水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境工程03

第七章硝化反應(yīng)與生物濾池

氮在養(yǎng)殖水體中的存在形式：NO3-—N、NO2-—N、氨氮（NH4+、NH3)、N2氮在養(yǎng)殖系統(tǒng)中的循環(huán)：氨化反應(yīng)、硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)Organicmatter→NH3+NH4+→NO2-→NO3-→NO2-→N2+N2O第一節(jié)綜述氨化作用

定義：

氨化作用是指將有機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的過程，也稱為礦化作用。細(xì)菌參與氨化作用的細(xì)菌稱為氨化細(xì)菌。在自然界中，它們的種類很多，主要有好氧性的熒光假單胞菌和靈桿菌，兼性的變形桿菌和厭氧的腐敗梭菌等。降解方式：好樣和厭氧好氧條件下主要有兩種降解方式：一是氧化酶催化下的氧化脫氨。例如：氨基酸生成酮酸和氨：

另一是在水解酶催化作用下的水解脫氨反應(yīng)。例如尿素能被許多細(xì)菌水解產(chǎn)生氨。分解尿素的細(xì)菌：有尿八聯(lián)球菌和尿素芽孢桿菌等。在厭氧條件或缺氧的條件厭氧微生物和兼性厭氧微生物對(duì)有機(jī)氮化合物進(jìn)行還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種途徑的氨化反應(yīng)。還原脫氨水解脫氨脫水脫氨硝化作用(Nitrification)

一、概念硝化作用是指將氨氮氧化為亞硝酸氮和硝酸氮的生物化學(xué)反應(yīng)。二、細(xì)菌這個(gè)過程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成。亞硝化菌有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和亞硝酸球菌屬。硝酸菌有硝化桿菌屬、硝化球菌屬。亞硝酸菌和硝酸菌統(tǒng)稱為硝化細(xì)菌。三、反應(yīng)過程包括亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)兩個(gè)步驟亞硝化反應(yīng)

硝化反應(yīng)

總反應(yīng)式

發(fā)生硝化反應(yīng)時(shí)細(xì)菌分別從氧化氨氮和NO2-的過程中獲得能量，碳源來自無機(jī)碳化合物，如CO32－、HCO3－、CO2等。假定細(xì)胞的組成為C5H7NO2（氰乙酸乙酯），則硝化菌合成的化學(xué)計(jì)量關(guān)系可表示為：四、硝化反應(yīng)的特點(diǎn)從上式可以看出硝化過程的重要特點(diǎn)：氨的生物氧化需要大量的氧，大約每去除1g的氨氮需要4.18gO2；

硝化過程細(xì)胞產(chǎn)率非常低，且難以維持較高生物濃度，特別是在低溫的冬季。（每克N由NH4+氧化成NO3ˉ需要7.14g的碳酸離子（如CaCO3）并生成8.59g碳酸和0.17g細(xì)胞）。五、硝化反應(yīng)影響因素

1、溫度

在生物硝化系統(tǒng)中，硝化細(xì)菌對(duì)溫度的變化非常敏感，在5～35℃的范圍內(nèi)，硝化菌能進(jìn)行正常的生理代謝活動(dòng)。當(dāng)廢水溫度低于15℃時(shí)，硝化速率會(huì)明顯下降。當(dāng)溫度低于10℃時(shí)已啟動(dòng)的硝化系統(tǒng)可以勉強(qiáng)維持，硝化速率只有30℃時(shí)的25%。盡管溫度的升高，生物活性增大，硝化速率也升高，但溫度過高將使硝化菌大量死亡，實(shí)際運(yùn)行中要求硝化反應(yīng)溫度低于３８℃。2、pH值硝化菌對(duì)pH值變化非常敏感，最佳pH值是8.0～8.4，在這一最佳pH值條件下，硝化速度可達(dá)最大值。

Anthonison認(rèn)為pH對(duì)硝化反應(yīng)的影響只是表觀現(xiàn)象，實(shí)際起作用的是兩個(gè)平衡：

H++NH3=NH4+和H++NO2-=HNO2中的

NH3和HNO2。

pH通過這兩個(gè)平衡影響NH3和HNO2的濃度起作用。3、溶解氧氧是硝化反應(yīng)過程中的電子受體，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧高低，將影響硝化反應(yīng)的進(jìn)程。在活性污泥法系統(tǒng)中，溶解氧應(yīng)該控制在1.5～2.0mg/L內(nèi)，低于0.5mg/L則硝化作用趨于停止。許多學(xué)者認(rèn)為在低DO（1.5mg/L）下會(huì)出現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化（SND）現(xiàn)象。在DO＞2.0mg/L，溶解氧濃度對(duì)硝化過程影響可不予考慮。DO濃度不宜太高，因?yàn)槿芙庋踹^高能夠?qū)е掠袡C(jī)物分解過快，從而使微生物缺乏營(yíng)養(yǎng)，活性污泥易于老化，結(jié)構(gòu)松散。溶解氧過高，過量能耗，經(jīng)濟(jì)性不適宜。4、生物固體平均停留時(shí)間為了使硝化菌群能夠在連續(xù)流反應(yīng)器系統(tǒng)存活，微生物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間（θc）N必須大于自養(yǎng)型硝化菌最小的世代時(shí)間（θc）minN，否則硝化菌的流失率將大于凈增率，將使硝化菌從系統(tǒng)中流失殆盡。

時(shí)代時(shí)間（generationtime）：指某世代起到下一世代止平均所需的時(shí)間。從細(xì)胞水平來說，是指由本次細(xì)胞分裂起到下一次細(xì)胞分裂開始為止（一個(gè)細(xì)胞周期）平均所需時(shí)間。一般對(duì)（θc）N的取值，至少應(yīng)為硝化菌最小世代時(shí)間的2倍以上，即安全系數(shù)應(yīng)大于2。5、重金屬及有毒物質(zhì)除了重金屬離子(Hg+,Pb+,Ag+等)外，對(duì)硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)還有：高濃度氨氮、高濃度硝酸鹽有機(jī)物及絡(luò)合陽(yáng)離子等。細(xì)

菌培養(yǎng)基溫度（℃）代時(shí)（min）漂浮假單胞菌肉湯279.

8大腸桿菌肉湯3717乳酸鏈球菌牛乳3726金黃色葡萄球菌肉湯3727

～30枯草芽孢桿菌肉湯2526

～32嗜酸乳桿菌牛乳3766

～87嗜熱芽孢桿菌肉湯5518.3大豆根瘤菌葡萄糖25344～

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幾種細(xì)菌在最適條件下生長(zhǎng)的世代時(shí)間

影響微生物對(duì)數(shù)期增代時(shí)間的因素:主要有：菌種、營(yíng)養(yǎng)成分、營(yíng)養(yǎng)物濃度、培養(yǎng)溫度。硝化細(xì)菌繁殖周期約為24~36小時(shí)，繁殖速率遠(yuǎn)比一般異養(yǎng)菌（約20分鐘）慢，用新水初期，硝化細(xì)菌的數(shù)量遠(yuǎn)比一般異養(yǎng)菌少得多，是產(chǎn)生新池癥候群（newpondsyndrome）的主要原因。是魚蝦發(fā)生氨中毒最危險(xiǎn)期。

生物膜階段三態(tài)氮的變化情況硝酸氮硝酸氮反硝化作用（Denitrification）一、概念

反硝化作用是指在厭氧或缺氧（DO<0.3-0.5mg/L）條件下，硝酸鹽或亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下，被還原為氣態(tài)氮（N2）的過程。二、細(xì)菌反硝化菌屬異養(yǎng)型兼性厭氧菌，并不是一類專門的細(xì)菌，大量存在于土壤和污水處理系統(tǒng)中，如變形桿菌、假單胞菌等。反硝化菌能在缺氧條件下，以或?yàn)殡娮邮荏w，以有機(jī)物為電子供體將氮還原?；蛑械腘可以有兩種轉(zhuǎn)化途徑：①同化反硝化，即最終產(chǎn)物是有機(jī)氮化合物；②異化反硝化，即最終產(chǎn)物為氮?dú)?。三、反硝化過程

