藤壺殼應用于對蝦養殖尾水處理的初步研究

章 霞,柳敏海,徐志進,李凌剛,葉劍英,傅榮兵

(浙江省舟山市水產研究所,浙江舟山316000)

藤壺殼應用于對蝦養殖尾水處理的初步研究

章 霞,柳敏海,徐志進,李凌剛,葉劍英,傅榮兵

(浙江省舟山市水產研究所,浙江舟山316000)

為研究藤壺殼作為生物濾料應用于對蝦養殖尾水處理的可行性,通過比較陶瓷環組、聚乙烯(PE)組、藤壺殼組和藤壺殼+PE組4個不同濾料組合的生物掛膜效果,初步評價藤壺殼作為生物濾料的應用價值;通過設定藤壺殼的不同填充率(濾料體積∶尾水體積),研究填充率對對蝦塘養殖尾水處理效果的影響。結果顯示:藤壺殼組掛膜成功時間較早,水處理效果好;藤壺殼不同填充率對水處理中懸浮物、氨氮(NH+4-N)、亞硝酸鹽氮(NO-2-N)的處理效果有顯著影響,A、B、C、D各組懸浮物在6 h時的去除率分別達(68.7±4.3)%、(74.5±7.0)%、(80.9±4.2)%和(82.1±3.8)%,其中B、C、D組去除率顯著高于A組(P<0.05);4組的氨氮最終去除率都在92.1%以上,以0.1mg/L為基準,A組氨氮降至此質量濃度以下需要時間5 d,B、C組4 d,D組3 d,降解速率為D組>C組>B組>A組;4組的亞硝酸鹽氮最終去除率都在98.0%以上,以0.1 mg/L為基準,A組的亞硝酸鹽氮降至此質量濃度以下需要時間為6 d,B、C、D組需要5 d,降解速率為D組>C組>B組>A組。研究表明:藤虎殼作為生物濾料應用于對蝦養殖尾水處理,效果良好,且隨著填充率的增大,處理效率增強;但考慮到經濟成本和應用實際,建議藤壺殼填充率為2∶9。

藤壺殼;對蝦;養殖尾水;水處理;工廠化養殖

我國的對蝦養殖業發展迅速,現已成為水產養殖業的重要組成部分。目前,對蝦養殖普遍存在養殖超負荷、無規劃、無標準等現象,其中,養殖廢水隨意排放、養殖水環境富營養化問題日益嚴重[1-3]。

研究表明,在對蝦養殖過程中,飼料系數一般為1.2～1.5,蝦飼料中的氮含量約為4.96%～ 6.56%、磷含量約為 1.0%;投喂飼料中約有78%～79%的氮和92%～95%的磷釋放在水中或殘留在池底。因此,對蝦養殖的環境排污量不容小覷[4-6]。

生物濾料水處理技術的實質是通過物理和生化的綜合作用,去除水中懸浮物,降低氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮等水質指標,實現水質凈化,具有占地面積較少、有機負荷去除力強、管理方便等優點[7-8]。目前主要應用于工業廢水處理[9-10]、生活飲用水處理[11-12]和循環水養殖[13-14],而用于對蝦養殖尾水大水體處理較為少見。原因可能是由于現有常見濾料價格昂貴、不易反沖洗、資源有限等。藤壺殼作為海產生物的廢棄物,遍布于海域的潮間帶至潮下帶淺水區、船舶下面以及其他水下設施等,資源豐富,價格便宜,且水處理效果較好[15]。

通過研究藤壺殼與養殖廢(尾)水的不同填充比例,探究在自然養殖狀況下,對蝦養殖尾水的最佳藤壺殼填充率,為今后的養殖尾水處理體系設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

