【干货】如何做好循环水养殖系统中的生物滤池
封闭式循环水养殖模式是以养殖废水在处理池中净化后再次利用为核心特点，与普通的流水养殖模式及池塘养殖模式相比，它具有节水、省电、土地资源高效利用等优点，而且通过污水处理还可以基本实现养殖废水零排放、环境友好可持续发展。
今天我们要讲的是循环水养殖系统中的生物过滤单元。生物膜法是目前循环水养殖技术中最常用也是最经济实用的方法，此方法主要是使用比表面积大的生物填料使微生物在其上面大量繁殖形成生物膜，利用生物膜上的微生物的新陈代谢作用对水体中的硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、糖类、蛋白质等物质进行吸收和转化。根据处理工艺流程的不同，生物膜法可以细分为生物滤池、生物转盘等。
生物滤池是EWG封闭式工厂化循环水养殖系统最关键的设备。它主要是依靠利用附着在生物膜上的细菌、原生动物、后生动物、藻类等的新陈代谢，对水体中的氮、磷、碳水化合物进行吸收转化，降低其在水体中的含量，给鱼提供一个健康的生存环境。EWG生物滤池最核心的技术手段就是前期的挂膜，生物滤料上能否形成稳定的生物群落是生物滤池处理效果好坏的一个关键性因素。淡水养殖中的生物滤池挂膜过程一般需要一到两个星期，而海水养殖中的生物滤池通常需要一个月甚至两个月的挂膜时间才能稳定的运行，而且生物膜上的微生物种类和数量相对于淡水而言要少得多。
生物填料
近年来对生物滤池的研究一般集中在填料的选择、如何快速有效的挂膜、生物膜的生物群落结构等方面。作为生物膜的载体，生物填料的选择对整个EWG生物滤池能否高效运行起到了至关重要的作用。最早期使用的生物填料有碎玻璃、陶瓷、石块、砂砾等，但由于其比表面积小，微生物附着能力低，处理水质效果差等原因逐渐被淘汰。随着高分子合成材料的出现，生物填料也得到了突飞猛进的发展，慢慢出现了聚乙烯，聚氯乙烯、聚丙烯等材料制作的生物填料。生物填料按其安置方式又可以分为固定式、悬挂式和悬浮式三种。
固定式生物填料
最早出现的生物填料是固定式生物填料。固定式生物填料是指将生物填料固定在生物滤池中，使其不可随意移动。这种生物填料的典型代表是蜂窝填料。这种填料主要是使用聚丙烯作为原材料，参考蜂巢的结构来设计的，这种结构稳定性强，耗材少，比表面积相对较大，孔隙率大不易堵塞。但在慢慢的实践过程中，这种材料慢慢的暴露了它不足的地方：挂膜周期时间长，生物膜结构不稳定易脱落，蜂巢填料内部无法接触到曝气导致处理效果差。
悬挂式生物填
随着生物填料的逐渐发展和改良，悬挂式生物填料应运而生。悬挂式生物填料是由许多尼龙丝或小圆盘串联成的帘幕状的生物填料，它的两端分别固定在池顶和池底部。此种填料暴露在空气中，废水从上至下冲刷而下，在这个过程中，废水与氧气可以得到充分的接触，省去了曝气的环节，与其他水处理工艺相比极大地节省了运行成本。悬挂式生物填料由于其成本低廉、安装拆卸方便，可重复使用，挂膜迅速处理效果好等特点在我国废水处理中得到了广泛的应用。在不同的进水流量和pH等参数下，使用悬挂式生物填料进行养殖废水处理，已经得出了悬挂式生物填料处理养殖废水的最佳运行工况，为悬挂式生物填料的广泛应用提供了理论基础。
悬浮式生物填料
悬浮式生物填料是近些年才发展起来的一种新型生物填料，它无需安装，可以直接置入生物滤池中。悬浮式生物填料一般颗粒较小，运行中随着水流上下浮动，可以与水体充分的接触，增加了微生物对各种物质的利用效率。一般来说悬浮式生物填料所形成的生物膜比较厚，生物膜上可以明显的存在好氧区和厌氧区。存在于厌氧区的厌氧菌可以使有机物发生水解、酸化和甲烷化，此过程能有效去除部分难以去除的有机物，还可以提高养殖废水的可生化性，有利于下一步的好氧处理。因此悬浮式生物填料对水体处理较为全面彻底，处理效果也比其他的生物填料要好。
Ecowater公司将固定式生物填料与悬浮式生物填料的处理性能做了对比试验，结果发现无论是自然水源还是人工配置的水源，悬浮式生物填料的处理效果都明显优于固定式生物填料。
生物膜形成过程
通常生物填料上的生物膜的形成需要经过适应期、对数期、稳定期和衰亡期。这是一个比较漫长的过程，通常情况下在循环水养殖系统中要形成稳定的生物膜需要20天左右，甚至1～2个月。