[H]可以是任何能提供電子，且能還原NO3―及NO2―的物質(zhì)，包括有機(jī)物、硫化物、H+等。

四、反硝化反應(yīng)影響因素1、溫度反硝化細(xì)菌對(duì)溫度變化雖不如硝化細(xì)菌那樣敏感，但反硝化效果也會(huì)隨溫度變化而變化。溫度越高，反硝化速率也越高，在30～35℃時(shí)，反硝化速率增至最大。當(dāng)?shù)陀?5℃時(shí)，反硝化速率將明顯降低；至5℃時(shí)，反硝化將趨于停止。2、pH值

pH值是反硝化反應(yīng)的重要影響因素，對(duì)反硝化最適宜的pH值是6.5～7.5，在這個(gè)pH值的條件下，反硝化速率最高，當(dāng)pH值高于8或者低于6時(shí)，反硝化速率將大為下降。3、外加碳源反硝化菌是屬于異養(yǎng)型兼性厭氧菌，在厭氧的條件下以NOx-N為電子受體，以有機(jī)物（有機(jī)碳）為電子供體。由此可見，碳源是反硝化過程中不可少的一種物質(zhì)，水中的C/N直接影響生物脫氮除氮效果。一般BOD/TKN＝3～4，有機(jī)物充分，反應(yīng)速度快，當(dāng)廢水中BOD/TKN小于3時(shí)，需要外加碳源才能達(dá)到理想的脫氮目的。因此碳源對(duì)反硝化效果影響很大。

反硝化碳源的主要來源：廢水本身：如各種有機(jī)酸、淀粉、碳水化合物等；廢水處理過程中添加碳源，一般可以添加附近一些工業(yè)副產(chǎn)物，如乙酸、丙酸和甲醇等；活性污泥自身死亡自溶釋放的碳源，稱為內(nèi)源碳。4、溶解氧反硝化菌是異養(yǎng)兼性厭氧菌，存在條件：無分子氧+硝酸和亞硝酸離子同時(shí)存在，才能利用這些離子中的氧進(jìn)行呼吸，使硝酸鹽還原。如反應(yīng)器內(nèi)溶解氧較高，將使反硝化菌利用氧進(jìn)行呼吸，抑制反硝化菌體內(nèi)硝酸鹽還原酶的合成，或者氧成為電子受體，阻礙硝酸鹽的還原。另一方面，在反硝化菌體內(nèi)某些酶系組分只有在有氧條件下才能合成，這樣，反硝化菌可以在厭氧、好氧交替環(huán)境中生活為宜，溶解氧應(yīng)控制在0.5mg/L。堿度增大好氧或厭氧條件堿度減小好氧條件堿度增大無氧、厭氧條件氨化細(xì)菌氨化作用亞硝化細(xì)菌＋O2硝化細(xì)菌＋O2反硝化細(xì)菌＋C源有機(jī)氮NH4+-N

NO-2-NNO-3-NN2生物脫氮過程示意圖一、生物膜法的類型：（1）潤(rùn)壁型生物膜法廢水和空氣沿固定的或轉(zhuǎn)動(dòng)的接觸介質(zhì)表面的生物膜流過，如生物濾池和生物轉(zhuǎn)盤等；（2）浸沒型生物膜法生物膜載體完全浸沒在水中，通過鼓風(fēng)曝氣供氧。如載體固定，稱為接觸氧化法；如載體流化則稱為生物流化床。第二節(jié)

生物膜法真菌藻類原生動(dòng)物后生動(dòng)物一些肉眼可見的蠕蟲、昆蟲的幼蟲細(xì)菌（好氧、厭氧、兼性）生物膜的組成二、生物膜的構(gòu)造與凈化機(jī)理生物膜法定義：污水生物處理的一種方法。采用各種不同載體，通過污水與載體的不斷接觸，微生物細(xì)胞在載體表面生長(zhǎng)和繁殖，由細(xì)胞內(nèi)向外伸展的胞外多聚物使微生物細(xì)胞形成孔狀結(jié)構(gòu)，稱之為生物膜。利用生物膜的生物吸附和氧化作用，以降解去除污水中的有機(jī)污染物。生物膜的形成有機(jī)物濃度差：在生物膜外附著一層薄薄的水層，稱附著水層。附著水層的水流動(dòng)很慢，其中有機(jī)物大多已被生物膜中的微生物攝取，其濃度要比流動(dòng)水層中低得多。在濃度差的作用下，廢水在濾料表面流動(dòng)時(shí)，有機(jī)物從流動(dòng)水層轉(zhuǎn)移到附著水層，進(jìn)而被生物膜所吸附。氧氣：空氣中的氧氣通過水層進(jìn)入生物膜。生物膜上的微生物在有充足氧的條件下對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解，將其轉(zhuǎn)化為無機(jī)鹽和二氧化碳，二氧化碳沿著相反方向從生物膜經(jīng)過水層排到空氣中。厭氧分解及生物膜老化：隨著生物膜厚度增大，其深層因氧不足而發(fā)生厭氧分解，積蓄硫化氫、氨氣、有機(jī)酸等代謝產(chǎn)物。這些物質(zhì)會(huì)減弱生物膜在惰性載體上的固著力，形成老化生物膜，容易脫落。

供氧充足時(shí)，可以加快好氧膜的更新，使生物膜不集中脫落。生物膜的構(gòu)造掛膜：污水流經(jīng)濾料，污水中的微生物附著在濾料表面，有機(jī)物被分解形成生物膜并逐漸成熟。掛膜方式：自然、活性污泥、接種結(jié)構(gòu)：從外到里順序：流動(dòng)水層、附著水層、生物膜（分為好氧層和厭氧層）、濾料。

膜的表面吸取營(yíng)養(yǎng)和溶解氧容易，微生物生長(zhǎng)繁殖迅速，形成了好氧微生物和兼性微生物組成的好氧層（1～2mm）。

內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)和溶解氧的供應(yīng)條件差，生長(zhǎng)繁殖受到限制，好氧微生物難以生活，形成了厭氧微生物和兼性微生物組成的厭氧層。生物膜的增長(zhǎng)過程:

生物膜的增長(zhǎng)過程主要經(jīng)歷了適應(yīng)期、對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期、穩(wěn)定期及衰減期。根據(jù)生物膜法的具體運(yùn)行情況，在四個(gè)階段的基礎(chǔ)上劃分成六個(gè)階段。當(dāng)水溫20℃，而且有機(jī)物含量適當(dāng)時(shí)，濾床的掛膜只需一周時(shí)間，但達(dá)到完全成熟約需20d～30d時(shí)間。二、生物膜的增長(zhǎng)及動(dòng)力學(xué)潛伏期或適應(yīng)期

微生物在經(jīng)歷不可逆附著過程后，開始逐漸適應(yīng)生存環(huán)境，并在載體表面逐漸形成小的、分散的微生物。這些初始菌落首先在載體表面不規(guī)則處形成，這一階段的持續(xù)時(shí)間取決于進(jìn)水底物濃度以及載體表面特性。

氨化微生物首先生長(zhǎng)繁殖，有機(jī)氮通過氨化作用轉(zhuǎn)化成氨氮，因此，出水口的總氨氮反而比處理前高。對(duì)數(shù)期或動(dòng)力學(xué)增長(zhǎng)期分散菌落迅速增長(zhǎng)，逐漸覆蓋載體表面。生物膜厚度可以達(dá)到幾十μm。多聚糖及蛋白質(zhì)產(chǎn)率增加，大量消耗溶解氧，后期氧成為限制因素。此階段結(jié)束時(shí)，出水底物濃度基本達(dá)到穩(wěn)定值，這個(gè)階段決定了生物膜反應(yīng)器內(nèi)底物的去除效率及生物膜自身增長(zhǎng)代謝的功能。線性增長(zhǎng)期生物膜以恒速率增長(zhǎng)，出水濃度變化不顯著；耗氧速率保持不變。生物膜總量的積累主要源于非活性物質(zhì)，活性生物量所占比例很小，且隨生物膜總量的增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。原因是：剩余有效載體表面飽和；禁錮作用明顯，有毒或抑制性物質(zhì)積累。對(duì)底物的去除沒有明顯效果。減數(shù)增長(zhǎng)期由于生存環(huán)境質(zhì)量的改變以及水力學(xué)的作用，出現(xiàn)了生物膜增長(zhǎng)速率變慢，這一階段生物膜在質(zhì)量和厚度上達(dá)到了穩(wěn)定的過渡期。此時(shí)生物膜結(jié)構(gòu)疏松，對(duì)水力學(xué)剪切作用極為敏感。出水中懸浮物的濃度明顯增高，末期，生物膜質(zhì)量及厚度都趨于穩(wěn)定，運(yùn)行系統(tǒng)也接近穩(wěn)定。生物膜穩(wěn)定期生物膜新生細(xì)胞與各種物理力所造成的生物膜損失達(dá)到平衡。此階段，生物膜相及液相均已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。脫落期

