潘國英，文 暢，黃薇薇，姚雪梅，董麗麗，周梅陽，楊 飛

（1. 海南大學 生態(tài)與環(huán)境學院，海口 570228; 2. 海南大學 海洋學院，海口 570228）

水產(chǎn)品是糧食供應的重要組成部分，也是人類獲取蛋白質(zhì)和微量元素的重要來源[1]。中國是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖和水產(chǎn)品出口國，約占據(jù)全球市場份額的60%[2]。目前，中國淡水養(yǎng)殖以室外池塘養(yǎng)殖和工廠化流水養(yǎng)殖為主[3]，養(yǎng)殖密度低，用水量高，占地面積大[4]，且含有魚類排泄物、殘留餌料及藥物的養(yǎng)殖尾水直接排放會造成嚴重的水環(huán)境污染[5]。由于自然選址的限制和節(jié)能減排等壓力，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展已經(jīng)面臨新的瓶頸。養(yǎng)殖規(guī)模不可能無序擴張，建立生態(tài)環(huán)境可持續(xù)的高密度循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式就是一種可行的解決方案[6]。

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（Recirculating Aquaculture Systems，RAS）通過一系列的物理、生物處理單元將養(yǎng)殖水處理后進行循環(huán)利用[7]，具有水資源利用率高、養(yǎng)殖密度大、占地小、養(yǎng)殖過程可控和生物安全等優(yōu)勢[8-9]。在RAS 中，實現(xiàn)高效的固體和含氮污染物去除是降低系統(tǒng)對水、化學物質(zhì)以及能源需求的關(guān)鍵[10]。精心設(shè)計的RAS 可以實現(xiàn)每日90%～98%的水循環(huán)利用率[4]，但傳統(tǒng)的RAS一般為單回路循環(huán)，即通過物理沉淀或機械過濾去除飼料殘留和魚糞等固體物，再經(jīng)過硝化作用去除對魚有毒害作用的氨和亞硝酸鹽[11]，以保證魚類正常生長。這種單回路RAS 僅針對水進行處理，對系統(tǒng)中產(chǎn)生的魚糞等固體物并未給予重視[5]。另一方面，硝化作用產(chǎn)生的硝酸鹽積累到一定水平也會影響魚類生長[12]，因而需要通過20%～40%的換水率來維持安全的硝酸鹽濃度水平（一般不超過500 mg NO3--N）[4,11,13]。升級版的二回路式RAS 增加了微生物反硝化單元，可將硝酸鹽還原為氮氣排出而控制硝酸鹽的上升。但反硝化過程需要外加碳源，使運行過程變得復雜，且對魚糞仍未進行處理[6,10,14]。有些研究收集RAS 本身產(chǎn)生的有機廢物進行水解發(fā)酵，產(chǎn)生容易被細菌利用的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）作為碳源使用，從而節(jié)省外加碳源的成本[14]。但是水解后的上清液中含有高濃度的氨氮（TAN，銨+氨），會增加硝化單元的負荷。在實際養(yǎng)殖羅非魚（Oreochromis mossambicus）過程中，發(fā)現(xiàn)其魚糞呈細長條且覆有包膜不易散開，因而容易沉積在微濾機的進水區(qū)底部，而微濾機反沖洗出來的水則含有大量細小的有機污泥，可以考慮作為碳源使用。為實現(xiàn)更高效的水循環(huán)和固體管理、提高RAS 的可持續(xù)性，本研究擬在傳統(tǒng)的單回路RAS 基礎(chǔ)上增加了反硝化和厭氧消化單元，構(gòu)建一套由魚缸、微濾機、好氧硝化、缺氧反硝化和厭氧消化組成的三回路式RAS，并探究以微濾機單元反沖洗的細小有機污泥作為反硝化碳源的可行性及NO3--N 的去除效果和探明系統(tǒng)各處理單元的性能表現(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)組成該RAS 系統(tǒng)安裝在海南省文昌春來水產(chǎn)有限公司瓊海種苗基地。由1 個1m3的魚缸和3 個處理回路構(gòu)成（圖1）。第一回路包括魚缸（養(yǎng)殖體積0.9 m3）、74 μm 轉(zhuǎn)鼓微濾機、2 個流化床生物反應器，通過1 個平均流量為2.3 m3·h-1的水泵（酷魚，佛山）實現(xiàn)水的循環(huán)（表1）。魚缸底部略呈漏斗狀；底部設(shè)有微孔曝氣管提供不間斷曝氣；水面設(shè)有類似馬桶的自動補水裝置。微濾機通過定時控制運轉(zhuǎn)，方便調(diào)節(jié)其他2 個回路的水力停留時間（HRT）。2 個流化床反應器組成一級（145 L）和二級（220 L）硝化過程，均填充有60%的K3 聚乙烯填料供生物膜附著生長，填料尺寸Φ25 mm×9 mm，呈蜂窩狀（圖1），密度約0.96 g·cm-3，比表面積約500 m2·m-3，空隙率約88.6%；底部安裝曝氣管，驅(qū)動填料循環(huán)流動并為微生物生長提供氧氣，同時可吹脫水中部分CO2。此外，硝化反應器底部放置有石灰石顆粒，可緩慢溶解補充部分堿度。在運行過程中根據(jù)pH 下降情況外加石灰水補充堿度，以維持pH 的穩(wěn)定。

