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3.2 检讨水质管理水质检讨

2 years ago

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RAS 是复杂的水生生产系统,涉及一系列物理、化学和生物相互作用(Timmons 和 Ebeling 2010)。 了解这些相互作用以及系统中的鱼与所用设备之间的关系对于预测水质和系统性能的任何变化至关重要。 有 40 多个水质参数可用于确定水产养殖中的水质(蒂蒙斯和 Ebeling,2010 年)。 其中只有少数 (如 3.2.1, 3.2.2, 3.2.3, 3.2.4, 3.2.5 传统上是在主再循环中控制的 #326 #327过程, 因为这些过程可以迅速影响鱼类的生存, 并且随着饲料系统的增加而易发生变化. 许多其他水质参数通常不受监测或控制,因为 (1) 水质分析可能很昂贵,(2) 需要分析的污染物可以通过每日换水来稀释,(3) 含有这些参数的潜在水源被排除使用,或 (4) 因为其潜在的负面在实践中没有观察到影响。 因此,以下水质参数通常在 RAS 中进行监测。

3.2.1 溶解氧

溶解氧 (DO) 通常是密集水生系统中最重要的水质参数,因为低溶氧含量可能很快导致鱼类的高应力、硝化生物过滤器故障以及鱼类的严重损失。 通常,养殖密度、饲料添加量、温度以及鱼类对缺氧的耐受性将决定一个系统的氧气需求。 由于在大气条件下氧气可以以高于其饱和浓度的浓度转移到水中(这称为过饱和度),因此存在一系列设备和设计来确保鱼类获得足够的氧气。

在 RAS 中,溶氧可以通过曝气、加入纯氧或这些组合来控制。 由于曝气只能将溶氧浓度提高到大气饱和点,因此该技术通常只适用于轻载系统或具有耐受物种的系统,例如 Tilapia 或鲶鱼。 然而,曝气器也是商用 RAS 的一个重要组成部分,通过将低溶解氧含量的水充气回饱和点,然后再使用技术氧过饱和水,从而减少昂贵的技术氧气的使用。

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** 图 3.2** 两个气体-液体转移示例图:扩散曝气和文丘里喷射器/吸气器

RAS 可以使用多种类型的曝气器和氧气器,它们分为两大类:气-液和液-气系统(Lekang 2013)。 气-液曝气器主要由气体(空气或氧气)转移到水中的扩散曝气系统组成,形成气泡,与液体介质交换气体(图 3.2)。 其他气体-液体系统包括通过扩散器、穿孔管道或穿孔板来制造气泡,使用文丘里喷射器产生大量小气泡,或者在水流中捕获气泡的装置,例如 Speece 锥体和 U 型管氧气器。

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** 图 3.3** 两个液体-气体转移示例图:封闭式罐体中的包装柱式曝气器和表面飞溅器。 包装塔式曝气器允许水流向封闭的容器,通常装有结构介质,空气通过使用风扇或鼓风机强迫。 池塘水产养殖中发现的表面飞溅物也可用于富含气体(通常为氧气)的封闭环境中进行气体转移

液体-气体曝气器的基础是将水扩散到小水滴,以增加可用于与空气接触的表面积,或创造富含混合气体的大气(图 3.3)。 包装柱式曝气器(柯尔特和布克 1984 年)和低头氧合器(LHO)(瓦格纳等人,1995 年)是循环水产养殖中使用的液-气系统的例子。 然而,在池塘和户外农场中流行的其他液-气系统,如桨轮增气器(Fast 等人,1999 年)也用于 RAS。

