循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中3種生物填料對水質(zhì)的凈化作用

李倩+胡廷尖+劉士力

摘要：為了研究生物填料在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用，在室內(nèi)構(gòu)建羅氏沼蝦循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，研究3種類型的生物填料對水質(zhì)的凈化作用。結(jié)果表明，3種生物填料（聚乙烯小球M1、陶瓷環(huán)M2、彈性毛刷M3）構(gòu)成的生物濾池對養(yǎng)殖水體總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、亞硝態(tài)氮（NO2-N）、化學(xué)需氧量（CODMn）均有不同程度的去除效果，其中M3對TN、TP、NH3-N的平均清除率分別為17.81%、17.36%、18.04%，明顯高于其他2種填料，M2對NO2-N的平均清除率為19.28%，明顯高于M1和M3，3種填料對 CODMn的平均清除率差異不明顯。由結(jié)果可知，彈性毛刷填料對循環(huán)水養(yǎng)殖水質(zhì)有較好的凈化作用，是較為實用的生物填料。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水系統(tǒng)；生物填料；生物膜；水質(zhì)凈化

中圖分類號： X52 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）01-0243-03

隨著養(yǎng)殖方式的轉(zhuǎn)變和養(yǎng)殖模式的升級，循環(huán)水養(yǎng)殖以其節(jié)能減排、耗水量少、養(yǎng)殖密度高、資源利用率高等優(yōu)點逐漸成為養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展趨勢。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，水處理對整個系統(tǒng)的順暢運行和養(yǎng)殖對象的健康生長有重要的保障作用。在水處理方法中，生物處理法日漸受到人們的關(guān)注，特別是生物膜法處理養(yǎng)殖尾水。生物膜由微生物附著于載體上而形成，因產(chǎn)生污泥少、抗沖擊、無二次污染、管理方便等特點而廣泛應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理單元中[1-4]。填料是生物膜附著生長的載體，其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、比表面積對生物膜的性能有重要影響，國內(nèi)外許多學(xué)者對生物膜的快速掛膜、污染物去除、硝化性能等方面進行了研究[5-7]。

本研究選取生產(chǎn)實踐中常用的3種生物填料作為研究對象，室內(nèi)模擬構(gòu)建循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，對不同材質(zhì)、不同形狀的3種填料掛膜情況進行研究，評估3種填料對水質(zhì)的凈化效果，以期為研究不同類型生物填料處理水質(zhì)效果提供科學(xué)依據(jù)。同時，也為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中生物填料的選擇及生物膜培養(yǎng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)由養(yǎng)殖池、沉淀池、生物濾池3部分構(gòu)成，在沉淀池和生物濾池內(nèi)各安裝1個小型水泵構(gòu)成內(nèi)循環(huán)。養(yǎng)殖池、沉淀池、生物濾池分別由有效體積為150、120、100 L的聚氯乙烯（PVC）水族箱構(gòu)成，生物濾池內(nèi)依次放置M1（聚乙烯球）、M2（陶瓷環(huán)）、M3（彈性毛刷）不同類型的生物填料，見圖1。養(yǎng)殖池內(nèi)放網(wǎng)片，養(yǎng)殖對象為羅氏沼蝦，放養(yǎng)密度為40尾/箱，平均體質(zhì)量（28.4±0.89）g。

試驗水溫（24±1） ℃，將外塘養(yǎng)殖水泵入生物濾池內(nèi)，初始水質(zhì)指標(biāo)如下：pH值7.4，總氮（TN）含量3.62 mg/L，總磷（TP）含量0.084 mg/L，亞硝態(tài)氮（NO2-N）含量0.026 mg/L，

氨氮（NH3-N）含量0.03 mg/L，溶解氧（DO）7.55 mg/L， 化學(xué)需氧量（CODMn）2.2 mg/L。生物濾池和養(yǎng)殖池連續(xù)曝氣，整個試驗期間系統(tǒng)溶解氧維持在8.0 mg/L以上。將生物填料均勻布置在生物濾池中（M3用細繩均勻懸掛在濾池中），掛膜期間水體緩慢循環(huán)流動，待生物膜成熟后，將水流速度調(diào)整到正常值（7.5 L/min），每天09：00正常投喂。

1.2 樣品采集

生物膜成熟后，分別取生物濾池進出水口水樣，每7 d取樣1次，分別檢測TN[8]、TP[9]、NH3-N[10]、NO2-N[11]、CODMn[12]等指標(biāo)，所用試劑均購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。養(yǎng)殖池和生物濾池連續(xù)曝氣，水中溶解氧含量均保持在8 mg/L以上，故不再測定溶解氧指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)和圖表采用Excel軟件處理，SPSS16.0進行t檢驗，當(dāng)P<0.05時為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種填料的掛膜成熟時間

