本研究探讨了一种用于封闭式海水循环系统中脱氮的新方法，特别是在东京海洋生命公园这一大型水族馆中的应用。研究团队开发了一种采用乙醇填充的膜生物反应器（MBfR）模块，该模块通过双层结构设计，有效解决了传统脱氮技术在实际应用中的诸多问题。MBfR技术不仅能够降低海水采购成本，还能够在无需额外处理的情况下，将循环海水中的硝酸盐浓度维持在较低水平，从而提高水族馆系统的运行效率和环境可持续性。
在传统的水族馆系统中，海水的循环和净化是一个复杂且关键的过程。由于鱼类排泄的氨氮会迅速积累并可能达到有毒浓度，因此通常需要使用硝化过滤器将氨氮转化为硝酸盐。然而，硝酸盐的积累同样会对鱼类健康造成影响，因此常规做法是通过每日更换一定比例的海水来控制其浓度。这种方法在大型系统中不仅成本高昂，而且在远离海洋的地点实施更为困难。因此，寻找一种更高效、经济且易于操作的脱氮技术成为水族馆管理的重要课题。
生物脱氮作为一种替代方案，能够有效去除硝酸盐，同时减少海水采购需求。然而，传统的生物脱氮技术通常需要设置专门的缺氧区域，这与水族馆系统中维持的需氧环境不一致。缺氧条件的维持不仅增加了氢硫化物生成的风险，还可能破坏微生物群落的稳定性，进而导致病原体的爆发。因此，研究人员开始探索在需氧条件下进行脱氮的新方法，以简化系统操作并提高运行稳定性。
在这一背景下，研究团队开发了一种基于乙醇填充的MBfR模块。该模块采用双层结构设计，内层为聚乙烯（PE）薄膜袋，用于储存乙醇；外层为非织造布袋，用于支持脱氮生物膜的形成。通过这种设计，乙醇能够被缓慢释放并扩散到外层生物膜中，为脱氮细菌提供所需的电子供体。脱氮细菌在生物膜上附着并进行硝酸盐还原反应，将硝酸盐转化为氮气，从而实现脱氮目的。这种技术的优势在于，它能够在无需设置缺氧区的情况下进行脱氮，同时避免了氢硫化物的生成，提高了系统的安全性和稳定性。
在实际应用中，研究团队将这种MBfR模块安装在东京海洋生命公园的封闭式海水循环系统中。该系统总海水体积为214,000升，是该公园第二大的独立系统。通过在需氧条件下运行MBfR模块，系统能够有效维持硝酸盐浓度在20毫克氮/升以下，从而确保水质的稳定。此外，研究团队还发现，MBfR模块的运行效率较高，其平均单位面积脱氮速率为0.49克氮/平方米/天，单位体积脱氮速率为20克氮/立方米/天，同时保持了较高的化学需氧量（COD）与氮的比值，为15.2。这些数据表明，MBfR模块在大型水族馆系统中具有显著的脱氮能力。
为了进一步验证MBfR模块的长期运行稳定性，研究团队对系统进行了为期21个月的持续监测。在安装MBfR模块后，水族馆系统的运行未出现任何操作问题，且硝酸盐浓度始终保持在较低水平。此外，通过MBfR模块的运行，系统所需的淡水更换量显著减少。原本每日需要更换的海水体积为320,500升，而在MBfR模块投入使用后，这一数值降至75,979升，减少了77.3%。尽管鱼类投喂导致的氮负荷增加了1.7倍，但MBfR模块依然能够有效维持水质，这表明该技术具有良好的适应性和扩展性。
在实验过程中，研究团队还对MBfR模块的运行条件进行了详细分析。例如，通过空气曝气，确保脱氮罐中的溶解氧浓度维持在5.5毫克/升以上，这有助于维持微生物的活性并防止有害物质的积累。此外，MBfR模块的出水水质与常规鱼类养殖池的水质相当，仅在硝酸盐浓度上有所差异，这使得出水可以直接返回循环系统，无需额外处理。这种特性不仅提高了系统的运行效率，还减少了维护成本。