生物膜法是使微生物附着在载体表面上，污水在流经载体表面过程中，通过有机营养物的吸附、氧向生物膜内部的扩散以及在膜中所发生的生物氧化等作用，对污染物进行分解。在生物膜反应器中，污染物、溶解氧及各种必须营养物首先要经过液相扩散到生物膜表面，进而到生物膜内部；只有扩散到生物膜表面或内部的污染物才能有机会被生物膜微生物所分解和转化，最终形成各种代谢产物（CO2、水等）。随着时间延长（30天左右），生物膜沿水流方向分布及微生物组成及对有机物降解功能达到平衡和稳定的状态，生物膜成熟，形成有机物、细菌、原生动物、后生动物的复合生态系统。
在生物膜的最外层形成以好氧型微生物为主体的生物膜层，而在好氧层的深部由扩散作用制约了溶解氧的渗透往往形成厌氧区。在这里，由于厌氧菌的作用，硫化氢、氨和有机酸等物质容易积累。但是，如果体系供氧充分，厌氧层的厚度会被压缩至某一限度，形成的有机酸在异养菌的作用下转化为CO2和水，而氨及硫化氢在自养菌作用下被氧化成各种稳定盐类。随着厌氧代谢产物增多，固着力减弱，生物膜老化、脱落。
缩短挂膜时间
因为形成稳定的生物膜经常多达1～2个月，这在工业化养殖上是非常耗时、浪费资源的。 为了缩短挂膜过程所需的时间，专家学者们做了很多努力。接种时选取正处于对数期的菌种也可以有效减少挂膜时间，Ecowater从养殖环境中分离得到不同功能的菌株并对其进行培育，然后按照一定的比例加入生物滤池中进行挂膜试验，为了提高挂膜的效率，生物滤池中还添加了粘土和沸石粉的混合剂 ，八天后就形成了可以稳定处理废水的生物膜。氨氮对生物膜的形成起到了极其重要的作用，水体中氨氮浓度越高，形成生物膜所需的时间则越短，生物膜的处理效果越好。艾科沃特公司将COD、氮、磷配置成100：5：1的营养液，通过向生物滤池中添加营养液并结合污泥浓缩的方法加速生物膜的挂膜过程，效果明显。
生物群落
生物膜上的生物群落结构也是对生物滤池研究的一个重点，生物膜法由于其优秀的净水效果而得到广泛应用，但人们对生物膜上生物群落结构却知之甚少。在微山湖循环水养殖示范基地，我们观察了曝气生物滤池运行中生物膜的形成和发展的动态变化，发现了生物膜形成的空间分布结构有着明显的特征，而且微生物会沿着水流的方向形成不同优势种的生物群落，而且基本上所有的细菌都属于同一个菌属，通过采用细菌计数的方法对生物膜上的细菌进行定期检测，发现随着时间的变化，生物膜上的细菌量先是呈爆发性增长，后来慢慢趋于稳定。虽然生物膜上的微生物种类非常复杂，但是它们组成的生物群落却是稳定且有规律的。生物膜形成初期，加大生物滤池中氨氮的浓度，有利于氨氧化菌、亚硝化菌的大量繁殖。
循环水养殖的意义
改革开放三十年以来，中国渔业得到了飞一般的发展，取得了举世瞩目的成就。在这三十年里，中国的渔业由传统的池塘养殖慢慢向工厂化养殖转变。20世纪70年代，静水高密度养殖和工厂化流水养殖成为了人们探索渔业养殖技术的热门方向。20世纪80年代，循环流水养殖出现在人们的视野中，中国开始了对循环水养殖系统的漫长研究。
20世纪末期，人们将温室大棚与工厂化流水养殖相结合，这种养殖模式以其经济高效、受外界环境影响小、产量高且稳定等特点被广泛推广应用。但这种模式的发展也伴随着一定的代价，由于水处理设施落后不完善、法律不健全、渔民对环境保护观念不强、绝大部分养殖污水都未经过处理直接排入湖泊、海洋中，导致湖泊、海洋中的氮磷等营养盐严重超标，水体的富营养化导致蓝藻等有害藻类大量爆发，有关于水华、赤潮等现象屡见不鲜。由于水生生态环境的破坏，水生生物群落结构严重失衡，近年来各类病害频繁爆发，为此渔民不得不大量使用抗生素等违禁药物，而残留在水产品中的抗生素会对人体健康造成极大的危害。
中国的渔业发展已经进入一个桎梏期，必须建立一种可以促进经济发展的同时，又可以实现资源节约和生态环境保护的新模式。在此背景下，封闭式循环水养殖模式如雨后春笋般蓬勃发展起来。封闭式循环水养殖模式是以养殖废水在处理池中净化后再次利用为核心特点，并结合水生生物学、环境工程学、机械工程学、土木工程学等多种学科衍生来的一种新的的养殖模式，它符合当前国家提出的循环经济、节能减排、转变经济增长方式的战略需求。与普通的流水养殖模式及池塘养殖模式相比，它具有节水、省电、土地资源高效利用等优点，而且通过污水处理还可以基本实现养殖废水零排放、环境友好可持续发展。
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编校|胡子鲶 ewgras@163.com