基于可持續發展的水產養殖尾水脫氮技術研究進展

楊士超

(河北省生態環境工程評估中心，河北 石家莊 050051)

1 引言

過去20年，水產養殖已成為發展速度最快的生產行業之一。據統計，全世界水產養殖業產值以每年近6%的速度增長，2016年總產值已超過2320億美元[1]。而且，隨著過度捕撈導致的漁業資源量下降，捕撈漁業的全球海產品供應將愈加無法跟上人口增長的步伐，這也使得水產養殖成為了長期提高全球食物蛋白質產量的唯一真正可行的替代方案。

然而，水產養殖業在取得巨大發展的同時，也造成了嚴重的環境污染和生態破壞。未經利用的飼料及水產品代謝物等導致養殖尾水中含有大量氮磷等營養物質及耗氧有機物。尤其對于含氮類物質，一方面，其有效利用率較低，研究表明，餌料氮素僅13.9%轉化為養殖產品，另有13.4%沉積于底泥，其余則以游離氨、離子氨、亞硝酸、硝酸鹽、有機氮等形式存在于養殖水體中[2]。另一方面，水生生物對含氮物質積累極為敏感，養殖水體中的游離氨達到0.025 mg/L以上時即可引起養殖產品的應激反應，為了維持養殖水體的生態功能, 必須通過更新水源來保證水產養殖正常進行[3]。這就導致水產養殖的自身污染外擴，造成周邊鄰近水體缺氧或引起水體富營養化。可見，在水產養殖過程中，加強環境保護，對含氮物質導致的環境污染進行有效的控制和管理，是保障水產養殖業可持續發展的重要措施。

本文在分析國外先進水產養殖尾水脫氮技術的基礎上，結合國內水產養殖多為池塘、網箱等封閉水質環境的特點，從含氮水產養殖尾水環境污染的凈化與修復角度，分別對現有的養殖尾水原位脫氮修復和異位脫氮修復技術加以綜述分析，探討了生物處理單元與生態處理單元相融合的養殖尾水脫氮處理技術應用現狀、工藝特點及處理效果，旨在探索可持續發展的生物生態組合脫氮技術對養殖尾水處理可行性，為進一步提高養殖尾水中有害氮素去除效率和廣泛應用提供科學依據和技術借鑒。

2 養殖尾水異位脫氮凈化技術

按原理不同，水產養殖尾水異位脫氮凈化處理系統分為穩定塘技術和與市政污水處理模式相類似的集成顆粒物去除與硝化作用的處理系統。

2.1 穩定塘技術

穩定塘處理系統包括穩定塘、與養殖池塘相連的處理水進水及回用管路。養殖尾水由養殖池塘排入穩定塘后，經過幾小時到幾天不等的停留處理，通過稀釋、沉淀和絮凝、厭氧微生物的作用、好氧微生物的作用、浮游生物的作用和水生植物的作用，使得有機物得到降解，凈化后的水體可回流到養殖池塘內進行回用。

穩定塘處理技術的核心參數包括養殖水體在穩定塘和養殖池塘內的停留時間、塘內尾水均勻混合程度及曝氣-沉積周期等。因此傳統穩定塘普遍存在占地面積大、水力停留時間較長、處理效率低、產生臭味、處理效果受氣候條件影響出現較大波動等缺陷[4]。對此，研究人員對傳統穩定塘進行了結構和運行參數上的改良，研發了包括高效藻類塘、水生植物塘和養殖塘、高效復合厭氧塘等塘型。其中，針對養殖尾水，研究者開發了一種貝藻混養吸收的穩定塘處理系統，不僅可對養殖池塘排出的尾水進行有效凈化處理，尾水中的懸浮物及營養鹽也可經過貝類的濾食和藻類的吸收而轉變為提取藻膠、制取沼氣或肥料的生物來源，使養殖者在養殖對象外，可通過收獲貝類和藻類增加額外的經濟收入[5]。

穩定塘處理技術控制得當的話，還可以在穩定塘與養殖池塘見構建起一個平衡的微型生態系統，自養型藻類依靠養殖塘排出的尾水中的營養鹽生長，而藻類又可成為養殖對象的餌料、其殘體也可為異養微生物提供生長所需碳源，同時藻類的光合作用又能增加水中的溶解氧濃度、調控水體pH值。可見，穩定塘內這種綜合生物過濾作用不僅起到了降低水產養殖業環境影響的目的，更派生出了現代集約化魚、貝、藻同池水產混養系統[6]及結合水產養殖技術和植物栽培技術于一體的[7]魚菜共生技術等一系列安全健康生態環保的綠色生態養殖新技術。