掛膜試驗濾料選用陶瓷環、聚乙烯、藤壺殼3種濾料,構建陶瓷環、聚乙烯、藤壺殼和藤壺殼+聚乙烯共4個試驗組,每組3個平行。3種濾料的相關參數見表1。

表1 3種濾料的相關參數Tab.1 Associated parameters of 3 kinds of filtering media

掛膜試驗和水處理試驗系統結構(圖1)的上部選用白色PVC桶作為濾料桶,下部采用藍色玻璃鋼桶作為蓄水桶,并通過水泵(流量2 600L/h)實現下進水、上出水的水循環。

圖1 試驗運行示意圖Fig.1 Schematic diagram of test run

掛膜試驗開始時,在不同的試驗組中對應放入陶瓷環(Ceramic ring)、聚乙烯(PE)、藤壺殼(Balanite shells)和藤壺殼+PE濾料體積各80 L,下部蓄水桶中注入潔凈海水240 L,并各自在其中養殖南美白對蝦150尾,體長(3.450±0.492)cm,體質量(0.445±0.052)g。每天8:00、14:00在水處理系統中各投入水產配合飼料2 g,隔天14:00取水樣100mL用于測定氨氮(NH+4-N)和亞硝酸鹽氮(NO-2-N)。掛膜周期38 d,期間不換水。

取掛膜好的藤壺殼統一混合分裝,設立不同填充率(濾料體積 ∶對蝦養殖尾水體積)4組:A組(1∶6);B組(2∶9);C組(1∶3);D組(1∶2)分別進行尾水處理。其中,對蝦養殖尾水取自浙江華興水產科技有限公司養蝦大棚,混勻分裝,體積均為180 L,每組3桶。每天8:00取樣200 mL用于測定水體中的懸浮物、氨氮、亞硝酸鹽氮。

1.2 方法

濾料外部形態觀測:采用場發射掃描電子顯微鏡(日本Hitachi S4800型),觀察陶瓷環、藤壺的橫斷面,PE的側切面。水質檢測:水體中環境因子鹽度、水溫、溶氧、pH采用YSI-556多參數水質測定儀測定。其他水質指標依據規范方法[16]測定:懸浮物測定采用重量法;氨氮測定采用次溴酸鹽氧化法、亞硝酸鹽氮測定采用萘乙二胺分光光度法。

1.3 數據分析

試驗數據采用SPSS19.0和Excel 2007軟件進行統計、作圖。采用單因素方差分析進行方差分析和差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結果

2.1 不同濾料表征

圖2、圖3分別是3種濾料的數碼照片和電鏡圖。由圖可見,陶瓷環表面遍布孔隙,材質厚重,內部結構存在孔洞且粗糙,可為微生物提供生存空間;PE材質表面光滑輕薄,中間和表面有棱,可增加生物附著的表面積;藤壺殼表面粗糙,材質較為堅固,中空,殼厚約0.5 cm,殼中布滿中空小管,孔隙發達,為生物附著提供足夠的生存空間。

2.2 環境因子的變化

圖2 濾料外觀Fig.2 Appearance of filteringmedia

圖3 掛膜前濾料電鏡圖Fig.3 Electron microscopy(sem)images of filteringmedia before biofilm colonization

試驗始末,水溫由21℃升至26℃。試驗始終在陽光房中遮陰進行,因此各組之間的溫度、光照差異不大。試驗過程中的pH、溶氧(DO)指標變化不大(表2)。

表2 試驗過程中環境因子的變化Tab.2 Variation of environment factors during the test

2.3 不同濾料的生物掛膜效果

在系統運行20 d時,隨機取陶瓷環、PE以及藤壺殼組進行電鏡掃描(圖4)。把陶瓷環放大1×104倍,觀察到空隙中有大量細菌;PE放大200倍后可見表面有附著物,這為生物掛膜提供了便利;藤壺殼放大50倍,在空洞中可觀察到約有200μm厚的生物絮團層。可見3種材料都在進行生物掛膜。

