不同濾料和碳氮比對(duì)對(duì)蝦養(yǎng)殖尾水處理效果的影響

章霞，徐志進(jìn)，柳敏海，李凌剛，殷小龍，羅海忠，傅榮兵，李偉業(yè)，張川，油九菊

(1.浙江省舟山市水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316000；2.舟山市海洋與漁業(yè)局，浙江 舟山 316000)

目前，隨著中國(guó)對(duì)蝦養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，其養(yǎng)殖廢水排放問題也越來越受關(guān)注[1-3]。在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，以南美白對(duì)蝦Penaeusvannamei為例，根據(jù)其養(yǎng)殖生產(chǎn)需要，在養(yǎng)殖中后期2個(gè)月，每667 m2蝦塘平均每天的排放水量約為100 m3，以1 hm2大棚養(yǎng)殖計(jì)算，每天需排放1500 m3養(yǎng)殖廢水[4]，因此,需要對(duì)對(duì)蝦養(yǎng)殖廢水進(jìn)行處理。

利用生物填料截留水體中的懸浮物，通過固著微生物群體的各種生化反應(yīng)降低水體中的有機(jī)物、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽等是國(guó)內(nèi)外研究較多的水處理方法[5]。生物填料性質(zhì)[6]、水質(zhì)條件(酸堿度、水溫、鹽度等)[7]和運(yùn)行條件(掛膜方式[8]、碳氮比[9]、水力停留時(shí)間[10])等因素會(huì)影響廢水處理效果。聚乙烯(PE)是一種常見生物濾料，因其造型多樣、比表面積大、密度小、易反沖洗、水質(zhì)處理效果好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工廠化循環(huán)水水處理中，但這一類的生物填料成本較高[11]。藤壺殼遍布于海域的潮間帶至潮下帶淺水區(qū)域，資源量豐富，個(gè)體比表面積大，生物附著性好[12]。前期研究結(jié)果表明，藤壺殼相較于陶瓷環(huán)、PE具有更優(yōu)異的生物掛膜特性和水處理效果[13]。本研究中選用了藤壺殼、PE兩種濾料，通過設(shè)定同種濾料不同的碳氮比進(jìn)行水處理組效果比較，探究了生物濾料性質(zhì)和碳氮比對(duì)水處理效果的影響，旨在為對(duì)蝦養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中的廢水處理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

2017年3月15日開始，取藤壺殼和PE各約600 L，放入浙江華興水產(chǎn)科技有限公司南美白對(duì)蝦蝦塘(28 m×30 m)中自然掛膜40 d，之后取出略加沖洗，分裝于自制的循環(huán)水水處理運(yùn)行裝置[13]中。該裝置上部桶體中放置40 L生物濾料，下部桶體中盛放200 L尾水，通過水泵(流量2600 L/h)實(shí)現(xiàn)下進(jìn)水上出水循環(huán)。生物濾料選取藤壺殼和常用濾料PE。藤壺殼形狀似去頂圓錐小體，中空，個(gè)體大小不一；PE為圓柱體，底半徑為0.8 cm，高1.0 cm，側(cè)面有25個(gè)棱；具體形態(tài)見圖1。

圖1 濾料的數(shù)碼照片F(xiàn)ig.1 Digital photo of filtering media

本試驗(yàn)中采用的自制的循環(huán)水水處理運(yùn)行裝置和生物濾料(藤壺殼和PE)與實(shí)驗(yàn)室前期開展的藤壺殼應(yīng)用于對(duì)蝦養(yǎng)殖尾水處理初步研究[13]中的一致。

1.2 方法

1.2.2 水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定 總有機(jī)碳采用葡萄糖調(diào)節(jié)，每隔6 h取樣,使用總有機(jī)碳分析儀TOC—LCPH CN200進(jìn)行測(cè)定；總氨氮、亞硝酸鹽、磷酸鹽間隔5 h取樣，采用GB17378.4—2007次溴酸鹽氧化法測(cè)定總氨氮含量，采用GB17378.4—2007萘乙二胺分光光度法測(cè)定亞硝酸鹽含量，采用GB17378.4—2007磷鉬藍(lán)分光光度法磷酸鹽測(cè)定磷酸鹽含量。

表1 試驗(yàn)組別設(shè)計(jì)Tab.1 Design of test groups

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±S.D.)表示，采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同碳氮比處理組中TOC含量的變化

藤壺殼組和PE組在48 h內(nèi)TOC去除率呈先增大后下降趨勢(shì)。從表2可見：在6 h時(shí)，不同碳氮比的藤壺殼組和PE組間TOC去除率無顯著性差異(P>0.05);12 h時(shí)，藤壺組TOC去除率組1顯著高于組2、組3、組4(P<0.05)，PE組TOC去除率組A顯著高于組B、組C、組D(P<0.05),且組1 TOC去除率顯著高于組A(P<0.05)；在30 h時(shí)，TOC去除率依次為組B >組1>組A>組2>組D>組C>組3>組4，其中，組B的TOC去除率顯著高于其他組(P<0.05)，組1和組A顯著高于組3、組4、組C、組D(P<0.05)；48 h時(shí)，組1、組2、組3、組A、組B、組C間TOC去除率無顯著性差異(P>0.05)，且均顯著高于組D、組4(P<0.05)。

