四、生物过滤

四、生物过滤

（一）生物过滤类型

几乎所有的水产养殖系统中都存在某种程度的人为的或自然的生物过滤，尤其在封闭式海水养殖系统中（如家庭观赏水族缸）中，生物过滤是不可或缺的。与机械过滤和重力过滤不同，生物过滤不是过滤颗粒杂物，而是去除溶解在水中的营养物质，更重要的是将营养物质从有毒形式（如氨氮）转化为毒性较小形式（如硝酸盐）。

在生物过滤中发挥主要作用的是自养细菌，尽管藻类、酵母、原生动物以及其他一些微型动物也起一些协助作用。这些自养菌往往在过滤基质材料上形成群落，产生一层生物膜。为使生物过滤细菌生长良好，生物膜稳定，人们设计了许多过滤装置，如旋转盘式或鼓式滤器、浸没式滤床、水淋式过滤器、流床式生物滤器等，各有利弊。

1.浸没式滤床

浸没式滤床是最常用的生物过滤器，也称水下沙砾滤床。破碎珊瑚、贝壳等通常被用作主要滤材，不仅有利于生物细菌生长，而且因这些材料含有碳酸钙成分，有利于缓冲水的pH，营造稳定的水环境。生物过滤的基本流程见图2-2。水从养殖池（缸）流入到生物滤池，经过滤池（缸）材料后，再回到养殖池（缸）。当水接触到滤床材料时，滤器上的细菌吸收了部分有机废物，更需要的是将水中有毒的氨氮和亚硝酸氮氧化成毒性较低的硝酸氮。这一氧化反应对于细菌来说是一个获取能源的过程。浸没式滤床的一个主要缺点是氧化反应可能受到氧气不足的限制，一旦溶氧缺乏，就会大大降低反应的进行甚至停止。有的系统滤床材料本身就作为养殖池底的组成成分，此时，滤床就可能受到养殖生物如蟹类、底栖鱼类的干扰破坏，从而使生物过滤效果降低。

2.水淋式过滤器

水淋式过滤器的最大优点是不会缺氧，过滤效果比浸没式高，缺点是系统一旦因某种原因，水流不畅，滤器缺水干燥，则滤材上的细菌及相关生物都将严重受损无法恢复。

3.旋转盘式过滤器

旋转盘式过滤器不受缺氧的限制，它的一半在水下，一半露在空中，慢慢旋转。滤盘一般用无毒的材料，以利于细菌生长。滤鼓的外层包被一层网片，内部充填一些塑料颗粒物，增加滤材表面积，以利于细菌增长。

4.流床式生物滤器

流床式生物滤器是由一些较轻的滤材如塑料、沙子或颗粒碳等构成，滤材受滤器中的上升水流作用，始终悬浮于水中，因而不会发生类似浸没式滤床中的滤材阻碍水流经过的现象，保证溶解氧充足。有实验表明，这种滤器的去氨氮效果为同等条件下固定式生物滤器的3倍。

（二）硝化作用

动物尤其是养殖动物在摄食人工投喂的高蛋白饲料后，其排泄物中的氮绝大部分是以氨氮或尿素形式排出的，尿素分解产生2分子的氨氮或铵离子，氨氮是有毒的，必须从养殖系统中去除。在生物滤床中，存在着一种亚硝化菌，它可以把强毒性的氨氮转化为毒性稍轻的亚硝酸盐。虽然亚硝酸盐比氨氮毒性要低些，但是对养殖生物生长仍然有较大危害，需要去除。

生物滤器中同时还存在着另一种细菌硝化菌，能够将亚硝酸盐进一步转化为硝酸盐，将氨氮转化为亚硝酸氮进而转化为硝酸盐的过程成为硝化反应，参与此反应的细菌通称为硝化菌。注意，上述两步反应都是氧化反应，需要氧的参与，因此，反应能否顺利进行取决于水中的溶解氧浓度。