在為期38 d的掛膜試驗中,4個試驗組中的氨氮質量濃度變化趨勢均為先升后降,且在第12天后均對氨氮有一定的去除能力,其中,藤壺殼去除效率最快,其次是藤壺殼+PE組合、陶瓷環,最后是PE(圖5)。藤壺殼在第24天使得氨氮質量濃度降低至最低(0.007 2±0.002 0)mg/L,較藤壺殼+PE組合早4 d,較陶瓷環組早12 d,較PE組早16 d。

2.2 不同填充率的懸浮物濃度變化

在不同填充率(濾料體積 ∶對蝦養殖尾水體積)的條件下,A組(1∶6)、B組(2∶9)、C組(1∶3)和 D組(1∶2)的懸浮物初始濃度為(225.0±23.1)～(241.3±14.6)mg/L,水循環6 h后,4個試驗組的懸浮物去除率分別為(68.7± 4.3)%、(74.5±7.0)%、(80.9±4.2)%和(82.1± 3.8)%(表3)。其中,B、C、D組去除率顯著高于A組(P<0.05),并且3組間沒有顯著差異?？梢?藤壺殼對懸浮物的去除效果良好,且隨著填充率的升高,去除效果越好。

圖4 濾料掛膜20 d時的電鏡圖Fig.4 Electron microscopy(sem)images of filteringmedia after 20-day biofilm colonization

4組濾料試驗,水中的亞硝酸鹽氮在前期皆有上升,其中,藤壺殼+PE的上升最快,在第10天達到峰值,而藤壺殼組在第12天、陶瓷環在第24天、PE組在第28天達到峰值,但以藤壺殼組的消除效率最快,第18天濃度降至(0.012±0.005) mg/L,其次是藤壺殼+PE組,第20天降至(0.028 ±0.014)mg/L,陶瓷環組在第32天降至(0.014± 0.008)mg/L,最后是PE在第38天降至(0.068± 0.018)mg/L。

圖5 不同試驗組的氨氮變化Fig.5 Change of NH+4-N in different test groups

一般以亞硝酸鹽氮濃度的下降速度作為生物濾料掛膜是否成功的評定條件[7]。由此可見,在本試驗條件下,藤壺殼的掛膜速度最快,且效果良好。在后續試驗中,應用藤壺殼作為生物填料探究填充率對對蝦養殖尾水處理的影響。

2.5 藤壺殼不同填充率對氨氮的處理效果

圖6 不同試驗組的亞硝酸鹽氮變化Fig.6 Change of NO-2-N in different test groups

表3 不同試驗組循環前后的懸浮物濃度變化Tab.3 Change of suspended matter concentration before and after circulation in different test groups

A、B、C、D組氨氮初始濃度約為(0.653± 0.035)～(0.705±0.016)mg/L,4組的氨氮降解速率不一(圖7)。

前4 d的降解速率為:D組>C組>B組>A組,其中D組顯著快于B、C組(P<0.05),B、C組顯著快于A組(P<0.05),而各組的氨氮濃度降到最低值的時間也不同。A組在第7天達到最低值(0.04±0.011)mg/L,B組在第8天達到最低值(0.056±0.013mg/L),C組在第7天達到最低值(0.035±0.006)mg/L,D組在第7天達到最低值(0.030±0.008)mg/L。試驗期間,A、B、C、D組的氨氮去除率最高分別達(94.2±1.4)%、(92.1± 1.9)%、(94.9±0.9)%和(95.5±1.5)%。D、C組的去除效果顯著優于A、B組(P<0.05)。在本實驗條件下,氨氮的最優去除效果需要7～8 d。