表1 系統(tǒng)各單元工作參數(shù)

圖1 三回路式循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）示意圖

第二回路主要由1 個工作體積為153 L 的反硝化單元組成，主要作用是利用微濾機反沖洗水含有的細小有機污泥作為反硝化碳源，去除系統(tǒng)中的硝酸鹽。反硝化器上部放置約40 cm 厚的懸浮填料，起到截留固體浮渣的作用并可作為微生物載體；填料下部空間配備水泵循環(huán)回路，以促進泥水混合。吸附在微濾機濾網(wǎng)上的顆粒通過定時反沖洗排入20 L 的暫存池中，由浮球液位開關(guān)控制間歇泵入反硝化單元，平均流量約為0.03 m3·h-1（表1）；上清液從填料表層溢流重新進入微濾機。底部的剩余污泥則定期泵入第三回路的厭氧消化單元作進一步處理。

第三回路主要由1 個工作體積為726 L 的厭氧消化單元組成，用于魚糞污泥等顆粒物的厭氧消化，實現(xiàn)穩(wěn)定化和減量化，并可回收沼氣（本研究未進行監(jiān)測）。單元上部有一個簡易的錐形三相分離器，其下有約30 cm 厚的懸浮填料層，起到截留固體浮渣作用；填料下部空間也配備水泵循環(huán)回路，以促進泥水混合。沉積在微濾機進水區(qū)底部的顆粒物通過管道排入20 L 的密閉暫存池，然后定時泵送進入?yún)捬跸瘑卧?，平均流量約0.0025 m3·h-1（表1）；上清液則溢流排出系統(tǒng)。本實驗中平均每天尾水排放量約60 L，占系統(tǒng)總水量的2.60%，養(yǎng)殖水體的6.67%。

1.2 魚類放養(yǎng)與生長實驗用水為當?shù)氐牡叵滤?。系統(tǒng)通過不斷調(diào)試和改進，使各處理單元進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。實驗開始時，放養(yǎng)100 條平均體質(zhì)量為522 g 的吉富羅非魚（O.mossambicus），以便處理系統(tǒng)快速進入穩(wěn)定負荷運行。實驗過程中（2021-07-26—2021-11-23），每2 周隨機從魚缸中撈取10 條魚稱重，檢查其生長情況。羅非魚飼料購自海南省某公司，其蛋白質(zhì)、脂肪和P 的含量分別為29%、6%和0.8%。每日喂食量為魚總生物量的1%～2%，分2 次（8:30 am，17:30 pm）進行人工喂食，記錄喂食量。實驗持續(xù)121 d。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析方法系統(tǒng)通過南京某智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測裝置對魚缸中溶解氧（DO）、溫度（T）、pH 以及反硝化單元中的氧化還原電位（ORP）進行實時在線監(jiān)測。每日對魚缸中的TAN 和NO2--N 進行現(xiàn)場快速估測（數(shù)據(jù)未展示）。實驗共設(shè)置7 個取樣點，包括魚缸、微濾機進水口、硝化單元進水口和出水口、反硝化單元進水口和出水口、厭氧消化單元出水口（圖1）。每周對各取樣點取樣分析，測定TAN、NO2--N、NO3--N、PO43--P、TN、TP、化學需氧量（COD）、電導率（EC）、堿度（ALK）和濁度（Turbidity）。

