应用生物脱氮新技术处理循环养殖废水的研究
随着传统集约化水产养殖业的迅速发展，由于养殖过程中投放的饲料所含的氮、磷大约只有9.1%和17.4%被鱼同化，其残剩饲料、鱼类排泄物形成的污染物对周围水体及沉积物等造成的污染正越来越受到政府和民众的关注；同时，养殖环境内的污染对水产养殖业进一步发展的制约作用也在逐渐显现。作为一种既能满足集约化生产需求又不至于污染环境，符合可持续发展观点的水产养殖技术，工厂化循环海水养殖被寄予厚望，采用循环养殖可以降低水产养殖废水排放对环境的潜在影响，并能较大幅度节约占地面积和用水量，同时还具有养殖周期短、产量及产品价格高等优点。而该种养殖方式的核心技术之一就是水处理技术，作为制约水产养殖环境的主要胁迫因子，氨氮污染物的有效去除受到了研究者的广泛关注，但由于传统生物脱氮是一个包括硝化反应和反硝化反应在内的多步骤生物催化反应，受基质传递速率、底物和产物抑制等因素的制约，加之海水盐度效应，脱氮效率低。如果能较好的解决这一技术难题，将极大地促进工厂化循环海水养殖技术的推广应用，实现海水养殖由资源密集型向技术密集型的转变，有力地推动水产养殖业的进一步发展。
由于氨氮的传统去除必须经历硝化反应和反硝化反应两个顺序进行的步骤，加上其对环境条件的要求不同，硝化反应和反硝化反应一般需分开在不同的反应器内进行，因此传统的循环水养殖废水处理工艺，或存在分级硝化反硝化带来的工艺复杂的问题，或省略反硝化而简单通过定时换水的方法以降低系统中硝酸盐的浓度；事实上，这也是目前国内工厂化循环水养殖普遍采用的方法，这不仅会对周围环境造成污染，频繁的换水也增加了运营成本。因此，寻求低价可靠的生物完全脱氮工艺，成为循环水养殖系统中亟待突破的关键技术，近年来迅速发展的生物脱氮新技术为我们解决这一难题提供了新的思路。
1 循环养殖废水脱氮的研究现状
国外在循环水养殖废水处理工艺选择、运行参数及处理效果等方面重点针对系统脱氮进行了大量研究，研制了许多商品化的水产养殖废水处理设备和工艺，可以部分或全部实现养殖水的循环使用。Blancheton等设计一套海水闭合循环养鱼系统，系统由养殖单元、悬浮物去除单元、UV消毒单元和生物过滤器单元组成，生物过滤器主体是载体和自然挂膜的硝化细菌，通过细菌的硝化作用将氨氮氧化成毒性相对较小的硝态氮，从而达到对海水的循环利用。但该系统长时间运行会使系统中硝态氮积累，达到一定浓度时也会对鱼类等养殖对象造成毒害， Sauthier等采用颗粒物质(碎砖等)作为固定化微生物载体，研究固定化脱氮微生物对养殖废水的脱氮速率和影响因子，所建立的系统具有较强的反硝化能力，可以有效降低硝态氮对养殖对象的毒害。Aboutboul等进行了以内部有机物降解产物挥发性脂肪酸(VFA)作为有机碳源的流化床反应器处理海水养殖废水的研究，实现了完全脱氮，并测定了脱氮作用动力学参数以及VFA吸收和硝酸盐还原的化学计量学参数。Menasveta等设计了由循环养殖水槽、硝化作用滤器和脱氮作用滤器组成的斑节对虾封闭循环海水养殖系统。
目前，国内对于循环水养殖系统氨氮污染生物处理技术的研究报道较少，大多数国内有关这方面的报道都是针对国外研究工作的综述性文章，真正开展这方面实际工作的研究报告并不多见。陆斌等采用软性填料床缺氧-好氧生物脱氮(A/O)工艺进行了水产养殖污水的净化与回用的研究；江伟等研究了采用生物转盘工艺处理水产养殖废水氨氮的效果；何洁等进行了采用沙子、活性炭与沸石作为生物滤器载体对牙鲆养殖废水进行处理的研究；马悦欣等提出一种自净式养殖方式，通过在牙鲆养殖系统池底增设生物净化床，使每个养殖池都有净化能力，从而达到净化水质的效果。谭洪新等构建了一种藻皮净化装置作为养殖废水处理系统的组成单元，提高对闭合循环水产养殖系统和水族馆生态系统中氮、磷营养元素的控制能力。与国外在这方面的研究工作相比，我们已经远远落后于国外发达国家，并且由于缺乏经济有效的水产养殖废水处理技术，我国水养殖业正越来越成为河流、湖泊、海洋等水产养殖环境的重要污染源；同时，养殖区域内污染对水产养殖业进一步发展的制约作用也日渐显现。因此，加大对这方面的研究力度，不仅可以净化水域环境，更将对水产养殖业的可持续发展起到积极的推动作用。
2 生物脱氮新技术
传统的脱氮理论认为，把NH4+-N从废水中去除的过程必须通过先硝化而后再反硝化的过程才能实现，而近年来的许多研究表明，硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，基于上述认识，一些脱氮新工艺如同步硝化反硝化和全程自养脱氮等相继被开发出来，它们在脱氮过程中成功地解决了碳源矛盾和碱度平衡等传统硝化反硝化生物脱氮难以解决的问题，极大地推动了高效率生物完全脱氮的发展，同时也为
各行业废水的高效生物脱氮处理技术的开发提供了新的思路和依据。
2.1 同步硝化/反硝化脱氮
传统生物脱氮必须经历先硝化而后再反硝化两个过程，因此生物脱氮过程需要在两个隔离的反应器中进行，或者在时间或空间上能形成交替缺氧和好氧环境的同一反应器中进行。传统的生物脱氮工艺主要有前置反硝化和后置反硝化两种，前置反硝化利用废水中易降解有机物作碳源而实现反硝化，虽然可节约反硝化阶段外加碳源的费用，但是，前置反硝化工艺对氮的去除不够完全，废水和污泥循环比也较高，若想获得较高的氮去除率，则必须加大循环比，能耗相应也会增加。而后置反硝化则有赖于外加快速易降解有机碳源的投入，同时还会产生大量污泥，并且出水中的COD和低水平的DO也影响出水水质。所以传统生物脱氮工艺存在工艺流程长、占地面积大、基建投资高、抗冲击能力弱、需要外加碱度维持系统酸碱平衡等问题。然而，近年来发展的同步硝化/反硝化(SimultaneousNitrification and Denitrification， SND)工艺则能较好的解决上述一些问题，是一种具有广泛应用前景和开发价值的生物脱氮新工艺。
传统观点认为硝化和反硝化反应不能同时发生，而近年来好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现以及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展，奠定了SND生物脱氮的理论基础；最近几年，国内外有不少实验和报道证明有同步硝化和反硝化现象，尤其在有氧条件下同步硝化与反硝化存在不同的生物处理系统中，如流化床反应器、生物转盘、SBR、氧化沟、CAST工艺等。与传统生物理论相比具有很大的优势，它可以在同一反应器内同时进行硝化和反硝化反应，并且具有曝气量减少、降低能耗、无需酸碱中和、缩短反应时间等优点。
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