循环水养殖污水太难处理？简单两步帮你确定RAS中生物过滤系统的理论设计！

编译/水产前沿实习编辑张昊

来源/GAA

集约化水产养殖对水的需求较大并且可能污染环境，如何解决这个问题呢？循环水养殖系统(RAS)是其中的备选答案之一。近几年来，各国都在大力研究推广RAS进行陆基水产养殖。如果说RAS是一个城市，那么生物滤池就是这个城市的“污水处理厂”。为了能够安全高效地为整个“城市”服务，这个“处理厂”的处理能力应当怎样计算？来自PentairAquaticEco-system公司的Thomas.M.Losordo博士和DennisP.Delong以总氨氮(totalammonia-nitrogen,TAN)为例向我们展示了如何进行相应计算。

图片来自山东远图环境技术有限公司

TAN和VTR，生物滤池的两个关键数值

在RAS中规划生物滤池时，设计者应该首要考虑生物滤池的设计净水能力要能够保证养殖系统中TAN浓度不超过设定上限。了解TAN浓度非常重要，因为生物滤池的氨氮移除速率是和滤池内氨氮浓度息息相关：生物滤池的移除速率与TAN浓度成正比。同时，养殖系统的最大投喂率对规划生物滤池也很关键：系统内投喂率和饲料中蛋白含量会影响氨氮生产速率。

计算生物滤池硝化能力的最佳方式是用“克/立方米/天“为单位来测量生物滤池中填料的单位体积TAN转化率（VolumetricTANconversionRate,VTR）。设计者了解当前VTR的测定条件并且将这些条件和系统在生物承载高峰时的条件相比较是非常有关键的。生物滤池中TAN含量越低，VTR也随之降低。而在大多数情况下，VTR是在特定的生物滤池填料在特定的参数下计算出来的。

RAS中规划生物滤池的四个步骤：

1.在养殖池中确定TAN的最大允许浓度。

2.估计系统的最大投喂率并计算TAN的最大生成速率

3.由之前的试验或者生产者的说明确定生物滤池中填料的VTR。

4.计算预测的生物滤池中填料的用量需求。

应用案例

例如在25℃水温下设计一个淡水RAS并假设氧气没有限制，即生物滤池中水溶氧为4毫克/升。另外假设酸碱度和水体硬度分别为7.2和100毫克/升且最大TAN浓度为2毫克/升。此外，假设整个系统的最大投喂率为60千克/天，饲料蛋白含量为40%。

我们现在要根据这些数据预测每天的TAN生成速率：TAN生成量（公斤/天）=60公斤饲料/天X40%蛋白质X50%氮废物X0.16克氮/克蛋白质X1.2克TAN/克氮=2.3公斤/天。

公式中斜体字可以根据生产者情况进行替换。需要注意的是，在这个公式中蛋白质和氮元素废物的百分比应用小数形式输入，分别为0.4和0.5。

填料在滴流床反应器与动态床反应器的差异

确定需要的VTR值是整个设计中最困难的一个步骤。VTR是由生物滤池填料的类型和系统调节共同决定。按上述水质条件，表面积为200㎡的滴流床生物滤池填料的VTR大约为90克TAN/立方米/天。动态床反应器中的填料在相似条件下VTR保守估计为350g克TAN/立方米/天。下面的公式2可以用来预测将TAN转化为相对无害的硝酸态氮所需要生物过滤填料的体积。

公式2：生物过滤填料体积（立方米）=TAN产量（克TAN/天）/VTR（克TAN/立方米/天）。套用上述条件可得2300克TAN/天÷90克TAN/立方米/天=25.5立方米。

如果滴流床过滤池形状是一个边长为2.5米的正方形，填料高度为4米。在滴流床过滤池设计中，生物过滤填料上下均有空间。总而言之，这套滴流床过滤器可能有5.3米高，其中填料上下各有0.3米和1米的空间来收集并将水重新导入生产系统中。

于此相似，我们可以计算动态床反应器填料在这个例子中需要的体积：2,300克TAN/天÷350克TAN/立方米/天=6.57立方米。

为了让填料有充足的空间进行曝气，在动态床反应器设计中填料体积所占比例不能大于70%。因此，填料体积为6.6立方米的反应器的体积应该为9.4立方米。如果反应器直径2.5米，那么填料和水的最低高度为1.9米。如果在水和填料之上留0.3米的“机动空间“，那么整个反应器的高度应为2.2米。

前景

从生物过滤器的推测结果中，我们可以看到面对同样的工作负荷，滴流床过滤系统的填料需求几乎是动态床反应器的4倍，应用于生物滤池当中的话，滴流床系统对于操作成本和前期投入要求更高。

我们可以对于所有的生物过滤填料做类似的预测而在商业化生产中，设计者一定要了解特定条件下特定填料的VTR。