干露時間對生物膜凈化效果的影響

朱建新+程海華+曲克明+孫杰鋒+鄭文杰

摘 要：采用循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模擬裝置，研究生物膜經(jīng)不同干露時間處理后的凈化作用效果及主要功能菌群落變化情況。實驗結果表明：當干露時間為3 h時，系統(tǒng)經(jīng)過21 h恢復運行后，生物膜對TAN和NO2--N的去除效果最好，分別為80.1%和93.5%；隨著干露時間的延長，生物膜對CODMn的去除力逐漸變?nèi)?；隨著干露時間的延長，生物膜上異養(yǎng)細菌、亞硝酸菌和硝酸菌數(shù)量明顯減少，除了9 h組和15 h組外，其他各組間主要功能菌群數(shù)量差異顯著（P<0.01）。在實際生產(chǎn)中，對生物濾池進行適當清洗有利于提高生物膜的凈化效率，但清洗過程中生物膜的干露時間應控制在3 h之內(nèi)。

關鍵詞：循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng) 生物膜 干露時間

中圖分類號：S959 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0118-04

在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）中，生物濾池是使養(yǎng)殖廢水被重新利用的核心處理單元[1]。生物膜是在生物載體表面形成的一種黏液狀的膜，主要由微生物細胞和胞外聚合物兩部分組成。在凈水過程中，生物膜上的微生物群落在利用水體中營養(yǎng)物質完成自身代謝活動，生物膜具有過濾、吸附水中的有機顆粒物的作用，從而完成對水中有毒、有害物質的分解、轉化、吸收和降解，實現(xiàn)養(yǎng)殖廢水的循環(huán)利用[2]。目前，關于生物膜影響因素的研究非常多，如，光照[3]、基底類型[4]、營養(yǎng)水平[5]和水文條件[6]等，但生物膜依然是整個系統(tǒng)管理的重點和難點。

由于微生物的代謝速度很快，養(yǎng)殖過程中，生物膜處于不斷的老化更新過程中，再加上生物濾料的吸附作用導致的生物膜過厚而滑落，生物濾料對水流的阻擋引起流速下降導致水中顆粒物的沉淀等因素的共同作用，生物濾池底部往往容易堆積較厚的生物污泥，這些生物污泥不但會堵塞底部排污孔，而且生物污泥的腐壞極易導致個別水質指標的嚴重超標，輕則影響?zhàn)B殖生物的正常生長，重則影響系統(tǒng)的正常運行，因此，生物濾池的清洗是養(yǎng)殖企業(yè)系統(tǒng)管理的重要組成部分。但是，由于缺乏對生物膜干露時間對生物膜凈化效果和微生物菌群結構影響的了解，部分養(yǎng)殖在清洗生物濾池的過程中由于沒有掌握好清洗時間，生物膜在空氣中曝露時間過長，從而導致生物膜在清洗后凈化效率顯著下降，甚至出現(xiàn)嚴重“脫膜”、需要重新培養(yǎng)生物膜的情況。該實驗通過研究不同干露時間下，生物膜主要菌群數(shù)量的變化情況及對養(yǎng)殖水體主要水質指標的去除情況，為養(yǎng)殖企業(yè)對生物濾池進行科學管理提供又一理論參考。

1 材料與方法

1.1 填料與試驗裝置

生物填料選用爆炸棉，其材質為PU海綿，基本參數(shù)為：比表面積350 m2/m3、密度0.024 g/cm3。

該試驗共有5套循環(huán)水模擬裝置，每套裝置主要由生物濾器和蓄水箱兩部分組成（圖1）。生物濾器采用亞克力有機玻璃管，尺寸大小φ140 mm×600 mm，其進水端和出水端都有球閥可以控制水流速率，整個實驗過程，每個濾器內(nèi)水力停留時間（HRT）約為23～25 s；蓄水箱采用白色圓柱塑料水箱，其有效容積為200 L，水箱里有浸沒式水泵、控溫加熱棒和曝氣氣石；生物濾器與蓄水箱之間采用φ25 mm的塑料軟管連接。另外，通過調節(jié)曝氣機氣閥，使濾器中氣水比（單位時間曝氣量與進水量的體積比值）達到5∶1（趙倩，2013）。

1.2 生物膜培養(yǎng)