EC 通過梅特勒-托利多某電導率儀測定，TP 和PO43--P 采用釩鉬酸鹽法測定，ALK 采用鹽酸滴定法測定，TN 和NO3--N 采用二階導數(shù)紫外光譜法測定，TAN 采用納氏試劑光度法測定，NO2--N 采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定，COD 采用重鉻酸鉀法測定[15]。

1.4 微生物群落分析在試驗結(jié)束時，分別采集硝化單元、反硝化單元和厭氧消化單元的微生物樣品，委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進行微生物高通量測序。采用E.Z.N.A.?土壤DNA 試劑盒（Omega Bio-tek, US）提取微生物樣品的總DNA，利用引物338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG）和806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）對提取的DNA 進行PCR 擴增和純化，然后在Illumina MiSeq 平臺進行測序。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)運行與水質(zhì)保障實驗前期（第1～20 天，2021-07-26—2021-08-14），該RAS 中不存在硝酸鹽積累現(xiàn)象，因此未對反硝化單元中的水質(zhì)指標進行測定，僅檢測了反硝化單元內(nèi)氧化還原電位（ORP）和DO 的變化情況；從第21 天開始對反硝化單元的出水指標進行檢測。為期121 d的實驗過程中，系統(tǒng)發(fā)生了2 次意外事件：第74 天時，由于厭氧消化單元進水的單向閥損壞，導致反應器內(nèi)富含TAN 的水大量倒灌進入微濾機，造成微濾機進水中的TAN 和NO2--N 急劇上升，但修復后在24 h 內(nèi)系統(tǒng)各水質(zhì)指標又恢復至正常水平。第86 天時，反硝化單元內(nèi)產(chǎn)生大量浮泥，導致出水水質(zhì)渾濁和微濾機頻繁堵塞。為解決此問題，通過對反硝化單元的進水速率、水力停留時間和底部污泥停留時間進行了為期16 d 的調(diào)試，使浮泥問題得到解決。

2.1.1 第一回路-固體顆粒分離和硝化作用微濾機和硝化單元構(gòu)成了系統(tǒng)的第一處理回路，魚糞等顆粒物通過微濾機74 μm 濾網(wǎng)過濾分離，魚缸中水體濁度維持在2.30 NTU 以下，平均1.45 NTU；COD 在88.7 mg·L-1以下，平均37.10 mg·L-1（圖2-a）。

圖2 三回路式RAS 中濁度與COD（a）、TAN（b）、NO2--N（c）、NO3--N（d）、ALK 與pH（e）和TN（f）的濃度變化

微濾機出水泵入硝化單元，TAN 在此轉(zhuǎn)化為NO2--N 進而轉(zhuǎn)化為NO3--N。N 以飼料投加的方式進入系統(tǒng)，隨魚類生長逐漸增加，平均每天有29.92 g N 進入系統(tǒng)，后期達到53.59 g·d-1。如圖2-b～d 所示，二級硝化單元出水和魚缸中的TAN 和NO2--N 濃度并沒有隨著魚缸的N 負荷增加而顯著升高，始終維持在較低的水平，其中TAN 在0.22～1.38 mg·L-1范圍內(nèi)波動，平均0.78 mg·L-1和1.02 mg·L-1（圖2-b）；NO2--N 濃度在0.04～0.21 mg·L-1范圍內(nèi)波動，平均0.10 mg·L-1和0.16 mg·L-1（圖2-c）。各單元中NO3--N 濃度變化比較一致，前18 d 從6.84 mg·L-1持續(xù)上升到69.77 mg·L-1；隨后由于反硝化過程的介入，在30～90 mg·L-1間變化（圖2-d），平均50.80 mg·L-1。此外，2 個硝化單元的pH 維持在6.96～7.52，ALK 在40.47～97.25 g ·L-1（圖2-e），保證了良好的硝化效率。2 個硝化單元的TAN 平均去除速率為20.05 g ·d-1，最高達83.55 g ·d-1。即使在第74 d發(fā)生厭氧消化單元的進水單向閥損壞，微濾機進水TAN 和NO2--N 急劇上升至1.80 mg·L-1和1.37 mg·L-1（圖2-b～c），硝化單元出水和魚缸水質(zhì)仍然維持穩(wěn)定，且運行很快恢復正常，表明本循環(huán)回路具有較好的抗沖擊負荷能力。