上述两类细菌自然存在于各种水体中，同样也会在养殖系统中形成稳定的群落，但对于一个新的养殖系统，需要一个过程，一般20～30天，在海水中，形成过程通常比淡水长。如果要加快硝化细菌群落的形成，可以取一部分已经成熟的养殖系统中的滤材加入新系统中，也可以直接加入市场研制的硝化菌成品。硝化菌群落是否稳定建立，生物膜是否成熟是该水体是否适合养殖的一个标志。

如果对一个养殖系统进行氨氮化学检测，会发现在动物尚未放入系统之前，氨氮浓度处于一个峰值，如果有硝化菌存在，首先是氨氮被转化为亚硝酸盐，然后再转化为硝酸盐（图2-3）（检测实验最好在暗环境中进行，以消除植物或藻类对氮吸收的影响）。

养殖者应该清楚，对于一个新建立的养殖系统，必须让系统中的硝化菌群落先建立，逐步成熟，能够进行氨氮转化，具备了生物过滤功能后，才能放养—定量的养殖动物。否则硝化菌无法去除或转化动物产生的大量氨氮，养殖动物就会氨氮中毒。

生物过滤的效率受众多因素的制约，首先是环境因子，如温度、光照、水中氨氮浓度以及系统中其他溶解性营养物质或污染物的多寡等，这些因素都会影响硝化细菌的新陈代谢作用。

生物滤器设计时需要重点考虑的是过滤材料颗粒的大小，过滤器体积与总水体体积之比，以及水流流过滤床的速度。但彼此之间是相互联系又相互制约的。如减小滤材颗粒大小可以增加细菌附着生长的基质面积，有利于细菌数量增加，因而促进生物过滤效率。但是太细的滤材颗粒又容易导致滤床堵塞，积成板块，影响水从滤床中通过，而且会在滤床中间产生缺氧区，导致氧化反应停止。为此，养殖用水在进入系统之前最好先进行机械过滤和重力过滤，减少颗粒杂物进入系统堵塞滤床，这样可以增加滤床的使用时间。另外有机颗粒如动物粪便等物质存留在滤床上，会导致异养菌群的繁殖，形成群落与自养菌争夺空间和氧气，降低硝化作用。效率。在硝化菌群数量够大且稳定时，加快系统水流速度可以加快去除氨氮，虽然水在滤床中的停留时间会缩短。

所有生物滤器在持续使用一段时间后，最后总是会淤塞，水流不畅，氨氮去除效果降低。因此经过一段时间的运行，需要清洗滤床。通过虹吸等方法使滤材悬浮于水中清除滤床中的杂物。清洗过程会使生物膜受到一定的损伤，但水的流速加快了。总之，一个理想的滤床应该是既能支持大量硝化菌群生长又能使水流通过滤床，畅通无阻。对于生物滤器的设计制作有许多专业文献可供参考。

（三）其他生物过滤

硝化作用是最常见的生物过滤方法，此外，还有其他一些方法，如高等水生植物、海藻等也可以用作生物过滤材料，在条件合适时，这些生物的除氮能力和效率非常高。而且这类植物或藻类具有细菌所不具有的优点就是它们本身就是可被人类利用的水产品，可作为养殖副产品。缺点是如果将动物与植物混养在一起，会给收获带来较大的麻烦，除非将动植物的养殖区域分开（图2-4）。

反硝化作用过滤系统也可作为一种生物过滤方法，其原理是硝酸盐在缺氧状态下分解成氮气，起作用的是诸如气单胞杆菌等细菌。但是反硝化作用过滤系统比正常硝化作用系统难维持，这是因为首先一般养殖系统都是在氧气充足的条件下进行的，而反硝化作用却需要在几乎无氧状态下完成；其次反硝化作用需要有碳源（如甲醇）的加入，因为反应的终末产品是二氧化碳；另外如果在反应过程中溶解氧过高，而碳源不足，则会导致硝酸盐转化为亚硝酸盐，毒性增强，适得其反。