良好的水环境是鱼类生存的基础，水质情况的好坏直接影响鱼类及其他水生生物的生存、生长和发育。水体的水处理是尤为重要，水处理系统地健全与否，直接关系到水生生物饲养的健康及展示效果。各水族馆中水处理系统由很多部分组成，由于受各自条件的影响，各不同水族馆的维生系统千差万别，归纳起来由一下几部分组成:过滤系统、杀菌系统、温控系统、硝化与反硝化系统（特指内陆海洋馆）和自动控制系统。在此处主要针对过滤系统（包括物理过滤系统、化学过滤系统和生化过滤系统）地配置和选型原理及各组成部分的动力设备进行讨论。

生化过滤系统

      通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的方法。要维持一个良好的水质条件(特别是海水环境 )，生化过滤系统是不可或缺的，与前述过滤系统不同的是，生化过滤不能去除废物，但能改变某些物质的化学结构，进而转化成较不具毒性的物质，一般是把水体中的有毒性含氮废物如 NH3、N02^‑。转化成毒性较弱的N03^-或 N2 而逸入水中，主要由水中生物经过矿化作用，硝化作用，异化作用及同化作用等4个步骤来完成。
 

1  矿化作用(氨化作用)

      有机氮化合物在氨化菌作用下，分解转化为氨氮，称“氨化反应”。氨化是脱出羧基和氨基的过程。生物滤池中的矿物化由异养菌(Heterotrophicbacteria)来承担，其主要作用是分解养殖系统中的有机物，如鱼的排泄物、残饵、其他微生物的细胞等。在这个过程中，复杂的大分子有机物被分解为简单的无机物，如蛋白质分解为氨基酸，并最终分解为氨氮，碳水化合物分解为二氧化碳和水。

                                

                                               氨化菌

             RCHNH2 COOH + 02                 → NH3 + CO2↑+ RCOOH

 

      氨化菌是异养菌，有好氧菌、也有兼性菌和厌氧菌。因此有机氮很容易被氨化。生物过滤主要是依靠细菌和藻类来完成，’而细菌又分自营性细菌一利用无机物作为能量来源，异常性细菌一利用有机物作能量来源，矿化作用是一个将有机物质分钟成为无机状态的过程，因此需异营性细菌来完成。        

      当异营性细菌以水中氨基酸作为能量来源时，可以通过氨基转换作用，脱氢作用(把氮变成氨)吸脱羧作用将氨基酸转变成有机酸，当异营性细菌将含氮有机物转成无机态物质后，将进入下一阶段的硝化作用。

      影响矿化作用的因素主要是细菌的附着基质及其所能提供的附着面积。

 

2  硝化作用

      由种类非常有限的自养微生物完成，分两步：一、亚硝酸菌利用氧将氨氮转化为亚硝酸氮；二、硝酸菌利用氧将亚硝酸氮转化为硝酸氮，这一过程统称硝化。

                                                                  亜硝酸菌

                                           NH4⁺1.5O2               → NO2^- +H20 +2H⁺

 
                                                                    硝酸菌
                                            NO2^- + 0.5O2               → NO3^-
 
