傳統水產養殖業因占地面積大，適合養殖的地域有限，易受地理氣候條件影響及越來越嚴重的環境問題和水產品安全性問題，已經難以實現可持續性的發展。在此背景下，具有節水、節地、產品質量高度可控性和可追溯性等優點的循環水養殖系統日益引起關注。在歐洲等部分發達國家，在其商業化的成魚和育苗系統中已全部采用循環水養殖技術。

在廣大科技工作者的努力下，我國的循環水養殖產業也得到了一定程度的發展，從基礎理論、裝備集成創新、商業化養殖系統構建等各層面均取得了一定成果。現就應用生物反應器去循環水養殖系統中硝酸鹽氮的技術作詳細的介紹和探討。

一、循環水養殖系統硝酸鹽氮的產生及其影響

水處理技術是循環水養殖系統的關鍵，在循環水養殖系統的水處理技術中，主要是通過生物過濾器的硝化作用將氨態氮轉化為硝酸鹽氮，從而導致水體中積累很高的硝酸鹽氯濃度。據報道系統中硝酸鹽氮濃度可達400~500毫克升。

相對于氨氮和亞硝態氮而言，硝酸鹽氮對養殖對象的毒性相對較低，但是大量研究表明，高濃度硝酸鹽氮也會影響養殖對象的生長，造成水生動物的生長速度降低、易患病、成活率降低等，甚至是中等濃度的硝酸鹽氮(30~60毫克升)也會影響養殖對象的組織發育和激素分泌，導致體質變弱甚至死亡。同時，高濃度硝酸鹽氮含量的養殖水體與環境受納水體進行交換，也是引起水體富營養化和地下水硝酸鹽含量超標的因素之一。

因此，研究者認為將循環水養殖系統中的硝酸鹽氮濃度控制在50毫克升以下為較理想。可以認為，對于一個真正“零交換”的閉合循環養殖系統而言，脫氮功能單元是必須在系統的整體設計實施中加以構建的。

二、生物反應器脫氮的主要影響因素

1、溶解氧

循環水養殖系統常采用純氧、液體氧通過氣水混合器輸入養殖池中，以滿足飼養對象的生長要求，一般溶解氧多在4毫克升以上。但多數反硝化細菌在完全好氧的條件下，不能合成完整的反硝化酶系統，所以一般情況下反硝化作用在厭氧或者兼性厭氧狀態下進行。
因此，進行反硝化時需要先去除氧氣，溶解氧控制在0.5毫克升為宜，處理好后再重新充氧。已經有研究者開始研究循環水養殖系統的有氧反硝化，并取得了一定的研究成果。

2、水力停留時間

大量實驗和實踐經驗證實，反硝化反應進行的時間對處理效果影響很大，水力停留時間越長，硝酸鹽氮去除率越高，水產養殖活動的連續性要求水產養殖用水反硝化處理的連續性。反硝化反應裝置的水體停留時間不宜太長，以適應生產的連續進行。

3、溫度

溫度對反硝化的影響主要是使反硝化細菌的生長速率降低，同時使菌體的代謝率降低，從而降低了反硝化速率。反硝化反應的適宜溫度為15~35℃，當溫度低于10℃，反硝化速率明顯下降，溫度低于3℃，反硝化作用停止，因此必須注意溫度的控制。

4、pH

反硝化的pH范圍是在7.0~8.0之間，當環境中的pH偏離這佳值，反硝化速率逐漸下降。環境中的pH不僅會影響反硝化速率，面且也影響到反硝化的產物。當pH低于6.0-6.5時，產物以氧化氮占優勢。當pH>8時，會出現亞硝酸鹽氮的積累，當pH越高時，積累愈嚴重。

5、碳源

異養反硝化過程需要有機碳源，可以被反硝化細菌所利用的碳源是多種多樣的，一般認為，當廢水中所含的碳(BOD3)、氮比值大于3時，無須外加碳源，即可達到脫氮的目的。水產養殖飼料中一般蛋白含量在40%左右，脂肪含量在30%左右。經過飼養對象的消化吸收和微生物的轉化，水體中一般碳、氮比值在1-2之間，所以需要對循環水養殖系統的水體進行預處理，比如添加有機碳源的方式或者進行自養反硝化。

三、生物反應器脫氮方法

1、異養反硝化

異養反硝化工藝指缺氧條件下異養菌將硝酸鹽氮轉化為氮氣的過程，同時需要有機碳源作為電子供體，用于產能和細胞合成的一類工藝異養反硝化細菌在硝酸鹽轉換過程中是十分有效的，已成功應用于各種廢水處理領域，各種工藝設計參數較多。國外循環水養殖系統的脫氮功能大多依據異養反硝化完成，在去除水體硝酸鹽氮的同時產生堿度，從而彌補系統中因硝化作用而引起的pH下降。

然而若需完成異養反硝化，水質中碳、氮比值需達3-6，針對循環水養殖系統水體的碳氮比值比較低的水質特點，在脫氮過程中需要投加有機碳源。在異養反硝化系統中投加甲醇等液體碳源存在過量的風險，也對系統的穩定運行和維護提出較高要求，尤其在循環水養殖系統硝酸鹽氮存在波動的情況下，碳源投加量的調控更加困難。棉花、麥稈等固體碳源可以降低運行成本但也因為存在碳源釋放效率低并且成分復雜，在去除硝酸鹽的同時易污染出水水質。

2、自養反硝化

自養反硝化工藝是指氨氮轉化為氮氣的過程全部是由自養菌完成，整個過程不需外加任何可生物降解有機碳化合物的一類工藝。自養反硝化不需向反應器中投加有機碳源，只靠碳酸鹽或重碳酸鹽為碳源，利用無機物作為硝酸根還原的電子供體，由自養反硝化菌將硝酸鹽還原為氮氣。與異養反硝化相比，自養反硝化不需要向水體引入有機物，可避免對養殖水體的再次污染。自養反硝化有兩個優勢:(1)不用外加有機碳源，進而降低成本;(2)產泥量少，減少對出水水質的影響

3、厭氧化

厭氧氨氧化工藝是指在厭氧環境中，同時存在氨氮和亞硝酸鹽氮時，厭氧氨氧化細菌利用氮氮作為電子供體，亞硝酸鹽氮作為電子受體產生氮氣的生物反應。與其他脫氮工藝相比較，厭氧氨氧化實現了氨氮的短途徑化，具有不需要外加電子供體、不產生堿度、產泥少等優點，但其工藝要求亞硝酸鹽氮的穩定積累，厭氧氨氧化菌對環境要求苛刻，反應器種類及構型也會影響厭氧氨氧化過程的脫氮效率，使得厭氧氨氧化過程的啟動和穩定運行面臨很多困難，限制了其在水體脫氮中的推廣應用。

如若將其應用于循環水養殖系統，該技術還需解決一些迫切需要解決的問題，比如：厭氧氨氧化的脫氮機理、動力學及細菌方面的研究目前很大程度上尚處于推測階段，有待進一步的認識和了解；接種污泥來源與縮短反應器啟動時間、工藝參數和運行邊界條件的控制因素等都還需要進行更為細致的研究。

近來，國內外研究者開始關注循環水養殖系統中脫氮的研究，在應用生物反應器脫氮技術去除硝酸鹽的研究上已經有所進展，但這些研究大部分停留在實驗室小試階段，對于商業規模的循環水養殖系統，還缺少實踐的檢驗，在開發高效、穩定、低成本的商業性反硝化設備方面，尚需要開展大量的、有針對性的基礎研究。