生物強(qiáng)化移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水初步研究

仇天雷，王旭明，高　敏，海熱提，王曉慧，李　媛，韓梅琳

(1.北京化工大學(xué)，北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，北京　100029；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)研究中心，北京　100097)

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生物強(qiáng)化移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水初步研究

仇天雷1,2，王旭明2，高敏2，海熱提1，王曉慧1，李媛1，韓梅琳2

(1.北京化工大學(xué)，北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，北京100029；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)研究中心，北京100097)

摘要：利用自制的硝化細(xì)菌菌劑促進(jìn)移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(Moving bed biofilm reactor，MBBR)的掛膜啟動(dòng)，分析不同載體氨氮負(fù)荷、碳氮比條件下反應(yīng)器運(yùn)行狀況，并進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬循環(huán)水養(yǎng)殖草金魚實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，利用自制硝化菌劑能夠完成整個(gè)移動(dòng)床反應(yīng)器的啟動(dòng)過(guò)程，在接種15 d后使循環(huán)出水氨氮穩(wěn)定在1 mg/L以下。單位體積載體氨氮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)表明，MBBR能夠在100 mg TAN/(L填料·d)條件下，使出水滿足一般水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)要求(氨氮<0.5 mg/L，亞硝氮<0.1 mg/L)。進(jìn)水碳氮比在1以內(nèi)時(shí)MBBR能夠穩(wěn)定高效運(yùn)行。在實(shí)驗(yàn)室模擬循環(huán)水養(yǎng)殖過(guò)程中，經(jīng)菌劑強(qiáng)化的MBBR能維持循環(huán)出水氨氮低于0.5 mg/L，亞硝氮低于0.05 mg/L。

關(guān)鍵詞：生物填料；循環(huán)水養(yǎng)殖；硝化細(xì)菌；生物強(qiáng)化

中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖年產(chǎn)量約為4 000萬(wàn)噸，占世界總水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的61%[1]。高密度養(yǎng)殖給環(huán)境帶來(lái)很多不良影響[2]。水體在水處理系統(tǒng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中循環(huán)利用的循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖(Recirculating aquaculture system，RAS)是一種環(huán)境友好型的養(yǎng)殖模式，具有節(jié)水、節(jié)地、高密度集約化和排放可控的特點(diǎn)，為養(yǎng)殖給環(huán)境帶來(lái)的不良影響提供了一種可行的解決方案[3]。

生物過(guò)濾系統(tǒng)是RAS水處理的核心部分，其硝化作用是維持循環(huán)水養(yǎng)殖體系中低于致死氨濃度(0.1～3 mg/L，取決不同養(yǎng)殖品種、pH和鹽度)的關(guān)鍵所在[4-5]。近年來(lái)，懸浮填料由于其比表面積大，不需反沖洗等優(yōu)點(diǎn)，陸續(xù)應(yīng)用于海水及淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖的移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(Moving bed biofilm reactor，MBBR)[6-11]。但由于該類型填料微生物附著慢，且硝化細(xì)菌自身生長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致掛膜速度慢，反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，而利用活性污泥進(jìn)行馴化又有引入外源病原菌的風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中不常采用[12]，所以利用硝化細(xì)菌菌劑生物強(qiáng)化是一種有效促進(jìn)懸浮填料掛膜的手段。此外，MBBR在水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理中的應(yīng)用多關(guān)注水力停留時(shí)間、曝氣量等控制參數(shù)[8,13]，而在水質(zhì)碳氮比對(duì)硝化作用影響方面較少涉及。

本試驗(yàn)通過(guò)添加自制硝化細(xì)菌菌劑強(qiáng)化MBBR掛膜，進(jìn)一步研究了不同氨氮負(fù)荷、碳氮比條件下反應(yīng)器去除率變化情況，并將MBBR初步應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模草金魚的循環(huán)水養(yǎng)殖，為MBBR反應(yīng)器在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中的快速啟動(dòng)及應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置及配水