圖7 不同試驗組的氨氮變化Fig.7 Change of NH+4-N in different test groups

2.6 藤壺殼不同填充率對亞硝酸鹽氮的處理效果

4個試驗組尾水的亞硝酸鹽氮初始濃度為(0.563 0±0.011 5)～(0.585 0±0.002 2)mg/L,不同比例的藤壺殼填充率對水處理的效果影響見圖8。4組的亞硝酸鹽氮去除時間為5～6 d,降解速率為:D組>C組>B組>A組。第5天時,A、B、C和 D組的亞硝酸鹽氮濃度分別為(0.071± 1.630)mg/L、(0.017 0±0.002 3)mg/L、(0.010 0 ±0.000 9)mg/L和(0.008 0±0.000 3)mg/L;第6天時,4組的亞硝酸鹽氮濃度分別為(0.010 0± 0.001 4)mg/L、(0.011 0±0.001 0)mg/L、(0.006 0±0.000 4)mg/L和(0.006 0±0.000 2) mg/L,去除率分別為(98.2±0.23)%、(98.0± 0.22)%、(99.0±0.1)%和(99.0±0.1)%。第5天的去除率,B、C、D組顯著優于A組(P<0.05);第6天的C、D組顯著優于A、B組(P<0.05)。

3.1 生物濾料藤壺殼的選擇

圖8 不同試驗組組的亞硝酸鹽氮變化Fig.8 Change ofin different test groups

生物濾池在尾水處理中的應用主要考慮水處理效果、基建面積、投資和運行費用以及應用管理等因素[17],其中生物濾料的選擇是影響整體生物濾池造價工藝、使用壽命、運行效率和占地面積的重要成因。目前,應用廣泛的生物填料主要有:天然生物濾料(如珊瑚石、貝殼、沸石、麥飯石),有機高分子濾料(如PE,HDPE,PP,PVF),無機濾料(如活性炭、陶瓷環、陶粒)以及納米材料等[18-21]。

本試驗采用陶瓷環、PE、藤壺殼3種濾料進行掛膜效果比較,由結果可知,試驗12 d后各個試驗組逐漸對水中積累的氨氮有去除效果,達到最低濃度所需時間:藤壺殼組18 d,藤壺殼+PE組合22 d,陶瓷環組30 d,PE組38 d。其原因可能是因為藤壺殼屬于天然礦物,自身生物群落豐富且比表面積大,生物附著性好,形成菌膜容易;而PE屬于塑料填料,表面光滑,形成生物膜時間長;陶瓷環屬于無機濾料,部分材料親水性不好,掛膜不易[22]。PE之類的塑料以及陶瓷環、活性炭等濾料,制造工藝復雜,造價昂貴,均不能低成本應用于大容量生物濾池構建。而藤壺殼作為食用藤壺的廢棄物在沿海省市資源量較為豐富,藤壺殼材質天然、多空隙、表面粗糙、生物附著性好、結構較為堅固等特性,使其極有潛力成為一種經濟高效生態的生物濾料。

3.2 藤壺殼填充率對尾水處理的影響

在養殖水體中,氨氮過高會導致水生動物的代謝功能失調[23]、內分泌紊亂[24]以及各種疾病的爆發,從而影響魚類生長[25-26]?？梢姲钡獫舛仁且粋€重要的水質控制指標。研究表明,對蝦養殖水體中氨氮濃度>0.1 mg/L就會對對蝦產生毒害作用[27]。本試驗中,采用不同填充率對對蝦尾水進行處理的結果表明4個試驗組的氨氮濃度低于0.1mg/L至少需要3 d,并隨著填充率的增大,處理時間有所延長,同樣,一般認為養殖水體中亞硝酸鹽的濃度應當≤0.1mg/L,過高會引發出血病,是誘發暴發性疾病的重要因子,高于0.5 mg/L時會引起患病或死亡[28-29]。 因此控制水體中的亞硝酸鹽濃度同樣重要,以亞硝酸鹽氮濃度0.1 mg/L為基準,4個試驗組最短的處理時間為5 d,A組需要6 d。若以此模擬結果進行實際應用,將對養殖尾水處理工程的土地使用和資金投入提出嚴峻挑戰。由此可見,縮小填充率或采取其他措施來提高水處理效率,是生態水處理技術的必然要求。

