硝化細(xì)菌凈化養(yǎng)殖水體中氨氮實(shí)驗(yàn)

槐創(chuàng)鋒，陳 華

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌330013）

高密度養(yǎng)殖水體中因餌料及排泄物分解導(dǎo)致氨氯含量增高，是引起魚類和其它水生生物中毒死亡的重要原因［1］，因此去除氨氯對養(yǎng)殖用水、改善水質(zhì)有很大意義。為應(yīng)對水產(chǎn)養(yǎng)殖品殘留抗生素的危機(jī)，世界范圍內(nèi)關(guān)注水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，大力推廣健康養(yǎng)殖方式。硝化細(xì)菌因具有能利用小分子有機(jī)物（如氨氮、有機(jī)酸等）而快速生長且本身又無毒無害的特性，因而在凈化水質(zhì)、改善水環(huán)境、減少預(yù)防疾病的藥物使用量、保證水產(chǎn)品的安全質(zhì)量等方面正發(fā)揮著重要的作用，近年來被廣泛用于有機(jī)污水的處理及資源化過程中，其活菌制劑用于水產(chǎn)養(yǎng)殖也取得了積極效果［2-7］。

眾所周知，NH3/NH4+和NO2-對人和其它生物具有毒害作用，而NO3-則是微毒。對養(yǎng)殖水體調(diào)查結(jié)果表明，水體中NH3/NH4+和NO2-濃度過高是近年來魚病頻繁發(fā)生的不可忽視的原因，當(dāng)水中NH3/NH4+超過1 mg·L-1時，即會使魚類的血液結(jié)合氧能力降低，呼吸機(jī)能下降；超過3 mg·L-1時，可在24～96 h內(nèi)使其死亡。而1 mg·L-1以上的NO2-可使魚類紅細(xì)胞數(shù)量和血紅蛋白數(shù)量逐漸減少，血液載氧能力逐漸喪失，使其生理機(jī)能紊亂，嚴(yán)重時導(dǎo)致高鐵血紅蛋白癥，使魚類中毒死亡［6］。硝化細(xì)菌可通過NH4+→NO2-→NO3-這一過程將NO2-轉(zhuǎn)化為NO3-。

對養(yǎng)殖水體中NH3/NH4+和NO2-的降解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，試驗(yàn)過程中，選取合格養(yǎng)殖水體作為實(shí)驗(yàn)用水，在3組樣本中分別加入模擬污染源，研究不同處理方式下硝化細(xì)菌對水體中NH3/NH4+和NO2-的降解能力，并結(jié)合水中NO3-的變化作為參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 菌種

硝化細(xì)菌菌種培養(yǎng)和固定化技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，實(shí)驗(yàn)直接選取市場中成熟的固定化及濃縮液態(tài)硝化細(xì)菌菌種。

1.2 水質(zhì)測定

實(shí)驗(yàn)檢測項(xiàng)目包含NH3/NH4+，NO2-和NO3-3項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)采用納氏比色法。

1.3 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別取3份樣本水各2 500 ml，分裝于3個有效容積為4 L 的白色塑料桶中（編號1～3），擺放在陽光充足的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，使用相同的水妖精進(jìn)行水循環(huán)過濾，第1組為空白對照組，第2組一次性加入一定量的固定化粉末硝化細(xì)菌，第3組一次性加入相同量的濃縮液態(tài)硝化細(xì)菌。將河蝦放置在一個汽水瓶中，加入約1/3的自來水，等待蝦的自然死亡和腐敗，在高溫缺氧情況下，河蝦很快死亡。這些污染水作為本實(shí)驗(yàn)的模擬污染源。搖勻后在每個桶里各加入了5 ml此污染液。3 h后，在未作任何處理的情況下測試了第一次水質(zhì)狀況。第一天（未加入硝化細(xì)菌前）自然溫度25 ℃，3個桶水質(zhì)測試結(jié)果：氨/銨全部為4.0 mg·L-1，NO2-全部為2.0 mg·L-1，NO3-全部為10 mg·L-1。每天取樣，分別測定NH3/NH4+，NO2-和NO3-。

2 結(jié)果與分析

由于自然蒸發(fā)和每日測試時的水樣抽取，桶內(nèi)的水位已經(jīng)有了明顯的下降，實(shí)驗(yàn)分別在第11天、23天完成測試后給每個桶內(nèi)補(bǔ)充500 ml樣本水。同樣，由于連續(xù)數(shù)日數(shù)據(jù)都比較穩(wěn)定，第19天在每個桶內(nèi)加入0.5 g相同的普通魚飼料，用來模擬養(yǎng)殖水體內(nèi)的殘餌，并作為持續(xù)的污染源以判斷是否建立了穩(wěn)定的硝化細(xì)菌系統(tǒng)。

在實(shí)驗(yàn)組加入固定化粉末硝化細(xì)菌或濃縮液態(tài)硝化細(xì)菌12 h 后分別測定包括對照組在內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)，作為初始值。其它取樣為每24 h采樣1次，共測定30次，測定結(jié)果見表1。

表1 不同實(shí)驗(yàn)組別氨氮的變化Tab.1 Change of ammonia nitrogen in different samples mg·L-1

