工业化循环水养殖系统移动床生物膜反应器的设计

赵越，刘鹰，李贤，孙国祥，徐建平，周毅

(1.中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；4. 青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

2005—2014年，世界上食用鱼养殖量以平均每年5.8%的速度增长至7380万t[1]；2016年，水产养殖业对中国水产品的供应量达到了73.7%[2]。其中，与传统养殖方式比较，循环水养殖系统(Recirculating aquaculture system，RAS)具有环境可控、高效、环保和产品优质等优点，是解决环境污染、提高水产品质量的有效途径，被认为是未来水产养殖业发展的重要方向之一[3-6]。生物滤器作为RAS的水处理核心，主要承担废物的转化、脱氮等工作[7]。但生物滤器在工作中存在固定床反应器需定时冲洗、流化床需使载体流化、淹没式生物滤池需清洗滤料等问题，而移动床生物膜反应器(Moving bed biofilm reactor，MBBR)因可解决该类问题而备受关注[8-9]，因此，MBBR越来越多地被应用于RAS中。

为了更好地发挥生物滤器的高效性，其设计的科学性、合理性、完整性就显得非常重要。目前，有关水产养殖系统中MBBR设计资料匮乏，Rusten等[10]对其设计应用进行了简单讨论；刘鹰等[11]及刘晃等[12]采用物质平衡关系建立了氨氮、溶解氧的平衡方程式，对循环水系统部分养殖参数进行了确定，但未涉及具体尺寸、流量、构筑物等参数。本研究中，以某一大西洋鲑Salmosalar工业化循环水养殖场为例，对其生物滤器MBBR进行设计。首先以物质平衡关系为基础，结合MBBR类型特点、实际生产经验与设计规范对设计过程进行补充，对其流量、尺寸、水力停留时间HRT (Hydraulic retention time)、换水量、循环次数及填料、构筑物等运行参数进行确定，以期为循环水养殖系统MBBR的设计提供完整思路，为工业化循环水养殖模式可持续发展提供科学依据及技术支持。

1 MBBR设计参数的计算

本研究中以一套大西洋鲑工业化循环水养殖系统MBBR为例进行设计。为保证鲑鳟鱼类有安全的生长环境，水质需满足以下条件：温度10～18 ℃，溶解氧DO≥6 mg/L[13]。根据当地水质与环境设定生产运行参数见表1。

1.1 基础参数的确定

参考刘鹰等[11]及刘晃等[12]循环水养殖系统物质平衡关系式对废物的产生量、养殖生物的呼吸耗氧量、系统补水量等基础参数进行确定。

表1循环水养殖系统生产参数

Tab.1Productionparametersinrecirculatingaquaculturesystem

参数parameter符号symbol数值value目标质量 target weight/kgFM7养殖池体积 volume of culture pond/m3V200养殖密度 breeding density/(kg·m-3)ρ35最大生物量 maximum biomass/kgBM7000日投饲率 daily feeding rate/%FR1水温 temperature/℃T14盐度salinityS30pH7.2

1.1.1 最大氨氮TAN(Total Ammonia Nitrogen)的产生速率(PTAN)PTAN可表示为喂食速率和饲料中蛋白质百分比的函数[14]，即

PTAN=BM×1000×FR×PC×0.092/24。

其中，PC为饲料中蛋白质的含量，本设计中选用北京汉业鲑鳟鱼专用饲料，PC值为43.09%。因此，该养殖规模下(表1)养殖目标达到最大生物量时产生TAN的速率，即PTAN=115.6 g/h。

1.1.2 养殖池内允许最大TAN浓度(CTAN) 养殖池中TAN浓度需控制在一定范围以保证安全的养殖环境，未解离氨氮在低浓度下对鱼类有毒害作用，根据中华人民共和国《渔业水质标准》(GB11607-89)中规定，养殖环境非离子氨的浓度应小于0.02 mg/L[15]。根据氨溶于水的平衡关系[16]，在养殖水体中pH为7.2、水温为14 ℃时，CTAN为5 mg/L。因此，为避免该养殖环境下大西洋鲑受非离子氨的毒害，养殖池中TAN浓度应小于5 mg/L。同时，养殖品种的生长还受水体内氨氮浓度的限制，对于鳟鱼类TAN安全浓度应小于 1 mg/L[17]。

