硝化毛球和底沙對(duì)硝化細(xì)菌脫氮效果的影響

安治武

摘要：本實(shí)驗(yàn)?zāi)M工廠化養(yǎng)殖模式建立養(yǎng)殖水體凈化裝置，研究硝化毛球和底沙對(duì)硝化細(xì)菌凈化效果的影響，結(jié)果表明：裝載硝化毛球、鋪設(shè)底沙和只投加硝化細(xì)菌制劑的三個(gè)實(shí)驗(yàn)組對(duì)養(yǎng)殖水體水質(zhì)具有一定的凈化效果，氨氮、亞硝氮等指標(biāo)均低于空白組。其中裝載硝化毛球的實(shí)驗(yàn)組氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌可在短時(shí)間大量生長(zhǎng)繁殖，形成優(yōu)勢(shì)，使養(yǎng)殖池氨氮、亞硝酸鹽濃度維持在較低水平；鋪設(shè)底沙的實(shí)驗(yàn)組對(duì)硝化細(xì)菌凈化水質(zhì)效果影響不大。裝載硝化毛球的實(shí)驗(yàn)組，水質(zhì)最清澈，無(wú)異味，養(yǎng)殖池底部無(wú)殘?jiān)樾迹辔r生長(zhǎng)狀況良好，增重最多。

關(guān)鍵詞：硝化細(xì)菌；硝化毛球；底沙；氨氮；亞硝酸鹽

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，養(yǎng)殖廢水也越來(lái)越引起人們的重視。養(yǎng)殖過(guò)程中的污染主要來(lái)自于養(yǎng)殖生物自身的殘骸、排泄物累積和投喂的飼料過(guò)剩及殺菌劑、抗生素等藥物的濫用和過(guò)度使用。這種污染造成養(yǎng)殖水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量過(guò)高，造成富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。輕則會(huì)造成水環(huán)境中微生物系統(tǒng)失衡，水產(chǎn)品產(chǎn)量大量減少，重則會(huì)污染周邊水域環(huán)境，導(dǎo)致魚(yú)蝦等養(yǎng)殖對(duì)象體內(nèi)藥物的積累，危害人類(lèi)健康[1]。其中氨氮和亞硝酸鹽是養(yǎng)殖水體中最常見(jiàn)的氮污染物，成為了養(yǎng)殖過(guò)程中的主要去除目標(biāo)[2]。利用微生物吸收、代謝作用去除養(yǎng)殖水體的有機(jī)物和氮污染物的生物法應(yīng)用最多，在生物處理過(guò)程中，有機(jī)物在氨化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為氨氮，氨氮在硝化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，硝酸鹽在反硝化細(xì)菌作用下最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)忉尫诺酱髿庵?，達(dá)到凈化水質(zhì)的作用。

近年來(lái)硝化細(xì)菌制劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水族箱等觀賞水生生物的養(yǎng)殖中，在國(guó)內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展[3-7]。但由于硝化細(xì)菌屬于化能自養(yǎng)型好氧細(xì)菌，生長(zhǎng)繁殖速度慢，易受外界環(huán)境因子的影響，并且在水環(huán)境中其數(shù)量遠(yuǎn)低于異養(yǎng)菌種，競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。因此，在養(yǎng)殖水體處理系統(tǒng)中，通過(guò)投加硝化細(xì)菌制劑增加硝化細(xì)菌數(shù)量和提高硝化速率對(duì)生物脫氮具有重要的意義。但養(yǎng)殖過(guò)程中，排污和正常的換水往往造成硝化細(xì)菌大量流失，沒(méi)能達(dá)到理想的去除效果。目前溫少鵬[8]等人研究自制硝化細(xì)菌制劑對(duì)水族箱水質(zhì)的凈化效果，試驗(yàn)結(jié)果表明：硝化細(xì)菌制劑對(duì)水族箱水質(zhì)具有明顯的凈化效果。本實(shí)驗(yàn)為了進(jìn)一步探尋不同載體濾料對(duì)硝化細(xì)菌脫氮效果的影響，模擬工廠化養(yǎng)殖模式建立一種設(shè)備簡(jiǎn)單、控制自動(dòng)化、性能穩(wěn)定的凈化養(yǎng)殖水體裝置，設(shè)置三個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別裝載硝化毛球并投加硝化細(xì)菌制劑、鋪設(shè)底沙并投加硝化細(xì)菌制劑和僅投加硝化細(xì)菌制劑，同時(shí)設(shè)置一個(gè)空白對(duì)照組（不投加菌劑）。研究整個(gè)養(yǎng)殖期間，不同養(yǎng)殖系統(tǒng)對(duì)氨氮、亞硝酸鹽的降解效果，分析硝化毛球和底沙對(duì)硝化細(xì)菌脫氮效果和青蝦生長(zhǎng)狀況的影響。

