基于不同生物填料的跑道養(yǎng)殖尾水凈化

李倩 王雨辰 郭建林 王剛 胡廷尖 鄭波波 湯美鋒 湯宏展

摘要：為開發(fā)生物填料在跑道養(yǎng)殖水體凈化方面的應(yīng)用，采用不同類型的6種填料，在室內(nèi)開展對(duì)跑道養(yǎng)殖水體凈化效果的研究。結(jié)果表明，在自然掛膜條件下，6種生物填料（火山石、珊瑚石、白色彈性毛刷、藍(lán)色立體彈性填料、多孔組合球、聚乙烯小球）生物膜的成熟時(shí)間各不相同，珊瑚石掛膜所需時(shí)間最短，為13 d。在穩(wěn)定運(yùn)行期，不同生物填料對(duì)跑道養(yǎng)殖尾水總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、亞硝酸鹽氮（NO-2-N）、化學(xué)需氧量（CODMn）均有不同程度的去除效果，其中，藍(lán)色立體彈性填料對(duì)TN和CODMn的平均清除率最高，分別為19.58%和30.77%，顯著高于其他填料（P<0.05）;珊瑚石填料對(duì)TP的平均清除率顯著高于其他填料（P<0.05）;6種填料生物膜成熟后，和初始水質(zhì)指標(biāo)相比，各填料對(duì)水體NO-2-N和NH3-N的去除率均在75%以上，且濃度保持在較低水平。結(jié)果表明，藍(lán)色立體彈性填料對(duì)跑道養(yǎng)殖尾水有較好的凈化效果，是一種較為實(shí)用的生物填料。

關(guān)鍵詞：跑道養(yǎng)殖;生物填料;尾水凈化

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2020）13-0276-05

收稿日期：2019-08-16

基金項(xiàng)目：浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2018C02033、2019C02047）。

作者簡(jiǎn)介：李倩（1984—），女，陜西華縣人，碩士，工程師，主要從事魚類繁殖及水處理的研究。E-mail：2008feelkaka@sina.com。

通信作者：郭建林，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)施化養(yǎng)殖技術(shù)的研究。E-mail：wavegjl@aliyun.com。跑道式養(yǎng)殖是一個(gè)相對(duì)封閉的循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)，在傳統(tǒng)養(yǎng)殖池塘中通過現(xiàn)代土建技術(shù)進(jìn)行改造，把池塘開放式散養(yǎng)模式改變?yōu)樯鷳B(tài)圈養(yǎng)模式，通過對(duì)養(yǎng)殖水體的凈化及循環(huán)利用，減少污染物排放，以保持養(yǎng)殖區(qū)附近的生態(tài)環(huán)境。具體施工形式可分為池塘內(nèi)跑道式、池塘分割式和池塘串聯(lián)式，池塘內(nèi)跑道式經(jīng)濟(jì)實(shí)用，已經(jīng)得到較多應(yīng)用[1-3]。池塘內(nèi)跑道養(yǎng)殖模式雖然具有養(yǎng)殖密度高、占地小、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，但集中式高密度養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便殘餌等排泄物容易導(dǎo)致水質(zhì)惡化，引起養(yǎng)殖動(dòng)物應(yīng)激反應(yīng)，甚至出現(xiàn)死亡。因此，對(duì)養(yǎng)殖尾水的高效處理是確保跑道養(yǎng)殖順利進(jìn)行的重要前提。近年來，利用生物膜法處理養(yǎng)殖水體因其效率高、無二次污染的優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注，生物填料是生物膜處理工藝的核心部分，它直接影響著生物處理的效果、硝化性能、基建投資、運(yùn)行周期和費(fèi)用等[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)填料的類型、快速啟動(dòng)、關(guān)鍵因子、硝化作用和反硝化作用等進(jìn)行了深入的研究[5-12]。

本試驗(yàn)選取6種生物填料作為研究對(duì)象，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)對(duì)6種填料的掛膜情況進(jìn)行了研究，并應(yīng)用其對(duì)跑道養(yǎng)殖尾水凈化效果進(jìn)行評(píng)估，以期為跑道養(yǎng)殖尾水的凈化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為填料合理選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在浙江省淡水水產(chǎn)研究所綜合試驗(yàn)基地進(jìn)行，選取6種生物填料分別為火山石、珊瑚石、白色彈性毛刷、藍(lán)色立體彈性填料、多孔組合球、聚乙烯小球，填料形貌，由圖1可知，將跑道養(yǎng)殖池塘尾水運(yùn)進(jìn)室內(nèi)塑料水族箱內(nèi)（容量400 L，實(shí)裝尾水250 L），依次放置填料，火山石和珊瑚石等沉性填料平鋪放置，填充量以鋪滿水族箱底面積為準(zhǔn)，即2.52 m2/m3水體;彈性填料垂直懸掛于水體中，底部系附墜石使其充分展開，聚乙烯小球和多孔組合球等懸浮型填料漂浮在水面，填充密度為水體的40%，每種填料3個(gè)平行。