2.1.2 第二回路-反硝化作用反硝化單元是第二處理回路的核心單元，以微濾機反沖洗產(chǎn)生的細小污泥作為碳源在缺氧條件下把NO3--N 轉(zhuǎn)化為N2O 和N2而除去。實驗前期（第1～20 天）系統(tǒng)中硝酸鹽水平低，反硝化過程未介入。第21～85 天，反硝化單元的DO 維持在0.27 mg·L-1以下，COD 與NO3--N 的比值平均為7.9，NO2--N 在0.04～1.76 mg·L-1波動，無明顯的亞硝酸鹽積累（圖3-a～b）。反硝化單元進、出水的平均ALK分別為66.84 和173.7 mg·L-1（圖3-c）。計算得反硝化過程每天可為RAS 補充49.61 mg·L-1的堿度。隨著魚長大和喂食量增加，進水中NO3--N 負荷由21.02 g·d-1逐漸增加到59.13 g·d-1，平均負荷30.76 g·d-1，平均濃度42.72 mg·L-1；而出水的NO3--N 仍維持在50 mg·L-1以下，平均濃度17.13 mg·L-1（圖3-a）。因此，NO3--N 的平均去除率為59.9%，平均N 去除速率為88.68 g ·（m3·d）-1，最高去除速率176.38 g ·（m3·d）-1。從86 d 開始，由于系統(tǒng)調(diào)試，進水COD 值顯著降低，NO2--N 濃度則從0.13 mg·L-1上升到4.14 mg·L-1，且此后一直維持在1.26～4.45 mg·L-1的高水平，表明亞硝酸鹽還原效率降低，反硝化不完全。第86 天，反硝化單元內(nèi)產(chǎn)生大量浮泥，導致出水渾濁和微濾機堵塞。浮泥的產(chǎn)生可能是由于混合不夠均勻，水力停留時間過長，底部污泥堆積導致反硝化單元內(nèi)N2帶動污泥上浮。為此，做了以下調(diào)整：（1）將底部部分污泥排入?yún)捬跸瘑卧?；?）將進水流量由0.27 m3·h-1降低至0.03 m3·h-1，延長進水時間，防止進水水流帶動污泥上?。唬?）在滿足缺氧條件下，增大微濾機的反沖洗頻率、提高進水量，使反硝化單元的水力停留時間由8.76 h 降低至4.93 h。經(jīng)過為期16 d 的運行調(diào)整，浮泥問題顯著改善。然而，由于微濾機反沖洗頻率增加，導致反沖洗水的污泥濃度降低，COD 與NO3--N 比值低于3～6，不利于NO3--N 完全轉(zhuǎn)化為N2[16]。

圖3 反硝化單元中NO3--N 與COD（a）、NO2--N（b）、ALK 與pH（c）、ORP（d）的濃度變化

ORP 是指示反硝化單元運行情況的重要參數(shù)之一，它反映了單元內(nèi)的氧化物水平（如O2和NO3-），可用于判定反硝化進行的程度。當ORP在0～-200 mV 內(nèi)，表示發(fā)生一步反硝化，即NO3--N→NO2--N；當ORP＜-200 mV 時，發(fā)生完全反硝化，即NO2--N→N2；當ORP＜-400 mV 時，則容易產(chǎn)生有毒的H2S[11]。第21～85 天，ORP 主要在-200～-450 mV 波動（圖3-d），表明反硝化單元內(nèi)發(fā)生完全反硝化，脫氮效果穩(wěn)定。第86～121 天，ORP 在-50～-200 mV 波動（圖3-d），表示反硝化單元為一步反硝化，出現(xiàn)亞硝酸鹽積累現(xiàn)象，這與碳源供應不足有關(guān)。