生物膜培養(yǎng)采用預培養(yǎng)法，實驗前6周，往每個蓄水箱加入半滑舌鰨循環(huán)水養(yǎng)殖池水100 L，并添加50 mg/L微生態(tài)凈水劑（廈門好潤牌生力菌和亞硝菌克，富含硝化細菌、芽孢桿菌等益生菌，有益菌含量大于2×1010 CFU/g）作為掛膜菌種。另外，添加20 mg/L氯化銨、20 mg/L葡萄糖作為生物膜培養(yǎng)的補充氮源和碳源。每套系統(tǒng)水力停留時間為30 min，每星期換水1次，換水后重新添加同量的氯化銨和葡萄糖，并定期檢測水中氨氮和亞硝態(tài)氮濃度，直至亞硝態(tài)氮濃度降低且達到穩(wěn)定狀態(tài)時，表明生物膜成熟。掛膜期間系統(tǒng)運行參數(shù)：pH：7.5～8.0，WT：26.5 ℃～28.0 ℃，DO≥6 mg/L，鹽度（Sal）：27.5～28.0。

1.3 實驗設計

1.3.1 實驗分組

待各組生物濾器中生物膜成熟后，對試驗裝置進行分組。實驗共分5組，隨機選取其中一套試驗裝置作為對照組（不做任何處理），并命名為對照組；隨機對剩余4套裝置進行分組，依次命名為3 h組、6 h組、9 h組和15 h組。

1.3.2 實驗操作步驟

（1）生物膜成熟后，分別排干5套系統(tǒng)的預培養(yǎng)用水；（2）立刻從養(yǎng)殖池中取0.5 m3養(yǎng)殖用水，（水質參數(shù)見表1），平均加入5套試驗裝置的蓄水箱中；（3）即刻運行對照組（即A組），且其他4組不運行，并確保其生物膜處于干露狀態(tài)；（4）從對照組開始運行計時，3小時后運行3 h組，6小時后運行6 h組，9小時后運行9 h組，15小時后運行15 h組，依次保證對照組、3 h組、6 h組、9 h組和15 h組生物膜的干露時間分別為0、3、6、9、15 h。

1.3.3 細菌計數(shù)

（1）生物膜成熟后，對每套系統(tǒng)的生物膜進行取樣，即用剪刀（事先經(jīng)過消毒）分別從每套系統(tǒng)剪取3份大小相似的生物填料樣品（盡量為長方體），分別放入盛有200 mL無菌陳海水的錐形瓶中，充分振蕩混勻；（2）異養(yǎng)細菌的培養(yǎng)計數(shù)采用平板涂布法（2216E培養(yǎng)基）[7]，26 ℃下培養(yǎng)48 h后計數(shù)。亞硝化細菌和硝化細菌計數(shù)采用MPN3管法[8]，分別取1 mL稀釋液加入到裝有亞硝化細菌培養(yǎng)基和硝化細菌培養(yǎng)基的試管中，26 ℃培養(yǎng)4周，然后進行計數(shù)，最后推算出1 cm3生物填料上細菌的數(shù)量；（3）每套系統(tǒng)經(jīng)過相應干露時間處理后，分別對各自生物膜上異養(yǎng)細菌、亞硝化細菌和硝化細菌進行培養(yǎng)計數(shù)，其操作方法同第一次計數(shù)方法。

1.3.4 日常水質指標監(jiān)測

實驗過程中，分別對各個組進行定時取水樣，時間分別為各自運行初始、6 h、12 h和21 h時。測量其總氨氮（TAN）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），每個水樣3個平行。

水質指標的檢測依照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB 17378.4—2007）：TAN采用次溴酸鹽氧化法；NO2--N采用萘乙二胺分光光度法；化學需氧量（CODMn）采用堿性高錳酸鉀法測定； Sal、pH、DO、WT采用YSI-556多功能水質分析儀測定。

2 結果與分析

2.1 實驗過程中各組的水質變化情況

2.1.1 TAN濃度

實驗期間各組TAN含量變化情況見圖2，經(jīng)過6 h反應后，對照組TAN濃度比初始值略有升高，其他幾組TAN濃度幾乎不變；反應進行到12 h時，15 h組的TAN含量出現(xiàn)升高現(xiàn)象，其他幾組均發(fā)生不同程度的下降，其中對照組下降最快；實驗結束時，各組TAN含量比較：3 h組<對照組<6 h組<9 h組<15 h組。

