干露時(shí)間對(duì)生物膜凈化效果的影響

朱建新+程海華+曲克明+孫杰鋒+鄭文杰

摘 要：采用循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模擬裝置，研究生物膜經(jīng)不同干露時(shí)間處理后的凈化作用效果及主要功能菌群落變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)干露時(shí)間為3 h時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)21 h恢復(fù)運(yùn)行后，生物膜對(duì)TAN和NO2--N的去除效果最好，分別為80.1%和93.5%；隨著干露時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜對(duì)CODMn的去除力逐漸變?nèi)酰浑S著干露時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜上異養(yǎng)細(xì)菌、亞硝酸菌和硝酸菌數(shù)量明顯減少，除了9 h組和15 h組外，其他各組間主要功能菌群數(shù)量差異顯著（P<0.01）。在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)生物濾池進(jìn)行適當(dāng)清洗有利于提高生物膜的凈化效率，但清洗過(guò)程中生物膜的干露時(shí)間應(yīng)控制在3 h之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng) 生物膜 干露時(shí)間

中圖分類號(hào)：S959 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（a）-0118-04

在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）中，生物濾池是使養(yǎng)殖廢水被重新利用的核心處理單元[1]。生物膜是在生物載體表面形成的一種黏液狀的膜，主要由微生物細(xì)胞和胞外聚合物兩部分組成。在凈水過(guò)程中，生物膜上的微生物群落在利用水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)完成自身代謝活動(dòng)，生物膜具有過(guò)濾、吸附水中的有機(jī)顆粒物的作用，從而完成對(duì)水中有毒、有害物質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化、吸收和降解，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水的循環(huán)利用[2]。目前，關(guān)于生物膜影響因素的研究非常多，如，光照[3]、基底類型[4]、營(yíng)養(yǎng)水平[5]和水文條件[6]等，但生物膜依然是整個(gè)系統(tǒng)管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

由于微生物的代謝速度很快，養(yǎng)殖過(guò)程中，生物膜處于不斷的老化更新過(guò)程中，再加上生物濾料的吸附作用導(dǎo)致的生物膜過(guò)厚而滑落，生物濾料對(duì)水流的阻擋引起流速下降導(dǎo)致水中顆粒物的沉淀等因素的共同作用，生物濾池底部往往容易堆積較厚的生物污泥，這些生物污泥不但會(huì)堵塞底部排污孔，而且生物污泥的腐壞極易導(dǎo)致個(gè)別水質(zhì)指標(biāo)的嚴(yán)重超標(biāo)，輕則影響?zhàn)B殖生物的正常生長(zhǎng)，重則影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此，生物濾池的清洗是養(yǎng)殖企業(yè)系統(tǒng)管理的重要組成部分。但是，由于缺乏對(duì)生物膜干露時(shí)間對(duì)生物膜凈化效果和微生物菌群結(jié)構(gòu)影響的了解，部分養(yǎng)殖在清洗生物濾池的過(guò)程中由于沒(méi)有掌握好清洗時(shí)間，生物膜在空氣中曝露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致生物膜在清洗后凈化效率顯著下降，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重“脫膜”、需要重新培養(yǎng)生物膜的情況。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)研究不同干露時(shí)間下，生物膜主要菌群數(shù)量的變化情況及對(duì)養(yǎng)殖水體主要水質(zhì)指標(biāo)的去除情況，為養(yǎng)殖企業(yè)對(duì)生物濾池進(jìn)行科學(xué)管理提供又一理論參考。