2.1.3 第三回路-厭氧消化作用第三回路通過厭氧消化過程實現(xiàn)顆粒物的穩(wěn)定化和減量化，系統(tǒng)運行期間顆粒物全部進入消化單元，無污泥外排。消化單元每天約60 L 上清液溢出（占系統(tǒng)總水量的2.66%），此為系統(tǒng)除蒸發(fā)和漏損之外的日水量損失。該上清液中TAN 的平均濃度為7.84 mg·L-1，最高21.62 mg·L-1，TN 為20.99 mg·L-1，TP 為16.34 mg·L-1，COD 為60.02 mg·L-1（表2）。試驗結(jié)束后消化單元內(nèi)僅有少量污泥殘留，穩(wěn)定化和減量化效果較好。

表2 厭氧消化單元上清液的每月平均水質(zhì)參數(shù) mg·L-1

2.2 系統(tǒng)表現(xiàn)

2.2.1 魚類生長本三回路式RAS 主要評估系統(tǒng)的水質(zhì)保障能力，故選擇成年羅非魚進行試驗，養(yǎng)殖參數(shù)見表3。所放養(yǎng)的100 尾羅非魚初始平均質(zhì)量522 g，每日飼料投喂量由實驗初期魚體質(zhì)量的0.5%逐漸增加至魚體質(zhì)量的1%～2%。經(jīng)過121 d 的飼養(yǎng)后，羅非魚平均體質(zhì)量為970 g，養(yǎng)殖密度達到107.7 kg·m-3，存活率為100%，月平均飼料轉(zhuǎn)化率（FCR）在1.2～1.99 之間，平均值1.74（表3）。

表3 本三回路式RAS 羅非魚121 d 的養(yǎng)殖參數(shù)

2.2.2 養(yǎng)殖耗水量本三回路式RAS 的總水量為2.255 m3，其中魚缸的養(yǎng)殖水量為0.9 m3。厭氧消化單元每日溢流水量約60 L·d-1，占系統(tǒng)總水量的2.66%，養(yǎng)殖水量的6.67%，加上蒸發(fā)、滲漏和魚類捕撈等造成的水量損失，每日換水率約為系統(tǒng)總水量的3%。該系統(tǒng)的養(yǎng)殖耗水量（以生產(chǎn)1 kg 魚所需的耗水量計算）為162.1 L·kg-1（表3），水體交換速率（以投加1 kg 飼料所需的耗水量計算）為92.9 L·kg-1（表3）。

2.2.3 魚缸水質(zhì)實驗期間，魚缸的水溫在21.5～31.7 ℃之間波動，pH 維持在6.92～7.39，DO 在4.00 mg·L-1以上；TAN 和NO2--N 的平均濃度分別為1.05 mg·L-1和0.16 mg·L-1，最高濃度分別為1.60 mg·L-1和0.30 mg·L-1（表4），滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)要求[17]。NO3--N 濃度在前20 d 內(nèi)呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，之后穩(wěn)定在55 mg·L-1左右（圖2-d），其濃度遠低于淡水魚類的耐受閾值（96 hLC50s＞1 000 mg·L-1）和養(yǎng)殖水質(zhì)控制要求的500 mg·L-1[4,18]。磷酸鹽濃度呈緩慢增加趨勢，由1.21 mg·L-1到17.12 mg·L-1（表4）。

表4 魚缸的水質(zhì)參數(shù)

2.3 N、P 平衡N、P 質(zhì)量平衡計算和分析結(jié)果如圖4 所示。飼料是RAS 中N 和P 的唯一來源。試驗過程共投入77.91 kg 飼料，其中，含有3.62 kg N 和 1.40 kg P。

圖4 本三回路式RAS 中的N（a）、P（b）平衡分析

根據(jù)文獻資料計算得到，通過飼料進入系統(tǒng)的3.62 kg N 中，約22%（0.80 kg）被魚同化[19]，4.4%（0.16 kg）以無機氮的形式（如NO3--N、TAN）殘留在水體中，4.2%（0.15 kg）主要以TAN 的形式從厭氧消化單元排出，17.3%（0.63 kg）保留在污泥中，剩余52.1%（1.89 kg）的N 則通過反硝化以N2形式排出系統(tǒng)外（圖4-a）。進入系統(tǒng)的P 為1.40 kg，約18.8%（0.26 kg）被魚轉(zhuǎn)化利用[19]，3.9%（0.05 kg）以磷酸鹽的形式殘留在水體中，68.8%（0.96 kg）的P 以污泥的形式存在于消化單元中，剩余8.5%（0.12 kg）的P 通過溢流從消化單元排出系統(tǒng)（圖4-b）。