需要注意的是，為了增加處理設施的使用效率、提高處理系統內生物量的穩定性，不宜在穩定塘內構建過于復雜的生態系統，如有必要，應將沉淀塘、濾食性動物凈化塘、微生物凈化塘、海藻凈化塘等不同穩定塘形式按處理流程分設，來維持穩定塘處理系統較好的出水水質。

2.2 以生物濾池工藝為核心的工程化尾水處理技術

與市政污水類似，養殖尾水的工程化處理技術手段也可分為三類：物理處理、化學處理和生物處理。其中，物理處理的主要目的是去除水中懸浮物，可通過沉降(大于75 μm的可沉降懸浮物)或機械過濾完成(小于75 μm的不可沉降懸浮物)。對于養殖尾水中。其中，機械過濾中最常見的為微網過濾技術和介質過濾技術，對于30 μm以上的懸浮物可起到較好的去除效果，但更小的懸浮顆粒(30 μm以下)則需要借助蛋白質除沫器或泡沫分餾器來去除。化學處理主要是絮凝法和臭氧氧化法，一般作為物理處理和生物處理的補充工藝，起到深度凈化水質、殺毒滅菌的作用。但化學處理往往會向水中引入一些持續性有毒污染物，例如，絮凝劑可起到降低水中懸浮物和磷的作用，但也會向水中引入過量的鐵或鋁離子，如回用可能對養殖對象的健康產生影響；養殖尾水采用臭氧消毒后，可能產生致癌消毒副產物等。對此，可采用紫外線消毒來代替臭氧消毒。

養殖尾水的核心處理工藝為生物處理工藝，而生物處理過程中最重要的環節即為硝化作用，它是利用微生物的吸收、代謝作用，降解養殖尾水中的氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽等有害物質。養殖尾水中常見的生物硝化工藝均為生物膜工藝，具體可分為淹沒式生物膜工藝(生物接觸氧化法、曝氣生物濾池)、半淹沒式生物膜工藝(生物轉盤)和非淹沒式生物膜工藝(生物滴濾池)。硝化工藝的處理效能受多種因素影響，包括填料材質、溶解氧濃度、有機物種類及濃度、溫度、pH值、堿度、鹽度及布水均勻性等[3]。硝化菌對環境條件較為敏感，較高的氨氮及亞硝酸鹽濃度、溶解氧濃度不足1 mg/L以及pH值超過7.5～8.6的范圍，均可對其造成抑制作用。沉積物及底泥積累產生的硫化物也對硝化過程也有嚴重影響。 此外，因為硝化菌屬于好氧自養菌，而當養殖尾水中C/N較高時，異養菌在反應池內對生態位的競爭更具優勢，因此，在養殖尾水中維持較低的C/N更有利于硝化作用的進行[8]。

2.2.1 生物轉盤工藝處理養殖尾水

生物轉盤工藝核心為一組固定在水平軸上的圓形聚苯乙烯或聚氯乙烯圓盤，硝化菌可在圓盤表面附著生長并逐漸形成一層生物膜。圓盤上部暴露于空氣中，下部浸沒在待處理尾水中。隨著圓盤轉動，生物膜與空氣及尾水輪流交替接觸，帶出硝化菌產生的CO2，并引入O2，并通過旋轉擾動使溶解氧在硝化池內均勻分布。

一方面，每片生物轉盤的轉動使得池內水體呈現完全混合的流態，使波動的進水水質得到均化；另一方面，整個轉盤不斷轉動又使硝化池內的養殖尾水呈現較好的推流流態，使得微生物所得到的營養及其生長特性沿池長變化，可獲得較高的硝化處理效率。而且，生物轉盤不需要額外設置曝氣設施和回流設施，因此動力消耗更低。