1 材料與方法

1.1 填料與試驗(yàn)裝置

生物填料選用爆炸棉，其材質(zhì)為PU海綿，基本參數(shù)為：比表面積350 m2/m3、密度0.024 g/cm3。

該試驗(yàn)共有5套循環(huán)水模擬裝置，每套裝置主要由生物濾器和蓄水箱兩部分組成（圖1）。生物濾器采用亞克力有機(jī)玻璃管，尺寸大小φ140 mm×600 mm，其進(jìn)水端和出水端都有球閥可以控制水流速率，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，每個(gè)濾器內(nèi)水力停留時(shí)間（HRT）約為23～25 s；蓄水箱采用白色圓柱塑料水箱，其有效容積為200 L，水箱里有浸沒(méi)式水泵、控溫加熱棒和曝氣氣石；生物濾器與蓄水箱之間采用φ25 mm的塑料軟管連接。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣機(jī)氣閥，使濾器中氣水比（單位時(shí)間曝氣量與進(jìn)水量的體積比值）達(dá)到5∶1（趙倩，2013）。

1.2 生物膜培養(yǎng)

生物膜培養(yǎng)采用預(yù)培養(yǎng)法，實(shí)驗(yàn)前6周，往每個(gè)蓄水箱加入半滑舌鰨循環(huán)水養(yǎng)殖池水100 L，并添加50 mg/L微生態(tài)凈水劑（廈門好潤(rùn)牌生力菌和亞硝菌克，富含硝化細(xì)菌、芽孢桿菌等益生菌，有益菌含量大于2×1010 CFU/g）作為掛膜菌種。另外，添加20 mg/L氯化銨、20 mg/L葡萄糖作為生物膜培養(yǎng)的補(bǔ)充氮源和碳源。每套系統(tǒng)水力停留時(shí)間為30 min，每星期換水1次，換水后重新添加同量的氯化銨和葡萄糖，并定期檢測(cè)水中氨氮和亞硝態(tài)氮濃度，直至亞硝態(tài)氮濃度降低且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，表明生物膜成熟。掛膜期間系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)：pH：7.5～8.0，WT：26.5 ℃～28.0 ℃，DO≥6 mg/L，鹽度（Sal）：27.5～28.0。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)分組

待各組生物濾器中生物膜成熟后，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行分組。實(shí)驗(yàn)共分5組，隨機(jī)選取其中一套試驗(yàn)裝置作為對(duì)照組（不做任何處理），并命名為對(duì)照組；隨機(jī)對(duì)剩余4套裝置進(jìn)行分組，依次命名為3 h組、6 h組、9 h組和15 h組。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)操作步驟

（1）生物膜成熟后，分別排干5套系統(tǒng)的預(yù)培養(yǎng)用水；（2）立刻從養(yǎng)殖池中取0.5 m3養(yǎng)殖用水，（水質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1），平均加入5套試驗(yàn)裝置的蓄水箱中；（3）即刻運(yùn)行對(duì)照組（即A組），且其他4組不運(yùn)行，并確保其生物膜處于干露狀態(tài)；（4）從對(duì)照組開(kāi)始運(yùn)行計(jì)時(shí)，3小時(shí)后運(yùn)行3 h組，6小時(shí)后運(yùn)行6 h組，9小時(shí)后運(yùn)行9 h組，15小時(shí)后運(yùn)行15 h組，依次保證對(duì)照組、3 h組、6 h組、9 h組和15 h組生物膜的干露時(shí)間分別為0、3、6、9、15 h。

1.3.3 細(xì)菌計(jì)數(shù)

（1）生物膜成熟后，對(duì)每套系統(tǒng)的生物膜進(jìn)行取樣，即用剪刀（事先經(jīng)過(guò)消毒）分別從每套系統(tǒng)剪取3份大小相似的生物填料樣品（盡量為長(zhǎng)方體），分別放入盛有200 mL無(wú)菌陳海水的錐形瓶中，充分振蕩混勻；（2）異養(yǎng)細(xì)菌的培養(yǎng)計(jì)數(shù)采用平板涂布法（2216E培養(yǎng)基）[7]，26 ℃下培養(yǎng)48 h后計(jì)數(shù)。亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌計(jì)數(shù)采用MPN3管法[8]，分別取1 mL稀釋液加入到裝有亞硝化細(xì)菌培養(yǎng)基和硝化細(xì)菌培養(yǎng)基的試管中，26 ℃培養(yǎng)4周，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后推算出1 cm3生物填料上細(xì)菌的數(shù)量；（3）每套系統(tǒng)經(jīng)過(guò)相應(yīng)干露時(shí)間處理后，分別對(duì)各自生物膜上異養(yǎng)細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)計(jì)數(shù)，其操作方法同第一次計(jì)數(shù)方法。

