用鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)法凈化養(yǎng)殖廢水的研究

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(1.海南大學(xué) 南海海洋資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 570228；2.西南交通大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610031；3.廣州利洋水產(chǎn)科技股份有限公司，廣東 廣州 510080；4.海南熱帶海洋學(xué)院 生命科學(xué)與生態(tài)學(xué)院，海南 三亞 572022)

近年來，隨著人們對水產(chǎn)品的需求不斷增加，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)得到迅速發(fā)展[1]。由于在生產(chǎn)過程中對于環(huán)境保護(hù)認(rèn)識不夠，養(yǎng)殖廢水大多不經(jīng)處理就直接排放，使得近海海區(qū)生態(tài)環(huán)境受到極大影響，赤潮頻發(fā)，水體呈富營養(yǎng)化，水質(zhì)狀況總體呈惡化趨勢。有研究表明，在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，投放的餌料、化學(xué)品和抗生素等僅有9.0%～17.4%的能量成功傳遞到水產(chǎn)品，其余均殘余在水體中，隨著養(yǎng)殖廢水的排放流入大海，直接增大了周邊海域的負(fù)載[2]，對鄰近海域的海水造成嚴(yán)重污染。目前，隨著國家不斷提高對環(huán)境保護(hù)的要求，生產(chǎn)企業(yè)傳統(tǒng)的養(yǎng)殖廢水處理方式已無法解決大量養(yǎng)殖廢水排放的現(xiàn)狀。水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的生長發(fā)育過程需要不斷攝食，將外部能量轉(zhuǎn)化為自身能量，同時(shí)產(chǎn)生排泄物，使養(yǎng)殖水體內(nèi)含有大量的氮磷。但水產(chǎn)動物又無法直接利用無機(jī)鹽，氮磷含量過高時(shí)對生物具有毒害作用，導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖動物不易存活[3-4]。在此背景下，亟待找出一個(gè)對環(huán)境友好且不產(chǎn)生二次污染的新型養(yǎng)殖廢水處理方法。

目前，越來越多的研究證實(shí)了大型藻與濾食性動物混處理養(yǎng)殖廢水的可觀前景[5-9]。鄒俊良[10]、盧曉明等[11]和孟順龍等[12]研究發(fā)現(xiàn)，底棲動物與大型藻混養(yǎng)處理魚類養(yǎng)殖廢水，氨氮去除率高達(dá)90%；卜雪峰等[13]研究表明，貝藻混養(yǎng)處理海水養(yǎng)殖廢水成效顯著，氨氮、總磷去除率均超過80%，可有效降低氮磷含量[14]。鹵蟲Artemiasalina是較為低等的甲殼類動物[15-16]，主要以水中浮游藻類、細(xì)菌和細(xì)小碎屑為食[17]，最適溫度為26 ℃，鹵蟲富含蛋白質(zhì)和脂肪酸，從無節(jié)幼體期開始就是水產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)活餌料，也是許多水產(chǎn)品幼體理想的開口餌料[18]。小球藻Chlorellavulagaris為單細(xì)胞綠藻，其生態(tài)分布廣，易于培養(yǎng)，生長速度快，能有效降低廢水中氮磷含量，達(dá)到凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的效果[19]。在鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)凈化養(yǎng)殖廢水的研究中，鹵蟲前期以攝食廢水自身的懸浮物為主，投放的部分小球藻成為后期鹵蟲的主要食物，其余未被鹵蟲攝食的小球藻則吸收廢水中氮磷元素繼續(xù)生長，兩者共同結(jié)合形成綠色、可持續(xù)的處理養(yǎng)殖廢水模式。養(yǎng)成的鹵蟲能夠作為生物餌料投喂水產(chǎn)動物，同時(shí)養(yǎng)殖廢水得到有效處理，甚至可以再次利用。為此，本研究中進(jìn)行了鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)對養(yǎng)殖廢水中懸浮物、氨磷處理效果的試驗(yàn)，旨在為水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的處理開拓新途徑和新方法。

1 材料與方法

1.1 材料

小球藻的培養(yǎng)：小球藻為海南大學(xué)海洋學(xué)院藻種室保存藻種，藻類培養(yǎng)液為寧波三號培養(yǎng)液[20]，海水經(jīng)高溫消毒滅菌，自然光照下培養(yǎng)7～8 d，取指數(shù)生長期小球藻離心備用。

