨氮处理又是需要解决的主要技术难点[5-8]。
目前，常用的氨氮去除方法有空气吹脱、离子交换吸附、微生物处理、臭氧氧化处理等，沉水植物处理氨氮是一种废弃物生态利用的处理方法，LED光照沉水植物处理氨氮是一种创新处理方法，可望在工厂化养殖水处理技术方面取得突破性进展。
1.空气吹脱
空气吹脱是通过调整水体的pH，利用气液相平衡和介质传递亨利定律，在养殖水体中充入大量气体，减少水体中可溶性气体的分压，排出溶解于水体中的NH3，达到去除氨氮的目的。该方法已应用于处理垃圾滤液中的高浓度氨氮，效果很好。吴超等研究表明：在一定的范围内氨氮去除效率随温度、pH的升高而增大，氨氮脱除效率最佳达99.66%。而在养殖水体中的氨氮分别以离子氨NH4+和非离子氨NH3的形式存在。Liao和Timmons等研究表明：在高pH下，氨氮大部分以非离子氨的形式存在，形成溶于水的氨气，再大量吹入空气，减少可溶性气体的分压，使氨气顺利排出，达去除养殖水体氨氮的目的：

该方法的关键是调整pH。要既能大幅提高氨氮处理效率，又能满足鱼类安全生产水体的pH；该方法需要吹入大量空气，降低了养殖水体的温度，导致鱼类生长速度较慢。由于上述缺陷使得该方法在实际应用中受到较大限制。
2.离子交换吸附
离子交换吸附是利用交换介质(沸石、氟石、交换树脂等)的物理特性实现养殖水体中氨氮的交换和吸附，从而达到降解氨氮的效果。
沸石是由硅氧(SiO4)、铝氧(AlO4)和水(H2O)构成的骨架型矿物质，均匀分布大量的微孔，拥有良好的吸附特性。严小明等研究表明：江苏镇江天然沸石吸附氨氮快、缓慢平衡，当水体pH为7时，沸石投放量为50g/L，吸附效果较好。林建伟等通过引入氯化钠改性沸石研究氨氮的吸附作用，结果表明氯化钠改性可以提高沸石对氨氮的吸附能力，符合吸附动力学“初期快速吸附，后期缓慢稳定"的过程。
氟石(Fluorite)的主要成分是氟化钙(CaF2)，具有晶体结构和微孔，可用于离子吸附。MeyerSteve等设计了可吸附95%氨氮的氟石实验装置，达到其吸附容量极限后，再用10%的盐水冲洗24h实现氟石吸附能力再生，可多次利用。在工厂化养殖中，这种方法虽然实际应用效果较好，但存在再生操作繁琐、耗时较长等缺陷。
离子交换树脂是人工合成的高分子化合物，分为阴离子和阳离子，有40多种，用于氨氮处理的主要是阳离子。李红艳等利用三种苯乙烯系阳离子交换树脂处理氨氮，D61树脂处理效果较好。但是，树脂频繁再生困难，且再生树脂的液体仍要处理，操作困难、成本较高。
3.微生物处理
微生物处理是利用硝化细菌和亚硝化细菌的硝化作用转化养殖水体中的氨氮，硝化作用包含两个阶段：氨氧化作用和硝化作用。

Balaji等研究了滤浮球式生物滤器上附着的硝化和亚硝化细菌处理氨氮的效果，结果表明氨氮转化率可达到380g(/m3.day)，较为理想。但是，持续的硝化过程使硝酸盐不断累积，最终浓度过高而影响鱼类的正常生长。温度对硝化细菌的活性影响较大，随着温度下降其活性也逐步降低，当水温低于15℃时硝化细菌基本处于休眠状态，其在冷水鱼养殖中的应用受到较大限制。陈中祥等研究了在低温条件下利用平板菌落计数法和最大几率数法对水体中的微生物数量进行跟踪检测，表明经过低温驯化和诱导，微生物处理氨氮能力有了一定能力的提升。因此，微生物处理具有一定的局限性。
4.臭氧氧化处理
臭氧为强氧化剂、消毒剂，有消毒和去除水产养殖水中悬浮物的作用，在氨氮处理方面也有较好的效果。臭氧的氧化直接将氨氮转化为N2排出水体，但也产生副产物NO2-和NO3-，影响水体的pH。其反应式如下：

研究表明：直接利用臭氧氧化水体，氨氮处理效率可达25.8%。钟理等研究了不同pH、温度、初始氨氮浓度条件下采用臭氧湿式氧化降解氨氮的氧化过程，获得了臭氧氧化氨氮过程的动力学方程，为该方法的实际应用提供了理论基础。刘永等发现，在臭氧氧化过程中添加催化剂Br-，可进一步提高臭氧氧化效率。但臭氧氧化产物主要为NO3-，增加了养殖水体中的硝酸盐含量，使得氨氮处理不彻底。研究完全氨氮氧化的环境条件和方法，是进一步应用研究的发展方向。
5.沉水植物处理
沉水植物利用养殖鱼类代谢的氮、磷物质，进行光合作用达到处理氨氮的目的。在水生生态系统中，沉水植物作为初级生产者，不但可以沉降水体中的悬浮物，净化水质，还可以吸收利用水体中的N、P等元素，为自身的生长繁殖提供必需的养分，并利用光合作用吸收二氧化碳，产生氧气，增加养殖水体中的溶解氧，为水体中有机污染物的氧化分解提供氧气，达到生态养殖的目的[19，20]。而LED灯，俗称发光二极管，在光源纯度及类型方面都优于传统光源，随着生产成本的降低，其在人类的生产和生活中应用亦更加广泛[21，22]。通过对光源波段和光照时间的设计，可实现多种LED光源的综合作用效果，提高植物的光合作用效率。Bula等采用660nm的红色LED灯和蓝色荧光灯构成复合光源，模拟植物光合作用所需的自然光试验培养莴苣，成功实现了莴苣的栽培。Tanaka等研究了在LED照射条件下植物栽培的实用性，分析了LED光照射周期以及占空比对植物生长的影响。当光照周期的占空比在25%～50%范围内时，植物生长速度明显加快；赵联芳等研究了沉水植物对水体pH及其脱氮作用。结果表明：沉水植物光合作用能提升水体pH，提高水体中氨氮的吸收效率，沉水植物不同生物量(2g/L和4g/L)对比表明：适当提高植物密度，可大幅降解水体的氨氮浓度；叶春等研究了不同氨氮浓度条件下三种沉水植物的生长效率，表明三种沉水植物都能很好地吸收利用水体中的氨氮，且自身鲜重随着总氨氮浓度的升高显著增加。
利用LED特定光照促进沉水植物生长，建立氨氮处理新技术，具有如下优点：LED特定光照能促进沉水植物生长，提高氨氮吸收效率，达到生态利用氨氮的目的；利用沉水植物光合作用，吸收养殖水体二氧化碳，产生氧气，改善水质、降低养殖成本；沉水植物的生长繁殖也可作为饲料。