水處理反應(yīng)器為移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)，材料為有機(jī)玻璃，內(nèi)徑為12 cm的圓柱體，總有效體積為2 L。采用多孔流化懸浮填料(鞏義市北山口三星水處理新型填料廠)，填料為直徑25 mm，厚度為2.5 mm的多孔圓柱塑料，密度為0.95 g/cm3，比表面積約為500 m2/m3，填料總體積約600 mL。循環(huán)水箱有效容積為8 L。在人工配水實(shí)驗(yàn)階段，進(jìn)水從循環(huán)水箱經(jīng)蠕動(dòng)泵泵入MBBR，MBBR出水自流入循環(huán)水箱，水箱內(nèi)氨氮及其他污染物濃度由濃縮液箱進(jìn)水調(diào)節(jié)(圖1a)。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模RAS實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)水養(yǎng)殖魚缸總體積為15 L，有效體積為8 L，MBBR進(jìn)水由蠕動(dòng)泵從魚缸泵入反應(yīng)器(圖 1b)，出水由上部出水口循環(huán)流回魚缸，水力停留時(shí)間均為13 min，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃。

圖1　移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器

人工配水配方：胰蛋白胨(Trypton，OXOID)：20 mg(總有機(jī)碳含量約20 mg/L)；NH4Cl，38.2 mg(氨氮含量10 mg/L)； NaHCO3，71.4 mg；Na2HPO4， 18.85 mg；混合微量元素：1 mL；自來(lái)水1 L?；旌衔⒘吭兀篘iCl2，0.5 g；MnSO4·4H2O，0.5 g；ZnSO4，0.1 g；硼酸鈉，0.1 g；CoCl2·6H2O，0.05 g；CuSO4·5H2O，0.005 g；Na2MoO4，0.04 g；蒸餾水 1 L。

1.2菌種及培養(yǎng)方式

實(shí)驗(yàn)組菌劑：菌劑構(gòu)成為實(shí)驗(yàn)室分離的異養(yǎng)硝化細(xì)菌孟加拉副球菌(ParacoccusbengalensisN74-1)和購(gòu)自德國(guó)菌種保藏中心(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH，DSMZ)的自養(yǎng)硝化細(xì)菌韋氏硝化桿菌(NitrobacterwinogradskyiDSM 10237)。菌株N74-1用液體異養(yǎng)硝化細(xì)菌培養(yǎng)基(葡萄糖，5 g；NH4Cl 0.76 g；NaCl，0.3 g；酵母膏，0.5 g；K2HPO4，1 g；MgSO4·7H2O，0.3 g；FeSO4·7H2O，0.03 g；蒸餾水1 L)溫度28 ℃，轉(zhuǎn)速150 r/min搖床培養(yǎng)48 h，菌液備用[14]。菌株DSM 10237用DSMZ液體培養(yǎng)基Medium 756a (酵母膏，1.5 g；蛋白胨，1.5 g；丙酮酸鈉，0.55 g；微量元素溶液，1 mL；亞硝酸鈉，2 g；蒸餾水，1 L；pH 7.4)，溫度28 ℃，轉(zhuǎn)速150 r/min搖床培養(yǎng)7 d，菌液備用。

對(duì)照組菌劑：市場(chǎng)購(gòu)買的硝化菌劑。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)總共分為三個(gè)階段：

階段1，人工配水掛膜啟動(dòng)：配水采用自來(lái)水配制，實(shí)驗(yàn)組的菌劑接種量為1 ‰(V∶V)，啟動(dòng)時(shí)向反應(yīng)器中投加ParacoccusbengalensisN74-1菌液1 mL，待亞硝氮積累后，添加Nitrobacterwinogradskyi菌液1 ml。對(duì)照組菌劑添加1 ‰(V∶V)，即為2 mL。兩個(gè)反應(yīng)器均在添加菌劑后關(guān)閉循環(huán)泵，悶曝24 h；出水氨氮濃度降至零后(第16天)向循環(huán)水桶內(nèi)按配水比例重新添加胰蛋白胨、NH4Cl和NaHCO3。

