張海耿，劉安東，徐金鋮，高霞婷，張宇雷

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

流化床生物濾器是指通過流體將濾器中的濾料顆?；?，而濾料仍停留在濾器中不被流體帶出的生物過濾器，主要用于去除養(yǎng)殖水體中氨氮等營養(yǎng)鹽，由于其具有處理效率高、占地面積小等優(yōu)勢，有望成為未來工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域主流的生物過濾器。流化床生物濾器最先由美國西弗吉尼亞淡水研究所研發(fā)而成，歷經(jīng)了垂直歧管流化床生物濾器、水平歧管流化床生物濾器、渦旋式流化床生物濾器等階段[1]，研發(fā)人員對裝置的進(jìn)水方式進(jìn)行了不斷的優(yōu)化與升級，以期在降低裝置運(yùn)行能耗的同時，提升濾料在裝置中的流態(tài)化，進(jìn)而提升該濾器的生物過濾性能。目前，對流化床生物濾器的研究主要集中在水力特性[2-3]，流態(tài)數(shù)值模擬[4-5]和水處理性能方面[6]，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在溫水和冷水條件下流化床生物濾器對氨氮的去除負(fù)荷分別達(dá)到了600～1000 g/(m3·d)和140～170 g/(m3·d)[7]，顯示出該裝置應(yīng)用于工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的優(yōu)越潛力。

流化床生物濾器一般選用的濾料粒徑較小，比表面積高達(dá)6 000～15 000 m2/m3，故濾料表面較易附著生物膜。超高的生物量豐度使得流化床生物濾器具有優(yōu)越的硝化性能，但在實(shí)際應(yīng)用過程中也帶來了一定問題。隨著生物膜的逐漸增厚，濾料的比重也會變輕，進(jìn)而導(dǎo)致濾器床層高度的不斷增加，表層的濾料容易被水流帶出濾器。流化床生物濾器中濾料的不斷流失不僅會影響該裝置的水處理性能，也會增加該裝置的運(yùn)行成本。

本研究研發(fā)了一種基于超聲波定位技術(shù)的流化床生物濾器，并采用高通量測序技術(shù)分析了生物濾器中細(xì)菌群落的變化，以期實(shí)現(xiàn)流化床生物濾器床層高度的穩(wěn)定，并進(jìn)一步明確該生物濾器的凈水機(jī)制，為其在工業(yè)化養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 流化床生物濾器

研制了基于超聲波定位技術(shù)的流化床生物濾器裝置(圖1)，由超聲波泥位計、自清洗水泵、環(huán)形吸料管和流化床生物濾器筒體等組件構(gòu)建。筒體由上部沉淀區(qū)和下部膨脹區(qū)組成，沉淀區(qū)直徑0.9 m、高0.5 m，膨脹區(qū)直徑0.7 m、總高2.1 m、濾料放置高度0.8 m。環(huán)形吸料管位于膨脹區(qū)頂部，自清洗水泵安裝于筒體底部外側(cè)。

超聲波泥位計由超聲波探頭和控制器組成，聲波頻率為200 kHz，采用485通信，模擬輸出4～20 mA，探頭防護(hù)等級IP68，24 V供電，中文液晶顯示，測量精度1%～3%。超聲波探頭位于流化床生物濾器筒體頂部正中心，當(dāng)流化床生物濾器運(yùn)行時，啟動超聲波泥位計，并在控制器中設(shè)定濾器的床層膨脹高度值，超聲波探頭實(shí)時將探頭至床層高度的距離以聲波信號反饋至控制器中。當(dāng)床層膨脹高度超過設(shè)定值時，控制器發(fā)出信號，自動開啟自清洗水泵，濾器表層的濾料通過環(huán)形吸料管流至濾器底部，在水泵葉輪的剪切作用下，濾料表面過厚的生物膜脫落，進(jìn)而將濾料表面的生物膜維持在合理水平。當(dāng)床層膨脹高度低于設(shè)定值時，控制器發(fā)出信號，自動關(guān)閉自清洗水泵，通過實(shí)時控制自清洗水泵，實(shí)現(xiàn)流化床生物濾器床層高度的自動控制。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)以常規(guī)流化床生物濾器為對照組(CF)，以研發(fā)的基于超聲波定位技術(shù)的流化床生物濾器為試驗(yàn)組(EF)。將流化床生物濾器并聯(lián)于寶石鱸循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，并采用養(yǎng)殖水進(jìn)行生物掛膜，掛膜成熟后，設(shè)計130%、150%和180% 3組床層膨脹率，監(jiān)測CF組和EF組的濾料流失和床層增高情況，試驗(yàn)周期為1個月。