有大量关于气体交换理论和水中气体转移的基本原理的文献,鼓励读者不仅查阅水产养殖和水产养殖工程文本,还要参考工艺工程和废水处理材料,以便更好地了解这些进程。

3.2.2 氨

在水性介质中,氨以两种形式存在:对鱼类有毒的非离子形式(NHSub3/Sub)和对鱼类毒性较低的电离形式(NHSub4/SubP+/SUP)。 这两种形式的总氨氮(TAN),其中两种形式之间的比例由 pH 值、温度和盐度控制。 氨在饲养水中作为鱼类蛋白质代谢的产物(Altinok 和 Grizzle 2004)积累,如果不处理,可以达到毒性浓度。 在所研究的 35 种不同类型的淡水鱼中,氨的平均急性毒性值为 2.79 毫克 NH3/L(兰德尔和徐 2002 年)。

传统上,氨通过硝化生物过滤器在再循环系统中进行处理,这种装置旨在促进微生物群落,将氨氧化成硝酸盐 (NOSuB3/Sub)。 虽然硝化生物过滤器的使用并不是新鲜事物,但现代 RAS 已经看到了生物过滤器设计的简化,只有少数几个经过深入研究的设计得到广泛接受。 过去几年还开发了其他高度创新的处理氨的技术,但并没有在商业上广泛应用(下文提到的例子)。

氨在生物过滤器中被硝化细菌群体氧化。 硝化细菌是化学营养性生物,其中包括属种类 _ 亚硝糖菌 亚硝酸球菌 硝基菌 _ 和 _ 硝基球菌 _ (Prosser 1989)。 这些细菌通过无机氮化合物的氧化获得能量(Mancinelli 1996)和生长缓慢(复制速度比异养细菌慢 40 倍),因此,如果有机碳(主要存在于培养中悬浮的生物固体中)很容易被异养细菌竞争水,被允许积累(格雷迪和林 1980 年)。 在 RAS 运行期间,良好的系统管理在很大程度上依赖于通过适当的固体去除技术最大限度地减少悬浮固体(图 3.4)。

硝化生物过滤器或生物过滤器反应器大致分为两大类:暂停生长和附着生长系统(马龙和 Pfeiffer,2006 年)。 在悬浮生长系统中,硝化细菌群落在水中自由生长,形成细菌群落,这些群落也拥有丰富的生态系统,其中存在原生动物、纤毛虫、线虫和藻类(Manan 等人,2017 年)。 通过适当的混合和曝气,藻类、细菌、浮游动物、饲料颗粒和粪便物质仍然悬浮在水柱中,并自然地凝聚在一起,形成颗粒给 biofloc 培养系统的名字(Brown 等人,2012 年)。 暂停生长系统的主要缺点是,随着工艺水流出反应堆,它们会失去细菌生物量,因此需要一种手段来捕获并返回该系统。 在附着的生长系统中,固体形式(砂粒、石头、塑料元素)被用作基材,以保留反应器内的细菌,因此不需要处理后固体捕获步骤。 通常,与悬浮生长系统相比,附着生长系统为细菌附着提供更多的表面积,并且在其流出过程中不会产生显著的固体,这是 RAS 中使用附着生长生物过滤器的主要原因之一。

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图 3.4 硝化细菌 _ 硝基菌 _ (左) 和硝基菌 _ (右)。 (左图:博克等人,1983 年。 右图:默里和沃森 1965 年)

已经努力对生物过滤器进行分类并记录其性能,以便帮助农民和设计人员确定更可靠的系统(Drennan 等人,2006 年;Gutierrez-Wing 和马龙,2006 年)。 近年来,水产养殖业选择了生物过滤器设计,这些设计得到了广泛的研究,因此可以提供可预测的性能。 移动床生物反应器(Rusten 等人,2006 年)、流化砂过滤器生物反应器(2006 年夏季)和固定床生物反应器(Emparanza 2009;Zhu 和 Chen 2002)都是附着生长生物过滤器设计的例子,这些设计已成为现代商业 RAS 的标准。 涓流过滤器(Díaz 等人,2012 年)是另一种流行设计,由于其相对较高的抽水要求和相对较大的尺寸,其受欢迎程度降低。