1材料與方法

1.1水產(chǎn)動(dòng)物

青蝦（Macrobranchium nipponense），學(xué)名日本沼蝦，購(gòu)自青島海泊河早市。實(shí)驗(yàn)所用均為蝦體青綠色、行動(dòng)敏捷、生長(zhǎng)狀況良好的青蝦，平均體重2.68±0.3 g，平均體長(zhǎng)5.5±0.2 cm。

1.2實(shí)驗(yàn)器材

UVmini-1200紫外分光光度計(jì)；超靜音增氧氣泵；智能溫控器；pH分析儀；溶解氧測(cè)定儀；自制玻璃缸，體積36.75 L（35 cm×35 cm×30 cm）。

硝化毛球，白色纖維球狀，具有很大的比表面積和孔隙率，物理化學(xué)性能穩(wěn)定、經(jīng)久耐用。選用硝化毛球作為實(shí)驗(yàn)濾料是因?yàn)槠渥鳛橄趸?xì)菌附著的載體，不易堵塞，能將養(yǎng)殖水體中殘留物質(zhì)累積產(chǎn)生的氨氮、亞硝酸鹽快速轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。

底沙，由菲律賓沙和珊瑚沙組合的白沙，細(xì)沙粒徑1～3 mm。

1.3菌劑

實(shí)驗(yàn)室自制硝化細(xì)菌（3.68×107 CFU/mL），為氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌混合培養(yǎng)物。

1.4實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M工廠化養(yǎng)殖模式的養(yǎng)殖池，建立一種設(shè)備簡(jiǎn)單、控制自動(dòng)化的凈化養(yǎng)殖水體裝置。該裝置主要由養(yǎng)殖池和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分組成，其中養(yǎng)殖池是由自制玻璃缸構(gòu)成，有效水體體積27 L；增氧氣泵通過(guò)曝氣頭維持養(yǎng)殖水體中的溶解氧；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫控器、溶解氧儀、pH計(jì)組成。

硝化毛球凈化養(yǎng)殖水體裝置由養(yǎng)殖池、增氧氣泵、載體反應(yīng)器及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，其中養(yǎng)殖池主體為玻璃缸，載體反應(yīng)器由繩子網(wǎng)和硝化毛球構(gòu)成，固定在養(yǎng)殖池上部的四角，同時(shí)水面沒(méi)過(guò)其上部，使硝化毛球懸浮在水中。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1-增氧氣泵 2-溫控器 3-pH分析儀

4-溶解氧儀 5-載體反應(yīng)器 6-養(yǎng)殖池

底沙凈化養(yǎng)殖水體裝置是在養(yǎng)殖池底部均勻攤鋪3～5 cm底沙，其它部分相同。

1.5實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)置硝化細(xì)菌+硝化毛球組、硝化細(xì)菌+底沙組、硝化細(xì)菌組和空白組，每個(gè)養(yǎng)殖池有效水體體積27 L，控制水體環(huán)境為溫度25 ℃、pH 7.5、溶解氧6 mg/L，分別放養(yǎng)青蝦15只。養(yǎng)殖期間，開(kāi)始時(shí)硝化細(xì)菌+硝化毛球組、硝化細(xì)菌+底沙組、硝化細(xì)菌組各添加5 mL菌劑，空白組則不添加，以后每隔3 d按此劑量添加菌劑。每天定時(shí)向養(yǎng)殖池投加餌料，上午8：00投喂1/3，下午17：00投喂2/3。本實(shí)驗(yàn)采用“零換水”的養(yǎng)殖模式，定期向養(yǎng)殖池內(nèi)添加水量至設(shè)計(jì)有效水體體積。實(shí)驗(yàn)為期一個(gè)月，每天測(cè)定氨氮濃度、亞硝酸鹽濃度、溫度、pH值、溶解氧等指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)測(cè)定青蝦體重和體長(zhǎng)。