鹵蟲的孵化：在孵化培養(yǎng)裝置里加入經(jīng)高溫滅菌的天然海水(鹽度為35)和適量鹵蟲休眠卵(購自海南科品生物科技有限公司)，孵化溫度為25 ℃，pH為7～8，自然光照，曝氣24 h，可孵化出鹵蟲無節(jié)幼體。

試驗(yàn)用養(yǎng)殖廢水取自海南利洋科技有限公司蝦苗養(yǎng)殖基地。

1.2 方法

1.2.2 鹵蟲和小球藻聯(lián)合培養(yǎng)凈化養(yǎng)殖廢水試驗(yàn) 鹵蟲主要以水中微藻、細(xì)菌和有機(jī)碎屑為食，養(yǎng)殖廢水中含有大量懸浮物可供鹵蟲攝食。本試驗(yàn)中，在5000 mL燒杯中加入4000 mL養(yǎng)殖廢水，設(shè)置不添加鹵蟲的空白組和添加鹵蟲無節(jié)幼體密度為100、200、400 ind./L的3個(gè)試驗(yàn)組，每組設(shè)3個(gè)平行。每天定期清理燒杯底部沉淀并換水。

(1) 鹵蟲攝食養(yǎng)殖廢水中懸浮物的試驗(yàn)。鹵蟲攝食懸浮物試驗(yàn)時(shí)間為7 d，觀察各組養(yǎng)殖廢水中懸浮物的變化情況，如絮團(tuán)狀物等，定期測定養(yǎng)殖廢水中懸浮物含量并記錄數(shù)據(jù)。

(2) 鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)去除廢水中氨氮和總磷試驗(yàn)。鹵蟲攝食懸浮物試驗(yàn)7 d后加入小球藻，試驗(yàn)共進(jìn)行17 d。養(yǎng)殖廢水中含有大量氨氮和磷元素，鹵蟲和小球藻在廢水中生長發(fā)育，定期測定各組養(yǎng)殖廢水中氨氮和總磷濃度變化并記錄數(shù)據(jù)。

(3) 鹵蟲生長對比試驗(yàn)。試驗(yàn)組用養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)鹵蟲，對照組用無菌海水培養(yǎng)鹵蟲，兩組均定量投入相同的鹵蟲，每天兩次定時(shí)投喂小球藻，試驗(yàn)共進(jìn)行21 d。用臺微尺計(jì)算目微尺每格所代表的實(shí)際長度。每次測量時(shí)在試驗(yàn)組和對照組隨機(jī)取10只鹵蟲，用魯戈氏液染色固定后制片，在帶有目微尺的光學(xué)生物顯微鏡(北京泰克SA3000)下測量其體長，計(jì)算各個(gè)時(shí)期鹵蟲體長，直至性成熟[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)殖廢水水體表征

養(yǎng)殖廢水水體呈淡黃色，懸浮物顆粒肉眼可見，顯微鏡下可觀察到大量絮團(tuán)狀物(圖1)。經(jīng)測定，養(yǎng)殖廢水中總磷為0.27 mg/L，氨氮為0.35 mg/L，亞硝酸鹽氮為2.05 mg/L，化學(xué)需氧量為3.25 mg/L，懸浮物為160.00 mg/L。對比海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水中懸浮物濃度過高，不符合三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；養(yǎng)殖廢水中COD符合三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，接近二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)下的廢水凈化效果

2.2.1 鹵蟲攝食養(yǎng)殖廢水中懸浮物的試驗(yàn)結(jié)果 從圖2可見：不加鹵蟲的空白組養(yǎng)殖廢水中懸浮物含量在1～7 d內(nèi)無顯著性變化(P>0.05)；加入鹵蟲的3個(gè)試驗(yàn)組養(yǎng)殖廢水中懸浮物含量總體呈下降趨勢，各試驗(yàn)組1～3 d時(shí)無顯著性變化(P>0.05)，第5天時(shí)200、400 ind./L鹵蟲試驗(yàn)組懸浮物含量較空白組顯著下降(P<0.05)；隨著3組試驗(yàn)組鹵蟲密度的增加，懸浮物濃度降低逐漸變快，第7 天時(shí)各鹵蟲試驗(yàn)組養(yǎng)殖廢水中懸浮物含量降至最低，空白組和3個(gè)鹵蟲試驗(yàn)組的懸浮物含量均存在顯著性差異(P<0.05)，但各試驗(yàn)組間無顯著性差異(P<0.05)。

