李 葉 , 杜以帥 , 徐建平 , 邱天龍 , 周 利 , 孫建明

(1. 中國科學(xué)院 海洋研究所 實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 3. 中國科學(xué)院 海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(recirculating aquaculture system, RAS)利用一系列的水處理設(shè)備去除養(yǎng)殖水體中的有害物質(zhì), 實(shí)現(xiàn)水體的重復(fù)利用[1], 具有高效節(jié)水、環(huán)保、可控等諸多優(yōu)點(diǎn), 是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要方向之一[2-3]。RAS中養(yǎng)殖生物產(chǎn)生的代謝廢物以及殘餌是養(yǎng)殖水體的主要污染源[4]?？偣腆w懸浮物(total suspended solids, TSS)在RAS中的積累和分解礦化, 會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖水體中氨氮、亞硝酸鹽氮和化學(xué)需氧量濃度升高[5-6], 從而影響?zhàn)B殖系統(tǒng)的負(fù)載及生物濾器的硝化功能[7]。因此, 快速去除RAS中的固體懸浮物, 對維持系統(tǒng)凈化效果, 避免水質(zhì)下降, 保證養(yǎng)殖生物健康生長至關(guān)重要。生物濾器是RAS成功運(yùn)行的關(guān)鍵, 對于養(yǎng)殖水體的凈化和循環(huán)再利用起到關(guān)鍵作用[8]。

固定床生物濾器比懸浮式生物濾器更穩(wěn)定, 應(yīng)用更加廣泛[9-11]。傳統(tǒng)的固定床生物濾器類型多樣,其中浸沒式生物濾器具有截留懸浮物、高效可控的優(yōu)點(diǎn), 但由于易堵塞、水流分布不均勻、老化菌膜不易排除等缺點(diǎn), 限制了其廣泛應(yīng)用[12-13]。本實(shí)驗(yàn)研究的固定床生物濾器是一種改進(jìn)設(shè)計(jì)的具有自潔功能的固定床生物濾器, 其不僅具有懸浮物截留功能,還可通過自清洗功能克服上述缺點(diǎn), 但不同清洗頻率對自潔生物濾器的水處理能力影響尚未明確, 因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的清洗頻率, 探討清洗頻率對生物濾器水處理性能的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為三套掛膜成熟的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng),結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示, 裝置由微濾機(jī)過濾裝置、蓄水池、自潔生物濾器、清洗裝置和養(yǎng)殖池組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Experimental device diagram

微濾機(jī)過濾裝置為轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī), 網(wǎng)目250目。蓄水池為圓柱形, 直徑80 cm, 高80 cm, 容積為400 L。生物濾器為圓柱形, 直徑為40 cm, 高180 cm, 由PVC材料制成, 在底部安裝篩板以支撐生物填料。生物填料為纖維球, 其具有截污能力強(qiáng)、過濾精度高等特性[14], 填料比表面積為3 000 m2/m3, 填充率為100%。清洗裝置由PVC材料制成, 下方連接篩板,上方連接電機(jī), 中間支柱部分直徑為10 cm, 高為160 cm, 中間支柱周圍制成螺旋形狀, 并采用上流式旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)填料, 轉(zhuǎn)速控制在0.5 r/s。自潔生物濾器清洗時(shí), 清洗裝置由生物濾器頂部電機(jī)帶動(dòng), 采用上流水方式攪動(dòng)填料, 同時(shí)電動(dòng)閥開啟, 生物濾器出水流向微濾機(jī), 利用微濾機(jī)濾除生物濾器中經(jīng)生物膜絮凝的固體顆粒物。養(yǎng)殖池的直徑為100 cm, 水位高為50 cm, 容積為300 L, 每組設(shè)3個(gè)平行。系統(tǒng)利用液體流量計(jì)以精確控制流量, 確保每個(gè)養(yǎng)殖池水力負(fù)荷相同。

