徐建平，趙 越，李 賢，張延青，劉 鷹

(1中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，中科院實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；4 大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連116023)

循環(huán)水養(yǎng)殖可通過(guò)工業(yè)化手段調(diào)整、控制水質(zhì)環(huán)境和供給營(yíng)養(yǎng)，具有節(jié)省水資源、環(huán)保、可控等諸多優(yōu)點(diǎn)，是陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展的重要方向之一[1]。生物濾器作為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)核心的水處理單元，其穩(wěn)定高效的運(yùn)行是循環(huán)水養(yǎng)殖成功的前提之一[2]。流化床(MBBR)是一種新型的生物濾器，在挪威、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家早已被應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中[3]，國(guó)外許多養(yǎng)殖企業(yè)的成功應(yīng)用表明，流化床生物濾器具有極佳的硝化性能[4]，而國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其開(kāi)展的研究相對(duì)較少[5]。張海耿等[6]對(duì)流化床的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并研究新型流化床生物濾器的水處理能力。柳瑤等[7-9]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)流化床的流化狀態(tài)進(jìn)行研究，并探討膨脹率和C/N對(duì)流化床水處理效果的影響。流化床生物濾器濾料表面附著微生物的生長(zhǎng)、繁殖與周圍環(huán)境的pH密切相關(guān)[10]。另外，pH變化會(huì)引起水環(huán)境中游離氨(FA)質(zhì)量濃度的變化，一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)的FA會(huì)對(duì)氨氧化細(xì)菌(AOB)或者亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)的活性產(chǎn)生抑制作用，F(xiàn)A對(duì)AOB和NOB的抑制質(zhì)量濃度分別為10～100 mg/L和0.1～10 mg/L[11]。要保證生物濾器穩(wěn)定高效的運(yùn)行，就要為AOB和NOB等微生物創(chuàng)造適宜的pH環(huán)境。目前，關(guān)于pH對(duì)生物濾器硝化性能的影響報(bào)道較多，但是進(jìn)水pH對(duì)流化床生物濾器啟動(dòng)階段構(gòu)建硝化功能的影響研究未見(jiàn)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的簡(jiǎn)易流化床生物濾器循環(huán)水系統(tǒng)，圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。試驗(yàn)裝置整體材質(zhì)為有機(jī)玻璃，主要分為儲(chǔ)水箱和生物濾器兩部分。儲(chǔ)水箱分為高位水箱和低位水箱，高位水箱高40 cm，低位水箱高60 cm，內(nèi)徑均為11 cm，總有效體積約8.0 L。生物濾器高50 cm，內(nèi)徑10 cm，有效體積約3.5 L。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，低位水箱中的水由潛水泵提升至高位水箱，再由高位水箱流入流化床生物濾器，經(jīng)生物濾器處理后流回低位水箱，完成一次循環(huán)。生物濾器使用直徑2.5 cm、厚度0.4 cm的64孔環(huán)形塑料懸浮填料，填料有效表面積約1 200 m2/m3。生物濾器填料填充率為30%。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental device diagram

1.2 試驗(yàn)用水

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 進(jìn)水pH對(duì)流化床生物濾器掛膜啟動(dòng)的影響

1.3.2 pH對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的流化床生物濾器硝化性能的影響

1.4 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定和數(shù)據(jù)分析

1.4.1 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

1.4.2 數(shù)據(jù)分析

η=(c進(jìn)-c出) /c進(jìn)×100%

(1)

R=(r1+r2+r3+r4)/4

(2)

R—TAN平均降解速率；r1、r2、r3、r4分別為T(mén)AN在前1、2、3、4 h內(nèi)的平均降解速率，mg/(L·h)。

數(shù)據(jù)分析采用SPSS18.0進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用 Duncan 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)水pH對(duì)流化床生物濾器掛膜啟動(dòng)的影響

2.1.1 pH對(duì)TAN處理能力的影響

生物濾器掛膜啟動(dòng)階段，不同pH條件下生物濾器對(duì)TAN的去除情況如圖2所示。

圖2 生物濾器掛膜階段氨氮的去除情況Fig.2 Removal of TAN in the stage of biofilm formation in biofilter