生物轉盤工藝最先被用于市政污水處理，后被廣泛用于養殖尾水硝化過程。Miller等人最先將生物轉盤工藝用于養殖尾水總氨氮的去除處理，其研究結果表明，在相同處理負荷條件下，生物轉盤對總氨氮的去除能力顯著高于生物滴濾塔或生物流化床工藝。Brazil等人[10]研究了生物轉盤對羅非魚養殖尾水的處理效能，發現該工藝對總氨氮的去除率可達到0.42 g/(m2·d)，盡管研究人員并未發現進水氨氮負荷與氨氧化效能見有顯著關聯，但進水COD負荷、水力負荷、圓盤轉速和盤片數量均對生物轉盤氨氧化效能有影響。

2.2.2 生物滴濾池工藝處理養殖尾水

生物滴濾池以塑料等輕質濾料作為微生物附著生長介質，養殖尾水通過布水系統呈滴濾狀態灑在濾料上，其中的氨氮逐漸被濾料所吸附，而尾水中的微生物則逐漸在濾料上形成生物膜。尾水滴落過程中與空氣持續接觸而被充氧，尾水、氧氣、生物膜接觸傳質，進而實現了氨氮的硝化作用。目前，已有Finturf人造草、Norton環、Kaldnes環和Leca柱制作的生物滴濾池填料對養殖尾水的處理研究[10]。

Kamstra等人[12]研究了工業規模化的生物滴濾池對鰻魚養殖尾水的處理效能，結果表明，總氨氮去除速率為0.24～0.55 g/(m2·d)。另有研究者考察了不同填料材質對生物滴濾池硝化作用的影響，最高總氨氮去除速率為1.1 g/(m2·d)，平均總氨氮去除速率為0.16 g/(m2·d)[13]。Lyssenko等人[14]發現生物滴濾池處理工廠化養殖尾水時，總氨氮去除速率約為0.64 g/(m2·d)，且生物流化床與生物滴濾池的處理效率接近。

2.2.3 生物接觸氧化工藝處理養殖尾水

生物接觸氧化法結合了滴濾池與粒裝填料生物濾池的特點。在向下流的池型構造中使用懸浮填料，因不易堵塞，故可使用尺寸更小的填料，從而可提供更大的比表面積供微生物附著掛膜，而且對細顆粒懸浮物的截留效果也更好。此外，這種向下流也能承受更大的水力沖擊負荷，而無須擔心濾料被沖出池外。例如，Timmons等[15]人所采用的填料為直徑1～3 mm、孔隙度36%～40%的聚苯乙烯小球，這種填料比表面積可達1150～3936 m2/m3，利用該種填料制作的工業規模化生物接觸氧化池總氨氮去除速率約為0.30 g/(m2·d)，但也有研究者發現生物接觸氧化池的總氨氮去除率可高達0.45～0.60 g/(m2·d)[16]。

2.2.4 生物流化床工藝處理養殖尾水

生物流化床以砂、活性炭、塑膠等密度大于水的細小、惰性顆粒為載體，隨著表面微生物掛膜，其密度有所降低。當養殖尾水從下向上流動時，即使載體處于流化狀態，尾水與生物膜充分接觸，也會發生硝化作用。

盡管該工藝須另外敷設曝氣設施使得投資有所升高，但由于生物流化床內填料比表面積高達4000～20000 m2/m3，傳質效率極高，因此運行費用增加并不明顯。但進水流速須控制在一定范圍內才能維持填料始終處于流化狀態，因此對布水要求較高。

Miller等人[9]的研究結果表明，生物流化床對養殖尾水中總氨氮的去除速率約為0.24 g/(m2·d)，Timmons等人[9]的研究也與上述結果基本一致。

綜上所述，根據前人研究成果，在用于養殖尾水中的硝化作用時，生物轉盤的總氨氮去除能力最高，其次為生物接觸氧化法和生物滴濾池，生物流化床的去除效能最低。但研究結果也表明，當用于羅非魚養殖尾水處理時，生物轉盤和生物滴濾池的運行費用較其他生物處理技術更高，生物流化床的運行成本最低[18]。

3 養殖尾水原位脫氮凈化技術

眾多研究報道證實，水產養殖過程中利用人工基質固著微生物或促進致密的微生物絮團形成，不僅能改善水質，同時也能提高養殖對象的生產力[18]。一方面，固著微生物及微生物絮團可通過微生物的吸收、分解和同化等作用，去除氮磷等富營養物質；另一方面，這些豐富的生物群體本身就是一種優質的高蛋白質生物餌料，可被養殖對象攝食，從而降低飼料系數。可見，在養殖水體內設置人工基質或促進致密微生物絮團形成對提高水產養殖的經濟與生態效益具有積極的作用。