3.2.3 生物固体

RAS 中的生物固体来自鱼饲料、粪便和生物膜(Timmons 和 Ebeling 2010),是最关键和最难控制的水质参数之一。 由于生物固体是异养细菌生长的基质,其浓度的增加可能最终导致氧气消耗增加、生物过滤器性能差(Michaud 等人,2006 年)、水浊度增加,甚至系统部分部分的机械堵塞(Becke 等人,2016 年;Chen等人,1994 年;时装设计师等人,2009 年)。

在 RAS 中,生物固体通常按照其大小和去除能力通过某些技术进行分类。 在 RAS 中产生的固体总部分中,可沉降的固体是大于 100 μm 的固体,可通过重力分离去除的固体。 悬浮固体,尺寸从 100 微米到 30 微米不等,是指那些没有脱离悬浮液,但可以通过机械(即筛选)手段去除的固体。 大小小于 30 微米的细固体通常是不能通过筛选去除的固体,必须通过物理化学过程、膜过滤工艺、稀释或生物澄清等其他手段加以控制(Chen 等人,1994 年;Lee 2014;夏日和霍赫海默 1997;蒂蒙斯和埃伯林2010 年;沃尔德等人,2014 年)。 控制可沉降和悬浮固体的技术是众所周知和发展的,关于这个问题的文献也有大量的文献。 例如,使用双排水罐、涡流分离器、径向流分离器和沉降盆是控制可沉降固体的常用手段 (Couturier 等人,2009 年;戴维森和夏季,2004 年;德卡瓦略等人,2013 年;Ebeling 等人,2006 年;Veerapen 等人,2005 年)。 显微屏过滤器是悬浮固体物质控制中最常用的方法(Dolan 等人,2013 年;Fernandes 等人,2015 年),通常用于工业用单一技术控制可沉降和悬浮固体。 其他流行的固体捕获装置包括深度过滤器,如珠子过滤器(Cripps 和 Bergheim 2000)和快速砂过滤器,这些过滤器在游泳池应用中也很受欢迎。 此外,在文献中也提供了防止固体积聚在储罐、管道、油槽和其他系统组件中的设计指南(戴维森和夏日,2004 年;乐康 2013;黄和皮德拉希塔 2000)。 最后,RAS 中的细固体通常通过臭氧化、生物澄清、泡沫分离或这些技术的组合处理。 在过去的几年中,RAS 开发的重点是更好地了解如何控制细固体部分,并了解其对鱼类福利和系统性能的影响。

3.2.4 二氧化碳 (二氧化碳)

在 RAS 中,溶解气体的控制不会随着向鱼提供氧气而停止。 其他溶解在饲养水中的气体如果不加控制,可能会影响鱼类福利。 高溶解二氧化碳 (COSub2/Sub) 浓度在水中抑制 COSub2/Sub 从鱼的血液中的扩散。 在鱼类中,增加 COSub2/Sub 在血液中降低血液的 pH 值,反过来,血红蛋白的氧气亲和力(诺加 2010 年)。 高 COSub2/Sub 浓度也与鲑鱼的器官肾钙质病、系统性肉芽肿和白垩沉积有关(Noga 2010 年)。 COSub2/Sub 在 RAS 中起源于鱼类和细菌异养呼吸的产物。 作为一种高溶解性气体,二氧化碳不像氧气或氮那么容易达到大气平衡,因此,它必须与高容量的空气接触,低浓度 COSub2/Sub,以确保转移出水(Summerfelt 2003)。 作为一般规则,供应纯氧的 RAS 需要某种形式的二氧化碳剥离,而提供氧气补充的 RAS 不需要活性 COSub2/Sub 剥离(Eschchar 等人,2003 年;Loyess 和马龙 1998 年)。