在确定养殖池内允许最大TAN浓度时，应综合各项标准，选择最低浓度以减少或预防TAN对养殖品种的毒害作用。综上，本设计中确定CTAN为1 mg/L。

Qnew=PTAN/CNO3out。

1.1.4 养殖池所需DO量(RDO tank) DO的供应往往是工业化循环系统提高承载能力及生产力的首要限制因素。Grøttum等[19]认为，大西洋鲑耗氧率(RDO fish)与体质量、温度等有关，拟合方程如下：

RDO fish=157.4×FM-0.21×1.03T×1.440.5。

根据表1养殖规模，计算得：

RDO fish=0.190 g O2/(kg·h)，RDO tank=RDO fish×BM=1330 g O2/h。

1.1.5 生物滤器所需DO量(RDO biofilter)RDO biofilter可通过残饵粪便的生化耗氧量BOD(Biochemical oxygen demand)与硝化反应耗氧量NOD(Nitration oxygen demand)来表示,即

RDO biofilter=BOD+NOD=(PTAN-Qnew×CTAN)×4.57+

2.3×CBOD×(1-EBOD)。

其中：CBOD为系统中BOD浓度(mg/L)；EBOD为系统通过沉淀、过滤等操作对BOD的去除率。本设计中假设EBOD为70%[11]。根据Kelly等[20]的研究，确定大西洋鲑BOD产生量为55.42 g BOD/(t·h)。由此推出CBOD=55.42 g BOD/(t·h)×7 t=387.94 g BOD/h，计算得到RDO biofilter=790.8 g/h。

1.1.6 养殖池保障DO要求的流量(Qtank) 通过养殖池进水DO浓度(DOinlet)、养殖池中DO浓度(DOtank)和养殖目标需要的DO量(RDO tank)来计算系统的水流量Qtank。为保证生物的安全健康DO环境，DOtank最低定为6 mg/L。在养殖水体盐度为30、水温为14 ℃、表面大气压为标准大气压条件下，DO饱和度达到240%时，进水中DO浓度为14.6 mg/L[21]，因此，根据Qtank=RDO tank/(DOinlet-DOtank)，计算可得Qtank≈155 m3/h。

1.1.7 生物滤器去除TAN需要的流量(Qbiofilter)其计算公式为

其中：CTAN in为养殖池中TAN浓度(mg/L)，养殖池内进水的TAN浓度很低，即CTAN in≈0 mg/L；CTAN为生物滤器进水中的TAN浓度(mg/L)；E为生物过滤器TAN的去除效率(%)。本设计中E通过经验设定为40%，因此，Qbiofilter=(0-1.16×1+115.6)/(1×40%)≈286 (m3/h)。

1.2 MBBR运行参数的确定

1.2.2 MBBR尺寸参数 表2与图1列出了3类Kaldnes填料的具体数据，本设计中选择在养殖场中使用较多的Kaldnes K3填料，其比表面积为500 m2/m3。生物填料有富集水体细菌的能力，其生物膜上的细菌种类和丰度远大于对应水体[23]。当进入MBBR的TAN浓度为0.4～0.6 mg/L、DO约为7 mg/L时，TAN的表面去除率(Areal TAN Removal Rate，ATR)为0.03～0.25 g TAN/(m2·d)[24]，选择ATR为0.1 g TAN/(m2·d)，因此，填料单位体积的TAN去除率(Volumetric TAN removal rate，VTR)为50 g TAN/(m3·d)。

根据填料体积Vmedia=24×(PTAN-Qnew×CTAN)/VTR，得出Vmedia=55 m3。

悬浮填料应可自由移动，当填充材料所占百分比较高时会降低搅拌速率[10]。本设计中选择填充率为40%，根据Vbiofilter=Vmedia/40%，得出Vbiofilter=138 m3。参考《生物接触氧化法污水处理工程技术规范》[25]中生物接触氧化池宜采用矩形，长宽比例宜为2∶1～2，有效面积不大于100 m2。故选择设置两组MBBR并联，每组有两个串联，每个水池规格为4 m×4 m×2.5 m，池中水位为2.2 m。此外，因填料翻滚，还需要增加一些空板防止搅拌时填料溢出。