2.4 微生物群落組成及功能細菌分布通過高通量測序進行微生物群落分析，在門水平上的細菌群落結(jié)構(gòu)分布如圖5-a，其中相對豐度小于0.5%的菌群被歸為“其他”。變形菌門和擬桿菌門是反硝化的主要門，包含許多與反硝化過程相關(guān)的細菌[20]，其他門包括綠彎菌門（Chloroflex）、梭桿菌門（Fusobacteriota）、厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteriota）、酸桿菌門（Acidobacteriota）等參與了硝化、反硝化和厭氧消化過程。結(jié)果表明，綠彎菌門（Chloroflex）、變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidota）為硝化單元、反硝化單元和厭氧消化單元中的優(yōu)勢門，相對豐度分別為5.81%～53.24%、11.72%～37.45%和14.10%～30.32%。而硝化螺旋菌門（Nitrospirota）僅在硝化單元出現(xiàn)，相對豐度為2.07%。

圖5 本三回路式RAS 中細菌在門水平（a）和屬水平（b）的群落組成分析

各處理單元中，與氮代謝相關(guān)的功能菌屬的結(jié)構(gòu)分布如圖5-b 所示，其中硝化螺旋菌參與硝化作用；紅細菌屬為異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌（HNADB），可參與異養(yǎng)硝化和好氧反硝化作用[21]；黃桿菌屬和固氮菌屬是經(jīng)典的反硝化細菌，可促進高效反硝化體系的形成[22]。在硝化單元、反硝化單元和厭氧消化單元中，分別有8.29%、12.02%和14.62%的菌屬與氮代謝相關(guān)。在硝化單元中，與氮代謝相關(guān)的菌屬有硝化螺旋菌屬（Nitrospira）、德沃斯氏菌屬（Devosia）、亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonadaceae）、紅細菌屬（Rhodobacte）、黃桿菌屬（Flavobacterium）和氫噬胞菌屬（Hydrogenophaga）等，其中硝化螺旋菌屬、紅細菌屬和生絲微菌屬（Hyphomicrobium）為優(yōu)勢菌屬，相對豐度分別為2.07%、3.04%和1.30%。反硝化單元中與氮代謝相關(guān)的優(yōu)勢菌屬分別為黃桿菌屬、紅細菌屬和固氮螺菌屬（Azospira），相對豐度分別為3.60%、2.01%和1.80%。厭氧消化單元中與氮代謝相關(guān)的優(yōu)勢菌屬分別為固氮螺菌屬、羅姆布茨菌屬（Romboutsia）和土生單胞菌屬（Terrimonas），相對豐度分別為4.52%、3.54%和2.56%。羅姆布茨菌屬和土生單胞菌屬同樣參與了反硝化過程。此外，羅姆布茨菌屬和土生單胞菌屬可分別將單糖和淀粉進一步水解為VFAs，為反硝化微生物提供容易利用的碳源[22]。

3 討 論

3.1 羅非魚生長情況羅非魚是海南最主要的淡水養(yǎng)殖魚類（約占90%），在傳統(tǒng)大塘養(yǎng)殖模式下，養(yǎng)殖密度僅約4.5 kg·m-3，占地面積大，生長過程不可控，尾水排放對周邊水環(huán)境影響嚴重，產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到制約。與Shnel 等[23]提出的最大養(yǎng)殖密度為61.8 kg·m-3的新型RAS 相比，本三回路式RAS 技術(shù)實現(xiàn)了107.7 kg·m-3的養(yǎng)殖密度，魚的存活率為100%，F(xiàn)CR 為1.74。試驗后期較高的FCR（1.99）

