生物填料在工厂化循环水养殖中的应用研究

引言：

我国作为世界领先的水产养殖国，无论是养殖面积还是产量，均处于全球领先地位。尽管如此，传统的海水养殖产业面临着水质污染、养殖密度过剩、饲料资源紧张、疾病防治不力以及生态环境影响等诸多挑战，这些问题的存在使其难以满足现代市场的需求和环保的标准。在此背景下，工厂化循环水养殖模式应运而生，它以其高度的可控性、适度的集约化以及生态环保等优势，契合了可持续发展的理念，成为了水产养殖向高端化转型的发展趋势。在工厂化循环水养殖系统中，水处理环节至关重要，而生物处理方法因其成本低、环保、可持续且效率高等特点，备受青睐。特别是生物填料，它在养殖水处理中发挥着不可或缺的作用，提供了丰富的表面积和空隙结构，为微生物提供了良好的生长繁殖环境。在水处理单元中，生物填料能够促进形成多样化的微生物群落，这些微生物通过代谢反应，有效利用水中的有机物质以及氮、磷等营养物质，降解有害物质，并将其转化为无害物质，从而推动有机物质的分解过程。

1 生物填料的种类

1.1 陶瓦

陶瓷生物填料，采用氧化铝、氧化硅等陶瓷材料为基础，制成具有多孔结构的一种生物填料。该填料具备较高的比表面积和孔隙率，这为微生物提供了丰富的附着区域，有利于其生长与繁殖。此外，陶瓷生物填料还展现出优异的耐腐蚀性能及较高的机械强度，使其能够在水质条件较为恶劣的环境中，长时间保持稳定运行状态。

1.2 活性石英砂

活性石英砂，作为一种高硅含量砂石材料，其特性表现为较高的比表面积和孔隙率，同时具备出色的化学稳定性和抗压强度。活性石英砂的细小颗粒表面为微生物提供了丰富的附着区域，这非常有利于微生物的附着与生长。此外，活性石英砂的耐腐蚀性优异，使用寿命长，且具有良好的抗堵塞性能，这些特性使得其在使用过程中能够有效降低养殖成本。

1.3 聚乙烯填料

聚乙烯填料作为一种高分子聚合物材料，其典型的外观构造为六角形或波状形态，内含众多孔隙及附着区域。该填料具备卓越的耐化学腐蚀性能和较高的机械强度，同时具有质轻、便于安装与清洗的特点。在循环水养殖系统中，该材料凭借其高孔隙率、优越的生物亲和性、良好的耐腐蚀特性以及出色的抗压能力，被广泛认可为理想的生物载体填料。

1.4 生物海绵填料

生物海绵填料属于一种具有多孔结构的海绵状高分子材料，其独特的孔隙构造赋予了其丰富的内部表面积，从而展现出优良的透气性，能够确保充足的氧气供应，进而促进微生物的繁衍与降解作用。该填料一般具备较高的氧化还原能力以及卓越的吸附特性，有效去除水体中的有机物质和氮类污染物。此外，生物海绵填料还表现出良好的耐腐蚀性能与抗压强度，使其具有较长的使用寿命和较强的耐用性。

2 生物填料的作用机制

2.1 硝化作用

硝化作用是指利用生物填料表面附着的微生物，对废水中氨氮进行生物化学氧化，进而转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。该过程可细分为两个连续的步骤：

（1）氨氮在氨氧化细菌的作用下被氧化成亚硝酸盐；

（2）亚硝酸盐在亚硝酸氧化细菌的作用下进一步被氧化成硝酸盐。这两个步骤共同构成了完整的硝化过程，对于废水处理具有重要意义。

2.2 反硝化作用

反硝化作用是一种生物化学过程，通过微生物的作用将硝酸盐还原为氮气或氮氧化物（例如亚硝酸盐、氮氧化物等）。该过程对于氮循环至关

重要，主要涉及以下两个步骤：

（1）硝酸盐还原：在此步骤中，反硝化细菌发挥作用，将硝酸盐还原为亚硝酸盐，或者进一步转化为亚硝酸盐和氮气的混合物。

（2）脱氮作用：接着，脱氮细菌将亚硝酸盐以及氮氧化物还原为最终的产物——氮气，从而实现氮的去除。

3 生物填料的作用特点及影响因素

3.1 作用特点

（1）高效性：得益于生物填料独特的材质构造，其富含众多孔隙与较高的比表面积，为微生物提供了丰富的附着区域和生长空间。这不仅促进了微生物群落的繁衍，而且增大了填料与养殖尾水的接触面积，从而显著提升了水处理效率。

（2）稳定性：生物填料能够为微生物提供优越的生长环境和必需的营养物质，有助于在填料表面形成稳定的微生物生物膜。同时，填料本身具备良好的耐久性和稳定性，不易受到外部环境因素的干扰，确保了处理过程的连续性和稳定性。

（3）经济性：与传统的化学或物理水处理方法相比，生物填料技术的运营成本和维保费用更为低廉，展现了其显著的经济优势。这一特点使其成为水处理领域的一种具有广泛应用前景的技术方案。

3.2 影响因素

（1）填料类别：各类填料针对不同污染物的去除效能互有差异，审慎选择适宜的填料类别能够显著提升净化成效。

（2）生物膜厚度：生物膜之厚度直接影响生物填料的去除效能，生物膜过厚或过薄均会对净化成效产生不利影响。

（3）温度与 pH 值：温度及 pH 值的不同对生物填料内微生物的生长与代谢具有显著影响。

（4）氧气补给：生物填料中的微生物生长代谢过程需要有充足的氧气供应，氧气供应不足将显著降低其净化效能。

（5）填料用量：填料的投放量越大，越有利于养殖水体中有机质及营养物质的吸附转化，然而填料过量将导致水流阻力增加，降低水体循环速率，进而使生物附着转化效率降低。

（6）养殖种类：不同养殖种类对水体中污染物质的种类与数量存在差异，因此需要筛选并采用适合特定养殖种类使用的生物填料。

4 结论与展望

生物填料作为一种环保且高效的水处理材料，在循环水养殖系统中已被广泛采用。通过优化其物理化学属性及生物特性，我们能够有效提升养殖效率，预防并控制水体污染，进而保护宝贵的水资源。展望未来，随着生物填料性能的持续提升和升级，如材料表面的改性处理、空间结构的优化等，其附着能力、自净能力以及耐久性等关键性能指标预计将得到进一步增强。此外，随着新型材料及技术的不断出现，例如基于纳米技术的生物填料开发、利用基因编辑技术对菌群进行改良等，生物填料在未来的发展空间仍然巨大。

参考文献：

[1]赵峰源,贾磊,崔培,等.生物填料在工厂化循环水养殖中的应用研究[J].水产研究, 2023, 10(4):135-139.DOI:10.12677/OJFR.2023.104016.

[2]周子明,李华,刘青松,等.工厂化循环水养殖系统中生物填料的研究现状[J].水处理技术, 2015, 41(12):5.

[3]何春丽.循环水养殖生物氧化系统构建及效果研究[D].大连海洋大学[2024-12-27].DOI:CNKI:CDMD:2.1014.035839.

作者简介：陶佳杰（1986.12--）男，汉族， 湖北武汉人，本科，机械工程师，主要研究方向：智慧渔业、水产设施化装备、工厂化循环水养殖系统。