1.2 實(shí)驗(yàn)負(fù)載

養(yǎng)殖過程中的主要負(fù)載是未被攝食的殘餌和養(yǎng)殖生物的糞便。為了真實(shí)還原實(shí)際生產(chǎn)養(yǎng)殖過程, 本實(shí)驗(yàn)所用養(yǎng)殖負(fù)載是養(yǎng)殖場中所收集的凡納濱對蝦的殘餌、糞便, 每日將養(yǎng)殖負(fù)載定時(shí)、定量向養(yǎng)殖池添加, 每個(gè)養(yǎng)殖池每天大約添加干重100 g, 每套系統(tǒng)每天共加入干重300 g。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用三組掛膜成熟的自潔生物濾器裝置,自清洗頻率分別設(shè)置為0.5次/d (S1)、1次/d (S2)、2次/d (S3), 每組進(jìn)水流量為900 L/h, 養(yǎng)殖系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)為1.5次/h。每天在添加實(shí)驗(yàn)負(fù)載前, 分別在生物濾器的進(jìn)水口、出水口取水樣, 自清洗10 s后在生物濾器出水口取水樣, 進(jìn)行各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的檢測,包括氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總固體懸浮物、化學(xué)需氧量。實(shí)驗(yàn)為循環(huán)水系統(tǒng), 由于同一時(shí)間點(diǎn)生物濾器進(jìn)出水口的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度差異小, 因此實(shí)驗(yàn)取生物濾器的進(jìn)水口水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)期間溶氧(DO)保持在7.0~9.0 mg/L,溫度為15~19 , ℃ 鹽度為20, pH為7.7~8.1。

1.4 水質(zhì)指標(biāo)測定與數(shù)據(jù)分析

1.4.1 水質(zhì)指標(biāo)測定

水質(zhì)指標(biāo)的測定參照海洋監(jiān)測規(guī)范(GB 17378.4—2007)及其優(yōu)化方法, 氨氮采用納氏試劑比色法[15],亞硝酸鹽氮采用萘乙二胺分光光度法[16], 硝酸鹽氮采用紫外分光光度法[17], 總固體懸浮物采用重量法,化學(xué)需氧量采用堿性高錳酸鉀法[16], DO、溫度、pH采用YSI—556(美國)多參數(shù)水質(zhì)分析儀檢測。

1.4.2 數(shù)據(jù)分析

生物濾器污染物的去除量R和去除率η的計(jì)算公式如下:

式中,R為污染物去除量, mg/L;η為污染物去除率, %,c1為生物濾器進(jìn)水中污染物的平均質(zhì)量濃度, mg/L;c2為生物濾器出水中污染物的平均質(zhì)量濃度, mg/L。

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 采用單因素方差分析(One-way ANOVA)評(píng)價(jià)相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)顯著性差異水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±S.D.), 顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 清洗頻率對生物濾器硝化性能的影響

清洗頻率對生物濾器氨氮變化的影響如圖2a所示。圖中顯示三個(gè)處理組中的氨氮濃度變化趨勢基本一致, 均是先升高后降低最后趨于穩(wěn)定。S2處理組和S1處理組均在實(shí)驗(yàn)第8 d達(dá)到了氨氮濃度的最大值, 第8 d之后S2處理組和S1處理組的氨氮濃度迅速下降, 且S2處理組比S1處理組氨氮濃度降低的速度快。S3處理組在實(shí)驗(yàn)第6 d氨氮濃度達(dá)到最高, 且達(dá)到的最高氨氮濃度比S2處理組和S1處理組低, 第6 d之后S3處理組氨氮濃度開始下降, 實(shí)驗(yàn)最后兩天三個(gè)處理組的氨氮濃度降為0.04 mg/L左右, 差異性不顯著(P<0.05)。S3處理組的氨氮下降時(shí)間比S2處理組和S1處理組提前兩天。

圖2 不同清洗頻率實(shí)驗(yàn)組氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮變化Fig. 2 Changes of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen and nitrate nitrogen in different cleaning frequency test groups

清洗頻率對生物濾器亞硝酸鹽氮變化的影響如圖2b所示。圖中顯示三個(gè)處理組的亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢均先升高后降低最后趨于穩(wěn)定。S2處理組和S1處理組的亞硝酸鹽氮濃度達(dá)到的最大值分別為0.34 mg/L和0.67 mg/L, 而S3處理組的亞硝酸鹽氮的濃度最大值達(dá)到了2.4 mg/L。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間S3處理組亞硝酸鹽氮濃度最高, S1處理組次之, S2處理組最低。S2、S1和S3處理組的亞硝酸鹽氮濃度下降時(shí)間分別為實(shí)驗(yàn)開展的第6 d、第7 d和第8 d。在實(shí)驗(yàn)開展的第5 d至第10 d, S3處理組中亞硝酸鹽氮濃度均顯著高于S2處理組和S1處理組(P<0.05), 在實(shí)驗(yàn)開展的第6 d至第9 d, S1處理組中亞硝酸鹽氮的濃度顯著高于S2處理組(P<0.05)。而S2、S1和S3處理組的亞硝酸鹽氮濃度在實(shí)驗(yàn)第11 d之后分別穩(wěn)定在0.13 mg/L、0.21 mg/L和0.26 mg/L, 差異性不顯著(P<0.05)。