3.1 構建固定化微生物膜對養殖水體的原位修復

通過向養殖水體中投入人工基質，可在基質表面逐步形成由細菌、藻類、原生動物和后生動物等多生物種類組成的動態變化的固定化微生物膜。固定化微生物膜可捕獲并吸附水中有機顆粒物(如殘餌、糞便等)，降解去除養殖水體中的氮磷等營養物質，并通過光合作用調節水體中的溶解氧及pH值。此外，由于固定化微生物膜上具有豐富的水生生物，食植動物、掘食碎屑的底棲生物、及捕食底棲生物的魚類均可直接或間接依靠人工基質上的固定化微生物膜生存。

總體來講，固定化微生物膜對養殖水體的原位修復作用主要體現在以下3個方面。

3.1.1 促進藻類及細菌的生長，凈化水質

3.1.2 營養增益，降低飼料系數

固定化微生物膜內含有多種殘餌、糞便等有機碎屑，以及藻類、浮游動物和浮游植物、原生動物等多生物種類出現，可作為蝦、貝類等底棲生物的天然餌料。事實上，前人研究結果表明，固定化微生物膜中蛋白質含量約占23%～30%可為養殖對象提供超過1/3的氮源和1/2的碳源[23]。因此可減少養殖過程中餌料投喂量和頻次，達到營養增益的同時，也可起到降低水產養殖環境負荷的作用。

3.1.3 免疫強化，抑制病原菌數量

致病菌通常適宜在厭氧、有機物含量豐富的養殖池塘底部生長繁殖。固定化微生物膜對有機物的截留和降解作用，增加了水體中的溶解氧、減少了塘底沉降的有機物，使養殖水體中的厭氧層減少，擴展了有益菌的生長、繁殖的空間。從而達到減少抗生素使用量，降低抗生素引發環境污染問題的風險，養殖水體中抗性細菌數量下降的目的。多位研究者發現，固定化微生物膜可使養殖水體中的致病弧菌數量顯著降低[24]。另有研究發現，盡管產生機制尚不明確，但固定化微生物膜上的細菌和微藻可產生特定的抗生素類化合物質，并有效地抑制致病菌的生長繁殖速度[25]。

3.2 生物絮團技術對養殖水體的原位修復

20世紀70年代中期，以色列養殖專家Avnimelech首先將微生物絮凝技術引入水產養殖領域，并將其命名為“生物絮團技術”(Bio-flocs technology)。2005 年，Avnimelech在印度尼西亞應用生物絮團技術凈化養殖廢水試驗成功，隨后，該技術在以色列、美國、泰國、印度及巴西等國家的對蝦及羅非魚養殖上被大規模商業化應用，結果表明，該技術具有凈化水質、減少換水量、提高飼料利用率可明顯增強養殖對象的抗病能力，并提高存活率等作用。

生物絮團是由細菌群落、原生動物、后生動物、微藻、有機碎屑等經經細菌胞外聚合物(EPS)粘附或表面電荷吸附而形成的微生物群落的聚合體，絮團的大小可從幾微米到幾百微米，甚至達數千微米。生物絮團技術類似市政污水處理工藝中的活性污泥法，依靠內部含有豐富的微生物菌群，生物絮團不僅具有自我繁殖的能力，而且可在養殖水體中建立一個復雜的食物鏈結構，通過氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用等，降解水中的含氮有害物質和殘留的有機碳等，從而起到對養殖水體進行原位修復的作用，而絮團本身又能夠作為養殖對象的餌料，完成對飼料營養的再利用。

3.2.1 生物絮團的形成與影響因素

生物絮團技術類似于市政污水處理工藝中的活性污泥法，其核心在于通過添加碳源或提高飼料中碳含量，提高養殖水體中的碳氮比、使養殖水體形成以異養微生物為主的生物絮團，利用絮團中異養微生物吸收轉化各類污染物以達到實現養殖水體中有害氮素的轉化去除的目的。