試驗(yàn)結(jié)束后，取CF組流化床生物濾器和EF組流化床生物濾器的表層和底層樣品共4個，分別記為CF-S、CF-B、EF-S和EF-B。

1.3 指標(biāo)測定方法

1.3.1 水質(zhì)指標(biāo)

氨氮去除率，硝酸鹽氮去除率及氨氮去除負(fù)荷的計算方法如下[8]：

(1)

(2)

(3)

1.3.2 生物膜樣品分析

4個生物膜樣品總DNA提取按照傅蓮英等報道[9]的方法，采用細(xì)菌通用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對樣品16s rRNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增[10]。擴(kuò)增條件按照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行，而后在Illumina-MiSeq平臺上進(jìn)行測序。測序完后，對樣品進(jìn)行OTU聚類分析，采用Student T檢驗(yàn)進(jìn)行不同組別在屬水平的顯著性差異分析[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 床層濾料升高與流失情況

流化床生物濾器床層增高和濾料流失情況由圖2所示。

注：A代表流化床生物濾器床層增高；B代表流化床生物濾器濾料流失

本試驗(yàn)設(shè)計了基于超聲波技術(shù)的濾料自清洗組件，即當(dāng)床層高度高于設(shè)定值時，通過超聲波信號控制自清洗水泵的啟停。由圖2A可知，采用基于超聲波技術(shù)的自清洗裝置時(EF組)，每周床層僅增高0.2～0.4cm，其增高數(shù)值顯著低于CF組(P<0.05)。而由圖2可知，CF組隨著床層膨脹率的增加，濾料的流失量也逐漸增加。而EF組即使床層膨脹率達(dá)到180%，每周的濾料流失量僅為38±5 g，顯著低于CF組(P<0.05)。流化床生物濾器上部為懸浮物沉淀區(qū)，流失的濾料沉降至該區(qū)域，經(jīng)清洗后可回收使用。

2.2 流化床生物濾器氨氮去除負(fù)荷分析

流化床生物濾器對TAN的去除負(fù)荷如圖3所示。

注：A代表流化床生物濾器床層增高；B代表流化床生物濾器濾料流失

流化床生物濾器生物膜成熟后，EF組和CF組進(jìn)行了4個批次的TAN去除試驗(yàn)，圖3A顯示了試驗(yàn)系統(tǒng)水體中不同時刻下TAN質(zhì)量濃度變化。每個批次開始時，試驗(yàn)系統(tǒng)水體中的平均TAN質(zhì)量濃度設(shè)計在6.46±0.05 mg/L，經(jīng)流化床生物濾器過濾后，水體中TAN質(zhì)量濃度逐漸降低。4 h后，EF組水體中的平均TAN質(zhì)量濃度從6.46±0.05 mg/L降至0.11±0.01 mg/L，而CF組水體中的平均TAN質(zhì)量濃度從6.46±0.05 mg/L降至0.39±0.13 mg/L。從TAN質(zhì)量濃度下降幅度來看，EF組和CF組呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即在第2或第3小時TAN濃度下降幅度最大，兩組TAN質(zhì)量濃度分別下降了2.35 mg/L和2.31 mg/L。

圖3B顯示了流化床生物濾器對TAN的去除負(fù)荷，每個時間段EF組和CF組的TAN去除負(fù)荷有所差異，隨著時間的推移，TAN去除負(fù)荷呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。以第一批次為例，在第1小時，EF組和CF組的TAN去除負(fù)荷分別為604.8 g/(m3·d)和430.08 g/(m3·d)，而在第3小時，TAN去除負(fù)荷分別達(dá)到了1128 g/(m3·d)和887.04 g/(m3·d)，其余批次也呈現(xiàn)相似的規(guī)律。整體而言，EF組的平均TAN去除負(fù)荷達(dá)到了762±164.33 g/(m3·d)，顯著高于CF組(P<0.05)。

2.3 流化床生物濾器進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)變化情況

流化床生物濾器進(jìn)出水亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化如圖4所示。

注：A為亞硝酸鹽氮濃度變化；B為硝酸鹽氮濃度變化

流化床生物濾器進(jìn)出水COD、堿度和溶氧質(zhì)量濃度變化如圖5所示。

注：A為COD；B為堿度；C為溶氧

圖5A顯示了試驗(yàn)過程中流化床生物濾器進(jìn)出水COD濃度變化情況，不同批次下水體中的COD濃度都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。在第1小時，EF組和CF組的出水COD濃度顯著低于進(jìn)水，而后進(jìn)出水COD濃度的差值逐漸縮小。