清洗頻率對生物濾器硝酸鹽氮變化的影響如圖2c所示, 圖中顯示在實(shí)驗(yàn)期間三個(gè)處理組的硝酸鹽氮的濃度上下波動(dòng), 但三個(gè)處理組的硝酸鹽氮濃度總體是增加的趨勢。實(shí)驗(yàn)第1 d, 三個(gè)處理組的硝酸鹽氮無明顯差異(P>0.05), 實(shí)驗(yàn)第7 d和實(shí)驗(yàn)第14 d, S3處理組的硝酸鹽氮含量低于S1和S2處理組, 且差異性顯著(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)到第14 d S3處理組硝酸鹽氮含量分別比S1和S2處理組低了16.04%和23.01%。

2.2 清洗頻率對生物濾器截污能力的影響

2.2.1 清洗頻率對CODMn的影響

自清洗頻率對生物濾器中CODMn的影響如圖3所示。從圖中可以看出三個(gè)處理組生物濾器進(jìn)出水口的CODMn含量均隨著殘餌糞便量的增加而逐漸升高。清洗頻率不同, 三個(gè)處理組生物濾器中CODMn的含量也不同, S2處理組比S1處理組和S3處理組的CODMn含量高, 而S1處理組的CODMn含量在整個(gè)試驗(yàn)期間最低。但三個(gè)處理組生物濾器的進(jìn)水口和出水口CODMn含量均比較低, 能夠保證水體較好的清潔度。S1處理組(圖3a)對CODMn的去除率在試驗(yàn)前5 d處于波動(dòng)狀態(tài), 波動(dòng)范圍在5%~25%左右, 但在試驗(yàn)開展的第6 d至第14 d內(nèi)基本穩(wěn)定在12%左右。S2處理組(圖3b)中CODMn的去除率在試驗(yàn)前4 d不斷升高, 試驗(yàn)第4 d后除第11 d外, 去除率在9%左右波動(dòng)。S3處理組(圖3c)中CODMn去除率不穩(wěn)定且波動(dòng)范圍比較大, 其中S3處理組對CODMn的去除率在試驗(yàn)前5 d在13%~26%之間波動(dòng),試驗(yàn)開展第6 d后對CODMn的去除率在8%~25%之間波動(dòng)。

圖3 實(shí)驗(yàn)期間各處理組生物濾器進(jìn)、出口CODMn去除率、平均去除量及清洗后CODMn的變化Fig. 3 Changes in the inlet and outlet CODMn removal rate, average removal volume, and CODMn after cleaning of the biofilter of each treatment group during the test

圖3d表示整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期三個(gè)處理組的生物濾器在14 d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)進(jìn)水口CODMn總量與出水口CODMn總量差的平均量。結(jié)果顯示, S1處理組的平均去除量最低, 且與另外兩組差異性顯著(P<0.05),S3處理組平均去除量最高, 但與S2處理組之間差異性不顯著(P>0.05)。圖3e表示每兩天三個(gè)處理組清洗之后生物濾器出水口的CODMn含量, 均隨著殘餌糞便量的增加而逐漸升高。清洗后生物濾器出水口中S3處理組CODMn濃度最高, S2處理組次之, S1處理組最低, 且三個(gè)處理組之間CODMn含量差異性顯著(P<0.05)。

2.2.2 清洗頻率對TSS的影響

清洗頻率對生物濾器的TSS的影響如圖4所示。從圖4a中可以看出三個(gè)處理組生物濾器進(jìn)水口的TSS含量均隨著殘餌糞便量的增加而逐漸升高, 且S1處理組含量最高, 與另外兩組相比差異性顯著(P<0.05), S2處理組次之, S3處理組最低。圖4b顯示三個(gè)處理組生物濾器出水口的TSS含量趨勢和進(jìn)水口一致, 且S1處理組含量最高, S2處理組次之, S3處理組最低。圖4c表示整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期三個(gè)處理組的生物濾器進(jìn)、出水口TSS平均去除量。結(jié)果顯示, S1處理組的平均去除量最高, 且與另外兩組差異性顯著(P<0.05), S3處理組平均去除量最低, 與S2處理組之間差異性不顯著(P>0.05)。圖4d表示每兩天三個(gè)處理組清洗之后生物濾器出水口的TSS含量, 均隨著殘餌糞便量的增加而逐漸升高。清洗后生物濾器出水口中S3處理組TSS濃度最高, S2處理組次之, S1處理組最低, 且三個(gè)處理組之間TSS含量差異性顯著(P<0.05)。