圖2整體趨勢(shì)可見(jiàn)，流化床生物濾器在掛膜啟動(dòng)階段對(duì)TAN的處理能力主要分為3個(gè)時(shí)期：上升期(0～40 d)、下降期(40～57 d)和穩(wěn)定期(57～99 d)。上升期，生物濾器對(duì)TAN的去除效率快速升高；下降期，去除效率出現(xiàn)下降現(xiàn)象；穩(wěn)定期，去除效率基本保持穩(wěn)定。上升期，除第1、19、26、40天外，其他時(shí)間點(diǎn)pH 7.5處理組對(duì)TAN的去除效率顯著高于其他3個(gè)處理組(P<0.05)；下降期，在第43、57天時(shí)pH 7.5處理組對(duì)TAN的處理效率顯著高于pH 7.0、pH 8.5處理組(P<0.05)，其他時(shí)間點(diǎn)各處理組對(duì)TAN的處理效率無(wú)顯著差異(P>0.05)；穩(wěn)定期，4個(gè)處理組生物濾器對(duì)TAN的去除效率均穩(wěn)定在80%以上，pH 7.5和pH 8.0處理組生物濾器對(duì)TAN的平均去除效率高于pH 7.0和pH 8.5處理組，但差異不顯著(P>0.05)。pH 7.5處理組第29天時(shí)對(duì)TAN的日處理效率達(dá)到80%以上，啟動(dòng)50 d左右處理效率基本穩(wěn)定；pH 8.0處理組對(duì)TAN的日處理能力僅次于pH 7.5處理組，在第36 天時(shí)對(duì)TAN的處理效率達(dá)到80%以上，啟動(dòng)61 d左右處理效率基本穩(wěn)定。pH 7.0和pH8.5處理組在第71天后對(duì)TAN的日處理效率基本穩(wěn)定。

圖3 生物濾器掛膜階段亞硝酸鹽氮的去除情況Fig.3 Removal of in the stage of biofilm formation in biofiltor

2.2 pH對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的流化床生物濾器硝化性能的影響

2.2.1 pH對(duì)處理TAN的影響

圖4為生物填料掛膜成熟穩(wěn)定后不同pH條件下流化床生物濾器中TAN質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，各處理組的生物濾器對(duì)TAN都有較好的處理效果，pH 7.5、pH 7.7和pH 8.0處理組相對(duì)pH 7.0和pH 8.5處理組生物濾器TAN的去除能力更強(qiáng)。其中，pH 7.7處理組對(duì)TAN的去除效果在30～240 min，顯著優(yōu)于pH 7.0和pH 8.5處理組(P<0.05)，而pH 7.5、pH 7.7和pH 8.0處理組之間，pH 7.0、pH 8.5處理組之間，生物濾器對(duì)TAN的去除能力沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。各處理組對(duì)TAN的平均去除速率如圖5所示。pH 7.7處理組TAN去除速率為(0.58±0.020) mg/(L·h)，pH 7.0、pH 7.5、pH 8.0和pH 8.5處理組TAN的去除速率分別為(0.48±0.018) mg/(L·h)、(0.53±0.019) mg/(L·h)、(0.51±0.028) mg/(L·h)和(0.49±0.019) mg/(L·h)。pH 7.7處理組TAN的去除速率比pH 7.0和pH 8.5處理組分別提高14.53%和12.90%，比pH 7.5和pH 8.0處理組提高4.91%、9.87%。

圖4 成熟膜系統(tǒng)中氨氮質(zhì)量濃度變化情況Fig.4 Changes of TAN concentration in mature membrane system

圖5 不同pH條件下成熟膜系統(tǒng)中氨氮的平均降解速率Fig.5 Average degradation rate of TAN in mature membrane system under different pH conditions

圖6 成熟膜系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化情況Fig.6 Changes of concentration in mature membrane system

3 討論

3.1 進(jìn)水pH對(duì)流化床生物濾器掛膜啟動(dòng)的影響

3.2 pH對(duì)流化床生物濾器硝化能力的影響

3.2.1 pH對(duì)TAN處理能力的影響

養(yǎng)殖系統(tǒng)水環(huán)境中的無(wú)機(jī)氮主要為氨氮[19]，氨氮質(zhì)量濃度超標(biāo)會(huì)影響?zhàn)B殖生物的正常生長(zhǎng)，甚至?xí)?dǎo)致死亡，造成經(jīng)濟(jì)損失[20]。降低并有效控制養(yǎng)殖水體中的氨氮質(zhì)量濃度是循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的保障。從生物濾器掛膜啟動(dòng)階段以及成熟穩(wěn)定運(yùn)行階段可以看出，隨著pH的增大，TAN的處理效率先增大后減小[21]，其中生物濾器在pH 7.5～pH 8.0條件下對(duì)TAN有較高的處理效率，這與徐婷等[22]得到的結(jié)論(pH 7.3～pH 8.0的TAN降解率最大)十分相近。有研究發(fā)現(xiàn)，AOB在pH 7.4～pH 7.8時(shí)活性最強(qiáng)[23]。通過(guò)研究不同pH對(duì)生物濾器穩(wěn)定后硝化能力的影響發(fā)現(xiàn)，在pH 7.7時(shí)TAN的處理效率最高。本研究結(jié)論與姜體勝等[24]的研究結(jié)果(pH 7.74時(shí)活性污泥的硝化能力最強(qiáng))十分相近。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，pH 7.7處理組TAN的降解速率比pH 7.5、pH 8.0處理組分別提高4.91%、9.87%，由此證明，相較于pH 7.7～ pH 8.0，pH 7.5～ pH 7.7時(shí)生物濾器運(yùn)行更加穩(wěn)定，更有利于氨氮的降解。

4 結(jié)論

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