經(jīng)過4 h后，EF組和CF組平均出水COD質(zhì)量濃度分別為14.25±1.89 mg/L和16.75±3.1 mg/L，對COD的去除率分別達(dá)到了79.82%±2.88%和76.26%±4.67%。圖5B和圖5C顯示了流化床生物濾器進(jìn)出水堿度和溶氧的變化情況，隨著時間的推移，水體中的堿度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，EF組和CF組中的堿度從140±1.97 mg/L分別下降至100.33±1.02 mg/L和100.98±1.48 mg/L。流化床出水溶氧質(zhì)量濃度顯著低于進(jìn)水， EF組和CF組進(jìn)出水的溶氧差值分別為4.29±0.34 mg/L和4.1±0.34 mg/L，兩組的出水溶氧最低值分別僅為0.45 mg/L和0.65 mg/L。

2.4 流化床生物濾器細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析

對EF組和CF組流化床生物濾器表層和底層的濾料進(jìn)行了高通量測序，表1顯示了不同區(qū)域?yàn)V料表面細(xì)菌群落門水平變化。EF組表層和底層的門水平細(xì)菌種群豐度差別不大，優(yōu)勢細(xì)菌為變形菌門(Proteobacteria，27.41%～28.93%)，放線菌門(Actinobacteriota，18.18%～21.46%)和厚壁菌門(Firmicutes，13.5%～13.71%)。 說明采用自清洗裝置后，流化床生物濾器表層和底層的濾料進(jìn)行了充分的交接與接觸，濾料的流態(tài)更加均一，各區(qū)域?yàn)V料表面門水平的細(xì)菌種類也無顯著差異。

表1 不同組別細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成所占比例

CF組表層和底層的細(xì)菌種群豐度有一定差別，表層細(xì)菌豐度最高的門依次為厚壁菌門(Firmicutes，33.72%)，變形菌門 (Proteobacteria，24.21%)和綠彎菌門(Chloroflexi，18.32%)，而底層細(xì)菌豐度最高的門依次為變形菌門 (Proteobacteria，30.88%)，厚壁菌門(Firmicutes，25.26%)和放線菌門(Actinobacteriota，14.09%)。流化床生物濾器不同區(qū)域細(xì)菌群落屬水平分析如圖6所示。

圖6 流化床生物濾器不同區(qū)域細(xì)菌群落屬水平分析

圖6顯示了流化床生物濾器不同區(qū)域細(xì)菌群落屬水平分析(豐度大于1%)，共篩選獲得362個微生物屬。EF組濾料表層和底層濾料表面屬水平細(xì)菌種群和豐度的差異都不大，優(yōu)勢細(xì)菌主要為赭黃嗜鹽囊菌屬(Haliangium，9.83%～9.97%)，小念珠菌屬(Candidatus_Microthrix，7.17%～8.69%)，類諾卡氏菌屬(Nocardioides，6.81%～8.34%)，norank_f_Rhizobiales_Incertae_Sedis(6.38%～8.01%)，紅桿菌屬(Rhodobacter，3.34%～3.35%)和硝化螺菌屬(Nitrospira，3.11%～3.38%)。

CF組表層和底層濾料表面屬水平細(xì)菌種群和豐度的差異都較大，而優(yōu)勢菌群的種類較為相似，主要為羅姆布茨菌(Romboutsia，7.81%～14.1%)，Clostridium_sensu_stricto_1(11.28%～12.60%)，類諾卡氏菌屬(Nocardioides，4.58%～4.77%)和紅桿菌屬(Rhodobacter，1.87%～2.44%)。

采用Student T 檢驗(yàn)法對EF組和CF組濾料屬水平細(xì)菌種群進(jìn)行差異性分析，獲得了差異性最顯著的15個屬(圖7)。EF組中的Haliangium，Candidatus_Protochlamydia，Nitrospira，unclassified_c_Bacteroidia和Paracoccus豐度顯著高于CF組(P<0.05)，而Clostridium_sensu_stricto_1，Turicibacter和Devosia的豐度顯著低于CF組。