3.3 增強生物濾池應用效果的其他措施

在水處理過程中,影響生物濾池水處理效果的因素眾多如水力負荷、水力停留時間、填料性質、碳氮比等。試驗結果顯示,提高填充率對水體中的氨氮、亞硝酸鹽氮的去除效果和去除率一般呈正向顯著影響,但水處理時間較長(需5 d左右)。說明填充率是影響水處理效果的重要因素,但在今后的實際應用中,需結合水力停留時間[30]、水力負荷[31]、曝氣方式[32]等因素進一步優化設計生物濾池,以縮短水處理時間,另還可采用調節碳氮比[33]、添加有益菌[34]、改進水處理反應元件[35]等有效途徑以提高生物濾池運行效率,增強水處理效果。

4 結論

藤壺殼相較于陶瓷環、PE這兩種應用較廣的生物濾料,具有掛膜快、效果好、材質堅固、價格低等優勢,可作為一種生態環保的生物濾料應用于養殖尾水處理工程。研究表明,藤壺殼填充率對水處理效果影響顯著,隨著填充率的增高,懸浮物、氨氮、亞硝酸鹽氮的去除效果隨之增強。但考慮到處理效率和成本,認為B組(2∶9)較為適宜應用于養殖尾水處理。實際應用中應當繼續優化水處理工藝,提高水處理效率,提高土地利用率。

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Preliminary study on application of balanite shells to treatment of shrimp aquaculture water

ZHANG Xia,LIU M inhai,XU Zhijin,LI Linggang,YE Jianying,FU Rongbing
(Zhoushan Fisheries Research Institute of Zhejiang Province,Zhoushan 316000)

In order to explore the feasibility of using balanite shells as a biological filter for the treatment of shrimp aquaculture water,the effects of biofilm colonization in 4 different filtering medium groups-ceramic ring,PE,barnacles shell,balanite shells and balanite shells+PE were compared to preliminarily evaluate the application value of balanite shells as a biological filter;different fill rates of balanite shellswere set(volume of filtering media:volume of aquaculture water)to study the influences of fill rate on treatment effectof shrimp aquaculture water.Results showed that in balanite shells group,the biofilm colonization was successful earlier and the water treatment effect was good;different fill rates of balanite shells had remarkable influences on treatment effect of suspended matter,in water,and after 6 h,the removal rate of suspended matter in groups A,B,C and D respectively reached (68.7±4.3)%,(74.5±7.0)%,(80.9± 4.2)%and(82.1±3.8)%,which showed the removal rate in groups B,C and D was significantly higher than Group A(P<0.05);final removal rate ofin 4 groupswas above 92.1%,and with 0.1mg/L as the base,5 d were required byin Group A to decrease below suchmass concentration,4 d in groups B and C and 3 d in Group D,with degradation rate in Group D>Group C>Group B>Group A;final removal rate ofin 4 groups was above 98.0%.With 0.1 mg/L as the base,6 d were required byin Group A to decrease below such mass concentration,and 5 d in groups B,C and D,with degradation rate in Group D>Group C>Group B>Group A.The study showed that balanite shells had a good effect in application to treatment of shrimp aquaculture water,and such effect was enhanced with increase of fill rate; however,in consideration of the economic costs and practical application,2∶9 was recommended as the fill rate of balanite shells.

balanite shells;shrimp;aquaculture water;water treatment;industrial aquaculture

S966.12

A

1007-9580(2017)03-052-07

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.009

2016-10-30

浙江省公益技術研究農業項目(2015C32111);海洋經濟創新發展區域示范項目(浙海漁計〔2015〕29號);舟山市公益類科技項目(2015C31009);南美白對蝦循環水養殖新技術研究與示范(2016C31058);舟山市海洋經濟創新發展示范工作專項資金(國海科字〔2016〕496號)

章霞(1989—),女,工程師,研究方向:水生動物增養殖。E-mail:yufan414515@163.com

徐志進(1979—),男,高級工程師,研究方向:水生動物增養殖。E-mail:853966748@qq.com