                                                                 硝化细菌
总反应方程式：                      NH4⁺ +202               → NO3^-  +H20 +2H⁺
 

      硝化作用的目的是把毒性较强的氨氮(NH3-N)及亚硝酸氮(N02^_N)转化成毒性较弱的硝酸态氮(N03^-N)。主要有两类细菌来完成，即亚硝酸菌类(Nitrosomohas．spp)和硝化菌类(Nitrobacter．spp)。亚硝酸菌和硝酸菌均为化能自养菌，统称硝化细菌。属革兰氏染色阴性、不生芽孢的短干菌和球菌，以C02为碳源，从无机物的氧化中获取能量。生长速率很低(因为NH4⁺-N和N02^-N氧化过程产能底)。硝化作用会受到温度、PH值、溶氧、氨和亚硝酸的影响。温度愈高，可使硝化作用的活性增加，但这不表示温度越高越好，因为温度越高，溶氧的饱和度会降低，因此硝化作用仅能在温度与溶氧之间取得一个平衡关系以获得最高的效率。一般的建议是以不超过30℃，不低于20℃为原则。在一般的生物处理程序中，硝化反应系统受pH影响很大。硝化细菌在生长过程中会消耗大量碱度，故pH稍高于7～8，有利于硝化作用。一般的建议是以介于7．5～8．2之间最佳，若高于9．0或低于6．0都要避免，因为那已超过硝化细菌正常生长的范围，必然会影响硝化作用的效率。当溶氧(DO)浓度低时，硝化反应受溶氧浓度影响很大。但在一般的生物处理程中，溶氧则较不容易控制，因此必须作处理水之溶氧测试，并控制至少不低于2～3ppm的范围内。分子性的氨和游离的亚硝酸均会对硝化反应产生抑制作用。分子性的氨浓度如果高于10一-150ppm，可能对亚硝酸化作用产生抑制作用，高于0．1～1．0ppm对硝酸化作用即产生抑制作用。亚硝酸浓度若大于0．22--一2．8ppm亦会抑制硝酸化作用。碳氮比：硝化细菌之存在比率取决于污水中含碳物质及含氮物质之相对数量。含氮营养物浓度之测定可利用凯氏法(Kjeldahl method)测得所谓的总凯氏氮(Totol KjeldahlNitrogen)，简称TKN，其值包含氨及有机氮化物。含碳物质浓度之测定可利用生化需氧量BOD(Biochemical OxygenDemand)行之，它代表有机污染之程度。BOD／TKN简称碳氮比。碳氮比愈高，异营性氧化菌的活性较大，大量繁殖，消耗溶氧速率快，使硝化细菌无法生存竞争。反之，如果碳氮比愈低，则有利于硝化细菌之增殖。水中的有毒物质。所有抑制NI-13-N和N02N氧化的物质都会抑制硝化细菌的生长和繁殖，如药物、污染物、硫化氢及氨等。因为硝化菌必须先附着于滤床有机物上才能分解水中的DOC，所以若水中可供细菌附着的表面积增加，硝化作用也会增加。

 

3  异化作用(反硝化作用)

      反硝化细菌——异养兼性厌氧菌，自然界很多。包括变形杆菌、假单胞杆菌、小球菌。在有分子氧(02)存在时，利用02呼吸降解有机物，无02时利用N02。、N03‘作为电子受体。

                                                           反硝化菌

             NO2^-  +3H(电子供体—有机物）              → 0.5N2↑+ H20 + OH^-
                                                            反硝化菌
            NO3^-  +5H(电子供体—有机物）               → 0.5N2↑+ 2H20 + OH^-
 

      硝酸盐的异化作用(或称呼吸作用)是一个把N03-N转变成N0^2--N，NH³-N，N02或N2的过程，若最终产物是N20或N2，则这一过程也被称为去氮作用。影响异化作用的因子：温度影响反硝化细菌的比增长速率，及活性。研究人员认为去氮作用的细菌在温度介于5—27℃时都可以发挥作用。PH值一般正常的PH值范围在5．9—9．2之间，但PH值除了会影响细菌的活性之外，也影响到去氮作用的最终产物。在PH>7．3时，其最终产物为N2，而低于此PH值的最终产物则是N20。溶解氧(DO)异化作用主要在无氧状态下产生，因此其最适宜条件与硝化作用相反。抑制反硝化菌活性，与硝态氮竞争电子供体。一般DO <0．3mg/L。碳源在水体中移出含氮废物可分成两个阶段，一是在有氧状态下，进行硝化作用；二是在无氧状态下加入碳源以刺激去氮作用。C/N比：理论上，还原1g硝酸氮——需要碳源2．86g(BOD5)，一般原水中的都不够。

      有毒物质：反硝化细菌抗毒性能力>硝化细菌，与一般好氧异养菌相同。所以毒性瓶颈在消化过程。

      在一个开放水域或户外养殖地，水中藻类在去氮作用中也占有重要角色，这是由于水中藻类或植物利用水中的氮、磷来作为其营养元素。