生物絮團技術主要受C/N、溶解氧和混合強度的影響。有研究表明，有機碳源充足的情況下，異養微生物大量增殖并成為優勢菌種；否則，菌群中自養硝化菌生長占優勢。因此，可向養殖水體中添加廉價碳源或使用低蛋白高C/N的飼料來提高水體的C/N。研究表明，當C/N提高到20以上時，10 mg/L的總氨氮可在2 h內被生物絮團完全轉化，且硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮未產生累積現象[26]。朱錦裕等[27]采用糖蜜作為碳源在羅氏沼蝦池塘中構建生物絮團養殖系統，發現降低蛋白含量，不會影響羅氏沼蝦的生長，加入碳源后池塘內氨氮濃度降低了54%。另有研究者發現，停止加入碳源雖然不會使的池塘內氨氮濃度顯著升高，但會導致硝酸鹽氮的快速積累[28]。

溶解氧和混合強度均受曝氣方式的影響，生物絮團技術的開創者Avnimelech認為，持續曝氣、保持養殖池塘內較高的溶解氧濃度，可以增強微生物活性，促使生物絮團形成，并維持絮團在養殖水體中呈懸浮狀態，達到絮團與污染物充分混合、快速傳質的目的。有研究者考察了對蝦養殖池塘中不同曝氣方式對生物絮團水體原位修復效能的影響，結果表明，相較于曝氣立式泵和自吸式螺旋曝氣機，鼓風曝氣方式形成的生物絮團更高，并使得養殖水體中的氨氮濃度低于1.0 mg/L[29]。

3.2.2 生物絮團對養殖水體的原位修復作用

生物絮團不僅能利用藻類的光合作用吸收、自養微生物的硝化作用、異養微生物的氨化和同化作用降低養殖水體中的含氮有機物濃度，進行養殖環境的修復。與固定化微生物膜作用類似，生物絮團也可作為餌料被養殖對象直接或間接攝食，從而帶動整個養殖生態系統的營養流動和物質循環，達到降低飼料系數，節省養殖生產的成本的目的。Burford等人[30]借由同位素示蹤法研究了對蝦對生物絮團的利用情況，發現蝦類日常攝食中18%～29%的N素可由生物絮團提供。類似結果也在針對羅非魚養殖系統的研究中發現，即兩次投喂間羅非魚的消化道內充滿了生物絮團，且餌料利用率高20%以上。Hari等也發現，養殖對象攝取生物絮團后，餌料的蛋白質利用率提高了7%～13%[31]。

此外，生物絮團技術能夠實現高位池養殖系統的零換水，從而阻斷外來病原體的入侵途徑，降低養殖養殖對象的患病機率。生物絮團中的某些有效成分(免疫促進劑和免疫活性因子等物質)可以起到刺激動物的先天免疫系統、增強養殖對象免疫力的作用。有研究發現生物絮團能顯著提高海參的成活率，其機理可能是生物絮團提高了幼參體內主要消化酶的活性，即生物絮團不僅可以凈化水質，更可以促進仿刺參幼參的生長[31]。

值得注意的是，生物絮團技術雖然在降低換水率與減少餌料投加方面提供了更經濟、可持續的養殖新思路，但也存在一些應用缺陷：①投加碳源將對養殖產生額外成本；②因缺乏某些必要氨基酸，生物絮團尚不能完全作為養殖對象的替代餌料；③由于養殖品種和養殖系統的復雜性、有害污染物的多樣性以及養殖環境的多變性等因素影響，生物絮團處理技術的運行調控難度較大，運行不當易導致硝酸鹽氮積累，對養殖對象產生慢性毒性作用。

4 結論與展望

排泄氮、糞便氮和其它氮在養殖水體中不斷積累，不僅增加了養殖對象病害發生的風險，還導致養殖水域周邊富營養化趨勢加劇，嚴重破壞養殖水域生態環境。因此，利用微生物等水生生物的新陳代謝作用對養殖過程產生的含氮廢物進行原位或異位處理，實現養殖尾水資源化利用或達標排放是有效破解水產養殖的環境制約、減少水產動植物病害頻繁發生的有限途徑。在選擇養殖尾水脫氮技術時，還應具體考慮養殖模式、養殖品種、占地面積、投資成本等多方面因素，因地制宜。隨著現代分子生物學技術、納米材料技術的進一步發展，以生物-生態修復技術為核心的養殖尾水脫氮處理技術必將具有極大的研究價值和廣泛的開發利用前景。