注：A為養(yǎng)殖廢水； B為懸浮物；C為絮團(tuán)狀物Note:A,fresh waste water； B,suspended solid；C,flocculus under microscope圖1 養(yǎng)殖廢水水體表征Fig.1 Water apparent features

注：標(biāo)有不同小寫字母者表示同一時(shí)間下不同組間有顯著性差異(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 are significant differences at the same time in different densities at the 0.05 probability level, and the means with the same letter are not significant differences, et sequentia圖2 鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)對養(yǎng)殖廢水中懸浮物的影響Fig.2 Changes in concentration of suspended solids in aquaculture wastewater

2.2.2 鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)對氨氮的去除效果 從圖3可見：1～7 d內(nèi)各組水體中氨氮含量逐漸增高，自第5 天開始，加入鹵蟲的試驗(yàn)組與不加鹵蟲的空白組氨氮濃度有顯著性差異(P<0.05)，各鹵蟲試驗(yàn)組間也有顯著性差異(P<0.05)；第7 天時(shí)氨氮含量隨各試驗(yàn)組鹵蟲密度的增多而增多，且空白組和各鹵蟲試驗(yàn)組均有顯著性差異(P<0.05)。第7 天加入小球藻后，廢水中氨氮含量開始呈下降趨勢；第13 天時(shí)空白組與各鹵蟲試驗(yàn)組氨氮含量明顯減少，試驗(yàn)組隨鹵蟲密度的增加，氨氮含量減少的趨勢愈加明顯，空白組和鹵蟲試驗(yàn)組(200、400 ind./L)有顯著性差異(P<0.05)，100 ind./L鹵蟲密度組氨氮含量接近空白組；第17 天時(shí)鹵蟲試驗(yàn)組與空白組、各鹵蟲試驗(yàn)組間均有顯著性差異(P<0.05)，與此同時(shí)，氨氮含量降至最低，400 ind./L鹵蟲密度組的氨氮含量最低，為0.02 mg/L，去除效果較為明顯，氨氮去除率高達(dá)93.53%。而100、200 ind./L鹵蟲密度組對氨氮的去除率分別為61.34%和90.72%。

圖3 鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)對養(yǎng)殖廢水中氨氮含量的影響Fig.3 Changes in concentration of ammonia nitrogen in aquaculture wastewater

2.2.3 鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)對總磷的去除效果 從圖4可見：1～7 d內(nèi)各組水體中總磷含量呈上升趨勢；第7 天時(shí)各鹵蟲試驗(yàn)組總磷含量較高，400 ind./L鹵蟲密度組的總磷含量高達(dá)0.35 mg/L，不加鹵蟲的空白組與鹵蟲試驗(yàn)組、各鹵蟲試驗(yàn)組間均存在顯著性差異(P<0.05)；加入小球藻后總磷含量呈下降趨勢，第13 天時(shí)，空白組總磷含量高于鹵蟲試驗(yàn)組；第17 天時(shí)，200 ind./L鹵蟲組總磷含量降至最低，為0.02 mg/L，去除效果較為明顯，總磷去除率高達(dá)91.39%。而100、400 ind./L鹵蟲密度組總磷去除率分別為78.76%和89.45%。

圖4 鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)對養(yǎng)殖廢水中總磷含量的影響Fig.4 Changes in concentration of total phosphorus in aquaculture wastewater

2.3 養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)下鹵蟲體長的變化

從圖5可見：整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，在養(yǎng)殖廢水中蟲藻聯(lián)合培養(yǎng)的鹵蟲體長總體上高于在無菌海水中培養(yǎng)的對照組鹵蟲；對照組與試驗(yàn)組鹵蟲體長從第5 天開始出現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)；第21 天時(shí)試驗(yàn)組鹵蟲體長達(dá)6.36 mm，而對照組鹵蟲體長僅為4.43 mm，在養(yǎng)殖廢水中蟲藻聯(lián)合培養(yǎng)的鹵蟲體長較海水對照組增長40%左右。

圖5 蟲藻聯(lián)合培養(yǎng)鹵蟲體長的變化Fig.5 Changes in body length of brine shrimp cultured in brine shrimp-green alga co-culture medium