理论上,任何向大气开放的气体转移/曝气装置都会提供某种形式的 COSub2/Sub 剥离。 然而,专用的二氧化碳剥离装置要求大量空气与工艺用水接触。 COSub2/Sub 剥离器的设计主要集中在级联式设备上,如级联曝气器、涓流生物过滤器,以及更重要的是包装柱曝气器(柯尔特和布克 1984;莫兰 2010;Summerfelt 2003),这已成为商用 RAS 纯氧运行的标准设备。 尽管包装柱曝气技术的发展在过去几年中取得了进展,但对该装置所做的大部分研究都侧重于了解其在不同条件下的性能(例如淡水与海水)以及设计变化,如高度、包装类型和通风率。 已知液压装载速率(单位面积单位流量)的影响对脱气器的效率有影响,但需要进一步研究才能更好地理解这一设计参数。

3.2.5 总气体压力

总气体压力 (TGP) 被定义为溶解在水溶液中的所有气体的部分压力之和。 气体的溶解性越低,它在水溶液中占据的 “房间” 就越多,因此,它在其中施加的压力就越大。 在主要的大气气体(氮气、氧气和二氧化碳)中,氮的溶解性最低(例如,溶性比氧气低 2.3 倍,可溶性比二氧化碳低 90 倍以上)。 因此,氮对总气压的贡献超过任何其他气体,但不会被鱼类或异养细菌消耗,因此除非剥离,否则会在水中积聚。 同样重要的是,如果气体转移过程不允许多余气体从溶液中排出,氧气也会导致高 TGP。 这方面的一个典型例子是池塘具有光自营养活性。 光自动物(通常是进行光合作用的植物生物)将氧气释放到水中,而一个安静的水面可能无法提供足够的气体交换,使多余的气体逃离到大气中,因此可能会出现过饱和。

鱼类需要总气体压力等于大气压力。 如果鱼在总气压高的情况下呼吸水分,多余的气体(通常是氮气)会从血液中排出,形成气泡,对鱼类的健康造成严重影响(Noga 2010)。 在水产养殖中,这被称为气泡疾病。

要避免高 TGP,需要仔细检查 RAS 中可能发生气体转移的所有区域。 高压氧气注入而不含脱气(允许多余的氮气从水中排出)也可能导致高 TGP。 在具有对 TGP 非常敏感的鱼类系统中,使用真空脱气剂是一种选择(柯尔特和 Bouck 1984)。 然而,使用二氧化碳剥离器(也可剥离氮气)和小心给药技术氧气,使用不受控制的气体加压区域的 RAS,足以使 TGP 在商业 RAS 中保持安全水平。

3.2.6 硝酸盐

由于硝酸盐的毒性相对较低,硝酸盐是硝酸化的最终产物,通常是 RAS 控制的最后一个参数(戴维森等人,2014 年;施罗德等人,2011 年;范赖恩 2013 年)。 这主要是因为它在鱼鳃膜中的渗透性低(卡马戈和阿隆索,2006 年)。 硝酸盐的毒性作用与亚硝酸盐相似,影响载氧分子的能力。 对 RAS 中硝酸盐浓度的控制传统上是通过稀释来实现的,通过有效控制液压保留时间或每日汇率。 然而,利用脱硝反应器对硝酸盐进行生物控制是 RAS 研究和开发的一个越来越多的领域。

对硝酸盐的耐受性可能因水生物种和生命阶段而异,盐度对其毒性具有减轻作用。 RAS 操作员必须了解硝酸盐接触的慢性影响,而不是急性效应,因为在正常的 RAS 操作期间,急性浓度可能无法达到。

3.2.7 碱度

碱性被广义定义为水的 pH 缓冲能力(蒂蒙斯和埃伯林 2010 年)。 碱度控制在 RAS 中非常重要,因为硝化是一种酸性形成过程,会破坏它。 此外,硝化细菌需要恒定的碱性供应。 RAS 中的低碱度将导致 pH 值波动和硝化生物过滤器故障(夏天等人,2015 年;柯尔特,2006 年)。 RAS 中的碱性添加将取决于系统中的硝化活性,这反过来又与添加饲料有关,由化妆品(每日交换)水的碱度含量以及脱硝活性的存在,从而恢复碱度(van Rijn 等人,2006 年)。


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