1.6分析方法

氨氮濃度采用納氏試劑分光光度計(jì)法測(cè)定，亞硝酸鹽濃度采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測(cè)定，具體測(cè)定方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。溫度由智能溫控器測(cè)定，pH由pH分析儀測(cè)定，溶解氧由溶解氧測(cè)定儀測(cè)定。

青蝦生長(zhǎng)狀況用特定生長(zhǎng)率表示，具體計(jì)算方法見(jiàn)公式（1）。

特定生長(zhǎng)率（%，d-1）=100×[（lnWt-lnW0）]/t（1）

式中Wt——實(shí)驗(yàn)結(jié)束后各組青蝦平均體重，g；

W0——實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)各組青蝦平均體重，g；

t——實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1硝化毛球及底沙對(duì)硝化細(xì)菌降解氨氮的影響

硝化毛球及底沙對(duì)養(yǎng)殖水體氨氮濃度變化的影響如圖2。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，硝化細(xì)菌+硝化毛球組、硝化細(xì)菌組和空白組氨氮濃度均呈先上升后下降的趨勢(shì)，但三組氨氮濃度變化存在明顯的差異?？瞻捉M氨氮濃度第1～16 d持續(xù)增加，在第16 d達(dá)到峰值（23.57 mg/L），之后開(kāi)始降低，到第26 d下降到14.23 mg/L，并在此濃度上下浮動(dòng)。硝化細(xì)菌組氨氮濃度第1～8 d持續(xù)增加，在第9 d達(dá)到峰值（16.24 mg/L），之后開(kāi)始降低，到第16 d下降到0.7 mg/L并保持穩(wěn)定。硝化細(xì)菌+硝化毛球組氨氮濃度第1～4 d持續(xù)增加，在第4 d達(dá)到峰值（5.86 mg/L），之后開(kāi)始降低，在第6 d下降到0.6 mg/L并保持穩(wěn)定。三組氨氮濃度變化相比，硝化細(xì)菌+硝化毛球組氨氮濃度峰值持續(xù)的時(shí)間最短，且峰值最低，上升和下降所用時(shí)間均最少，最終穩(wěn)定濃度也最低。這說(shuō)明硝化細(xì)菌+硝化毛球組降解氨氮的效果最好，硝化毛球?qū)ο趸?xì)菌的去除效率具有明顯的促進(jìn)作用。

硝化細(xì)菌+底沙組、硝化細(xì)菌組和空白組氨氮濃度均呈向上升后下降的趨勢(shì)，其中硝化細(xì)菌+底沙組和硝化細(xì)菌組變化差異不大。硝化細(xì)菌+底沙組氨氮濃度第1～8 d持續(xù)增加，在第8 d達(dá)到峰值（13.56 mg/L），之后開(kāi)始降低，到第18 d下降到0.7 mg/L。硝化細(xì)菌+底沙組與硝化細(xì)菌相比，氨氮濃度上升和下降所用時(shí)間相差不大，最終穩(wěn)定濃度相同，但峰值較低。與硝化細(xì)菌+硝化毛球組相比，上升和下降時(shí)間均較長(zhǎng)，且峰值較高。這說(shuō)明底沙對(duì)硝化細(xì)菌降解氨氮影響不大，效果不明顯。