3 討論

3.1 鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)凈化養(yǎng)殖廢水的作用機(jī)理

本研究中，試驗(yàn)1～7 d內(nèi)鹵蟲通過攝食廢水中的懸浮物(微藻、細(xì)菌和絮團(tuán)狀物等)滿足自身生長發(fā)育需求，同時(shí)產(chǎn)生代謝物，因而導(dǎo)致了水體中氨氮、總磷含量增高；第7 天時(shí)懸浮物濃度降至最低，氨氮、總磷濃度也達(dá)到最高，水體所剩余的懸浮物不足以滿足鹵蟲生長需求，第7 天加入小球藻后，一部分小球藻被鹵蟲攝食，未被攝食的小球藻吸收養(yǎng)殖污水中的氮磷后繼續(xù)生長繁殖；第13天時(shí)不加鹵蟲的空白組和各鹵蟲試驗(yàn)組養(yǎng)殖廢水中氨氮、總磷含量明顯下降，可能是因?yàn)轲B(yǎng)殖廢水中細(xì)菌和小球藻二者的生物作用消除了廢水的氨氮和總磷，降低了水體中的氨氮和總磷含量，對比試驗(yàn)組和空白組發(fā)現(xiàn)，鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)處理氨氮和總磷效果明顯，100 ind./L鹵蟲密度試驗(yàn)組與空白組氨氮密度相差無幾，200、400 ind./L鹵蟲密度試驗(yàn)組與空白組氨氮密度有顯著性差異，而100、200、400 ind./L鹵蟲密度試驗(yàn)組與空白組總磷含量均呈顯著性差異，總體而言水體中氨氮、總磷下降趨勢明顯；第21 天時(shí)鹵蟲達(dá)性成熟時(shí)期，體長有了顯著增長，表明鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)對污水處理效果顯著。由于200 ind./L鹵蟲試驗(yàn)組攝食小球藻較少，小球藻在水體中的密度較高，提高了對總磷的利用率，故第17天時(shí)200 ind./L鹵蟲試驗(yàn)組比400 ind./L鹵蟲試驗(yàn)組總磷含量低。卜雪峰[23]、馬曉娜等[24]和賴龍玉[25]用貝類和大型藻混養(yǎng)處理養(yǎng)殖廢水均取得較好的生態(tài)效果，表明濾食性動物和藻類共同培養(yǎng)對處理廢水具有一定作用[26-30]。與相關(guān)用貝、藻混養(yǎng)處理養(yǎng)殖廢水的試驗(yàn)結(jié)果對比，本研究中鹵蟲和小球藻混養(yǎng)處理養(yǎng)殖廢水中氨氮和總磷的效果較好，去除率高達(dá)90%以上。可能是因?yàn)樵囼?yàn)周期較長，小球藻有更充分的時(shí)間去除水體中的氮磷，故而凈化效果顯著[31]。

大型藻有吸收氮磷的作用[32-34]，貝類可通過濾食作用降低水體懸浮物含量。無論是貝、藻混養(yǎng)處理養(yǎng)殖廢水，還是蟲、藻聯(lián)合培養(yǎng)處理養(yǎng)殖廢水，這兩種方法在水體環(huán)境中均構(gòu)成了一個(gè)微型生態(tài)系統(tǒng)。微型生態(tài)系統(tǒng)中分解者為廢水中所含微生物，它通過自身生化反應(yīng)將有機(jī)物降解為二氧化碳、水和磷酸鹽等，并生成氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽。而作為生產(chǎn)者的藻類吸收二氧化碳、水和含氮磷元素的營養(yǎng)鹽等，以陽光為能源，通過光合作用制造有機(jī)物并釋放氧氣，供廢水中細(xì)菌及其他生物呼吸使用[35]。鹵蟲和貝類又以藻類為食，可控制藻類密度，益此循環(huán)，從而達(dá)到處理廢水的目的。

3.2 鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)對養(yǎng)殖廢水的凈化效果

去除氨氮的物化處理技術(shù)中，金曉杰等[36]發(fā)現(xiàn)，溶膠凝膠法中氨氮去除率達(dá)85.1%，田欣欣[37]發(fā)現(xiàn)，吸附劑法中氨氮去除率達(dá)80%，劉永等[38]發(fā)現(xiàn)，臭氧發(fā)生器處理法中臭氧對氨氮催化氧化率達(dá)到50%左右。生物處理技術(shù)中，萬紅[39]等發(fā)現(xiàn)，序批式生物膜法中氨氮和總磷的去除率分別達(dá)85.1%和89.5%，王加鵬等[40]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合垂直流人工濕地法中氨氮、總磷的平均凈化效率達(dá)92.82%±3.27%、72.53%±2.31%，葉志娟等[41]發(fā)現(xiàn)，用海洋微藻法培養(yǎng)后，廢水水體中氨態(tài)氮凈化效率可達(dá)100%。Jones等[30]利用新型處理技術(shù)發(fā)現(xiàn)，自然沉淀+貝類過濾+藻類生物法中總氮及總磷的去除效率分別可達(dá)72%和86%，郭恩彥等[42]發(fā)現(xiàn)，臭氧+生物活性炭法中氨氮的最終去除率為96%。上述各方法所用材料、器械和人力資源較多，極大增加了生產(chǎn)成本。

