【循环水养殖大讲堂】水处理系统中的生物过滤

【循环水养殖大讲堂】水处理系统中的生物过滤

提示：对专业词汇头晕的朋友可以直接看紫色字体。

生物过滤是整个水处理系统中最重要的环节，想必大家都不陌生，然而整个生物过滤过程又是目前为止科学家们掌握基础信息最少，作用机制最神秘，控制最没把握的部分。它不像机械过滤过程，多大的孔径、多少的去除率完全都可以计算出来。生物过滤表面上看是简单的氨氮无害化的过程，实际上中间反应环节众多，无数不同种类微生物相互协作，每个中间反应又受到多个因素的影响和作用，因此要想精确控制其过程，是非常有挑战性的事。目前单单一个生物过滤过程就养活着全世界数十个科学家团队和实验室，足见其复杂程度。反过来也证明了，造物主对生物的精密雕琢远远超出我们的想象，世界的乐趣和多样性也正源于此。

言归正传。

氮的流转

氮元素是组成一切生物的基本元素之一，广泛存在于蛋白质、核酸、腺苷磷酸、吡啶核苷酸和色素当中。在水产环境里，氮也是养殖动物产生的废物中主要构成元素。含氮废物主要有四类，氨氮、尿素、尿酸和氨基酸。不同于人的代谢物终产物是尿素，鱼的代谢终产物是氨，由呼吸作用经鳃扩散交换入水体，尿液和粪便被微生物分解后也产生氨。因此对于养殖来说最关键的是氨氮、亚硝态氮和硝态氮。氨氮和亚硝态氮对鱼具有毒性，硝态氮相对无毒。

由于没找到能表达我的意思的图，于是自己上了，画工粗糙，还请见谅~

OK，上面这段话变成白话意思就是，不管你吃的饭，还是拉的粑粑撒的尿，基本成分都有氮。尽管表现形式不同，基本成分却一样，然而你能在佳肴满桌的厨房猫上一天，却很难在臭烘烘的茅房待上十分钟。鱼也是。

硝化作用和反硝化作用

我们要做的就是解决臭粑粑，怎么做呢？让细菌来解决。细菌这种无所不在、无所不能的家伙可以变废为宝，变害为益。

氨和亚硝酸盐可做为硝化细菌的食物，进而变成“无臭无味”的硝酸盐。氨被氧化为亚硝酸盐，进而氧化为相对无害的硝酸盐的过程被称作硝化作用。硝化作用由化能自养细菌完成。这是个好氧细菌，需要大量的氧气。一般水体交换的养殖系统中，硝酸盐的积累可以忽略不计。而在零交换水体当中，硝酸盐的高浓度会降低硝化反应的效率并产生一定的生物毒性。一般引入异养微生物将硝酸盐转化为氮气排出系统，这个过程被称为反硝化作用，一般为厌氧过程。至此，有害的氨氮最终变为无害的氮气被清除出系统。

如果你觉得有点绕，你可以简单理解为：假设你是个屌丝，在上海攒了好几年钱买了一个厕所。有天厕所堵了，臭气熏天，可是你还得住，怎么办，请水管工通一通吧。他来到你们家，把脏活累活都给办了，但是他要求很高，喝茶只喝龙井，抽烟只抽中华，不然就不干活。最后下水道不堵了，厕所不臭了，你开开心心买单，继续住厕所。

氨与pH值的关系

氨在水中有两种化学形态，离子氨和非离子氨（即水合氨），非离子氨具有毒性。氨在这两种形态间转换，在其他条件稳定的情况下，主要影响转换的因素是pH值和温度，具体信息大家可自行百度。海水里由于成分复杂，很难用唯一的公式或数值代表各种水体，但大多数情况下我们可以套用经验公式或经验表格来获得。

氨就像绿巨人浩克，正常时候很温顺（离子氨），暴躁起来破坏力十足（非离子氨），浓度高时对鱼有很强的毒性。咱们一般习惯保持水体在偏碱性，这会促进硝化反应的进行。而碱性环境下，pH越高，它脾气越暴躁，毒性越强，因此我们须控制在弱碱性为宜（pH < 8.5）。