隨著生物膜的成熟，部分生物膜發(fā)生脫落。生物膜成熟后，微生物繼續(xù)增殖，生物膜不斷增厚，代謝產(chǎn)物過多，好氧生物膜與厭氧生物膜之間失去平衡，致使好氧性生物膜的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，生物膜則呈現(xiàn)老化脫落。故生物膜不宜太厚或太薄，一般以0.5mm～1.5mm為佳。此階段中，出水懸浮物濃度增高，直接影響出水水質(zhì)；底物降解過程受到影響，其結(jié)果是底物去除率降低。在運(yùn)行生物膜反應(yīng)器時(shí)應(yīng)該盡量避免生物膜同時(shí)大量脫落。1—適應(yīng)期；2—對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；3—穩(wěn)定期；4—衰亡期細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線

多種物質(zhì)的傳遞過程：

微生物代謝產(chǎn)物

空氣

流動(dòng)水層附著水層生物膜微生物呼吸

污染物流動(dòng)水層附著水層生物膜生物降解

生物膜附著水層流動(dòng)水層

CO2

、H2S、NH3流動(dòng)水層溢入空氣中第三節(jié)硝化反應(yīng)生物過濾裝置硝化反應(yīng)生物濾池的種類：浸沒式(submerged)滴流式（trickling）生物轉(zhuǎn)筒(biodrums)生物轉(zhuǎn)盤(biodisk)流化床(fluidizedbeds)念珠式(beadfilters)過濾器等。浸沒式生物濾池（Submergedbiofilter）

生物接觸氧化法實(shí)質(zhì)上是生物膜法與活性污泥法的混合型式，國(guó)外又稱為浸沒式生物濾池法。濾料：砂粒、陶粒、聚乙烯等,片狀網(wǎng)纖濾料較理想

特點(diǎn)：濾料完全浸沒在水中，生物膜所需的氧氣由水流帶入。分為向下流動(dòng)式和向上流動(dòng)式兩種。前者水自上而下過濾，底部出水；后者則自下而上過濾，池頂溢水。能量消耗：能量的應(yīng)用取決于需把水抽入容器的高度；反沖洗的能量消耗

浸沒式生物濾池構(gòu)造滴流式生物濾池（TricklingFilters）進(jìn)出水：

過濾器頂部為進(jìn)水口，采用噴淋管設(shè)計(jì)，使所有填料都能均勻接觸到向下通過的水流，經(jīng)過硝化降解后的水體由底部出水口流出。采用底部供氣方式，頂部設(shè)有排氣口：由于熱氣流上升冷氣流下沉，使過濾器內(nèi)部形成一個(gè)氣流循環(huán)，并且與噴淋的水流形成反向切割，進(jìn)一步加速了水體溶氧的速度，為硝化反應(yīng)提供了高氧環(huán)境。生物填料被空氣和水交替接觸：有利于寄生在填料表面的好氧性硝化菌更好地利用空氣中的氧氣，加速硝化反應(yīng)，減少電力供氧的能耗。過濾器外形：圓形和矩形兩種；容器材料分為玻璃鋼和防腐金屬等；設(shè)備使用分為：串聯(lián)和并聯(lián)兩種。

滴流式生物濾池生物轉(zhuǎn)盤（Biodisk）60年代起源于德國(guó)，我國(guó)70年代引進(jìn)，能耗低，效果好,目前我國(guó)在養(yǎng)殖中應(yīng)用較少。生物轉(zhuǎn)盤的構(gòu)造特點(diǎn)構(gòu)造：盤片、接觸反應(yīng)槽、轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動(dòng)裝置4部分組成一、盤片：盤片的形狀：

外緣：圓形、多角形等；盤面：平板、凹凸板、波形板、蜂窩板、網(wǎng)狀板等各種組合。盤片的厚度與材質(zhì)：要求質(zhì)輕、薄、強(qiáng)度高，耐腐蝕，易于加工、價(jià)格低等；一般厚度為0.5~1.0cm；常用材料：聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯以及玻璃鋼等。轉(zhuǎn)盤的直徑：一般直徑為2.0、2.5、3.0、3.5m等，常用的是3.0m。盤片間的間距：一般為30mm，高密度型則為10~15mm。2.接觸反應(yīng)槽用鋼板或鋼筋混凝土制成，橫斷面呈半圓形或梯形；槽內(nèi)水位一般達(dá)到轉(zhuǎn)盤直徑的40%，超高為20~30cm；轉(zhuǎn)盤外緣與槽壁之間的間距一般為20~40cm。3.驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)方式——電力，空氣，水力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速——0.8-3.0r/min，外緣線速度15-18m/min水質(zhì)凈化原理廢水處于半靜止?fàn)顟B(tài)，微生物附著在轉(zhuǎn)動(dòng)的盤面上1.當(dāng)轉(zhuǎn)盤浸沒水中時(shí)，有機(jī)物被生物膜吸附；2.當(dāng)轉(zhuǎn)盤離開水面時(shí)，固著水層從空氣中吸收氧，固著水層氧過飽和，轉(zhuǎn)移到生物膜和污水中；3.圓盤的攪動(dòng)也使大氣中的O2進(jìn)入水中（O2有兩部分來源）；4.盤上的“生物膜”與“水”及“空氣”交替接觸，水質(zhì)得到凈化。

生物轉(zhuǎn)筒（Biodrums）

生物轉(zhuǎn)筒是生物轉(zhuǎn)盤的變型，是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的。丹麥研制了單轉(zhuǎn)筒型，德國(guó)則發(fā)展了多轉(zhuǎn)筒型，轉(zhuǎn)筒內(nèi)的填料有塑料球、塑料環(huán)和波紋盤片等。有些生物轉(zhuǎn)筒外還設(shè)有集氣裝置以增加水中溶氧量。生物轉(zhuǎn)筒形式：（1）外殼為硬聚乙烯塑料，內(nèi)裝聚氯乙烯波紋圓盤片，轉(zhuǎn)筒由16只小轉(zhuǎn)筒組成；（2）外殼為鋼制，筒內(nèi)固定硬聚乙烯多邊形波紋盤面；（3）筒體四周裝有小容器，當(dāng)轉(zhuǎn)筒向上轉(zhuǎn)時(shí)，小容器內(nèi)盛滿了水，向下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水被灑在塑料球上，空容器內(nèi)充滿空氣進(jìn)入水中，凈化水的體積為生物轉(zhuǎn)筒體積的15～25倍。

生物轉(zhuǎn)筒的速度：

一方面是為避免細(xì)菌在水中浸泡的時(shí)間太長(zhǎng)而導(dǎo)致缺氧，另一方面也是為了避免細(xì)菌在空氣中待的時(shí)間太長(zhǎng)而干死。

研究表明在低氨和亞硝酸鹽條件下，養(yǎng)殖用硝化生物濾池作用效果的限制因素往往是氨或亞硝酸鹽（勝過氧氣）。生物轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)氨或亞硝酸鹽的濃度來定。

生物轉(zhuǎn)筒模型圖

流化床是以砂、活性炭、焦炭一類的較小的惰性顆粒為載體充填在床內(nèi)，載體表面被覆著生物膜，污水以一定流速?gòu)南孪蛏狭鲃?dòng)，使載體處于流化狀態(tài)。生物流化床工作原理生物流化床示意圖流化過程的三個(gè)階段