圖4 實(shí)驗(yàn)期間各處理組生物濾器進(jìn)、出口TSS、平均去除量及清洗后TSS的變化Fig. 4 Changes in the inlet and outlet TSS, average removal volume, and TSS after cleaning the biofilter of each treatment group during the test

3 討論

3.1 清洗頻率對生物濾器硝化性能的影響

氨氮和亞硝酸鹽氮逐步積累并達(dá)到一定的程度后會(huì)對養(yǎng)殖生物產(chǎn)生明顯的毒害作用, 因此控制水體中氨氮和亞硝酸鹽氮的濃度尤為重要[18]。水體中絕大部分的氮是通過養(yǎng)殖生物的新陳代謝作用產(chǎn)生的[19]。本實(shí)驗(yàn)中氨氮主要來源于殘餌糞便在微生物作用下的分解釋放。隨著殘餌糞便量的不斷增加, 不同的清洗頻率導(dǎo)致三個(gè)處理組具有不同的顆粒物含量, 經(jīng)過微生物的分解釋放使三個(gè)處理組的氨氮濃度產(chǎn)生差異, 這與王華等[20]關(guān)于工廠化不同密度下養(yǎng)殖生物對養(yǎng)殖水體的水質(zhì)影響的研究結(jié)果一致。隨著氨氮濃度的升高, 生物膜上微生物活性、數(shù)量和優(yōu)勢菌也增多[21], 后經(jīng)氨氧化細(xì)菌(AOB)轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮使氨氮濃度逐步下降。清洗頻率次數(shù)多去除的顆粒物量多, 減少了氨氮的釋放, 從而使S3處理組氨氮濃度比S2、S1處理組提前下降。

水體中的氨氮經(jīng)過AOB作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮,隨著殘餌糞便量的增加, 亞硝酸鹽氮的濃度逐漸升高, 后經(jīng)過亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。AOB相比NOB對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng), 世代周期短, 生長速度快, 即當(dāng)AOB的活性高于NOB時(shí),氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮的速率大于亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮的速率時(shí), 會(huì)造成亞硝酸鹽氮的積累現(xiàn)象[22]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, S3處理組的亞硝酸鹽氮含量在實(shí)驗(yàn)中期階段遠(yuǎn)大于S2、S1處理組。因?yàn)樯锬ど系奈⑸飼r(shí)刻在更新?lián)Q代, 老化的生物膜脫落,而生物濾器中微生物的生長代謝及活性受環(huán)境因子的影響, 進(jìn)而影響生物濾器的水處理能力[23]。S3處理組亞硝酸鹽氮中期濃度高, 分析原因認(rèn)為一方面由于NOB對環(huán)境的適應(yīng)性不強(qiáng)[24], 頻繁的攪拌會(huì)破壞NOB適宜的生長環(huán)境, 使附著在生物填料上面的NOB的繁殖代謝變慢, 無法及時(shí)補(bǔ)充生物膜上脫落的NOB; 另一方面, 頻繁的攪拌使附著不牢固的微生物脫落。但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行, 最后S3處理組的亞硝酸鹽氮濃度降低到低水平, 與S1、S2處理組無明顯差異, 說明S3處理組中微生物逐漸適應(yīng)其環(huán)境變化, 使S3處理組的微生物菌膜附著更牢固, 生物濾器的水處理能力更穩(wěn)定。

硝酸鹽氮的毒性與氨氮和亞硝酸鹽氮相比較小,有研究表明高濃度的硝酸鹽氮對養(yǎng)殖生物的生長有抑制作用, 認(rèn)為應(yīng)將硝酸鹽氮的濃度控制在50 mg/L以下的安全范圍內(nèi)[25]。本實(shí)驗(yàn)三個(gè)處理組硝酸鹽氮的濃度均在安全范圍以內(nèi)。研究表明, 當(dāng)DO<0.2 mg/L時(shí)會(huì)發(fā)生厭氧反硝化[26], 本實(shí)驗(yàn)中生物濾器的底部有可能會(huì)由于氧氣不足, 發(fā)生反硝化反應(yīng), 去除少部分的硝酸鹽氮。三個(gè)處理組初始硝酸鹽氮濃度差異不明顯, 但實(shí)驗(yàn)結(jié)束后S3處理組硝酸鹽氮含量明顯低于S1、S2處理組, 說明頻繁的清洗減少了系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)物含量, 從而減少了硝酸鹽氮的積累。硝酸鹽氮作為氮的最終產(chǎn)物, 其含量減少會(huì)降低系統(tǒng)中的氮含量, 保證生物濾器的水處理功能, 從而使水質(zhì)保持穩(wěn)定, 也為后續(xù)的尾水處理環(huán)節(jié)減輕了負(fù)擔(dān)。

