應用生物脫氮新技術處理循環養殖廢水的研究
隨著傳統集約化水產養殖業的迅速發展，由于養殖過程中投放的飼料所含的氮、磷大約只有9.1%和17.4%被魚同化，其殘剩飼料、魚類排泄物形成的污染物對周圍水體及沉積物等造成的污染正越來越受到政府和民眾的關注；同時，養殖環境內的污染對水產養殖業進一步發展的制約作用也在逐漸顯現。作為一種既能滿足集約化生產需求又不至于污染環境，符合可持續發展觀點的水產養殖技術，工廠化循環海水養殖被寄予厚望，采用循環養殖可以降低水產養殖廢水排放對環境的潛在影響，并能較大幅度節約占地面積和用水量，同時還具有養殖周期短、產量及產品價格高等優點。而該種養殖方式的核心技術之一就是水處理技術，作為制約水產養殖環境的主要脅迫因子，氨氮污染物的有效去除受到了研究者的廣泛關注，但由于傳統生物脫氮是一個包括硝化反應和反硝化反應在內的多步驟生物催化反應，受基質傳遞速率、底物和產物抑制等因素的制約，加之海水鹽度效應，脫氮效率低。如果能較好的解決這一技術難題，將極大地促進工廠化循環海水養殖技術的推廣應用，實現海水養殖由資源密集型向技術密集型的轉變，有力地推動水產養殖業的進一步發展。
由于氨氮的傳統去除必須經歷硝化反應和反硝化反應兩個順序進行的步驟，加上其對環境條件的要求不同，硝化反應和反硝化反應一般需分開在不同的反應器內進行，因此傳統的循環水養殖廢水處理工藝，或存在分級硝化反硝化帶來的工藝復雜的問題，或省略反硝化而簡單通過定時換水的方法以降低系統中硝酸鹽的濃度；事實上，這也是目前國內工廠化循環水養殖普遍采用的方法，這不僅會對周圍環境造成污染，頻繁的換水也增加了運營成本。因此，尋求低價可靠的生物完全脫氮工藝，成為循環水養殖系統中亟待突破的關鍵技術，近年來迅速發展的生物脫氮新技術為我們解決這一難題提供了新的思路。
1 循環養殖廢水脫氮的研究現狀
國外在循環水養殖廢水處理工藝選擇、運行參數及處理效果等方面重點針對系統脫氮進行了大量研究，研制了許多商品化的水產養殖廢水處理設備和工藝，可以部分或全部實現養殖水的循環使用。Blancheton等設計一套海水閉合循環養魚系統，系統由養殖單元、懸浮物去除單元、UV消毒單元和生物過濾器單元組成，生物過濾器主體是載體和自然掛膜的硝化細菌，通過細菌的硝化作用將氨氮氧化成毒性相對較小的硝態氮，從而達到對海水的循環利用。但該系統長時間運行會使系統中硝態氮積累，達到一定濃度時也會對魚類等養殖對象造成毒害， Sauthier等采用顆粒物質(碎磚等)作為固定化微生物載體，研究固定化脫氮微生物對養殖廢水的脫氮速率和影響因子，所建立的系統具有較強的反硝化能力，可以有效降低硝態氮對養殖對象的毒害。Aboutboul等進行了以內部有機物降解產物揮發性脂肪酸(VFA)作為有機碳源的流化床反應器處理海水養殖廢水的研究，實現了完全脫氮，并測定了脫氮作用動力學參數以及VFA吸收和硝酸鹽還原的化學計量學參數。Menasveta等設計了由循環養殖水槽、硝化作用濾器和脫氮作用濾器組成的斑節對蝦封閉循環海水養殖系統。