試驗(yàn)水溫（25±1） ℃，初始水質(zhì)指標(biāo)如下：pH值為7.83，總氮（TN）4.21 mg/L，總磷（TP） 1.32 mg/L，亞硝酸鹽氮（NO-2-N）0.204 mg/L，氨氮（NH3-N）1.71 mg/L，溶解氧（DO）7.55 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)（CODMn） 25.30 mg/L。連續(xù)曝氣， 整

個(gè)試驗(yàn)期間系統(tǒng)溶解氧維持在7 mg/L以上。

1.2樣品采集

在生物膜培養(yǎng)期間，每2～3 d取樣1次，檢測(cè)水體NO-2-N指標(biāo)，生物膜成熟后，每7 d取樣1次，分別檢測(cè)TN[13]、TP[14]、NH3-N[15]、NO-2-N[16]、CODMn[17]等指標(biāo)，所用試劑均購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.3數(shù)據(jù)處理

生物膜成熟后每7 d取水樣測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)，計(jì)算各填料對(duì)污染物的清除率，計(jì)算公式如下：清除率=Ci-Ci+1Ci×100%;其中，Ci為生物膜成熟后第i次取樣測(cè)定的污染物濃度值（mg/L），Ci+1為第i+1次取樣測(cè)定的污染物濃值（mg/L），取3次測(cè)定的清除率均值作為平均清除率。數(shù)據(jù)和圖表采用Excel處理，SPSS 16.0進(jìn)行顯著性分析，P<0.05時(shí)認(rèn)為差異顯著。

2結(jié)果與分析

2.16種生物填料的掛膜成熟時(shí)間

生物膜培養(yǎng)成熟的標(biāo)志是水體中NO-2-N濃度降至最低，硝化系統(tǒng)完全建立[18]。在生物膜培養(yǎng)期間，6種填料構(gòu)建的生物濾池水體中，亞硝酸鹽的濃度先上升后降低，最后保持較低水平。由圖2可知，由不同填料構(gòu)建的生物濾池中，M2（珊瑚石填料）的NO-2-N濃度在7月15日降至最低，其成熟時(shí)間為13 d;M6（聚乙烯小球）NO-2-N濃度在7月17日降至最低，成熟時(shí)間為15 d，M1（火山石）和M5（多孔組合球）NO2-N濃度在7月19日最低，成熟時(shí)間17 d，2種彈性毛刷填料（M3和M4）的生物膜成熟時(shí)間相同，均為19 d。在相同的培養(yǎng)條件下，6種填料的成熟時(shí)間依次為珊瑚石<聚乙烯小球<火山石、多孔組合球<2種毛刷填料。

2.26種生物填料對(duì)TN的凈化作用

6種填料對(duì)TN的清除效果，由圖3-A可知，當(dāng)生物膜成熟后，4次采樣結(jié)果顯示，各填料對(duì)應(yīng)的生物濾池水體中TN濃度隨著采樣次數(shù)的增加逐漸降低，藍(lán)色立體彈性填料對(duì)應(yīng)的生物濾池TN含量最低，為4.4 mg/L。從平均清除率分析，藍(lán)色立體彈性填料對(duì)TN的平均清除率最高，為19.58%，其次為珊瑚石，這2種填料對(duì)TN的平均清除率顯著高于其他4種填料（P< 0.05）。火山石、白色彈性毛刷、聚乙烯小球、多孔組合球等4種填料對(duì)TN的平均清除率無顯著差異（P> 0.05）。

2.36種生物填料對(duì)TP的凈化作用

各填料對(duì)水體中TP均有一定程度的清除效果，且平均清除率差異較大（圖3-B）。珊瑚石填料對(duì)跑道養(yǎng)殖尾水TP平均清除率最高，為14.79%，顯著高于其他填料（P<0.05）。藍(lán)色立體彈性填料次之，平均清除率為12.29%，這2種填料對(duì)TP的平均清除率顯著高于其他4種填料（P<0.05）。從生物濾池水體TP濃度分析，珊瑚石填料對(duì)應(yīng)水體TP濃度為0.39 mg/L，明顯低于其他填料對(duì)應(yīng)的生物濾池。