1.固定床階段當(dāng)液體以很小的速度流經(jīng)床層時(shí)，固體顆粒處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)，床層高度也基本維持不變，這時(shí)的床層稱固定床。在這一階段，液體通過床層的壓差A(yù)p隨空塔速度v的上升而增加，呈冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)液體流速增大到壓差A(yù)p約等于單位面積床層重量時(shí)，固體顆粒間的相對(duì)位置略有變化，床層開始膨脹，固體顆粒仍保持接觸但不流態(tài)化。2.流化床階段當(dāng)液體流速大于b點(diǎn)流速，顆粒被液體托起而呈懸浮狀態(tài)，此時(shí)由顆粒所形成的床層完全處于流化狀態(tài)，這類床層稱流化床。在此階段，流化層的高度h是隨流速上升而增大，床層壓差△p則基本上不隨流速改變，bc段所示。b點(diǎn)的流速Vmin是達(dá)到流態(tài)化的起始速度，稱臨界流化速度。

臨界速度值隨顆粒的大小、密度和液體的物理性質(zhì)而異。3.液體輸送階段當(dāng)液體流速超過c點(diǎn)后，床層上部的界面消失，載體隨液體從流化床帶出，此階段稱液體輸送階段。

在水處理工藝中，這種床稱“移動(dòng)床”或“流動(dòng)床”。c點(diǎn)的流速Umax稱顆粒帶出速度或最大流化速度。

流化床的操作應(yīng)控制流體的流速介于臨界流化速度Vmin與最大流化速度Vmax之間。

載體床中的流體速度與載體間的孔隙率密切相關(guān)，二者之間的關(guān)系確定了膨脹的行為，這也是流化床工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。流化床的類型

根據(jù)生物流化床的供氧、脫膜和床體結(jié)構(gòu)的不同，好氧生物流化床主要有兩種類型兩相生物流化床三相生物流化床1、兩相生物流化床亮相生物流化床工藝流程圖兩相生物流化床工藝流程圖2、三相生物流化床三相生物流化床工藝流程圖

三相流化床設(shè)備較簡(jiǎn)單，操作亦較容易，此外，能耗也較二相流化床低。

三相生物流化床是氣、液、固三相直接在流化床體內(nèi)進(jìn)行生化反應(yīng)，不另設(shè)充氧設(shè)備和脫膜設(shè)備，載體表面的生物膜依靠氣體的攪動(dòng)作用，使顆粒之間劇烈摩擦而脫落。

三相生物流化床的設(shè)計(jì)應(yīng)注意防止氣泡在床內(nèi)合并成大氣泡而影響充氧效率。充氧方式減壓釋放空氣充氧射流曝氣充氧生物流化床的優(yōu)缺點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：1、容積負(fù)荷高，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)濾料顆粒小，比表面積大，單位床體的生物量很高（10～14g/L）2、微生物活性強(qiáng)

由于生物顆粒在床體內(nèi)不斷相互碰撞和摩擦，其生物膜厚度較薄且較均勻。據(jù)研究，對(duì)于同類廢水，在相同處理?xiàng)l件下，其生物膜的呼吸率約為活性污泥的兩倍。3、傳質(zhì)效果好由于載體顆粒在床體內(nèi)處于劇烈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，氣-固-液界面不斷更新，有利于微生物對(duì)污染物的吸附和降解，加快了生化反應(yīng)速率。4、對(duì)充氣設(shè)備要求不高。由于曝氣同時(shí)攪拌，空氣利用率及動(dòng)力效率高，對(duì)充氣設(shè)備要求不高。缺點(diǎn)：設(shè)備磨損及生產(chǎn)放大的問題，防堵塞、曝氣方法、進(jìn)水配水系統(tǒng)的選用和生物顆粒流失等。濾料的問題：砂質(zhì)載體雖耐磨但比重大，不易流化；顆?；钚蕴縿t不耐磨。比重略大于水而又耐磨的粒狀（即體積?。┹d體。生物流化床工作性能的提高，關(guān)鍵在于載體的革新。微珠生物濾器（Beadfilters）

微珠生物濾器與生物流化床外形十分相似。主要區(qū)別在于微珠生物濾器的濾材是比水輕的塑料顆粒。顆粒大小不一，但一般直徑都在幾毫米以下。微小的濾材顆粒使得比表面積較大。因此這類過濾器體積較小。水從底端流入頂端流出。過濾器上下端都安裝多孔板。頂部的多孔板用來?yè)踝〗橘|(zhì)，而底端多孔板允許下面的水流過并在反沖洗或水流有間斷時(shí)防止介質(zhì)下漏。微珠生物濾器相對(duì)來說是比較新的產(chǎn)品，優(yōu)勢(shì)在于它是生物學(xué)與機(jī)械工程技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)品。采用比表面積很大體積較小的濾材，比其它硝化生物濾池小巧。微珠生物濾器模型圖

第三節(jié)影響生物過濾的因素物理因素一、溫度一般，水溫越高，過濾器的氨氮轉(zhuǎn)化速度越快。但如果水溫在一定范圍內(nèi)緩慢變化，氨氮轉(zhuǎn)化菌對(duì)溫度有一定的調(diào)節(jié)適應(yīng)能力，對(duì)生物濾器的效率影響不大。當(dāng)生物過濾器在20℃

~27℃水溫下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，其氨氮去除率沒有明顯差異。如果水溫突然大幅度下降，則細(xì)菌的生長(zhǎng)會(huì)受到很大抑制，效率將大為下降；如果水溫突然上升較多，過濾器的工作效率也不會(huì)很快提高。研究表明，如果時(shí)間充足，硝化細(xì)菌所能適應(yīng)的溫度范圍很大。溫度在7℃到35℃之間，氨的去除率及硝酸鹽的生成率與溫度呈線性關(guān)系。在養(yǎng)殖水體的硝化生物濾池中，硝化細(xì)菌適應(yīng)溫度的范圍有所減小。AMR=140+8.5TNRTP=63+9.9T

其中：

AMR—氨去除率（每天每升水NH4+-N的去除量（mg）；

NRTP—硝酸鹽的生成率（每天每升水NO3-N的生成量（mg）；

T—溫度（℃）HangandMcCarty（1972）給出了在浸沒式生物濾池中氨的去除率與氨氮濃度和溫度之間的關(guān)系。

ACR＝（0.11T－0.2）(S/10)

其中：ACR—氨的消耗速率（mg/L/min）

S—氨的濃度（mg/L）

T—水溫（℃）

二、雷諾數(shù)（Reynolds）和RBC轉(zhuǎn)動(dòng)速度

雷諾數(shù)Re，是表征流體流動(dòng)特性的一個(gè)重要參數(shù)。

流體流動(dòng)時(shí)的慣性力和粘性力之比稱為雷諾數(shù)。用符號(hào)Re表示。是一個(gè)無量綱量。硝化生物濾池模型設(shè)計(jì)需要給出準(zhǔn)確的雷諾數(shù)。

Re＝ρvL／μρ、μ為流體密度和粘度；v、L為流場(chǎng)的特征速度和特征長(zhǎng)度。外流問題，v、L一般取遠(yuǎn)前方來流速度和物體主要尺寸(如機(jī)翼弦長(zhǎng)或圓球直徑)；內(nèi)流問題，則取通道內(nèi)平均流速和通道直徑。三、空隙率和比表面積孔隙率：材料體積內(nèi)孔隙體積占材料總體積的百分率。在生物過濾器中，孔隙率是指濾層中的空隙體積與濾層總體積之比?？紫堵逝c濾料的粒徑和不均勻度有關(guān)，粒徑越小或不均勻度越大，孔隙率越小。濾層的孔隙率太大，過濾裝置的截污能力變差，孔隙率太小則濾層的水流阻力增大。比表面積：?jiǎn)挝蝗莘e濾材的表面積（m2/m3)。比表面積通常與濾材的類型有關(guān)。比表面積越大，單位容積內(nèi)所能附著的生物膜面積越大，濾材表面生長(zhǎng)的細(xì)菌就越多，單位容積內(nèi)氨氮的去除率就越高。

濾材顆粒大小，空隙率與比表面積三者相互關(guān)聯(lián)：濾材尺寸越小，通常比表面積越大，而空隙率越小，水頭損失越大，負(fù)荷率越低，氨氮去除率越高，越容易堵塞。四、濾材類型與尺寸

濾材是一種固體物質(zhì)，在濾器中為細(xì)菌的生長(zhǎng)提供附著空間。濾材的種類：石英砂、陶粒、活性炭、塑料等有幾百種。對(duì)濾料的基本要求：（1）比表面積要大；（2）孔隙率要高；（3）材質(zhì)輕而強(qiáng)度高；（4）物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)微生物的增殖無危害作用；（5）價(jià)廉，取材方便。