3.2 清洗頻率對生物濾器截污能力的影響

CODMn反映了水體中有機(jī)物的污染程度, 含量越高, 水體受到的有機(jī)物污染越重[27]。CODMn氧化分解會(huì)消耗大量的氧氣, 加快水質(zhì)惡化進(jìn)程, 增大病害風(fēng)險(xiǎn)[28], 因此控制養(yǎng)殖水體中的有機(jī)物含量是十分必要的。實(shí)驗(yàn)期間, S1、S2和S3處理組的生物濾器進(jìn)出水口的CODMn含量均是S1處理組最高, S2處理組次之, S3處理組最低, 說明實(shí)驗(yàn)期間循環(huán)水系統(tǒng)中CODMn含量S1處理組最高, S2處理組次之,S3處理組最低。這是因?yàn)镾1處理組清洗頻率低, 清洗之后去除的CODMn量少, 而S3處理組清洗頻率高,能將更多的CODMn量去除系統(tǒng), 從而降低系統(tǒng)中CODMn含量。生物膜屬于一個(gè)微生態(tài)系統(tǒng), 前期硝化菌和異養(yǎng)菌存在著競爭關(guān)系[21], 而隨著有機(jī)物和氮含量的升高, 異養(yǎng)菌和硝化菌維持動(dòng)態(tài)平衡, 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[27]。S3處理組因?yàn)轭l繁的清洗攪拌破壞了異養(yǎng)菌和硝化菌的平衡, 硝化菌對環(huán)境的適應(yīng)能力差[24], 異養(yǎng)菌占優(yōu)勢時(shí)其降解有機(jī)物的量高, 從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)期間生物濾器進(jìn)出水口的CODMn含量波動(dòng)大, 使S3處理組的CODMn的去除率較高且平均去除量高, 而S1處理組清洗次數(shù)少, 異養(yǎng)菌和硝化菌維持動(dòng)態(tài)平衡, 生物濾器進(jìn)出水口的CODMn含量差異小, 因此S1處理組平均去除量低。

循環(huán)水系統(tǒng)是復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng), 殘餌糞便不及時(shí)清理, 會(huì)在水中形成懸浮顆粒, 造成填料表面阻塞、降低硝化效率, 使養(yǎng)殖水體腐殖質(zhì)積累, 易使細(xì)菌大量繁殖[29]。實(shí)驗(yàn)期間, 由于S1處理組清洗頻率低, 排出系統(tǒng)的TSS量少; S3處理組清洗頻率高, 排出系統(tǒng)的TSS量高, 導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)中TSS含量S1處理組最高, S2處理組次之, S3處理組最低, 解決了傳統(tǒng)浸沒式生物濾器易堵塞, 老化菌膜不易清除[12]的缺點(diǎn)。TSS的高效去除可以保證循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)穩(wěn)定, 縮小生物濾器的規(guī)模, 節(jié)省投資和占地面積。生物濾器出水均經(jīng)過纖維球過濾, 三個(gè)處理組填料填充率相同, S1處理組清洗頻率低導(dǎo)致生物濾器截留的顆粒物含量高, 會(huì)造成一定的堵塞, 因此導(dǎo)致S1處理組生物濾器進(jìn)出水口TSS平均去除量最高,而S2處理組次之, S3處理組最低。

4 結(jié)論

(1) 系統(tǒng)建立初期自潔生物濾器的硝化性能受清洗頻率的影響, 長期看影響較小, 差異不顯著。但由于S3處理組清洗頻率高, 減少了氮的釋放, 最終與S1、S2處理組相比硝酸鹽氮含量低, 降低了系統(tǒng)中的氮含量。

(2) 由于S3處理組清洗頻率高, 與S1、S2處理組相比能去除較多的TSS量和CODMn量, 從而使S3處理組系統(tǒng)中TSS和CODMn含量低于S1和S2處理組, 減少生物濾器的水處理負(fù)荷, 保持水質(zhì)穩(wěn)定。

(3) 綜合清洗頻率對自潔生物濾器的硝化性能和截污能力的影響, 應(yīng)適當(dāng)增加生物濾器的清洗頻率, 在本實(shí)驗(yàn)條件下自潔生物濾器自清洗頻率2次/d效果較好。