2.1.2 NO2--N濃度

實驗過程中，各組NO2--N濃度先升高，然后隨著反應的進行又逐漸降低（見圖3）。同一實驗階段下，各處理組NO2--N濃度與干露時間長短呈負相關；對照組在反應進行到12 h時，NO2--N濃度增加至最大；當反應繼續(xù)進行到21 h時，各組NO2--N濃度都出現(xiàn)不同程度的降低，其中對照組下降幅度最大，且實驗結束時，各組NO2--N濃度從小到大依次為：3 h組<6 h組<對照組<9 h組<15 h組。

2.1.3 高錳酸鹽指數(shù)

當實驗進行到6 h時，各組CODMn會發(fā)生波動，但波動幅度不劇烈；然后，隨著反應的進行，各組CODMn逐漸趨于穩(wěn)定。整個實驗過程，相同階段下，對照組CODMn均最低；當實驗最后階段，各組CODMn處于穩(wěn)定狀態(tài)時，其大小依次為：對照組<3 h組<6 h組<9 h組<15 h組（見圖4），表明各組CODMn與干露時間呈負相關，干露時間越長，CODMn則越小。

2.1.4 各個指標的去除率

圖5反應的是不同實驗組生物濾器對TAN、NO2--N和CODMn的去除情況。3 h組對TAN去除率最高，其次為對照組，隨著干露時間的延長，相應處理組對TAN的去除效果則越來越差；關于NO2--N 去除情況，3 h組和6 h組去除效果比對照組好，當干露時間達到15 h時，該組對NO2--N的去除率與9 h組相比，急劇下降，只有-5.5%，表明生物膜經(jīng)過15 h干露處理后，其通過硝化反應對NO2--N的去除量小于亞硝化反應中NO2--N的生成量；觀察各實驗組對CODMn的去除情況發(fā)現(xiàn)，隨著干露時間的延長，生物膜對CODMn的去除能力逐漸變?nèi)酰? h組與對照組差別較小，當干露時間為15 h時，該組對CODMn的去除率最小且為負值，為-9%，這可能說明干露時間達到15 h，生物膜可能會脫落一部分，不但使其生物分解氧化能力下降，同時脫落的生物膜部分會導致水體中的有機物含量升高。

2.2 細菌計數(shù)

2.2.1 異養(yǎng)細菌

干露處理前后，各實驗組單位體積生物填料上異養(yǎng)細菌數(shù)量的對比情況如圖6所示。干露處理前，對各實驗組生物填料上異養(yǎng)細菌進行計數(shù)，發(fā)現(xiàn)各組異養(yǎng)細菌數(shù)量均達到108 CPU/cm3，且各組之間不存在顯著性差異（P >0.05）；經(jīng)過相應干露時間處理后，各組異養(yǎng)細菌數(shù)量發(fā)生劇烈變化，變化趨勢為隨著干露時間的延長，異養(yǎng)細菌數(shù)量減少程度越劇烈，其中對照組異養(yǎng)細菌數(shù)量幾乎沒有變化，另外，除了9 h組和15 h組，其他各組之間均存在極顯著性差異（P <0.01）。

2.2.2 亞硝化細菌

觀察圖7發(fā)現(xiàn)，干露處理前，各實驗組單位體積生物填料上亞硝化細菌的數(shù)量均介于（3.10～3.37）×106 CFU/cm3，各組之間不存在顯著差異。經(jīng)過相應干露處理后，除了對照組生物填料上亞硝化細菌數(shù)量略微增加外，其他各處理組均出現(xiàn)顯著降低，降低趨勢與干露處理時間呈負相關。

2.2.3 硝化細菌

圖8表示的是干露處理前后，各實驗組單位體積生物填料上硝化細菌數(shù)量的對比情況。干露處理前，各組生物填料上硝化細菌數(shù)量約有5×105 CFU/cm3，表明在相同生物填料上，硝化細菌數(shù)量遠遠小于異養(yǎng)細菌的數(shù)量，也小于亞硝化細菌的數(shù)量。干露處理后，各組硝化細菌數(shù)量都減少，且減少的幅度隨著干露時間的變長而增大；另外，當干露時間控制在9 h內(nèi)，各實驗組硝化細菌數(shù)量存在極顯著差異（P <0.01），當干露時間達到或超過9 h后，各組硝化細菌數(shù)量變化不再明顯。