階段2，連續(xù)進(jìn)水階段，考察不同載體負(fù)荷以及不同碳氮比條件下，反應(yīng)器運(yùn)行狀況。利用蠕動(dòng)泵每天補(bǔ)充胰蛋白胨、NH4Cl和NaHCO3，使反應(yīng)器單位載體氨氮負(fù)荷(Volumetric total TAN load rates，VTL)分別設(shè)置為100 mg 氨氮(Total ammonia nitrogen，TAN)/(L填料·d)和200 mg TAN/(L填料·d)【注：反應(yīng)器氨氮負(fù)荷為80 mg TAN/d時(shí)，相當(dāng)于25 kg/m3養(yǎng)殖密度1%(W∶W)的投餌量條件產(chǎn)生的氨氮[15]】；碳氮比分別設(shè)置為0，1及2(W∶W)，碳源以胰蛋白胨中含有TOC計(jì)算，氮源按NH4Cl含有的氨態(tài)氮計(jì)算，每天利用蠕動(dòng)泵泵進(jìn)相應(yīng)的胰蛋白胨、NH4Cl濃度。

階段3，實(shí)際水產(chǎn)養(yǎng)殖掛膜及穩(wěn)定運(yùn)行：?jiǎn)?dòng)期用養(yǎng)殖廠錦鯉養(yǎng)殖水，接種方法與階段1相同，用蠕動(dòng)泵連續(xù)循環(huán)。待反應(yīng)器出水氨氮和亞硝氮穩(wěn)定后，接入8 L的養(yǎng)殖魚缸，養(yǎng)殖品種為草金魚(Carassiusauratus)，養(yǎng)殖密度約為12.5 g/L，數(shù)量共10尾，總重量為100 g，每天飼喂為魚體總重的1 %，即 1 g，使用飼料為育成錦鯉飼料(蛋白含量為35%)。

1.4水樣采集及檢測(cè)

每天定時(shí)取MBBR出水，經(jīng)過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)定檢測(cè)氨氮、亞硝氮、硝態(tài)氮及可溶性有機(jī)碳(DOC)含量。硝酸鹽氮采用紫外分光光度法測(cè)定；氨氮采用水質(zhì)快速測(cè)定儀測(cè)定；DOC用TOC分析儀測(cè)定；亞硝酸鹽氮采用鹽酸萘乙二胺比色法測(cè)定[16]。

2結(jié)果與分析

2.1反應(yīng)器啟動(dòng)期微生物菌劑強(qiáng)化效率

從啟動(dòng)期氨氮濃度變化可以看出(圖 2)，兩種菌劑的添加均能使出水氨氮濃度降低，兩組反應(yīng)器也均在添加菌劑后10 d，氨氮出現(xiàn)迅速下降，說(shuō)明硝化細(xì)菌添加入水處理反應(yīng)器具有一定的延遲期。添加自制菌劑的實(shí)驗(yàn)組氨氮濃度在15 d降低到1 mg/L以下后，即使重新升高進(jìn)水濃度，循環(huán)出水氨氮和亞硝氮也均能夠基本維持在1 mg/L以下；但添加市售的硝化細(xì)菌的對(duì)照組在15 d后更換新的進(jìn)水后，氨氮濃度持續(xù)升高，且維持在5 mg/L左右，說(shuō)明15 d內(nèi)對(duì)照組中生物膜內(nèi)硝化細(xì)菌含量或活性未達(dá)到水產(chǎn)養(yǎng)殖要求。

圖2　啟動(dòng)期氨氮濃度變化

另一方面，從啟動(dòng)期亞硝氮數(shù)據(jù)能看出(圖3)，對(duì)照組亞硝氮升高的原因主要為硝化作用不完全，亞硝酸鹽隨著啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)而累積，導(dǎo)致啟動(dòng)失??；實(shí)驗(yàn)組通過(guò)硝化細(xì)菌Nitrobacterwinogradskyi的添加，使硝化的中間產(chǎn)物亞硝氮得到迅速去除，從而保證了完全的硝化作用，這一結(jié)果與Kuhn等[17]添加硝化細(xì)菌至蝦(Litopenaeusvannamei)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)強(qiáng)化硝化作用結(jié)果類似。同時(shí)可以明顯觀察到硝化系統(tǒng)的不平衡導(dǎo)致COD的去除也受到影響(圖4)，對(duì)照組COD在15 d后也出現(xiàn)明顯升高，可能原因是高濃度的亞硝酸鹽影響了其他異養(yǎng)微生物的生長(zhǎng)，從而影響到COD的去除。