可能與羅非魚在此體質(zhì)量時的生長特性有關(guān)[24-25]。Oliveira 等[25]繪制的羅非魚生長曲線表明，羅非魚體質(zhì)量超過200～300 g后，生長呈穩(wěn)定狀態(tài)，并不隨喂食量的增加而明顯增加。同時，Martins等[24 - 25]的研究表明，在低換水速率的RAS 中，個體較大的羅非魚（體質(zhì)量200～300 g）會出現(xiàn)生長遲緩的趨勢，表現(xiàn)出低生長速率和高飼料轉(zhuǎn)化率（FCR 高達2.12），而個體較小的羅非魚［（81.4±21.0）g］生長得更好[25]。本研究中的羅非魚個體更大，但FCR 值反而低于其他研究結(jié)果，說明系統(tǒng)具有較高的養(yǎng)殖效率。

3.2 系統(tǒng)性能分析該三回路式RAS 在傳統(tǒng)的單回路RAS 基礎(chǔ)上增加了反硝化和厭氧消化單元，從而實現(xiàn)高效水循環(huán)和魚糞污泥處理。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，魚糞和懸浮固體（SS）的高效分離是RAS 中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可大大減輕魚缸和硝化單元中的碳（C）、N 負荷，降低系統(tǒng)的需氧量，還可為養(yǎng)殖生物提供優(yōu)越的水體環(huán)境。根據(jù)文獻數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖系統(tǒng)中TAN 和NO2--N 的濃度宜控制在5.0（pH＜8.0 時）和0.3 mg·L-1以下[18,26]。傳統(tǒng)RAS 中的硝化單元一般采用一級流化床反應器，填料填充率小于36%[17]，單位體積TAN 去除率為70～270 g·（m3·d）-1[17]。在本RAS 中，硝化單元中填料的單位體積TAN 去除率達381 g·（m3·d）-1，其良好的硝化效率可歸因于硝化單元中流化床反應器的二級設(shè)計、較高的填料填充率（60%）、充足的曝氣（DO＞5 mg·L-1）、合適的pH 和ALK 控制。試驗過程中，硝化單元進水的TN 和NO3--N 總是略高于硝化單元出水，可能是由于硝化單元內(nèi)發(fā)生了脫氮作用，而硝化單元中含有好氧反硝化細菌的微生物群落分析結(jié)果證實了這一猜測。

第二處理回路的反硝化過程可減少為維持NO3--N 水平而需要的水體交換量，產(chǎn)生的OH-還可為系統(tǒng)補充堿度[16,27]。但反硝化過程需要外加碳源如甲醇、醋酸鈉或糖蜜等，導致運行成本增加[28]。本研究以微濾機反沖洗產(chǎn)生的細小污泥作為碳源取得了成效，通過資源化利用降低系統(tǒng)的C 排放并節(jié)約運行成本[29-30]。在相似的COD 與NO3--N 比值條件下，Suhr 等[31]利用淡水虹鱒魚商業(yè)RAS 水解污泥的上清液作為反硝化碳源，其脫氮速率為124.8 g ·（m3·d）-1。本研究中污泥未經(jīng)過水解過程直接使用，而硝酸鹽的去除速率與之相當。因此，合理調(diào)控污泥進入反硝化單元和排入?yún)捬跸瘑卧谋壤S持合適的COD 與NO3--N 的比值是系統(tǒng)實現(xiàn)高效、穩(wěn)定反硝化脫氮的關(guān)鍵。反硝化過程產(chǎn)生的ALK 與石灰石一起有效彌補了硝化作用和魚呼吸作用所造成的ALK 損失和pH 下降，減少了外加堿性化學品的用量和成本，為RAS 的穩(wěn)定運行提供了有力保障。

第三處理回路的厭氧消化過程可實現(xiàn)魚糞污泥的穩(wěn)定化和減量化，實驗結(jié)束后消化單元殘留的少量污泥具有較高N、P 含量，且常含磷灰石和鳥糞石等礦物質(zhì)，大規(guī)模生產(chǎn)時有望作為緩釋肥被回收利用[32]。該RAS 每天僅有約7%的尾水從厭氧消化單元溢出，大大減輕了尾水處理的壓力和對周邊水環(huán)境的影響。而溢出的尾水含有植物生長所需的N、P 等營養(yǎng)物質(zhì)和多種微量元素，可作為水培蔬菜的營養(yǎng)液被進一步利用。