3 討論

3.1 干露時間對生物濾池硝化作用的影響

硝化作用包括兩個階段：一是亞硝化菌屬（Nitrosomonas）將氨氮轉化為亞硝酸鹽氮；二是硝化桿菌屬（Nitrobacter）將生成的亞硝酸鹽氮轉化成硝酸鹽氮[9]。該實驗結果反應，當生物膜干露時間為3 h時，生物膜對TAN和NO2--N的去除效果比對照組更好，這些表明短時間的干露處理會增強生物膜的硝化作用強度。分析其原因可能是，生物濾池可以吸附截留一部分懸浮物（SS），這些SS不僅不會被硝化菌群分解利用，而且會使得濾料表面覆蓋一層厚厚的“隔離層”，這些可能會造成生物膜局部表面形成無氧或低氧區(qū)，影響硝化反應的進行。有研究表明，當溶氧為0.5 mg/L時，亞硝酸菌增值速率降低40%，而硝酸菌則降低70%以上。短時間的干露處理，會導致生物膜表面的沉積物脫落，減少生物膜表面低氧或厭氧區(qū)域的形成，對硝化反應起到增強作用。隨著干露時間的延長，生物膜脫落部分會增加，同時部分硝化菌群因缺乏營養(yǎng)而死亡，這些將導致硝化作用變?nèi)酰搶嶒炛? h、9 h和15 h組生物膜對TAN和NO2--N的去除效果越來越差。

3.2 干露時間與生物膜上主要功能菌數(shù)量變化關系的討論

干露處理前，對成熟生物膜上的主要功能菌（如異養(yǎng)細菌、亞硝酸菌和硝酸菌）分別進行計數(shù)，結果表明異養(yǎng)細菌數(shù)量為1.60×108 CPU/cm3、亞硝酸菌數(shù)量為3.26×106CPU/cm3、硝酸菌數(shù)量為5.08×105 CPU/cm3。在生物膜上，自養(yǎng)菌生長速度較慢，往往無法與生長較快的異養(yǎng)細菌競爭空間和氧氣。因此，生物膜上異養(yǎng)菌數(shù)量多于自養(yǎng)菌數(shù)量；亞硝酸菌比硝酸菌高出1個數(shù)量級，這與管敏和馬悅欣的研究結果相一致。

各處理組經(jīng)過相應時間的干露處理后，其生物膜上主要功能菌數(shù)量均發(fā)生不同程度的降低，其中異養(yǎng)細菌數(shù)量變化幅度最大。分析其原因可能是：異養(yǎng)細菌生長較快，世代周期較短，生物膜脫離水體后，大多數(shù)細菌會死亡；另外，干露過程中，生物膜上的黏附物脫落會導致部分細菌隨著脫落，從而使生物膜上的異養(yǎng)細菌數(shù)量降低，且這種降低趨勢會隨著干露時間的延長而加劇。

實驗過程中，3 h組亞硝酸菌和硝酸菌數(shù)量降低幅度明顯小于同組異養(yǎng)細菌。這可能是因為生物濾池內(nèi)部被填料填充滿，雖然干露過程排掉了內(nèi)部的水，但生物膜仍處于濕露狀態(tài)；硝化細菌為自養(yǎng)型細菌，往往占據(jù)生物膜內(nèi)層，仍然可以獲得營養(yǎng)物質，同時受生物膜表面黏附物脫落的影響較小，再加上其世代周期一般大于8 h，因此短時間的干露處理不會導致硝化細菌數(shù)量急劇下降。

4 結語

在循環(huán)水養(yǎng)殖過程中，當生物污泥堵塞濾池底部用來排污的多孔管，需要排空濾池水體，對其底部進行清洗時，整個清洗過程盡量控制在3 h左右。因為生物膜短時間地曝露在空氣中，雖然會對其分解利用有機物的能力產(chǎn)生抑制作用，但抑制效果不明顯，然而會對其硝化作用產(chǎn)生一定的增強效果。如果干露時間過長，會對生物膜凈化能力產(chǎn)生顯著的抑制作用。該實驗結果將為實際生產(chǎn)中科學管理生物濾池提供些許理論幫助。

參考文獻

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