2.46種生物填料對(duì)CODMn的凈化作用

由圖3-C可知，各填料對(duì)CODMn的清除率變化趨勢(shì)相同，均隨著采樣次數(shù)的增加而有所下降。從平均清除率分析，藍(lán)色立體彈性填料對(duì)CODMn的清除效果最高，平均清除率為30.77%，顯著高于其他填料（P< 0.05），其次為聚乙烯小球，為24.35%，其他4種生物填料對(duì)CODMn的平均清除率多無顯著差異（P>0.05）。

2.56種生物填料對(duì)NO-2-N和NH-3-N的凈化作用

掛膜成功后，各生物濾池水體中NO-2-N含量較低，濃度維持在0.06 mg/L以下，和初始水質(zhì)指標(biāo)相比（0.204 mg/L），各填料對(duì)水體NO-2-N去除率均在75%以上，且在4次采樣期間，NO-2-N含量波動(dòng)較小，表明掛膜成功的各填料對(duì)跑道養(yǎng)殖尾水NO-2-N均有較好的去除效果（圖4-A）。各生物濾池水體中NH-3-N含量在采樣后期雖有上升趨勢(shì)（圖4-B），但濃度均<0.4 mg/L。和初始水質(zhì)指標(biāo)相比（濃度1.71 mg/L），各填料對(duì)水體中NH-3-N均有較好的清除效果，平均清除率在76%以上。其中，珊瑚石對(duì)水體NH-3-N清除效果最好，但和各填料之間差異不顯著（P>0.05）。

3討論與結(jié)論

3.16種生物填料掛膜時(shí)間

本研究表明，在相同的進(jìn)水條件下，6種生物填料的掛膜時(shí)間在20 d以內(nèi)，毛刷類型填料掛膜所需時(shí)間較長(zhǎng)，而多孔型的珊瑚石、火山石等填料所需時(shí)間相對(duì)較短，這可能和填料材質(zhì)有關(guān)。有研究表明，在自然掛膜狀態(tài)下，生物濾池的掛膜時(shí)間在 20～60 d不等，而基質(zhì)的粗糙度是生物膜形成的最主要影響因素[19-22]。珊瑚石、火山石填料表面粗

糙，內(nèi)部有孔隙，比表面積較大，附著于表面的硝化細(xì)菌也較多，有利于細(xì)菌的繁殖，掛膜時(shí)間也較短。

課題組之前的研究也采用本試驗(yàn)中的白色彈性毛刷和聚乙烯小球填料對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)進(jìn)行凈化研究，結(jié)果顯示，在自然掛膜條件下，2種生物填料的掛膜時(shí)間均大于本試驗(yàn)結(jié)果[11]，這可能和初始水質(zhì)污染物濃度有關(guān)。生物膜的成熟時(shí)間和初始氨氮濃度有關(guān)，初始氨氮濃度越高，越有利于硝化細(xì)菌在生物膜上聚集，生物膜上的細(xì)菌數(shù)量和優(yōu)勢(shì)菌就越多[23]。本試驗(yàn)用水為跑道養(yǎng)殖尾水，養(yǎng)殖密度大、水體中污染物濃度較高，在氣溫較高的養(yǎng)殖季節(jié)，氨氮濃度高達(dá)1.70 mg/L，生物濾池的初始氨氮濃度越高，氨氮的去除率越高，達(dá)到氨氮濃度穩(wěn)定的所需時(shí)間越短，掛膜時(shí)間較短，這和朱建新等的研究結(jié)果[24]一致。