3.3 N、P 平衡分析本三回路式RAS 具有更低的N 殘留，且以水體交換形式產(chǎn)生的N 排放量（1.94 g·kg-1飼料）比傳統(tǒng)的RAS 低21 倍[13,26]。反硝化去除52.1%的N 則略低于文獻[10 - 11]的報道（60%～70%）。上述結(jié)果與反硝化單元可處理的水量有關(guān)，而試驗后期（86～102 d）反硝化單元發(fā)生污泥上浮現(xiàn)象對此有較大影響。如正常運行，則可實現(xiàn)59.7%的N 去除。

據(jù)報道，飼料中只有15%～40%的P 被魚類同化[19]，剩下的則被排到水體中。雖然較高濃度的磷酸鹽并不對魚類造成傷害，但排放到環(huán)境中會造成水體富營養(yǎng)化等問題。本研究中，經(jīng)厭氧消化處理后，約8.5%的P 通過溢流排出系統(tǒng)，低于文獻報道的22.9%[23]；剩余68.8%的P 以污泥的形式存在于消化單元中。此外，該三回路式RAS 的水體交換速率為92.9 L·kg-1，遠小于流水式養(yǎng)殖、半封閉養(yǎng)殖的水體交換速率(v)（流水式養(yǎng)殖v＞50 m3·kg-1，半封閉養(yǎng)殖v為1～50 m3·kg-1）[5]，也低于常規(guī)RAS（0.1～1 m3·kg-1）和實驗室規(guī)模RAS（生產(chǎn)1 kg 魚需要數(shù)百到數(shù)千升水）[5，19]，顯示出優(yōu)越的水資源利用效率。

3.4 微生物群落分析在硝化單元、反硝化單元和厭氧消化中，共檢測到21 個與氮代謝相關(guān)的菌屬（相對豐度大于0.05%），包括自養(yǎng)硝化菌屬（AOB 和NOB），異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌屬和反硝化菌屬（DB）；AOB 和NOB 主要富集在硝化單元中；HNADB 具有異養(yǎng)硝化好氧反硝化的能力[21]，主要包括紅細菌屬、黃桿菌屬、氫噬胞菌屬和食酸菌屬（Acidovorax）等，該類菌屬在硝化單元、反硝化單元和厭氧消化3 個處理單元中均有富集。表明硝化單元中TAN 和NO2--N 的高效去除是AOB、NOB 和HNADB 共同作用的結(jié)果。同時，各處理單元中的脫氮作用也與HNADB 密切相關(guān)。在脫氮過程中，DB 也發(fā)揮著重要作用，主要包括羅姆布茨菌屬、土生單胞菌屬和熱單胞菌屬（Thermomonas）等，該類菌屬主要富集在反硝化單元和厭氧消化單元中。值得關(guān)注的是，硝化單元中同樣存在著DB，相對豐度為2.43%，因此，存在弱脫氮效果。

4 結(jié) 論

（1）本研究通過引入反硝化單元和厭氧消化單元組成三回路式RAS，達到養(yǎng)殖水循環(huán)利用、魚糞污泥減量化、穩(wěn)定化和控制NO3--N 的目的，實現(xiàn)每日約93%的養(yǎng)殖水體循環(huán)率。

（2）利用微濾機反沖洗的細小污泥作為反硝化碳源可行，反硝化運行相對穩(wěn)定，有效控制NO3--N 水平，節(jié)約運行成本。

（3）共21 個菌屬參與了N 代謝，包括紅細菌屬、黃桿菌屬和固氮螺旋菌屬等。其中紅細菌屬和黃桿菌屬等異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌屬HNADB在硝化單元被發(fā)現(xiàn)，表明硝化單元中存在弱脫氮作用。

（4）飼料中的N、P 僅有不到40%被魚同化，其余作為污染物被去除，是巨大的資源浪費。因此，C、N、P 資源回收利用途徑研究具有重要意義。