當(dāng)水體中NO2-N濃度降至最低時，表明生物膜培養(yǎng)成熟，硝化系統(tǒng)完全建立[13]。在生物膜培養(yǎng)期間，3種填料構(gòu)建的生物濾池水體中，亞硝態(tài)氮的濃度變化趨勢相同，都經(jīng)歷了先上升后降低，最后保持較低水平的趨勢。由圖2可知，不同生物填料構(gòu)建的生物濾池中，M1（聚乙烯小球填料）的亞硝態(tài)氮濃度在8月14日檢測值最低，為0.007 mg/L，其成熟時間為29 d；M2（陶瓷環(huán)填料）的亞硝態(tài)氮濃度在8月11日降到最低值，為0.008 mg/L，成熟時間為26 d；M3（彈性毛刷）的亞硝態(tài)氮濃度在8月19日最低，為0.013 mg/L，成熟時間為34 d。因此，在相同的培養(yǎng)條件下，3種生物填料的成熟時間依次為陶瓷環(huán)<聚乙烯小球<彈性毛刷。

2.2 3種生物填料對TN的凈化效果

由圖3可知，在采樣周期內(nèi)，M1、M2、M3對TN的平均清除率分別為8.87%、11.10%、17.81%，最高清除率依次為10.17%、13.02%、17.81%，養(yǎng)殖后期的清除效果優(yōu)于前期；從平均清除率分析，經(jīng)t檢驗，M3對TN的清除率明顯高于其他2種填料。

2.3 3種生物填料對TP的凈化效果

由圖4可知，待生物膜成熟后，在處理前期（8月26日），3種填料對TP的清除率差異并不明顯，隨著養(yǎng)殖時間的延長，不同的生物濾池對水體TP的清除效果出現(xiàn)差異。從最高清除率分析，M1、M3的最高清除率出現(xiàn)在采樣后期，分別為11.40%、20.06%，而M2對TP的最高清除率出現(xiàn)在養(yǎng)殖中期，為13.27%，在整個采樣周期內(nèi)，M2的清除率變化不大。在平均清除率方面，M3（17.36%）>M2（11.73%）>M1（10.39%），M3對TP的平均清除率明顯高于其他2種填料。

2.4 3種生物填料對NH3-N的凈化效果

由圖5可知，M1、M2、M3 3種填料對NH3-N的平均清除率分別為9.45%、10.20%、18.04%，M3平均清除率最高，M1最低；在養(yǎng)殖后期，M3對NH3-N的清除率達到最高值，為24.53%。經(jīng)t檢驗，M3對NH3-N的平均清除率明顯高于其他2種生物填料。

2.5 3種生物填料對NO2-N的凈化效果

由圖6可知，在采樣期間各填料對NO2-N凈化趨勢相同，呈先升高后降低的趨勢。最高清除率出現(xiàn)在9月9日，M2對NO2-N的清除率達24.00%，最低值出現(xiàn)在試驗初期，M1對NO2-N的清除率最低（7.41%）。從平均清除率分析，M2最高（19.28%），其次為M3（12.17%），最低為M1，其平均清除率為11.20%，M2對NO2-N的平均清除率明顯高于其他2種填料。

2.6 3種生物填料對CODMn的凈化效果

CODMn反映水體中有機物污染的程度，是衡量有機質(zhì)含量的重要指標(biāo)[14]。由于初始水質(zhì)指標(biāo)較好，在整個養(yǎng)殖試驗期間，CODMn維持在較低水平，生物膜處理前后水體中的CODMn含量差異不大。M1、M2、M3 3種填料對CODMn的平均清除率分別為8.57%、7.26%、11.19%，無明顯差異（圖7）。

3 結(jié)論

填料的物理性質(zhì)、水體初始污染物濃度、水流速度等因素對填料凈化水體的效果有重要影響。比表面積越大、掛膜越容易、細菌組成越豐富的填料凈化水體效果越好。本試驗選擇的3種生物填料中，彈性毛刷比表面積最大，最有利于細菌的生長，結(jié)合細菌16S rRNA基因擴增結(jié)果（結(jié)果未列出），彈性毛刷生物膜上細菌種類最多，由變形菌門26個屬細菌組成。而硝化螺旋菌是陶瓷環(huán)填料中可鑒別細菌中的優(yōu)勢菌，這與陶瓷環(huán)填料對水體中NO2-N的清除率最高的結(jié)果一致。

本試驗選取生產(chǎn)中常用的3種生物填料作為研究對象，對其水質(zhì)凈化能力進行了分析，其中彈性毛刷填料在本試驗條件下對水體中TN、TP、NH3-N的平均清除率明顯高于其他2種填料，而陶瓷環(huán)填料對水體中NO2-N的清除率最高。在自然掛膜條件下，雖然彈性毛刷填料對水體中大部分污染物有較高的清除率，但從掛膜時間分析，彈性毛刷需要的時間最長，這對其生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用有一定的限制，如何優(yōu)化掛膜方法，縮短掛膜時間，實現(xiàn)其快速穩(wěn)定掛膜是今后值得研究的方向。

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