好了，至此大家对生物过滤的基础理论知识应该有一个大概的概念了。我们如何在应用中实现它？

这是一个充满想象力的世界，不同的聪明人有不同的解决办法，也就诞生了众多的生物过滤解决方案。就好像大街上各式各样的汽车，同样四个轮子，却是龙生九子各有不同，而作为用户呢，也要根据自己的实际情况选择最合适的解决方案。

下节小课堂我们来重点说说实现生物过滤的两个重要部件，生物填料和曝气装置。


作者：循环水黑匣子 刀客特金


技术宅带你看循环水养殖中的控制系统—报警系统

上次我们说到循环水系统中设备故障与警报的关联设置，这次我们来梳理下水质参数与警报的设计思路。

首先我们总结下循环水养殖中可以做在线监测的水质参数：进水溶解氧，出水溶解氧，pH值，温度，盐度，水泵池液位，供水流量，补水流量，水中二氧化碳，空气中二氧化碳，浊度，氧化还原电位，氨氮值，亚硝酸盐。

这些参数中除了亚硝酸盐，其他的所有参数我们都有帮客户做过相关的应用。从经济实用的角度来说，浊度，氧化还原电位和氨氮值的在线监测是可以忽略掉的。浊度探头使用维护较为繁琐，而氨氮探头的价格高的离谱，同时检测的氨氮值受海水中盐度和钾离子的影响很大。因此不是特别推荐。

提到传感器，我不得不说一下，在之前接触过的很多客户中，大部分都装配了传感器监测，但是传感器的质量真心不敢恭维，有的检测数值会与实际数值相差一倍，有的用了一个月不到就完全失灵了。由于传感器在循环水系统中扮演着神经中枢的重要角色，所以我们在帮客户做解决方案时所选用的设备也是相当考究的，不光需要应对恶劣的海水环境，也要保证一个较长的校对周期。同时在我们的维护手册中也做出对于传感器的推荐维护方案，如每周清洗探头表面，每季度对传感器测试结果进行比对，按需进行重新校准等。

回归正题，我们可以将水质参数调控设备和警报的激活点设置为四点：高数值警报，高数值临界，低数值临界，低数值警报。这么说大家可能比较费解，我们可以通过每个参数逐一说明。


一. 进出水溶解氧：

氧气供给作为水产养殖中的重中之重，必须使用一套可靠的供给和监测设备。循环水常用的供养模式是在系统内部集中加氧，涉及的设备如风机，氧锥等。调控模式如下：
当氧气较低时（低数值临界），系统启动紧急供氧设备，无警报，通过自我修复的形式将氧气还原到正常水平。
当氧气过低时（低数值警报），系统启动声光及短信息警报，第一时间提醒用户检查供氧设备及传感器。
当氧气较高时（高液位临界），系统关闭紧急供氧设备，系统正常运行。
无需设置高数值警报上限。

一般情况下，循环水系统的供氧模块可设计为双通路，即日常供氧和紧急供氧。日常供氧为常开阀门，已确保养殖需求。紧急供氧为常闭阀门，为应急使用。

二. pH值：
很多刚接触循环水的客户很容易忽略掉对系统pH的调节。pH之所以会发生变化的主要原因是生物床中硝化细菌的工作结果。硝化细菌在处理氨氮的过程中，会产生酸性物质，将水中的pH降低。而一套稳定的循环水系统，pH值最好不变化或者少变化，所以我们不能使用区间式的设计思路，而需要对水中的pH进行持续性的调节。推荐使用的设备是计量泵，使用药剂为碳酸氢钠。根据每日的投喂量，估算出碳酸氢钠的用量，可在投喂后的3-5个小时内，用计量泵逐渐调节。我们只需要为pH值做紧急警报就好了：
当pH值过低时（低数值警报），系统启动声光及短信息警报。
当pH值过高时（高数值警报），系统启动声光及短信息警报。

三. 温度：

温度对水产养殖的重要性相信无需向大家赘述了，但是总会有客户问我，说有多大多大的水体，想维持在25度左右，需要订多大的温控设备。事实上选择一款非常合适的温控设备是有些复杂的，其中最主要的一个影响因素就是车间的保温情况，包括墙体的材质，保温材料的选择，厚度，通风情况，是否配备空气换热，另外系统水体总量，水面面积，水体循环量等等这些都会影响温控设备的选型。我会在以后的文章中单独和大家聊一聊温控系统的设计。关于温度和设备控制及警报的设计，思路还是比较简单的：