3.26種生物填料對(duì)跑道養(yǎng)殖尾水凈化能力分析

在本試驗(yàn)中，6種填料對(duì)氨氮和亞硝態(tài)氮的去除效果良好。當(dāng)生物膜掛膜成功后，水體中氨氮和亞硝態(tài)氮含量雖有波動(dòng)，但均維持在安全濃度以下。和傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖模式相比，跑道養(yǎng)殖模式養(yǎng)殖密度大，污染物含量高，在試驗(yàn)初始階段，COD值高達(dá)25.3 mg/L，水體中的有機(jī)物和顆粒物等為細(xì)菌繁殖提供了豐富的碳源，有利于異養(yǎng)細(xì)菌繁殖。生物膜中的異養(yǎng)細(xì)菌和硝化細(xì)菌存在著生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，在試驗(yàn)剛開始時(shí)，異養(yǎng)細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)菌，水體中氨氮和亞硝氮濃度升高，促進(jìn)硝化細(xì)菌生長(zhǎng)，當(dāng)二者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，水體中氨氮和亞硝氮保持穩(wěn)定，這時(shí)生物膜掛膜成功。生物膜掛膜成功后，由于靜態(tài)試驗(yàn)沒有額外碳源和氮源補(bǔ)充，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，水體中可被細(xì)菌利用的營(yíng)養(yǎng)物減少，硝化細(xì)菌數(shù)量下降，系統(tǒng)消氮能力下降，導(dǎo)致填料對(duì)TN、TP、COD的去除率隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。

本試驗(yàn)選取3種不同類型的填料，沉淀式（M1、M2）、固定式（M3、M4）和懸浮式（M5、M6），在穩(wěn)定運(yùn)行期間，固定式填料（藍(lán)色立體彈性填料M4）對(duì)TN、COD的去除率顯著高于懸浮式填料（P<0.05），此結(jié)果和吉芳英等的研究結(jié)果[25]相似。原因可能為，生物填料的安裝方式對(duì)生物膜的運(yùn)行性能有一定的影響，固定式填料系統(tǒng)在曝氣過程中可以營(yíng)造良好的溶解氧分區(qū)，容易形成具有一定厚度且穩(wěn)定的生物膜，有利于宏觀硝化、反硝化過程的發(fā)生，也有利于微觀反硝化作用的發(fā)生，有利于提高系統(tǒng)的脫氮作用[26]，導(dǎo)致藍(lán)色立體彈性填料對(duì)TN、COD的去除率高于其他組。珊瑚石對(duì)TP的清除率顯著高于其他填料（P<0.05），這可能是由于珊瑚石主要由Ca2+和Mg2+等離子構(gòu)成，隨著微生物的好氧呼吸和對(duì)有機(jī)物的降解作用，生物膜局部環(huán)境水體pH值下降，大量的H+使珊瑚石中的Ca2+和Mg2+大量釋放，Ca2+和Mg2+與水體中磷酸根離子發(fā)生了絡(luò)合形成沉淀物，從而提高了生物濾池的除磷能力[27]。

3.3同類型的2種彈性毛刷對(duì)跑道養(yǎng)殖尾水凈化能力分析

本試驗(yàn)選用了同種類型的2種毛刷填料，即生產(chǎn)中常用的普通白色毛刷和市場(chǎng)新開發(fā)的新型藍(lán)色立體彈性填料。在掛膜時(shí)間上，藍(lán)色立體彈性填料和普通彈性毛刷掛膜時(shí)間相同，但從污染物凈化能力分析，前者對(duì)水體TN、TP和COD平均清除率顯著高于后者（P<0.05）。藍(lán)色立體彈性填料采用全新原料所制，拉制的刷絲密度更高、延展性更好、不易被細(xì)菌分解、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)，可為細(xì)菌生長(zhǎng)提供更大的比表面積，這種良好的物理特性決定了其對(duì)污染物的去除效率高于普通白色毛刷。有關(guān)普通白色毛刷的凈水能力、掛膜時(shí)間、生物膜微生物群落多樣性等方面已有較多報(bào)道[11，18，28-29]，但對(duì)新型藍(lán)色立體彈性填料的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，實(shí)際應(yīng)用也較少，有關(guān)其凈化能力和生物膜微生物群落多樣性的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)中，在2種毛刷放置密度相同的條件下，藍(lán)色立體彈性填料對(duì)跑道養(yǎng)殖尾水有更好的凈化效果，但從應(yīng)用成本考慮，藍(lán)色立體彈性填料價(jià)格較高，應(yīng)用成本也較高，下一步應(yīng)在如何設(shè)置合理的放置密度和安裝方式以減少應(yīng)用成本方面進(jìn)行深入研究。

在處理高濃度污染物的跑道養(yǎng)殖尾水時(shí)，從掛膜時(shí)間分析，珊瑚石填料掛膜所需時(shí)間最短，可為實(shí)際養(yǎng)殖生產(chǎn)節(jié)省時(shí)間成本。但從實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用考慮，珊瑚石填料需要將其裝袋安裝使用，過程較為繁瑣，耗費(fèi)人力物力。從可操作性和對(duì)水體污染物凈化能力兩方面考慮，藍(lán)色立體彈性填料是一種較為實(shí)用的填料，值得推廣應(yīng)用。

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