1.3.4 日常水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別對(duì)各個(gè)組進(jìn)行定時(shí)取水樣，時(shí)間分別為各自運(yùn)行初始、6 h、12 h和21 h時(shí)。測(cè)量其總氨氮（TAN）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），每個(gè)水樣3個(gè)平行。

水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)依照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB 17378.4—2007）：TAN采用次溴酸鹽氧化法；NO2--N采用萘乙二胺分光光度法；化學(xué)需氧量（CODMn）采用堿性高錳酸鉀法測(cè)定； Sal、pH、DO、WT采用YSI-556多功能水質(zhì)分析儀測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各組的水質(zhì)變化情況

2.1.1 TAN濃度

實(shí)驗(yàn)期間各組TAN含量變化情況見(jiàn)圖2，經(jīng)過(guò)6 h反應(yīng)后，對(duì)照組TAN濃度比初始值略有升高，其他幾組TAN濃度幾乎不變；反應(yīng)進(jìn)行到12 h時(shí)，15 h組的TAN含量出現(xiàn)升高現(xiàn)象，其他幾組均發(fā)生不同程度的下降，其中對(duì)照組下降最快；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各組TAN含量比較：3 h組<對(duì)照組<6 h組<9 h組<15 h組。

2.1.2 NO2--N濃度

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各組NO2--N濃度先升高，然后隨著反應(yīng)的進(jìn)行又逐漸降低（見(jiàn)圖3）。同一實(shí)驗(yàn)階段下，各處理組NO2--N濃度與干露時(shí)間長(zhǎng)短呈負(fù)相關(guān)；對(duì)照組在反應(yīng)進(jìn)行到12 h時(shí)，NO2--N濃度增加至最大；當(dāng)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行到21 h時(shí)，各組NO2--N濃度都出現(xiàn)不同程度的降低，其中對(duì)照組下降幅度最大，且實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各組NO2--N濃度從小到大依次為：3 h組<6 h組<對(duì)照組<9 h組<15 h組。

2.1.3 高錳酸鹽指數(shù)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到6 h時(shí)，各組CODMn會(huì)發(fā)生波動(dòng)，但波動(dòng)幅度不劇烈；然后，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，各組CODMn逐漸趨于穩(wěn)定。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，相同階段下，對(duì)照組CODMn均最低；當(dāng)實(shí)驗(yàn)最后階段，各組CODMn處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其大小依次為：對(duì)照組<3 h組<6 h組<9 h組<15 h組（見(jiàn)圖4），表明各組CODMn與干露時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，干露時(shí)間越長(zhǎng)，CODMn則越小。

2.1.4 各個(gè)指標(biāo)的去除率

圖5反應(yīng)的是不同實(shí)驗(yàn)組生物濾器對(duì)TAN、NO2--N和CODMn的去除情況。3 h組對(duì)TAN去除率最高，其次為對(duì)照組，隨著干露時(shí)間的延長(zhǎng)，相應(yīng)處理組對(duì)TAN的去除效果則越來(lái)越差；關(guān)于NO2--N 去除情況，3 h組和6 h組去除效果比對(duì)照組好，當(dāng)干露時(shí)間達(dá)到15 h時(shí)，該組對(duì)NO2--N的去除率與9 h組相比，急劇下降，只有-5.5%，表明生物膜經(jīng)過(guò)15 h干露處理后，其通過(guò)硝化反應(yīng)對(duì)NO2--N的去除量小于亞硝化反應(yīng)中NO2--N的生成量；觀察各實(shí)驗(yàn)組對(duì)CODMn的去除情況發(fā)現(xiàn)，隨著干露時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜對(duì)CODMn的去除能力逐漸變?nèi)酰? h組與對(duì)照組差別較小，當(dāng)干露時(shí)間為15 h時(shí)，該組對(duì)CODMn的去除率最小且為負(fù)值，為-9%，這可能說(shuō)明干露時(shí)間達(dá)到15 h，生物膜可能會(huì)脫落一部分，不但使其生物分解氧化能力下降，同時(shí)脫落的生物膜部分會(huì)導(dǎo)致水體中的有機(jī)物含量升高。