濾料形狀塊狀板狀纖維狀天然塊狀人工塊狀碎石、礦渣、碎磚、焦碳等陶瓷環(huán)等塑料板等軟性塑料填料等砂粒和石子：

比表面積:65~100m2/m3;孔隙率:45%~50%左右;粒徑:3~8cm左右。塑料濾料：

比表面積可達(dá)100～200m2/m3:孔隙率:80～95%;通氣性好，布水均勻時(shí)可承受高負(fù)荷。

生物流化床：相對(duì)較小、較重的過濾介質(zhì)，較大的比表面積，并且防止被沖跑。石英砂適合流化床。生物轉(zhuǎn)筒和生物轉(zhuǎn)盤：濾材重量輕，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮軸承的承載和使用壽命。一般使用塑料環(huán)、塑料球及其它比重較小的濾材。聚乙烯蜂窩填料半軟性填料彈性立體填料YHT型彈性生物填料軟性、復(fù)合填料漂浮填料巖頁(yè)陶粒三維立體網(wǎng)狀填料五、水力負(fù)荷（HydroulicandMassLoading）定義：?jiǎn)挝惑w積或單位面積濾料每天可處理的廢水量。單位：m3/m3·day或m3/m2·day。是生物濾池等設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要參數(shù)。在浸沒式、滴流式過濾器中，是指單位時(shí)間內(nèi)流過過濾器頂端單位表面積的水量。對(duì)硝化生物濾池水流載量有最小和最大量，最小載量必須保證能保持濾材的濕潤(rùn)。生物轉(zhuǎn)筒或生物轉(zhuǎn)盤：水流載量通常指通過濾器單位介質(zhì)表面積的水流量。滴流式生物濾池：

濾材必須保持濕潤(rùn)以使細(xì)菌可以存活。浸沒式過濾器：

對(duì)最低流量的要求是其氧氣的供應(yīng)必須滿足生物濾池的要求。生物轉(zhuǎn)盤和生物轉(zhuǎn)筒：

最低水流量須保證所提供的營(yíng)養(yǎng)及水份能保持硝化細(xì)菌的生存和濕潤(rùn)。影響生物濾池水流量的因素：生物濾池類型、濾材大小、材料等因素有關(guān)，而生物濾池類型對(duì)水流大小影響最為顯著。生物轉(zhuǎn)盤和生物轉(zhuǎn)筒中，硝化細(xì)菌是否會(huì)被沖掉與水流流量和軸的轉(zhuǎn)速都有關(guān)系。KaiserandWheaton研究發(fā)現(xiàn)水流速快且氨含量小時(shí)，其氨的去除率高。在對(duì)滴流式生物濾池的研究中有類似的發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為COD的去除效率與COD的濃度無關(guān)。

六、生物濾池的深度

足夠的深度以保證氨被亞硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，然后被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化成硝酸鹽。生物濾池完成這些轉(zhuǎn)變需要一定的深度。深度對(duì)浸沒式和滴流式生物濾池非常重要；而生物轉(zhuǎn)盤和生物轉(zhuǎn)筒的浸沒深度則比較重要。生物轉(zhuǎn)盤和生物轉(zhuǎn)筒浸入水中的深度為圓盤直徑40％。影響浸沒式生物濾池深度的因素：浸沒式生物濾池的深度與濾材尺寸，水壓和氨的載運(yùn)率，雷諾數(shù)等因素有關(guān)。以砂粒為濾材的生物濾池只需幾厘米水深；以8厘米的塑料環(huán)為介質(zhì)的滴流式生物濾池則需4-5m深度。因此，沒有一個(gè)固定的最適深度。設(shè)計(jì)時(shí)須區(qū)別對(duì)待。除特別好的濾材如砂子，多數(shù)過濾器最小深度為1米。七、反應(yīng)階段的影響對(duì)生物轉(zhuǎn)盤的研究發(fā)現(xiàn)，采用數(shù)個(gè)小的生物轉(zhuǎn)盤，串聯(lián)在一起，在相同容積情況下，比用一個(gè)大的生物轉(zhuǎn)盤效果要好，主要因?yàn)檫@樣水流可以被更好地混合均勻，同時(shí)，也可以讓不同的細(xì)菌在不同的反應(yīng)階段生長(zhǎng)，可以更好地處理水質(zhì)。八、生物濾池橫截面積生物濾池橫截面積指生物濾池頂部的面積，這部分空間是生物濾池設(shè)計(jì)過程中的最后一個(gè)參數(shù)。生物濾池的橫截面積部分決定了設(shè)計(jì)水力負(fù)荷率。對(duì)轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)筒式過濾器意義不大。九、界面水層厚度界面水層厚度是指生物膜表面濁而不動(dòng)的水層厚度。這一厚度與流過濾材的水流速度、水的粘度及溫度有關(guān)。Hochheimer在模型研究中發(fā)現(xiàn)，界面水層厚度為1.0－100微米。十、光照硝化生物濾池比較適合于在黑暗環(huán)境中運(yùn)行。光照強(qiáng)度高于陽(yáng)光強(qiáng)度的1%會(huì)抑制硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)。光照能氧化亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌內(nèi)的細(xì)胞色素C。硝化細(xì)菌比亞硝化細(xì)菌對(duì)光照更敏感。對(duì)硝化細(xì)菌而言，完全黑暗的環(huán)境比白天的強(qiáng)光照射更合適。影響生物濾池的化學(xué)因素一、pH硝化生物濾池，pH值最佳范圍是6—9。特殊生物濾池的pH值適用范圍更窄。細(xì)菌逐漸適應(yīng)的話，其pH范圍可以從5—10。

pH值低于6時(shí)硝化過程有明顯的下降趨勢(shì)，pH值達(dá)到5時(shí)完全停止。因此，pH值水平應(yīng)保持在6以上。由于NH3的含量會(huì)隨pH值的升高而升高，為減少氨氣對(duì)養(yǎng)殖魚類的有害影響，在硝化細(xì)菌生長(zhǎng)良好的情況下pH值應(yīng)盡量保持在較低的水平。若pH值變化迅速，幾分鐘內(nèi)變化超過0.5－1個(gè)單位，會(huì)大大降低細(xì)菌的過濾效果。適應(yīng)速度取決于：溫度、PH值的變化大小以及氨的濃度。二、堿度在NH4+向硝酸鹽的轉(zhuǎn)化過程中需要消耗一定的堿。重碳酸鹽（小蘇打）對(duì)硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)是非常關(guān)鍵的。實(shí)際上，碳酸鹽和重碳酸鹽形式的堿對(duì)硝化菌來說是一種營(yíng)養(yǎng)元素。由于在硝化過程中產(chǎn)生了酸性物，堿有助于保持pH值的穩(wěn)定性。堿度至少要保持在1.5meq/L（mmol/L）才能確保它的最大硝化率。三、氧氣氧氣供應(yīng)不足時(shí)硝化反應(yīng)速率就會(huì)下降。影響氧氣含量的因素：水流溫度、有機(jī)物濃度以及細(xì)菌生物量。硝化過程是由有機(jī)物到氨到亞硝酸鹽再到硝酸鹽，污水本身含有高濃度的異養(yǎng)生物，氧氣首先被異養(yǎng)細(xì)菌利用，然后才是亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌，在氧氣只由水流來提供的濾器中，亞硝化菌和硝化細(xì)菌經(jīng)常處于缺氧狀態(tài)。生活污水，要求氧氣含量在1mg/L以上。對(duì)于養(yǎng)殖水硝化生物濾池要求最低氧氣含量是2mg/L。養(yǎng)殖生物濾池，氨或亞硝酸鹽不足比氧氣不足更為重要。四、氨/亞硝酸鹽濃度事實(shí)證明過高濃度的氨與亞硝酸鹽對(duì)硝化生物濾池的運(yùn)作有害，亞硝酸和非離子氨（NH3）是限制元素。非離子氨對(duì)亞硝化細(xì)菌（Nitrosomonas）的有害濃度為：