2.2硝化毛球及底沙對(duì)硝化細(xì)菌降解亞硝酸鹽的影響

硝化毛球及底沙對(duì)養(yǎng)殖水體亞硝酸鹽濃度變化的影響如圖3。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，硝化細(xì)菌組和硝化細(xì)菌+硝化毛球組亞硝酸鹽濃度均呈先上升后下降的趨勢(shì)，而空白組則一直保持上升趨勢(shì)，三組變化趨勢(shì)存在明顯差異?？瞻捉M亞硝酸鹽濃度在整個(gè)養(yǎng)殖期間持續(xù)上升，在第28 d達(dá)到峰值（22.05 mg/L）。硝化細(xì)菌組前5 d亞硝酸鹽濃度較低，第6～11 d持續(xù)上升，此時(shí)氨氧化細(xì)菌開(kāi)始起作用，在第11 d達(dá)到峰值（19.21 mg/L），之后開(kāi)始降低，并在第30 d下降到0.5 mg/L。硝化細(xì)菌+硝化毛球組第1～10 d亞硝酸鹽濃度持續(xù)上升，表明硝化毛球能夠是氨氧化細(xì)菌快速附著生長(zhǎng)繁殖，數(shù)量增加，起到作用。第10 d達(dá)到峰值（27.69 mg/L），之后在第12 d開(kāi)始降低，在第21 d下降到0.2 mg/L，表明此階段亞硝酸鹽氧化細(xì)菌數(shù)量增加，開(kāi)始起作用。整個(gè)養(yǎng)殖期間，硝化細(xì)菌+硝化毛球組亞硝酸鹽濃度上升和下降所用的時(shí)間都最少，且最終穩(wěn)定濃度最低，說(shuō)明硝化毛球?qū)ο趸?xì)菌降解亞硝酸鹽也有明顯的促進(jìn)作用。

硝化細(xì)菌+底沙組和硝化細(xì)菌組亞硝酸鹽濃度均呈向上升后下降的趨勢(shì)，兩者變化趨勢(shì)差異不大，而空白組持續(xù)上升。硝化細(xì)菌+底沙組和硝化細(xì)菌組前5 d亞硝酸鹽濃度均較低，之后開(kāi)始持續(xù)上升，前者在第12 d達(dá)到峰值（16.75 mg/L），隨后開(kāi)始下降，最終穩(wěn)定濃度和硝化細(xì)菌組相差不大。與硝化細(xì)菌+硝化毛球組相比，亞硝酸鹽濃度達(dá)到峰值較小，但峰值前后上升和下降的時(shí)間均較長(zhǎng)，且最終穩(wěn)定濃度較大。這說(shuō)明底沙對(duì)硝化細(xì)菌降解亞硝酸鹽影響不大，效果不明顯。

2.3硝化毛球和底沙對(duì)青蝦生長(zhǎng)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)三個(gè)不同處理組的青蝦體長(zhǎng)差異不明顯，各組青蝦平均體長(zhǎng)均為6～7 cm。三組青蝦平均體重差異比較明顯，其中空白組青蝦平均體重2.97 g，硝化細(xì)菌組平均蝦重3.56 g，硝化細(xì)菌+硝化毛球組平均蝦重3.94 g。四組青蝦特定生長(zhǎng)率計(jì)算方法見(jiàn)公式（1），結(jié)果如圖4所示。

由圖可見(jiàn)，硝化細(xì)菌+硝化毛球組青蝦特定生長(zhǎng)率最高，蝦重增加最多，硝化細(xì)菌+底沙組次之，硝化細(xì)菌組較低于硝化細(xì)菌+底沙組，蝦重增加較少，空白組最少。

3討論

從本實(shí)驗(yàn)可以看出，四組養(yǎng)殖池內(nèi)氨氮濃度均呈先上升后下降的趨勢(shì)，而亞硝酸鹽濃度變化不同，三個(gè)實(shí)驗(yàn)組先上升后下降，空白組則一直上升。這是由于無(wú)論是否添加硝化細(xì)菌制劑，當(dāng)養(yǎng)殖池內(nèi)氨氮濃度積累到一定程度，硝化細(xì)菌中的氨氧化細(xì)菌形成優(yōu)勢(shì)，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮。隨著亞硝酸鹽濃度的增加，實(shí)驗(yàn)組中的亞硝酸氧化細(xì)菌開(kāi)始起作用，將亞硝氮轉(zhuǎn)化為硝氮，由于亞硝酸氧化細(xì)菌相較于氨氧化細(xì)菌形成優(yōu)勢(shì)菌種的過(guò)程更加緩慢，空白組就會(huì)出現(xiàn)持續(xù)上升的現(xiàn)象，這與溫少鵬等[9]研究自制硝化細(xì)菌制劑對(duì)水族箱水質(zhì)的凈化效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。