續(xù)表1mg·L-1

2.1 NH3/NH4+的去除

如圖1所示，第1組（對照組）的NH3/NH4+濃度一直保持在4.0 mg·L-1，從第10天開始有所下降，到第20天有大幅下降。但由于在第19天加投了有機(jī)物，從第21天開始大幅升高，并在第25天再次下降。說明自第20天（約3周）起，在未添加任何硝化細(xì)菌的情況下，自然建立了初步的硝化系統(tǒng)，并發(fā)揮了一定作用（亞硝化），但仍不穩(wěn)定，添加有機(jī)物后波動劇烈，直到第30天仍沒有達(dá)到最佳效果。基本驗(yàn)證了相關(guān)文獻(xiàn)中自然硝化系統(tǒng)完全建立需要4～6周的研究結(jié)果。第2組（固定化粉末硝化細(xì)菌）和第3組（濃縮液態(tài)硝化細(xì)菌）的NH3/NH4+濃度均在第4天開始大幅下降，并從第5天開始一直維持在較低的水平，即使中途添加有機(jī)物后波動也不大，說明這兩組在第5天左右即已建立了穩(wěn)定的硝化系統(tǒng)并能夠持續(xù)發(fā)揮作用。使用硝化細(xì)菌后，第2組NH3/NH4+在1周的模擬試驗(yàn)中下降了95%，第3組平均氨氮去除率達(dá)75%，而在自然條件下只下降了25%。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，硝化細(xì)菌尤其是固定化粉末硝化細(xì)菌具有明顯的去除氨氮、有機(jī)質(zhì)的作用，其在凈化水質(zhì)方面具有非常明顯的優(yōu)越性。

圖1 不同實(shí)驗(yàn)組別NH3/NH4+的去除效果Fig.1 Removing of NH3/NH4+in different samples

2.2 NO2-的降解

如圖2和圖3所示，第1組的NO2-一直維持在較高水平，直到第23天才降到2.0以下，說明此時自然產(chǎn)生的硝化系統(tǒng)已初步發(fā)揮硝化作用。第2組和第3組能將NO2-控制在較低水平，并保持穩(wěn)定，在第12天就降到最低，基本檢測不出來，即使在第19天加投了有機(jī)物，NO2-的濃度也波動很小，說明硝化系統(tǒng)已經(jīng)建立并起到了明顯作用。第1組NO2-一直處于較低水平，說明試驗(yàn)期間沒有更多的NO2-被降解為NO3-。第2組和第3組的NO3-一直呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，說明水體中的NO2-被降解為NO3-。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)組別的NO2-去除效果Fig.2 Removing of NO2-in different samples

圖3 不同實(shí)驗(yàn)組別NO3-的變化Fig.3 Changes of NO3-ammonia nitrogen in different samples

3 結(jié)果和討論

通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)第1組在不人工添加任何硝化細(xì)菌的情況下，在第20天才有了初步的硝化系統(tǒng)功能，并處于不穩(wěn)定狀態(tài)，直到第30天仍未完全建立。而第2，3組在第5天開始硝化系統(tǒng)即完全發(fā)揮了作用，并一直較為穩(wěn)定，即使中途添加有機(jī)物也未造成任何波動。因此，實(shí)驗(yàn)證明了人工添加硝化細(xì)菌確實(shí)能夠起到提前建立穩(wěn)定硝化系統(tǒng)的作用。第2，3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這兩種硝化菌制劑經(jīng)過一定時間的活化（5天左右），硝化系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。但有幾個現(xiàn)象仍值得關(guān)注，液態(tài)硝化細(xì)菌并不是入水即生效，而是仍然需要幾天以后才開始發(fā)揮作用。

硝化細(xì)菌對養(yǎng)殖水質(zhì)的凈化和生態(tài)調(diào)控作用已得到充分肯定［8］，然而在使用游離硝化細(xì)菌時，必須定期、定量地加入養(yǎng)殖池中才能穩(wěn)定地發(fā)揮功用。固定硝化細(xì)菌則不同，它不僅能在魚池中長期保留而且還可以在固定化過程中人為地調(diào)控顆粒的含菌量，并能篩選高效微生物，優(yōu)化包埋條件，使硝化細(xì)菌始終處于優(yōu)勢地位，穩(wěn)定地發(fā)揮凈化水質(zhì)作用。

[1] 周娟,李君文,鄭金來.亞硝酸細(xì)菌研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2001(S2):8-10.

[2] 黃正,范瑋,李谷,等.固定化硝化細(xì)菌去除養(yǎng)殖水體中氨氮的研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:醫(yī)學(xué)版,2002,30(1):18-21.

[3] 楊春燕,劉麗,馮曉昕,等.固定化硝化細(xì)菌去除廢水中氨氮的效果觀察[J].解放軍預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志,2006,24(3):192-193.

[4] 楊波,楊志恒,胡文容,等.亞硝化細(xì)菌處理氨氮廢水的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2007,29(3):63-66.

[5] 高金偉,張海紅,陳瑞楠,等.硝化細(xì)菌與枯草芽孢桿菌對養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控作用研究[J].天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報,2014,21(1):5-8.

[6] 高金偉,張海紅,陳瑞楠,等.硝化細(xì)菌對淡水水族箱水質(zhì)和異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(6):346-349.

[7] 聶發(fā)輝,劉榮榮,劉占孟.富營養(yǎng)化景觀水體的處理技術(shù)及相關(guān)研究進(jìn)展[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2014,31(2):72-78.

[8] 孔娜,薛泉宏,朱留偉,等.磚質(zhì)固定化硝化細(xì)菌對氨氣及銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化效果[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2011,20(7):196-200.