（10－150mg/L）；對(duì)硝化細(xì)菌（Nitrobalter）的有害濃度（0.1-1.0mg/L）。亞硝酸的限制濃度為：0.22－2.8mg/L之間。研究表明，溫度以及硝化細(xì)菌數(shù)量都影響到硝化細(xì)菌對(duì)非離子氨或亞硝酸的承受能力。與城市污水過濾器相比，養(yǎng)殖水生物濾池中氨和亞硝酸鹽的含量很低。經(jīng)常低得足以限制過濾器的硝化過程。因此，養(yǎng)殖水體中的硝化過程中，氨和/或亞硝酸鹽往往比氧氣更能起到限制作用。五、固體顆粒和溶解有機(jī)物固體顆粒的影響對(duì)硝化生物濾池影響：阻塞通道；提供細(xì)菌附著的空間；增加有機(jī)物。有機(jī)顆粒還能為異養(yǎng)細(xì)菌提供營(yíng)養(yǎng)素促使其與硝化細(xì)菌爭(zhēng)奪生長(zhǎng)空間。所以，生物濾器不但要有硝化作用還必須有處理有機(jī)物的能力。溶解有機(jī)物的影響

氨的去除率受有機(jī)物含量的影響，當(dāng)有機(jī)物含量升高時(shí)氨的去除率就低。當(dāng)BOD5/TKN比率為0.25時(shí)，硝化速率達(dá)到最大，而比率升高硝化速率下降。Antonie(1976)在研究RBC與生化需氧量（BOD）關(guān)系的后期階段發(fā)現(xiàn)，當(dāng)BOD5過高時(shí)，異養(yǎng)細(xì)菌快速繁殖，硝化細(xì)菌無法與之抗衡，而將通過種群動(dòng)力的方式變?nèi)?。六、鹽度

生物過濾器幾乎可以在任何鹽度條件下工作，從淡水到鹽度為40之間。淡水硝化細(xì)菌在海水條件下會(huì)受到嚴(yán)重影響。在幾分鐘內(nèi)鹽度的變化若超過5，會(huì)嚴(yán)重降低硝化速度，鹽度的突變會(huì)使硝化細(xì)菌受到打擊并降低硝化速率，穩(wěn)定的鹽度是保證硝化速率最大的前提。研究表明，硝化細(xì)菌從淡水轉(zhuǎn)移到海水中時(shí)，硝化細(xì)菌的特定生長(zhǎng)速度從0.04每小時(shí)減弱到0.0028每小時(shí)。七、氣體擴(kuò)散速度生物過濾器的濾材表面附著一層生物膜。而細(xì)菌就生長(zhǎng)在其中，因此氧氣、氨以及亞硝酸鹽必須能滲透進(jìn)去，亞硝酸鹽、硝酸鹽和碳氧化物還必須能穿出這層薄膜。在生物膜外面還有一層附著水層，也是這些元素必須穿越的。因此更增加了氣體擴(kuò)散的難度。在一定情況下，氣體擴(kuò)散也就成了限制硝化速率的因素。氧氣和氨在生物膜和界面水層擴(kuò)散速率隨溫度升高而升高。八、其它化學(xué)無機(jī)物的影響無機(jī)鹽等化學(xué)物質(zhì)對(duì)硝化過程影響的報(bào)道非常模糊、籠統(tǒng)，甚至互相矛盾，但公認(rèn)影響確實(shí)存在。有報(bào)道，高濃度的鈣對(duì)亞硝化細(xì)菌（Nitrosomonas）的新陳代謝是必不可少的，而高含量的鎂對(duì)硝化細(xì)菌（Nitrobacter）同樣必不可少。對(duì)硝化過程起積極作用的元素：磷酸鹽、Mg、Mn、Fe、Ca、Na。起消極作用的元素：Ca(濃度超過0.5mg/L)、鉻、鎳，以及有機(jī)化合物包括維生素、氨基酸及其它元素。養(yǎng)殖水處理系統(tǒng)中像福爾馬林（甲醛溶液），CuSO4溶液，KMnO4溶液，以及NaCl溶液對(duì)硝化過程沒有影響。九、生物量密度生物量密度指單位體積生物膜內(nèi)所含細(xì)菌細(xì)胞的數(shù)量。影響生物量密度的因素：

營(yíng)養(yǎng)利用率、水流速度、細(xì)胞性質(zhì)等。同一個(gè)過濾器中不同的位置其生物量密度各不相同，不同的過濾器之間的生物量密度差距更大。

十、細(xì)胞產(chǎn)量定義：平均每單位數(shù)量的氨轉(zhuǎn)化成硝酸鹽所產(chǎn)生的細(xì)胞量。每克氨被氧化成硝酸鹽產(chǎn)生0.17克的細(xì)胞。生長(zhǎng)速度慢，硝化濾池不易阻塞，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，過濾器作用效果緩慢；生長(zhǎng)速度快作用效果好，濾器易堵塞?？偨Y(jié)綜上所述，氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽進(jìn)而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。硝化過程復(fù)雜、影響因素眾多，在對(duì)硝化濾池進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)將所有因素都考慮進(jìn)去非常困難。如何才能把所有的因素都考慮周到并設(shè)計(jì)出有效的合理的硝化生物濾池，最有效的方法就是利用數(shù)學(xué)模型。對(duì)復(fù)雜的硝化過程及生物濾池的運(yùn)作性能等進(jìn)行量化。數(shù)學(xué)模型的建立需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于消化過程復(fù)雜、影響因素眾多，許多數(shù)據(jù)很難獲得或不十分準(zhǔn)確，對(duì)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。模型存在不足，有待進(jìn)一步研究。第八章硝化反應(yīng)生物濾池的設(shè)計(jì)

氨氮是魚類排泄物中的一個(gè)重要成分，它對(duì)魚的毒性很大。一般魚類養(yǎng)殖水體中要求總氨氮量不高于1

mg／L，或非離子態(tài)氨小于0．02mg／L。生物過濾器主要用于去除氨氮，是循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要裝置，其主要功能是通過細(xì)菌的作用，將氨氮轉(zhuǎn)化為一般不具毒性的硝態(tài)氮。同時(shí)也有分解有機(jī)物的作用。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)生物濾池的設(shè)計(jì)還沒有非常嚴(yán)格科學(xué)的方法，因?yàn)樗w中的氨氮濃度常常低于1mg/L。本章節(jié)主要講述硝化反應(yīng)生物濾池的一般設(shè)計(jì)步驟以及設(shè)計(jì)中常遇到的一些問題。第一節(jié)生物過濾裝置的設(shè)計(jì)水處理的生物過濾器主要分為兩大類：有機(jī)物硝化菌類和氨氮轉(zhuǎn)化菌類。按細(xì)菌生長(zhǎng)的形式，生物過濾器又可分為：

懸浮生長(zhǎng)式與固定膜式兩類。養(yǎng)殖系統(tǒng)中常用的是固定膜式氨氮轉(zhuǎn)化菌類過濾器。特點(diǎn):氨氮轉(zhuǎn)化菌群依附在某種固體表面上生長(zhǎng)，氨氮通過擴(kuò)散的方式傳遞到固定生物膜內(nèi)并被轉(zhuǎn)化掉。因此，可以通過對(duì)固定膜面積的估算，對(duì)生物過濾器進(jìn)行設(shè)計(jì)與評(píng)估。設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)生物過濾器的設(shè)計(jì)涉及到與魚類和硝化菌的代謝有關(guān)的物理、生物化學(xué)參數(shù)，其設(shè)計(jì)目的是使所設(shè)計(jì)的過濾器有足夠的硝化菌量來去除魚類排泄的氨氮，維持養(yǎng)殖系統(tǒng)中的氨氮濃度在預(yù)定范圍以內(nèi)，確保魚類的安全與有效生長(zhǎng)。氨氮是魚類生物代謝活動(dòng)的產(chǎn)物。氨氮的轉(zhuǎn)化去除則是硝化菌生命活動(dòng)的結(jié)果。確定氨氮排泄量與生物過濾器的氨氮去除率是設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)，因?yàn)檫@兩個(gè)生物過程受到許多因素的影響。不同的養(yǎng)殖品種、餌料和生物濾池類型差別很大。設(shè)計(jì)步驟Ⅰ.確定污染物的數(shù)量Ⅱ.確定魚類耐受水平：氨氮；亞硝酸鹽；硝酸鹽；固體顆粒Ⅲ.計(jì)算魚類的氧氣消耗量Ⅳ.計(jì)算系統(tǒng)的承載能力Ⅴ.計(jì)算系統(tǒng)的水流量Ⅵ.計(jì)算一次循環(huán)的氨氮濃度Ⅶ.計(jì)算循環(huán)利用時(shí)的氨氮濃度變化系數(shù)Ⅷ.計(jì)算生物濾池的氨氮去除率Ⅸ.確定生物濾池的總的氨氮負(fù)荷Ⅹ.計(jì)算生物濾池的水力停留時(shí)間Ⅺ.確定過濾裝置的容量特別是比表面積Ⅻ.確定裝置的尺寸城市污水處理系統(tǒng)的生物濾池的設(shè)計(jì)方法很多，但養(yǎng)殖污水與城市污水的處理差別很大，城市污水氨的濃度一般在10mg/L以上，而魚類養(yǎng)殖氨的濃度一般在1mg/L。