2.2 細(xì)菌計(jì)數(shù)

2.2.1 異養(yǎng)細(xì)菌

干露處理前后，各實(shí)驗(yàn)組單位體積生物填料上異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量的對(duì)比情況如圖6所示。干露處理前，對(duì)各實(shí)驗(yàn)組生物填料上異養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行計(jì)數(shù)，發(fā)現(xiàn)各組異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量均達(dá)到108 CPU/cm3，且各組之間不存在顯著性差異（P >0.05）；經(jīng)過(guò)相應(yīng)干露時(shí)間處理后，各組異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量發(fā)生劇烈變化，變化趨勢(shì)為隨著干露時(shí)間的延長(zhǎng)，異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量減少程度越劇烈，其中對(duì)照組異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量幾乎沒(méi)有變化，另外，除了9 h組和15 h組，其他各組之間均存在極顯著性差異（P <0.01）。

2.2.2 亞硝化細(xì)菌

觀察圖7發(fā)現(xiàn)，干露處理前，各實(shí)驗(yàn)組單位體積生物填料上亞硝化細(xì)菌的數(shù)量均介于（3.10～3.37）×106 CFU/cm3，各組之間不存在顯著差異。經(jīng)過(guò)相應(yīng)干露處理后，除了對(duì)照組生物填料上亞硝化細(xì)菌數(shù)量略微增加外，其他各處理組均出現(xiàn)顯著降低，降低趨勢(shì)與干露處理時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。

2.2.3 硝化細(xì)菌

圖8表示的是干露處理前后，各實(shí)驗(yàn)組單位體積生物填料上硝化細(xì)菌數(shù)量的對(duì)比情況。干露處理前，各組生物填料上硝化細(xì)菌數(shù)量約有5×105 CFU/cm3，表明在相同生物填料上，硝化細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量，也小于亞硝化細(xì)菌的數(shù)量。干露處理后，各組硝化細(xì)菌數(shù)量都減少，且減少的幅度隨著干露時(shí)間的變長(zhǎng)而增大；另外，當(dāng)干露時(shí)間控制在9 h內(nèi)，各實(shí)驗(yàn)組硝化細(xì)菌數(shù)量存在極顯著差異（P <0.01），當(dāng)干露時(shí)間達(dá)到或超過(guò)9 h后，各組硝化細(xì)菌數(shù)量變化不再明顯。

