循環水養殖污水太難處理？簡單兩步幫你確定RAS中生物過濾系統的理論設計！ |
| 出處：水產前沿 作者： 水產養殖網 2017-05-13 22:56:00 |
編譯/水產前沿 實習編輯 張昊
來源/ GAA
集約化水產養殖對水的需求較大并且可能污染環境，如何解決這個問題呢？循環水養殖系統(RAS)是其中的備選答案之一。近幾年來，各國都在大力研究推廣RAS進行陸基水產養殖。如果說RAS是一個城市，那么生物濾池就是這個城市的“污水處理廠”。為了能夠安全高效地為整個“城市”服務，這個“處理廠”的處理能力應當怎樣計算？來自Pentair Aquatic Eco-system公司的Thomas .M. Losordo博士和Dennis P. Delong以總氨氮(total ammonia-nitrogen, TAN)為例向我們展示了如何進行相應計算。
圖片來自山東遠圖環境技術有限公司
TAN和VTR，生物濾池的兩個關鍵數值
在RAS中規劃生物濾池時，設計者應該首要考慮生物濾池的設計凈水能力要能夠保證養殖系統中TAN濃度不超過設定上限。了解TAN濃度非常重要，因為生物濾池的氨氮移除速率是和濾池內氨氮濃度息息相關：生物濾池的移除速率與TAN濃度成正比。同時，養殖系統的最大投喂率對規劃生物濾池也很關鍵：系統內投喂率和飼料中蛋白含量會影響氨氮生產速率。
計算生物濾池硝化能力的最佳方式是用“克/立方米/天“為單位來測量生物濾池中填料的單位體積TAN轉化率（Volumetric TAN conversion Rate, VTR）。設計者了解當前VTR的測定條件并且將這些條件和系統在生物承載高峰時的條件相比較是非常有關鍵的。生物濾池中TAN含量越低，VTR也隨之降低。而在大多數情況下，VTR是在特定的生物濾池填料在特定的參數下計算出來的。
RAS中規劃生物濾池的四個步驟：
1.在養殖池中確定TAN的最大允許濃度。
2.估計系統的最大投喂率并計算TAN的最大生成速率
3.由之前的試驗或者生產者的說明確定生物濾池中填料的VTR。
4.計算預測的生物濾池中填料的用量需求。
應用案例
例如在25℃水溫下設計一個淡水RAS并假設氧氣沒有限制，即生物濾池中水溶氧為4毫克/升。另外假設酸堿度和水體硬度分別為7.2和100毫克/升且最大TAN濃度為2毫克/升。此外，假設整個系統的最大投喂率為60千克/天，飼料蛋白含量為40%。
我們現在要根據這些數據預測每天的TAN生成速率：TAN生成量（公斤/天）=60公斤飼料/天X40%蛋白質X50%氮廢物X0.16克氮/克蛋白質X1.2克TAN/克氮=2.3公斤/天。
公式中斜體字可以根據生產者情況進行替換。需要注意的是，在這個公式中蛋白質和氮元素廢物的百分比應用小數形式輸入，分別為0.4和0.5。
填料在滴流床反應器與動態床反應器的差異
確定需要的VTR值是整個設計中最困難的一個步驟。VTR是由生物濾池填料的類型和系統調節共同決定。按上述水質條件，表面積為200㎡的滴流床生物濾池填料的VTR大約為90克TAN/立方米/天。動態床反應器中的填料在相似條件下VTR保守估計為350g克TAN/立方米/天。下面的公式2可以用來預測將TAN轉化為相對無害的硝酸態氮所需要生物過濾填料的體積。
公式2：生物過濾填料體積（立方米）=TAN產量（克TAN/天）/VTR（克TAN/立方米/天）。套用上述條件可得 2300克TAN/天÷90克TAN/立方米/天=25.5立方米。
如果滴流床過濾池形狀是一個邊長為2.5米的正方形， 填料高度為4米。 在滴流床過濾池設計中，生物過濾填料上下均有空間?？偠灾?，這套滴流床過濾器可能有5.3米高，其中填料上下各有0.3米和1米的空間來收集并將水重新導入生產系統中。
于此相似，我們可以計算動態床反應器填料在這個例子中需要的體積：2,300克TAN/天÷350克TAN/立方米/天=6.57立方米。
為了讓填料有充足的空間進行曝氣，在動態床反應器設計中填料體積所占比例不能大于70%。因此，填料體積為6.6立方米的反應器的體積應該為9.4立方米。如果反應器直徑2.5米，那么填料和水的最低高度為1.9米。如果在水和填料之上留0.3米的“機動空間“，那么整個反應器的高度應為2.2米。
前景
從生物過濾器的推測結果中，我們可以看到面對同樣的工作負荷，滴流床過濾系統的填料需求幾乎是動態床反應器的4倍，應用于生物濾池當中的話，滴流床系統對于操作成本和前期投入要求更高。
我們可以對于所有的生物過濾填料做類似的預測而在商業化生產中，設計者一定要了解特定條件下特定填料的VTR。
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