圖3　啟動(dòng)期亞硝氮濃度變化

圖4　啟動(dòng)期COD濃度變化

2.2不同載體氨氮負(fù)荷條件下氨氮去除效果

模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖密度為25 kg/(m3)，0.75%和1.5%兩種投餌密度下，分別設(shè)置100和200 mg TAN/(L填料·d)兩個(gè)VTL，觀察MBBR運(yùn)行效果。結(jié)果表明(圖5)，在100 mg TAN/(L填料·d)條件下，MBBR出水氨氮濃度能保持在0.5 mg/L以下，亞硝氮基本維持在0.1 mg/L以下，說(shuō)明VTL在100 mg TAN/(L載體·d)，反應(yīng)器水力停留時(shí)間為13 min條件下，經(jīng)過(guò)生物強(qiáng)化掛膜的MBBR能夠保證出水水質(zhì)滿足一般水產(chǎn)養(yǎng)殖需求(氨氮<0.5 mg/L，亞硝氮<0.1 mg/L)。這與Pfeiffer等[6]研究類似，在低飼養(yǎng)條件下，懸浮塑料載體的單位體積氨氮去除率(Volumetric TAN removal rates,VTR)在82.5～92.2 mg TAN/(L載體·d)之間。在200 mg TAN/(L填料·d)條件下，出水氨氮濃度在0.3～16 mg/L之間劇烈波動(dòng)，亞硝氮也逐漸積累，說(shuō)明200 mg TAN/(L填料·d)負(fù)荷條件下該種填料的MBBR不能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖需要，該結(jié)果與Pfeiffer等[6]和李月等[13]研究不同，在他們的研究中VTR值能達(dá)到186.4和440 mg TAN/(L載體·d)，可能原因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)的水力停留時(shí)間(約12.5 min)長(zhǎng)于他們的研究(5.5 min和8 min)。

圖5　不同單位體積填料氨氮負(fù)荷條件下出水水質(zhì)

2.3不同碳氮比條件下氨氮去除效果

通常認(rèn)為，循環(huán)水養(yǎng)殖水體中有機(jī)物含量升高，會(huì)對(duì)硝化作用產(chǎn)生抑制，從而進(jìn)一步影響循環(huán)水處理生物過(guò)濾的硝化作用[18-19]。本實(shí)驗(yàn)中，MBBR在不同碳氮比條件下對(duì)氨氮的去除效果有顯著的不同(圖6)，在碳氮比為零，即不添加有機(jī)碳源的條件下(C∶N=0∶1)，出水氨氮濃度維持在0.58 mg/L以下，亞硝氮含量基本為零；碳氮比為1時(shí)，出水氨氮基本為0，亞硝氮含量低于0.05 mg/L；碳氮比調(diào)整為2時(shí)，出水氨氮濃度顯著增加，且極不穩(wěn)定，最高值達(dá)到8.73 mg/L，同時(shí)亞硝氮也出現(xiàn)明顯累積。結(jié)果表明碳氮比控制在1左右有利于硝化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。與Michaud的研究不同[19]，其海水養(yǎng)殖的移動(dòng)床反應(yīng)器最適碳氮比范圍在0～2之間，主要原因?yàn)槌跏歼M(jìn)水濃度(2 mg/L)和水力停留時(shí)間(4.75 min)有差別所致。與趙倩等[20]的最適碳氮比為5結(jié)果不同，可能原因是移動(dòng)床反應(yīng)器與生物濾床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不同，為全混合反應(yīng)器，生物濾床更易在反應(yīng)器前端去除多余碳源，以保證硝化細(xì)菌的硝化效率。

2.4實(shí)驗(yàn)室水平生物過(guò)濾系統(tǒng)水處理效果

根據(jù)以上結(jié)果，設(shè)置氨氮負(fù)荷為40 mg N/(L填料·d)。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器在20 d內(nèi)完成反應(yīng)器的啟動(dòng)(圖7)，氨氮濃度逐步穩(wěn)定在0.5mg/L以下，實(shí)驗(yàn)組前期(2～8 d)隨著氨氮迅速下降，亞硝氮迅速積累，直到后期(12～16 d)逐漸下降至0左右。

圖6　不同碳氮比條件出水水質(zhì)