研究团队还探讨了MBfR模块在不同规模水族馆系统中的应用潜力。在之前的研究中，他们已经将MBfR模块应用于两个小型水族馆系统，包括一个小型鱼类系统和一个龙虾系统，并成功证明了其在防止硝酸盐积累方面的有效性。这些小型系统的成功应用为后续在大型系统中的实施提供了重要的参考。在本研究中，MBfR模块被安装在东京海洋生命公园的大型系统中，该系统不仅规模庞大，而且面临海水采购和运输的挑战。因此，MBfR模块的紧凑设计和高效运行成为解决这些问题的关键。
此外，研究团队还对MBfR模块的运行成本和环境影响进行了评估。由于MBfR模块能够有效减少海水更换量，因此在长期运行中，其经济性显著优于传统方法。同时，MBfR模块的运行不会对水族馆系统的其他部分造成干扰，能够与现有的水处理设施协同工作。这种协同效应不仅提高了系统的整体效率，还增强了其可持续性。
在技术实现方面，MBfR模块的设计考虑了实际应用中的各种限制因素。例如，为了适应空间限制，研究团队将MBfR模块安装在未充分利用的沙过滤罐中，无需进行大规模的结构改造。这种灵活的安装方式使得MBfR模块能够在不同类型的水处理设施中广泛应用。此外，MBfR模块的运行方式也经过优化，确保其能够在长期运行中保持稳定，不会出现性能下降或故障。
研究团队还对MBfR模块的运行过程进行了详细记录和分析。例如，在安装MBfR模块之前，系统进行了为期28天的适应期，以促进生物膜的形成。在适应期内，研究人员对海水中的氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐浓度进行了监测，并记录了其变化情况。这些数据为评估MBfR模块的脱氮效果提供了重要的依据。在适应期结束后，MBfR模块被集成到水族馆系统中，并在需氧条件下连续运行21个月，期间未出现任何操作问题。
在实际运行中，MBfR模块的性能表现令人满意。例如，系统能够有效维持硝酸盐浓度在较低水平，同时保持较高的脱氮效率。此外，MBfR模块的运行还减少了对新鲜海水的需求，降低了运输和采购成本。这些优势使得MBfR模块成为大型封闭式海水循环系统中脱氮的理想解决方案。
研究团队还对MBfR模块的长期运行稳定性进行了评估。例如，在21个月的运行过程中，系统能够持续保持良好的水质，硝酸盐浓度始终低于20毫克氮/升。此外，MBfR模块的运行未对鱼类健康造成负面影响，反而提高了系统的运行效率和环境友好性。这些结果表明，MBfR模块不仅能够在短期内有效去除硝酸盐，还能够在长期运行中保持稳定，为水族馆系统的可持续管理提供了有力支持。
在实际应用中，MBfR模块的安装和运行需要一定的技术支持和管理。例如，研究人员对MBfR模块的安装位置进行了优化，确保其能够在不影响其他系统组件的情况下正常运行。此外，MBfR模块的运行需要定期监测和维护，以确保其性能的稳定性。这些维护措施不仅提高了系统的运行效率，还延长了MBfR模块的使用寿命。
综上所述，MBfR模块作为一种新型的脱氮技术，在大型封闭式海水循环系统中展现出良好的应用前景。通过采用乙醇作为电子供体，MBfR模块能够在需氧条件下有效去除硝酸盐，同时避免了传统方法中的诸多问题。此外，MBfR模块的紧凑设计和高效运行使其能够在空间有限的情况下安装和使用，为水族馆系统的可持续管理提供了新的思路和解决方案。未来，研究团队将继续优化MBfR模块的设计和运行，以进一步提高其在实际应用中的效率和可靠性。