從使用兩種不同濾料硝化毛球和底沙看出，兩組對(duì)氨氮、亞硝酸鹽降解效果不同。當(dāng)溫度、pH、溶解氧等外界實(shí)驗(yàn)條件一樣時(shí)，我們目的是使硝化細(xì)菌在適宜的條件下快速地生長(zhǎng)繁殖。就硝化細(xì)菌的特性而言，屬于附著生長(zhǎng)型細(xì)菌，所以選擇合適的載體濾料尤為重要。底沙作為水族箱常用的載體，美觀大方，性質(zhì)穩(wěn)定，具有一定的生物凈化作用。但底沙是由大量細(xì)小的顆粒攤鋪在水族箱底部，密度較大，只有表層部分受到水流的沖刷接收到氧氣，隨著養(yǎng)殖周期的增加，殘餌、糞便會(huì)沉積在底沙表面，導(dǎo)致水循環(huán)崩潰，硝化系統(tǒng)失效。同時(shí)底沙表面積有限，也限制了硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)。所以硝化細(xì)菌+底沙組和硝化細(xì)菌組對(duì)氨氮、亞硝酸鹽的降解效果相差不大。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，裝載有硝化毛球的養(yǎng)殖池底部非常干凈，很少有碎屑和殘?jiān)@是由于硝化毛球具有空隙可變的纖維絲，有很好的物理過(guò)濾作用，且不易堵塞。同時(shí)硝化毛球作為濾材具有很大的比表面積，能夠?yàn)橄趸?xì)菌提供附著生長(zhǎng)的場(chǎng)所，氨氧化細(xì)菌可以大量繁殖，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，降低了氨氮濃度的峰值，使養(yǎng)殖池氨氮濃度保持在較低水平。隨著亞硝酸鹽濃度的升高，為亞硝酸氧化細(xì)菌提供氮源，形成優(yōu)勢(shì)，將亞硝酸鹽快速轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，完成整個(gè)硝化過(guò)程。由于氨氮、亞硝酸鹽濃度均保持在較低水平，對(duì)青蝦毒害作用小，生長(zhǎng)狀況最好，增重最多。

4結(jié)論及建議

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M工廠化養(yǎng)殖模式建立一種凈化養(yǎng)殖水體裝置，研究硝化毛球和底沙對(duì)硝化細(xì)菌凈化養(yǎng)殖水體效果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）三組實(shí)驗(yàn)組對(duì)養(yǎng)殖水體水質(zhì)具有明顯的凈化效果，氨氮、亞硝氮等指標(biāo)均低于空白組。

（2）裝載硝化毛球的實(shí)驗(yàn)組氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌可在較短時(shí)間大量生長(zhǎng)繁殖，形成優(yōu)勢(shì)，使養(yǎng)殖池氨氮、亞硝酸鹽濃度保持在較低水平；攤鋪底沙的實(shí)驗(yàn)組對(duì)硝化細(xì)菌凈化水質(zhì)效果影響不大。

（3）裝載硝化毛球并投加硝化細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)組，水質(zhì)最清澈，無(wú)異味，養(yǎng)殖池底部無(wú)殘?jiān)樾迹辔r生長(zhǎng)狀況良好，增重最多。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論提出幾點(diǎn)建議：

（1）選擇合適的載體濾料，應(yīng)具有高比表面積和大孔隙率，物理化學(xué)性能穩(wěn)定且對(duì)微生物和養(yǎng)殖動(dòng)物無(wú)毒害，生物滯留量大、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

（2）載體濾料選擇合適的布置方式，其大小和數(shù)量符合水體凈化的需要，懸浮于水體中，便于拆卸、整合，滿足微生物特性和養(yǎng)殖動(dòng)物要求。

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（收稿日期：2016-10-18）