2.2 不同碳氮比處理組中總氨氮含量的變化

8個(gè)試驗(yàn)組中的總氨氮濃度的變化規(guī)律不一。從表3可見：藤壺殼組和PE組在前15 h各組總氨氮去除率逐漸上升，且組2、組3、組4出現(xiàn)峰值，各組總氨氮去除率依次為組4=組3>組D>組2>組C>組1>組A>組B，組2、組3、組4總氨氮去除率顯著高于組C、組1、組A、組B(P<0.05)；在30 h時(shí)，組3、組4、組C、組D總氨氮去除率趨于穩(wěn)定，去除率高于98%，在30 h后，組1、組2、組A、組B出現(xiàn)波動(dòng)；在40～50 h時(shí)，組3、組4、組C、組D間總氨氮去除率無顯著性差異(P>0.05)，且顯著高于組2、組1、組B、組A(P<0.05)。

表2 藤壺殼組和PE組不同時(shí)間段TOC的去除率Tab.2 TOC removal rate in barnacle and PE groups at different periods(h) %

注：同列中標(biāo)有不同小寫字母者表示組間有顯著性差異(P<0.05)，標(biāo)有相同小寫字母者表示組間無顯著性差異(P>0.05)，下同

Note：The means with different letters within the same column are significantly different in different groups at the 0.05 probability level, and the means with the same letters within the same column are not significant differences, et sequentia

表3 藤壺殼組和PE組不同時(shí)間段總氨氮(TAN)的去除率Tab.3 TAN removal rate in barnacle and PE groups at different periods(h) %

2.3 不同碳氮比處理組中亞硝酸鹽含量的變化

從表4可見：在10 h時(shí)，各組亞硝酸鹽去除率依次為組4>組D>組C>組2>組B>組1>組3>組A，10 h時(shí)相同碳氮比的藤壺組亞硝酸鹽去除率均高于PE組(組C除外)；在15 h時(shí)，各組的亞硝酸鹽去除率均在99%以上(組A除外)，組間無顯著性差異(P>0.05)；15 h后，組1、組A、組2、組B的亞硝酸鹽去除率開始下降，組A下降趨勢(shì)比組1大；在50 h時(shí)，組3、組4、組C、組D的亞硝酸鹽去除率穩(wěn)定在99%以上，且組3、組4、組C的亞硝酸鹽去除率顯著高于其他各組(P<0.05)。

表4 藤壺殼組和PE組不同時(shí)間段亞硝酸鹽的去除率Tab.4 Nitrite nitrogen removal rate in barnacle and PE groups at different periods (h) %

3 討論

3.1 不同濾料對(duì)水處理效果的影響

3.2 不同碳氮比對(duì)水質(zhì)處理效果的影響

近年來，調(diào)節(jié)水體中碳氮比已成為調(diào)控養(yǎng)殖水質(zhì)和優(yōu)化尾水處理效果的常用方法[17]。其原理在于添加碳源以促進(jìn)優(yōu)化異養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)，進(jìn)而起到改善水質(zhì)的作用[18-20]，有研究證實(shí)，通過添加葡萄糖來提高環(huán)境中碳氮比可明顯促進(jìn)海水細(xì)菌總體生長(zhǎng)水平[21-22]，而本研究中采用葡萄糖調(diào)節(jié)污水碳氮比后，各組在30 h時(shí)TOC的去除率均在78%以上，碳氮比為5和10的組TOC去除率在92%以上，顯著高于碳氮比為20和30的組，在30～50 h階段，碳氮比為5、10、20的組，TOC去除率趨于穩(wěn)定；藤壺殼組和PE組碳氮比為10、20、30的組在15 h時(shí)總氨氮和亞硝酸鹽去除率迅速上升，顯著高于同種濾料的對(duì)照組，在30 h后，碳氮比為20、30的組總氨氮去除率顯著高于同種濾料碳氮比為5、10的組，且去除率高于98%，同時(shí)，藤壺殼組和PE組碳氮比為10、20、30的組在30 h后亞硝酸鹽去除率顯著高于同種濾料碳氮比為5的組，且去除率高于95%?？梢姡岣咛嫉瓤商岣呶鬯乃幚硇Ч?，且碳氮比>10時(shí)，水體中的總氨氮和亞硝酸鹽的去除效果較為穩(wěn)定。這一結(jié)果與Goldman等[23]、高磊等[24]的研究結(jié)果相似。海水環(huán)境中的細(xì)菌一般在碳氮比>10的情況下生長(zhǎng)水平較高，但過高的碳氮比易引起細(xì)菌的過量繁殖，會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化，DO 含量下降，影響魚類的生長(zhǎng)繁殖和出水水質(zhì)，同時(shí)增加不必要的經(jīng)濟(jì)成本[25-26]。

綜上所述，本研究中采用藤壺殼和常用濾料PE作為生物濾料，并進(jìn)行了不同碳氮比(5、10、20、30)的水處理效果比較研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，碳氮比分別為5、10、20時(shí)，藤壺殼組的氨氮、亞硝酸鹽去除率高于PE組；藤壺組和PE組在碳氮比為20和30時(shí)，氨氮去除率在30 h后均顯著高于碳氮比為5和10組，且去除率維持在98%以上。結(jié)合藤壺殼和PE的經(jīng)濟(jì)成本，建議尾水處理中碳氮比取20∶1，濾料取藤壺殼較為適宜。但由于藤壺殼是自然資源，產(chǎn)量和地域限制，因此，可根據(jù)尾水工程的大小、工程管理難易程度及經(jīng)濟(jì)成本等綜合因素，因地制宜選取適宜的生物濾料應(yīng)用于水處理工程中。