1.2.3 水力停留时间(HRT) 根据HRT=Vbiofilter/Q得到HRT≈29 min。HRT值一般为0.2 h以上，若计算过程中得到的HRT较小，应适当增加生物滤池的体积来增加该值以保障处理效率。

1.2.4 换水率(Rwater)和循环次数(n) 换水率Rwater为新水量占系统(养殖池+生物滤器)全部水量的比率，即Rwater=Qnew×24/(V+Vbiofilter)≈8.2%；循环次数n为所有水体每天在系统内循环的次数，即n=Q×24/(V+Vbiofilter)≈20次/d。

2 MBBR构筑物设计

2.1 池体

生物滤池墙体材料为混凝土结构，其受力壁板与底板厚度不宜小于20 cm，预制壁板的厚度可采用15 cm[26]。参考《生物接触氧化法设计规程》[27]：生物接触氧化池在底部连续曝气时填料保持恒定运动产生洗涤作用，池底一般不会有污泥沉积，因此,不需在池底设置污泥斗。

2.2 供水与布水设备

水泵的选择须知扬程，这需根据养殖场的地势与其他水处理设施的地势高度确定，因此，目前无法对泵进行选择，但可对进水管进行确定。参考《给水排水设计手册(第3册)，城镇给水(第2版)》[28]，待处理水进水流速v=1.0～1.2 m/s。根据公式Q/(3600×v)=πD2/4,MBBR并联两组生物滤器的流量Q分别为143 m3/h，代入公式可得到总进水管管径D1=290～318 mm，MBBR分支进水管管径D2=205～225 mm。因此，MBBR总进水管定为DN300 mm聚乙烯管；在205～225 mm范围内无标准规格聚乙烯管，故选择最接近标准规格的DN200 mm聚乙烯管。同理新水给水管的管径定为DN20 mm聚乙烯管。

2.3 填料

工程应用中常用的Kaldnes填料多由高密度聚乙烯(密度为0.95 g/cm3)制成，3种最常用的填料见表2与图1[10], 本设计中采用市面上出售的K3悬浮填料，填充率为40%。

表2 部分Kaldnes填料数据Tab.2 Data of some Kaldnes carriers

2.4 曝气设备

图1 Kaldnes K1、K2、K3填料(从左到右)Fig.1 The biofilm carriers of Kaldnes types K1, K2 and K3 (from left to right)

在MBBR中需曝气使填料与废水充分混合，池外安装曝气装置进气，曝气管布置在池底。选择曝气装置最关键的因素是氧气转移效率，同时稳定性、成本、系统附件、保养维修费等也是需要考虑的因素，本设计中选择大气泡扩散罗茨鼓风曝气装置。鼓风曝气系统主管采用一字型，单根穿孔管在池底中央位置，长度不大于5 m。每根穿孔曝气管立管上设置闸门和活接头，方便调节气量与拆卸[27]。气水比采用6∶1[29]，因此，鼓风机曝气量为1716 m3/h。根据罗茨风机型号、规格、参数，选择JGR150型罗茨鼓风机(章丘市锦工机械有限公司)。该风机参数如下:风机口径为150 mm，进风量为29.03 m3/min，升压为34.3 kPa。

3 结论

传统水产养殖方式易造成水体污染和生态系统的脆弱性[30]，循环水养殖系统的应用符合可持续发展战略要求，生物滤器作为其废水处理核心单元受到越来越多的关注。

本研究在刘鹰等[11]及刘晃等[12]对循环水养殖系统物质平衡关系研究的基础上，根据生产实际规模与理论目标负载，确定MBBR具体运行尺寸、流量、水力停留时间、构筑物等参数，具体设计参数汇总见表3。

表3 MBBR主要设计参数Tab.3 Main design parameters of MBBR

本文对生物滤器的设计思路提出了新的建议，为循环水养殖系统MBBR的完成设计提供了较科学、完整的思路。