設(shè)計(jì)參數(shù)①魚類代謝參數(shù)：代謝參數(shù)是養(yǎng)殖生物濾器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。鮭鱒魚新陳代謝過程方程。

NA=0.0289F[8-1]NN=0.024F[8-2]P=0.0162F[8-3]SS=0.52F[8-4]BOD=0.60F[8-5]COD=1.89F[8-6]式中：NA——氨的生成率（kgNH4-N/100kg魚?天）

NN——硝酸鹽的生成率（kgNO3-N/100kg魚?天）

P——磷酸鹽的生成率（kgPO4-P/100kg魚?天）

SS——固體懸浮物生成率（kgSS/100kg魚?天）

BOD——BOD生成率（kgBOD/100kg魚?天）

COD——COD生成率（kgCOD/100kg魚?天）

F——投餌率（kg餌料/100kg魚?天）以上方程是在水溫10～15℃，放養(yǎng)密度為28.4kg/m3的養(yǎng)殖系統(tǒng)得出的結(jié)果。②魚的耗氧量：耗氧量是生物濾器設(shè)計(jì)第二個(gè)必須了解的參數(shù)，鱒魚耗氧率的計(jì)算方程如下：Oc=K2TaWb

[8-7]

式中：Oc——耗氧率（lbO2/100lb魚?天）

K2——速度常數(shù)

T——溫度（℉）

a、b——斜率

W——每條魚的體重（lb）表8.1耗氧率計(jì)算中常數(shù)魚類T溫度（℉）K2ab鮭魚≤50>507.2×10-74.9×10-53.2002.120-0.194-0.194鱒魚≤50>501.90×10-63.05×10-43.1301.855-0.138-0.138注：表中的常數(shù)是按照公式8-7中重量單位為磅表示的(1lb=0.45359kg)攝氏溫度=（華氏溫度-32）×5/9③系統(tǒng)負(fù)載能力Lc（養(yǎng)殖容量）式中：

Lc——系統(tǒng)負(fù)載（kg魚/L/min）

Ce——要求的溶解氧濃度（mg/L）

Cm——養(yǎng)殖池中容許的最低溶解氧濃度（mg/L）

Oc——耗氧率（kgO2/100kg魚/min）Lc=④總水流量：

式中：

W——養(yǎng)殖系統(tǒng)魚的總?cè)菁{量(kg)

Lc——系統(tǒng)負(fù)載（kg魚/L/min）Q=

式中：

Cz——系統(tǒng)允許氨氮的濃度（mg/L）

Ci——氨氮的初始濃度（mg/L）⑤氨濃度系數(shù)C的計(jì)算：⑥生物過濾器的氨氮去除效率：

式中：R——水循環(huán)率

C——系統(tǒng)進(jìn)出口氨氮濃度的比值

E——生物濾池的硝化效率⑦硝化效率與水力停留時(shí)間的關(guān)系：

E=(9.8T-21.7)tm

式中：tm——水力停留時(shí)間（h）

T——水溫（℃）

E——生物濾池的硝化效率⑧生物濾池的容積Vm:式中：Q——流量

tm——水力停留時(shí)間

ε——濾材的孔隙率⑨濾材的總表面積As：

As=（Vm）（Au）

式中：

Au為濾材的比表面積（m2/m3）可以通過數(shù)據(jù)直接進(jìn)行計(jì)算，但在實(shí)踐中很少有充足的數(shù)據(jù)。在某些情況下，數(shù)據(jù)也許只適應(yīng)某些養(yǎng)殖對(duì)象的某生長(zhǎng)階段，并且不同報(bào)道的數(shù)據(jù)之間可能差異很大。廢物的排泄：與魚的大小，攝食，溫度等因素有關(guān)，廢物的去除：溫度，流速和魚類對(duì)氨的耐受量等數(shù)值的函數(shù)。例如：當(dāng)人們嘗試在一定水體中養(yǎng)一定重量的魚時(shí)，如果個(gè)體是小魚就要充分考慮到魚對(duì)毒性物質(zhì)的耐受作用，還應(yīng)當(dāng)計(jì)算環(huán)境廢物的最大值和養(yǎng)殖魚體最大值，以決定廢物的產(chǎn)量和裝置的凈化率。小結(jié)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)根據(jù)前面的內(nèi)容，每將1g的NH4+氧化成NO3-需要消耗4.18g氧氣和7.14g的碳酸離子（如CaCO3）并生成8.59g碳酸和0.17g細(xì)胞。按照表8.2列出了氨氮硝化生物濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù)參考值進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

表8.2氨氮硝化生物濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù)參考值設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參考值魚的總氨氮產(chǎn)出率魚的非離子態(tài)氨氮濃度最高容許量魚的總氨氮濃度最高容許量生物濾器的氨氮去除率溶氧需要量與總氨氮的比值日投喂率的3%0.025mg/L1.0mg/L0.2~0.6g/(m2?天)4.18～4.57設(shè)計(jì)實(shí)例浸沒式過濾裝置的設(shè)計(jì)例：設(shè)計(jì)一個(gè)生物過濾裝置，適用于養(yǎng)殖10000kg鮭魚，養(yǎng)殖系統(tǒng)為封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，其中90%的水進(jìn)行循環(huán)，每條成品鱒魚平均1kg重（體長(zhǎng)43cm），假設(shè)裝置有最大的效用。系統(tǒng)工作溫度為12℃，濾料采用塑料環(huán)狀，直徑2.5cm，空隙率0.9，比表面積160m2/m3,比重18.5kg/m3，要求系統(tǒng)中溶解氧的濃度達(dá)到10mg/L，排出水的最少氧氣含量5mg/L，允許氨氮濃度為0.75

mg/L。飼料投喂量：每天按魚體重的2%。設(shè)計(jì)步驟如下：1、氨氮產(chǎn)量（NA）

NA=0.0289F

經(jīng)過換算總的NA=0.0289×10000×2%=5.8kg/天2、氨氮的去除率（按簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)）在12℃氨氮的去除率為每天0.60g/m2天3、一次循環(huán)最少需要的反應(yīng)比表面積（SSA）

SSA=5800/0.60=9667m2

（注意用這種方法確定的SSA沒有考慮到循環(huán)效應(yīng)和其他因素的變化影響）4、計(jì)算耗氧量

Oc=K2TaWb

其中，Oc，耗氧率；K2，速率常數(shù)；T，溫度；W，魚體重；a,b,常數(shù)利用已知的數(shù)據(jù)，根據(jù)表8.2。Oc=3.05×10-4（54）1.855（2.2）-0.138=0.478kgO2/100Kg魚天5、系統(tǒng)負(fù)載能力

Lc=0.14(Ce-Cm)/Oc

其中，Lc，系統(tǒng)荷載；Ce，溶解氧濃度；Cm，生物濾池最低溶解氧濃度利用已知數(shù)據(jù)，

Lc=0.14(10-5)/0.478=1.46kgfish/L/min6、總水流量（Q）

Q===6849L/min7、初始氨氮濃度（Ci）

=0.59mg/L8、循環(huán)利用時(shí)的氨氮濃度變化系數(shù)（C）

已知允許氨氮濃度（Cz）為0.75mg/LC=Cz/Ci=0.75/0.59=1.279、生物濾池的效率系數(shù)（E）借用經(jīng)驗(yàn)公式E=(1+C×R-C)/(C×R)=(1+1.27×0.9-1.27)/(1.27×0.9)=0.7610、生物濾池的水力停留時(shí)間tm利用經(jīng)驗(yàn)公式tm=E/(9.8T-21.7)=0.76/(9.8×12-21.7)=0.48min11、生物濾池容積（Vol）