圖7　啟動(dòng)期水質(zhì)指標(biāo)變化情況

圖8　實(shí)驗(yàn)室模擬養(yǎng)殖期水質(zhì)變化

菌劑中亞硝化細(xì)菌濃度遠(yuǎn)高于硝化細(xì)菌，所以氨氮濃度首先下降而亞硝酸鹽迅速上升，后隨著硝化細(xì)菌的增長(zhǎng)而亞硝酸鹽逐漸降低，至菌群平衡反應(yīng)器正常啟動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明現(xiàn)有菌劑仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化兩種菌劑的數(shù)量比例，且在啟動(dòng)期使用時(shí)要注意亞硝酸鹽的積累情況。

將啟動(dòng)完成的反應(yīng)器與養(yǎng)殖魚缸連接，模擬養(yǎng)殖水處理實(shí)驗(yàn)，在24 d的處理過(guò)程中，出水氨氮和亞硝氮能夠基本穩(wěn)定在0.5 mg/L和0.05 mg/L以下(圖8)，能夠滿足養(yǎng)殖一般淡水魚類需求。

3結(jié)論

(1)只利用自制硝化細(xì)菌菌劑進(jìn)行接種，可以完成移動(dòng)床反應(yīng)器的啟動(dòng)， 20 d后循環(huán)出水氨氮和亞硝氮濃度均明顯低于對(duì)照菌劑組，且兩者循環(huán)出水濃度均低于1 mg/L；

(2)在100 mg TAN/(L載體·d)的氨氮負(fù)荷條件下，MBBR出水氨氮濃度小于0.5 mg/L，亞硝氮小于 0.1 mg/L，負(fù)荷高于200 mg TAN/(L載體·d)出水水質(zhì)不穩(wěn)定；

(3)碳氮比對(duì)MBBR硝化作用影響明顯，最適碳氮比為1，碳氮比2時(shí)出水水質(zhì)不穩(wěn)定；

(4)在模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖條件下，自制的硝化細(xì)菌菌劑能夠在20 d內(nèi)完成移動(dòng)床反應(yīng)器的啟動(dòng)，并在12.5 kg/m3的養(yǎng)殖條件下，滿足草金魚養(yǎng)殖需求。

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(責(zé)任編輯：鄧薇)

收稿日期：2015-08-14；

修訂日期：2016-04-15

第一作者簡(jiǎn)介：仇天雷(1982-)，男，博士研究生，助理研究員，專業(yè)方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)與工程。E-mail:qiutianlei@baafs.net.cn 通訊作者：海熱提。E-mail:bjzhx@mail.buct.edu.cn

中圖分類號(hào)：S959

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6907-(2016)04-0065-06

Application of bioaugmentation with nitrifying bacteria in the rapid start-up of moving bed biofilm reactor in recirculating aquaculture system

QIU Tian-lei1,2,WANG Xu-ming2,GAO Min2,TURSUN Haireti1,WANG Xiao-hui1,LI Yuan1,HAN Mei-lin2

(1.BeijingUniversityofChemicalTechnology,BeijingEngineeringResearchCenterofEnvironmentalMaterialforWaterPurification,Beijing100029,China;2.BeijingAgro-BiotechnologyResearchCenter,BeijingAcademyofAgricultureandForestry,Beijing100097,China)

Abstract：Nitrifying bacteria,which are responsible for oxidation of ammonia to nitrate,play an essential role in biofilter of recirculating aquaculture system(RAS).To accelerate the start-up of moving bed biofilm reactor (MBBR) in RAS,bioaugmentation was adopted with the addition of mixed nitrifying bacteria.As a result,the inoculated MBBR was successfully started after 15 days and the NH4+-N concentrations of effluents maintained below 1 mg/L.Then at volumetric total ammonia nitrogen(TAN) load rates of 100 g TAN/(L media-d),TAN and nitrite nitrogen concentrations in effluents of MBBR maintained below 0.5 and 0.1 mg/L,respectively.At C/N ratios raging from 0 to 1,the MBBR showed stable and efficient daily performances for RAS.In lab-scale RAS experiment,the MBBR in Carassius auratus RAS was started up within 20 days and the NH4+-N and NO2--N concentrations of effluents were below 0.5 and 0.05 mg/L,respectively.

Key words：biofilm carriers;recirculating aquaculture system;nitrifying bacteria;bioaugmentation

資助項(xiàng)目：北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)(KJCX2014302)；北京市農(nóng)林科學(xué)院青年基金(QNJJ 201417)；北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z15111000210000)