目前，國內對于循環水養殖系統氨氮污染生物處理技術的研究報道較少，大多數國內有關這方面的報道都是針對國外研究工作的綜述性文章，真正開展這方面實際工作的研究報告并不多見。陸斌等采用軟性填料床缺氧-好氧生物脫氮(A/O)工藝進行了水產養殖污水的凈化與回用的研究；江偉等研究了采用生物轉盤工藝處理水產養殖廢水氨氮的效果；何潔等進行了采用沙子、活性炭與沸石作為生物濾器載體對牙鲆養殖廢水進行處理的研究；馬悅欣等提出一種自凈式養殖方式，通過在牙鲆養殖系統池底增設生物凈化床，使每個養殖池都有凈化能力，從而達到凈化水質的效果。譚洪新等構建了一種藻皮凈化裝置作為養殖廢水處理系統的組成單元，提高對閉合循環水產養殖系統和水族館生態系統中氮、磷營養元素的控制能力。與國外在這方面的研究工作相比，我們已經遠遠落后于國外發達國家，并且由于缺乏經濟有效的水產養殖廢水處理技術，我國水養殖業正越來越成為河流、湖泊、海洋等水產養殖環境的重要污染源；同時，養殖區域內污染對水產養殖業進一步發展的制約作用也日漸顯現。因此，加大對這方面的研究力度，不僅可以凈化水域環境，更將對水產養殖業的可持續發展起到積極的推動作用。
2 生物脫氮新技術
傳統的脫氮理論認為，把NH4+-N從廢水中去除的過程必須通過先硝化而后再反硝化的過程才能實現，而近年來的許多研究表明，硝化反應不僅由自養菌完成，某些異養菌也可以進行硝化作用；反硝化不只在厭氧條件下進行，某些細菌也可在好氧條件下進行反硝化；而且，許多好氧反硝化菌同時也是異養硝化菌，基于上述認識，一些脫氮新工藝如同步硝化反硝化和全程自養脫氮等相繼被開發出來，它們在脫氮過程中成功地解決了碳源矛盾和堿度平衡等傳統硝化反硝化生物脫氮難以解決的問題，極大地推動了高效率生物完全脫氮的發展，同時也為
各行業廢水的高效生物脫氮處理技術的開發提供了新的思路和依據。
2.1 同步硝化/反硝化脫氮
傳統生物脫氮必須經歷先硝化而后再反硝化兩個過程，因此生物脫氮過程需要在兩個隔離的反應器中進行，或者在時間或空間上能形成交替缺氧和好氧環境的同一反應器中進行。傳統的生物脫氮工藝主要有前置反硝化和后置反硝化兩種，前置反硝化利用廢水中易降解有機物作碳源而實現反硝化，雖然可節約反硝化階段外加碳源的費用，但是，前置反硝化工藝對氮的去除不夠完全，廢水和污泥循環比也較高，若想獲得較高的氮去除率，則必須加大循環比，能耗相應也會增加。而后置反硝化則有賴于外加快速易降解有機碳源的投入，同時還會產生大量污泥，并且出水中的COD和低水平的DO也影響出水水質。所以傳統生物脫氮工藝存在工藝流程長、占地面積大、基建投資高、抗沖擊能力弱、需要外加堿度維持系統酸堿平衡等問題。然而，近年來發展的同步硝化/反硝化(SimultaneousNitrification and Denitrification， SND)工藝則能較好的解決上述一些問題，是一種具有廣泛應用前景和開發價值的生物脫氮新工藝。
傳統觀點認為硝化和反硝化反應不能同時發生，而近年來好氧反硝化菌和異養硝化菌的發現以及好氧反硝化、異養硝化和自養反硝化等研究的進展，奠定了SND生物脫氮的理論基礎；最近幾年，國內外有不少實驗和報道證明有同步硝化和反硝化現象，尤其在有氧條件下同步硝化與反硝化存在不同的生物處理系統中，如流化床反應器、生物轉盤、SBR、氧化溝、CAST工藝等。與傳統生物理論相比具有很大的優勢，它可以在同一反應器內同時進行硝化和反硝化反應，并且具有曝氣量減少、降低能耗、無需酸堿中和、縮短反應時間等優點。
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