本研究中鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)第17 天時(shí)，200、400 ind./L鹵蟲密度試驗(yàn)組的氨氮去除率均達(dá)到90%左右，總磷去除率則達(dá)到89%，綜合養(yǎng)殖廢水中懸浮物含量、氨氮去除率和總磷去除率三方面，200 ind./L鹵蟲密度試驗(yàn)組的效果最佳，對氨氮和總磷的去除率均高于90%。小球藻處于指數(shù)生長期且為離心后，濃度較高，進(jìn)行光合作用對營養(yǎng)鹽有更高需求，故吸收氮磷的效果較為明顯。鹵蟲為濾食性水生動物，除了攝食廢水中的懸浮物外，同時(shí)攝食小球藻以供自身生長發(fā)育。這兩者相結(jié)合在廢水中構(gòu)成了一個(gè)微型生態(tài)系統(tǒng)，生產(chǎn)者為小球藻，消費(fèi)者為鹵蟲，分解者為水體中的微生物，有效地促進(jìn)了物質(zhì)循環(huán)和能量流動，并且起到了凈化廢水的效果。與自然沉淀+貝類過濾+藻類生物法相比較，貝類體型較大，培養(yǎng)起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且貝類的代謝物若未及時(shí)得到清理，可能會使廢水中懸浮物、氨氮、總磷含量增多，使得水體富營養(yǎng)化，鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)的方法不易出現(xiàn)此類問題，且氨氮、總磷的去除率均高于貝、藻培養(yǎng)法。而新型處理技術(shù)中，郭恩彥等[42]的臭氧+生物活性炭法，所需的臭氧不易獲得且價(jià)格較高，成本較大，材料幾乎為一次性使用，不可循環(huán)利用和持續(xù)發(fā)展。本研究中利用鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)的方法處理廢水，不僅有效地降低了廢水中懸浮物、氨氮和總磷的含量，還極地大減少了養(yǎng)殖廢水對環(huán)境的負(fù)擔(dān)，提高了海水重復(fù)利用率。養(yǎng)成的鹵蟲還可以用于銷售和作為水產(chǎn)品餌料繼續(xù)使用，收獲的小球藻不僅是魚類、蝦和貝類等幼體的優(yōu)質(zhì)餌料，亦可作為制備生物能源的重要材料。采用鹵蟲和小球藻聯(lián)合培養(yǎng)法處理大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，下一步研究關(guān)鍵點(diǎn)為確定最適小球藻量及最適鹵蟲密度。

海南省水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)比較發(fā)達(dá)，養(yǎng)殖廢水處理是制約養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)發(fā)展的難題。據(jù)《2016年海南省環(huán)境公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，2015年海南省廢水污染物氨氮排放量為2.1 萬t，海水養(yǎng)殖廢水占比較大，已經(jīng)成為海南省近岸水域的主要污染源。水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水屬低濃度廢水，在水量上屬用排水大戶，每養(yǎng)殖1 t對蝦則需用海水8.6萬t。若采用傳統(tǒng)的頻繁換水的方式來改善水質(zhì)，又會造成水資源的巨大浪費(fèi)。因此，有關(guān)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的高效環(huán)保處理工藝的創(chuàng)新及發(fā)展是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的必要基礎(chǔ)及有力保障。以2015年海南省廢水污染物氨氮排放量為例，假如海水養(yǎng)殖廢水在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水占比為50%，應(yīng)用鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)方法處理養(yǎng)殖廢水，海水養(yǎng)殖廢水氨氮排放量就能降低至680 t。應(yīng)用該處理方式不僅能降低生產(chǎn)成本，還能有效降低周邊海區(qū)環(huán)境負(fù)載，符合水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的環(huán)保處理及循環(huán)利用的國家可持續(xù)發(fā)展政策，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展。因此，鹵蟲與小球藻聯(lián)合培養(yǎng)處理養(yǎng)殖廢水應(yīng)用前景廣闊。