圖7 不同組別屬水平差異性分析

3 討論

3.1 流化床生物濾器濾料自清洗結(jié)構(gòu)研制

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中一般采用生物濾池或移動床生物濾器作為生物過濾單元[13-14]，需通過定期沖洗或排污的方式移除脫落的生物膜或顆粒物。由于流化床生物濾器的特殊性，目前尚未有效的濾料清洗裝置，在濾器運(yùn)行過程中常存在床層增高和濾料流失的問題。本研究通過采用超聲波定位技術(shù)，研制了濾料實(shí)時自清洗裝置，既實(shí)現(xiàn)了床層高度的穩(wěn)定，又減少了濾器內(nèi)部濾料的流失。流化床生物濾器在實(shí)際運(yùn)行過程中，一般設(shè)計床層膨脹率為150%[15]，在該膨脹率下，采用自清洗裝置的流化床生物濾器每周的床層增高和濾料流失僅為1.8±0.3 cm 和28±12 g，比對照組分別降低了500%和350%。流化床生物濾器床層高度的穩(wěn)定不僅有利于裝置的正常運(yùn)行，也會減少流失的濾料對養(yǎng)殖對象的影響。通過自清洗裝置清洗下來的微小懸浮顆粒物，在筒體上部布水擋板的作用下，隨水流沉降至沉淀區(qū)，可通過定期排污的方式將其移出流化床生物濾器。

3.2 流化床生物濾器凈水機(jī)制分析

目前，以實(shí)際養(yǎng)殖水為處理對象，移動床生物濾器對氨氮的去除負(fù)荷在34.32～186.4 (m3·d)之間[16-19]，采用模擬養(yǎng)殖水進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果可高達(dá)374 g/(m3·d)[20]。本試驗(yàn)采用人工配水方式檢測了流化床生物濾器的硝化性能，采用自清洗裝置的流化床生物濾器對TAN的去除負(fù)荷達(dá)到了762±164.33 g/(m3·d)，其結(jié)果高于前人研究[21]。一方面，本試驗(yàn)選用的濾料比表面積較高，為細(xì)菌生長提供了巨大的場所；另一方面，運(yùn)用超聲波定位技術(shù)定期清洗生物膜可能有利于促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)和微生物之間的傳質(zhì)效率，進(jìn)而提升流化床生物生物濾器的硝化性能。對照組因?qū)V料未進(jìn)行處理，表層濾料的生物膜會逐漸變厚，為細(xì)菌提供生長的面積變小，進(jìn)而影響了濾器的硝化效率[22-23]。

高通量測序表明，流化床生物濾器中細(xì)菌的多樣性較高，共鑒定出了362個微生物屬。兩組生物濾器都檢測出硝化螺旋菌門，在降解TAN方面起了關(guān)鍵作用[29]。另外，也篩選出具有異養(yǎng)硝化功能的菌屬，如紅桿菌屬(Rhodobacter)、硝化螺菌屬(Nitrospira)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和假單胞菌屬(Pseudomonas)等，而鑒定出的Devosia菌屬具有好氧反硝化功能，但該菌屬豐度非常低，這些菌屬共同作用于養(yǎng)殖水體中氮的轉(zhuǎn)化和COD等物質(zhì)的去除[30]。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)EF組中的功能性細(xì)菌，如Nitrospira的豐度顯著高于CF組，說明將生物膜厚度維持在一定水平可能有利于功能性細(xì)菌的富集，進(jìn)而提升該裝置運(yùn)行時的硝化性能。

4 結(jié)論

研制了基于超聲波定位技術(shù)的濾料自清洗裝置，不僅可穩(wěn)定控制流化床生物濾器床層高度的穩(wěn)定和減少濾料的流失，也提升了濾器對TAN的去除負(fù)荷。當(dāng)水體中初始TAN為6.46±0.05 mg/L時，流化床生物濾器對TAN的去除負(fù)荷達(dá)到了762±164.33 g/(m3·d)，在此過程，未出現(xiàn)亞硝酸鹽氮的累積。與傳統(tǒng)流化床生物濾器不同，采用自清洗裝置的流化床生物濾器表層和底層濾料表面細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)和豐度未出現(xiàn)明顯的差異，優(yōu)勢細(xì)菌主要為赭黃嗜鹽囊菌屬，Candidatus_Microthrix，類諾卡氏菌屬，norank_f_Rhizobiales_Incertae_Sedis，紅桿菌屬和硝化螺菌屬，共同作用于養(yǎng)殖水體中氨氮等營養(yǎng)物質(zhì)的去除。

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