制热模式：
当温度较低时（低数值临界），温控设备启动，系统升温。
当温度较高时（高数值临界），温控设备停止，系统温度维持。
当温度过低时（低数值警报），温控设备持续启动，系统启动声光及短信息报警。
当温度过高时（高数值警报），温控设备强行关闭，系统启动声光及短信息报警。

制冷模式的设置和制热刚好相反即可。另外提醒大家一点，热泵设备是需要定期维护的，最好在换季切换冷热模式的时候。

四. 盐度：

一般情况下，循环水中的盐度是不会发生太大变化的。不过之前在有些地区，很多养殖户会用地下淡水进行控温，因此补水池中的盐度需要保持一个恒定值。设备调节和警报设计的思路也并不复杂：
当盐度较低时（低数值临界），海水电磁阀自动开启并计时关闭，提升盐度。
当盐度较高时（高数值临界），淡水电磁阀自动开启并计时关闭，降低盐度。
当盐度过低时（低数值警报），海水阀持续开启，系统启动声光及短信息警报。
当盐度过高时（高数值警报），淡水阀持续关闭，系统启动声光及短信息警报。

五. 水泵池液位：
为了能使循环水系统平稳持续的运行，一个足够大的水泵池是必备的，它可以很好的缓冲系统的流量变化和运行状态，同时提供给水泵一个安全的工况环境。大部分循环水设备中的水泵都采用了变频控制，我们在这里先讨论最基本的液位水泵关系，因为关于变频器的自动调控，是一门相当复杂的学问，使用得当的话可以实现很多有意思的功能，比如恒压系统，补水阀恒流量等等。但是作为循环水中最基本也是最需要的自控设备，我们可以这样设计：
当泵池液位较低时（低数值临界），水泵降速运行，补水阀开启，使回水获得更充分的空间。
当泵池液位较高时（高数值临界），水泵恢复正常速度运行，补水阀关闭。
当泵池液位过低时（低数值警报），水泵停止运行，补水阀保持开启，保护水泵避免干转，系统启动声光及短信息警报。
当泵池液位过高时（高液位警报），水泵正常速度运行，补水阀强行关闭，系统溢流，启动声光及短信息警报。

六. 供水及补水流量：
流量计的使用可以很好的监测系统的运行状态，包括系统的循环时间，以及系统每日的补水量。因为系统的缺水和溢流可以由液位传感器进行控制和报警，所以这里无需再做过多设置。

七. 水中二氧化碳：
除水中二氧化碳的设备通常被称作脱气设备。在低密度养殖中，它的作用不是特别明显。而在高密度养殖中，脱气设备的效率往往是成功养殖的胜负手。水中二氧化碳的形成不仅仅是鱼类呼吸的结果，硝化细菌的生长也有相当大的影响。我们在帮客户设计高密度系统时，通过特制水池和轴流风机的方式进行脱气。脱气流程也可以放在旁路进行：
当二氧化碳较高时（高数值临界），脱气设备启动。
当二氧化碳较低时（低数值临界），脱气设备停止。
当二氧化碳过高时（高数值警报），脱气设备持续开启，系统启动声光及短信息警报。

以上，我们将循环水系统中经常遇到的水质参数以及其对应的控制设备和警报设置帮大家简单梳理了一下。循环水系统是一个需要根据每位养殖厂和养殖户的情况订制的技术，总体思路大致相似，但是每家和每家的使用方式和设备耦合可能会千差万别。所以文中涉及的工作原理等等供大家参考，也希望大家可以多多交流，实践往往出真知。

最后想和大家说一句题外话，曾经有的客户和我说，我家的循环水系统，氨氮二点多，氧气不到五个，亚硝也不低，鱼照样长的好好的。我相信确实是真的，因为我们在PM2.5 300多的环境中也照样活得好好的：）

其实鱼类需要好的水质，但是更需要稳定的水质。如果氧气，氨氮等等保持在一个水平，即便稍稍有些偏离要求，只要数值稳定，鱼类也是可以健康生长的。而如果水质参数一天一个样，那么鱼类的抵抗力可能就会大幅度下降了。因为我们在设计系统，管理系统时，最重要的一点就是：稳定。

我是小梁，我是技术宅。

希望大家继续关注循环水黑匣子。

（文章来源：作者：循环水黑匣子 小梁）

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