3 討論

3.1 干露時(shí)間對(duì)生物濾池硝化作用的影響

硝化作用包括兩個(gè)階段：一是亞硝化菌屬（Nitrosomonas）將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮；二是硝化桿菌屬（Nitrobacter）將生成的亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮[9]。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果反應(yīng)，當(dāng)生物膜干露時(shí)間為3 h時(shí)，生物膜對(duì)TAN和NO2--N的去除效果比對(duì)照組更好，這些表明短時(shí)間的干露處理會(huì)增強(qiáng)生物膜的硝化作用強(qiáng)度。分析其原因可能是，生物濾池可以吸附截留一部分懸浮物（SS），這些SS不僅不會(huì)被硝化菌群分解利用，而且會(huì)使得濾料表面覆蓋一層厚厚的“隔離層”，這些可能會(huì)造成生物膜局部表面形成無(wú)氧或低氧區(qū)，影響硝化反應(yīng)的進(jìn)行。有研究表明，當(dāng)溶氧為0.5 mg/L時(shí)，亞硝酸菌增值速率降低40%，而硝酸菌則降低70%以上。短時(shí)間的干露處理，會(huì)導(dǎo)致生物膜表面的沉積物脫落，減少生物膜表面低氧或厭氧區(qū)域的形成，對(duì)硝化反應(yīng)起到增強(qiáng)作用。隨著干露時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜脫落部分會(huì)增加，同時(shí)部分硝化菌群因缺乏營(yíng)養(yǎng)而死亡，這些將導(dǎo)致硝化作用變?nèi)酰搶?shí)驗(yàn)中6 h、9 h和15 h組生物膜對(duì)TAN和NO2--N的去除效果越來(lái)越差。

3.2 干露時(shí)間與生物膜上主要功能菌數(shù)量變化關(guān)系的討論

干露處理前，對(duì)成熟生物膜上的主要功能菌（如異養(yǎng)細(xì)菌、亞硝酸菌和硝酸菌）分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，結(jié)果表明異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量為1.60×108 CPU/cm3、亞硝酸菌數(shù)量為3.26×106CPU/cm3、硝酸菌數(shù)量為5.08×105 CPU/cm3。在生物膜上，自養(yǎng)菌生長(zhǎng)速度較慢，往往無(wú)法與生長(zhǎng)較快的異養(yǎng)細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)空間和氧氣。因此，生物膜上異養(yǎng)菌數(shù)量多于自養(yǎng)菌數(shù)量；亞硝酸菌比硝酸菌高出1個(gè)數(shù)量級(jí)，這與管敏和馬悅欣的研究結(jié)果相一致。

各處理組經(jīng)過(guò)相應(yīng)時(shí)間的干露處理后，其生物膜上主要功能菌數(shù)量均發(fā)生不同程度的降低，其中異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量變化幅度最大。分析其原因可能是：異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)較快，世代周期較短，生物膜脫離水體后，大多數(shù)細(xì)菌會(huì)死亡；另外，干露過(guò)程中，生物膜上的黏附物脫落會(huì)導(dǎo)致部分細(xì)菌隨著脫落，從而使生物膜上的異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量降低，且這種降低趨勢(shì)會(huì)隨著干露時(shí)間的延長(zhǎng)而加劇。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，3 h組亞硝酸菌和硝酸菌數(shù)量降低幅度明顯小于同組異養(yǎng)細(xì)菌。這可能是因?yàn)樯餅V池內(nèi)部被填料填充滿，雖然干露過(guò)程排掉了內(nèi)部的水，但生物膜仍處于濕露狀態(tài)；硝化細(xì)菌為自養(yǎng)型細(xì)菌，往往占據(jù)生物膜內(nèi)層，仍然可以獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)受生物膜表面黏附物脫落的影響較小，再加上其世代周期一般大于8 h，因此短時(shí)間的干露處理不會(huì)導(dǎo)致硝化細(xì)菌數(shù)量急劇下降。

4 結(jié)語(yǔ)

在循環(huán)水養(yǎng)殖過(guò)程中，當(dāng)生物污泥堵塞濾池底部用來(lái)排污的多孔管，需要排空濾池水體，對(duì)其底部進(jìn)行清洗時(shí)，整個(gè)清洗過(guò)程盡量控制在3 h左右。因?yàn)樯锬ざ虝r(shí)間地曝露在空氣中，雖然會(huì)對(duì)其分解利用有機(jī)物的能力產(chǎn)生抑制作用，但抑制效果不明顯，然而會(huì)對(duì)其硝化作用產(chǎn)生一定的增強(qiáng)效果。如果干露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)對(duì)生物膜凈化能力產(chǎn)生顯著的抑制作用。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為實(shí)際生產(chǎn)中科學(xué)管理生物濾池提供些許理論幫助。

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