Vol=Q×tm/濾材空隙率

=6849L/min×0.48min/0.9=3653L12、總濾材表面積(SA)SA=3.653m3×160=584m213、計(jì)算生物濾池構(gòu)造假定生物濾池深度2米，長(zhǎng)度1.8米，寬度應(yīng)為1.01米。14、生物濾器需要的氧氣量每天轉(zhuǎn)換5.8kg的氨氮，生物濾池的需氧量為：

O2=(5.8kgammonia/day)(4.18kgO2/kgNH3)=24.24kgO2/day供給生物濾池的氧氣量為：OA=（6849L/min）(10-5)=34.24g/min=49.3kg/day

所以，在6849L/min流量條件下，如果能保證進(jìn)入生物濾池的溶解氧為10mg/L,濾池出水溶解氧為5mg/L，那么每天49.3kg的氧氣供應(yīng)完全能夠滿足每天24.24kg的需要。SSA在第三部分計(jì)算出來是9667m2，是584m2的16倍，產(chǎn)生這么大差異的原因在于前者沒有考慮養(yǎng)殖品種的差異以及水的循環(huán)效應(yīng)和水力停留時(shí)間等的影響，而后者在考慮到這一情況的同時(shí),還考慮到濾池的尺寸等因素。還應(yīng)該注意的是由于計(jì)算中的數(shù)據(jù)大多都是由實(shí)驗(yàn)室得出的，與實(shí)際生產(chǎn)中存在一定的誤差。滴流式過濾裝置的設(shè)計(jì)

滴流式生物過濾裝置有許多型式，并且濾料的種類繁多，傳統(tǒng)的滴流式生物濾池采用碎石做濾料，濾池為圓筒狀，高度低、直徑大。水產(chǎn)養(yǎng)殖生物濾池主要采用圓筒狀，高度大于直徑，濾料采用比重較小的塑料材質(zhì)，可采用隨意堆積和固定兩種方式。一、設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象參數(shù)和上面浸沒式過濾裝置相同，在對(duì)滴流式生物濾池的設(shè)計(jì)作如下假設(shè)：1．每周進(jìn)行100%的水循環(huán)2．鮭魚在實(shí)驗(yàn)前后的長(zhǎng)度和體長(zhǎng)是不變的3．實(shí)驗(yàn)溫度保持在12℃不變4．魚每天投喂飼料重量相當(dāng)于它體重的2%5．最大的飼養(yǎng)密度是50kg/m3

，最大系統(tǒng)荷載為15000kgfishperm3/S6.生物濾材：塑料環(huán)，直徑2.5cm；空隙率，0.92；比表面積，220m2/m3水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)DO＞5pH6.5-8.0堿度10-400mg/L溫度10-15.6oCNH3-N0.0103mg/LNO2-N0.03mg/LCO2<10mg/LN2<110總飽和濃度濁度<80mg/L表8.3要求水質(zhì)參數(shù)7.水質(zhì)要求：見表8.3。二、設(shè)計(jì)過程1、水體體積（VW）：VW=10000kgfish/50kg=200m32、總水流量（Q）

Q==0.0667m3/s3、飼料投喂量（Mf）該數(shù)值是由魚體的密度決定的，在魚生長(zhǎng)的早期一般控制在魚體重量的6%或者更高一點(diǎn)，當(dāng)魚即將進(jìn)行銷售時(shí)這個(gè)值可以控制在體重的0.75%到3%，設(shè)計(jì)中這個(gè)值假設(shè)為2%，也就是，

Mf=10000×0.02=200kg/day4、代謝廢物的產(chǎn)量

根據(jù)已知數(shù)據(jù)（每公斤飼料）消耗：0.21kgO2

產(chǎn)生：0.28kgCO20.30kg固體顆粒

0.03kgTAN5.需氧量（Or）在已知需氧量0.21kgO2/kgfeed的基礎(chǔ)上增加20%的安全系數(shù)，為0.25kgO2/kgfeed，

Or=0.25×200=50kgO2/day6.總氨氮的排泄量（TAN）

由于水中的氨分子是有毒的成分，氨分子的濃度受溫度和pH值的影響。假定系統(tǒng)中溫度為12℃保持不變。根據(jù)鮭魚的需要（看水質(zhì)需求而定），如果系統(tǒng)操作在pH值7.5以下進(jìn)行，氨的濃度就要保證不超過0.0103mg/LNH3-N。即使在pH值8.0，NH3-N的濃度在密閉系統(tǒng)中通過生物過濾器后也應(yīng)控制在0.0103mg/L以下。7.系統(tǒng)中氨氮濃度（TANs）

TANs==1.25mg/L

TAN=200kgfeed/day×0.03kgTAN/kgfeed=6kg/day8.生物濾池表面積（AF）已知單位面積的氨氮去除率為0.75g/m2/day,9.生物濾池的容積（VF）10.生物濾池的構(gòu)造生物過濾裝置中由于水力負(fù)荷的不同會(huì)使效率出現(xiàn)較高或較低的值。生物濾池中的最小水力負(fù)荷要保證內(nèi)部裝置的濕潤(rùn)，以防止濾料干燥。最高水力負(fù)荷要保證不會(huì)將濾料沖出過濾器。對(duì)任意裝滿濾料的裝置，可設(shè)計(jì)為最小水力負(fù)荷為30m3/m2/d，最大水力負(fù)荷為225m3/m2/d。在生物濾池的設(shè)計(jì)中，為保證系統(tǒng)的平衡，必須對(duì)濾池的數(shù)量、直徑和高度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并通過“旁路”設(shè)計(jì)來控制水流速度。設(shè)計(jì)水流流速是以旁路為依據(jù)，而不是整個(gè)系統(tǒng)的水流。整個(gè)過濾系統(tǒng)假定有8個(gè)生物濾池，對(duì)于生物濾池大小的推導(dǎo)如下：每個(gè)生物濾池的水流速率(Ff)為：每個(gè)生物濾池的容積（Vu）：

Vu=36.4/8=4.55m3生物濾池的橫截面積（Ac）可以利用最大水力負(fù)荷(225m3/m2/d)計(jì)算：?jiǎn)蝹€(gè)生物濾池的橫截面積最小為3.2m2。假定生物濾池為圓柱形，則圓柱形的直徑（Df）為：Df=2.2m則高度：Hf=1.2m生物濾池的尺寸如下:高度：1.2米直徑：2.2米容積：4.56立方米橫截面積：3.2平方米生物濾池的數(shù)量：8個(gè)

生物轉(zhuǎn)盤（RBC）的設(shè)計(jì)

RBC是通過濾料在廢水中攪動(dòng)來達(dá)到過濾的目的。RBC由光滑或有皺的圓盤組成，并與中軸垂直。圓盤放置于容器的深度約為直徑的40%，當(dāng)圓盤運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，他們會(huì)交替浸入液體或露出與空氣中的氧氣進(jìn)行充分接觸。這種交替的浸沒與浮現(xiàn)可以為吸附的微生物和液體提供換氣的機(jī)會(huì)。國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)RBC系統(tǒng)魚類收獲量最大、魚類存活率最高、餌料轉(zhuǎn)換率最好。同時(shí)RBC提供的硝化作用也最高。建立RBC的理論模型作出如下設(shè)想：1.生物膜形成和脫落之間存在穩(wěn)定的關(guān)系；2.紊流態(tài)可以使分離的有機(jī)物更好的達(dá)到懸浮態(tài)；3.吸附的和分散的有機(jī)物通過底部去除；4.氧和其他營(yíng)養(yǎng)物不受濃度限制；5.生物膜厚度在整個(gè)濾料表面均勻一致。

利用這些簡(jiǎn)化的假設(shè)，RBC即可看作為CSTR(完全轉(zhuǎn)動(dòng)容器反應(yīng)器)。得出RBC（CSTR）平衡式為：

Q(S-SO)+rsAs=0其中，Q——水流量，m3/day；