pH對海水生物濾器啟動階段構建硝化功能的影響

徐建平，趙 越，李 賢，張延青，劉 鷹

(1中國科學院海洋研究所，中科院實驗海洋生物學重點實驗室，山東 青島 266071；2 中國科學院大學，北京 100049；3 青島理工大學環(huán)境與市政工程學院，山東 青島 266033；4 大連海洋大學海洋科技與環(huán)境學院，遼寧 大連116023)

循環(huán)水養(yǎng)殖可通過工業(yè)化手段調整、控制水質環(huán)境和供給營養(yǎng)，具有節(jié)省水資源、環(huán)保、可控等諸多優(yōu)點，是陸基水產養(yǎng)殖發(fā)展的重要方向之一[1]。生物濾器作為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)核心的水處理單元，其穩(wěn)定高效的運行是循環(huán)水養(yǎng)殖成功的前提之一[2]。流化床(MBBR)是一種新型的生物濾器，在挪威、美國等發(fā)達國家早已被應用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中[3]，國外許多養(yǎng)殖企業(yè)的成功應用表明，流化床生物濾器具有極佳的硝化性能[4]，而國內學者對其開展的研究相對較少[5]。張海耿等[6]對流化床的結構和工藝參數(shù)進行優(yōu)化，并研究新型流化床生物濾器的水處理能力。柳瑤等[7-9]通過數(shù)值模擬的方法對流化床的流化狀態(tài)進行研究，并探討膨脹率和C/N對流化床水處理效果的影響。流化床生物濾器濾料表面附著微生物的生長、繁殖與周圍環(huán)境的pH密切相關[10]。另外，pH變化會引起水環(huán)境中游離氨(FA)質量濃度的變化，一定質量濃度范圍內的FA會對氨氧化細菌(AOB)或者亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)的活性產生抑制作用，F(xiàn)A對AOB和NOB的抑制質量濃度分別為10～100 mg/L和0.1～10 mg/L[11]。要保證生物濾器穩(wěn)定高效的運行，就要為AOB和NOB等微生物創(chuàng)造適宜的pH環(huán)境。目前，關于pH對生物濾器硝化性能的影響報道較多，但是進水pH對流化床生物濾器啟動階段構建硝化功能的影響研究未見。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

本試驗設計了實驗室規(guī)模的簡易流化床生物濾器循環(huán)水系統(tǒng)，圖1為試驗裝置示意圖。試驗裝置整體材質為有機玻璃，主要分為儲水箱和生物濾器兩部分。儲水箱分為高位水箱和低位水箱，高位水箱高40 cm，低位水箱高60 cm，內徑均為11 cm，總有效體積約8.0 L。生物濾器高50 cm，內徑10 cm，有效體積約3.5 L。系統(tǒng)運行時，低位水箱中的水由潛水泵提升至高位水箱，再由高位水箱流入流化床生物濾器，經生物濾器處理后流回低位水箱，完成一次循環(huán)。生物濾器使用直徑2.5 cm、厚度0.4 cm的64孔環(huán)形塑料懸浮填料，填料有效表面積約1 200 m2/m3。生物濾器填料填充率為30%。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Experimental device diagram

1.2 試驗用水

1.3 試驗設計

1.3.1 進水pH對流化床生物濾器掛膜啟動的影響

1.3.2 pH對穩(wěn)定運行的流化床生物濾器硝化性能的影響

1.4 水質指標測定和數(shù)據分析

1.4.1 水質指標測定

1.4.2 數(shù)據分析

η=(c進-c出) /c進×100%

(1)

R=(r1+r2+r3+r4)/4

(2)

R—TAN平均降解速率；r1、r2、r3、r4分別為TAN在前1、2、3、4 h內的平均降解速率，mg/(L·h)。

數(shù)據分析采用SPSS18.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用 Duncan 進行統(tǒng)計檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 進水pH對流化床生物濾器掛膜啟動的影響

2.1.1 pH對TAN處理能力的影響

生物濾器掛膜啟動階段，不同pH條件下生物濾器對TAN的去除情況如圖2所示。

圖2 生物濾器掛膜階段氨氮的去除情況Fig.2 Removal of TAN in the stage of biofilm formation in biofilter

圖2整體趨勢可見，流化床生物濾器在掛膜啟動階段對TAN的處理能力主要分為3個時期：上升期(0～40 d)、下降期(40～57 d)和穩(wěn)定期(57～99 d)。上升期，生物濾器對TAN的去除效率快速升高；下降期，去除效率出現(xiàn)下降現(xiàn)象；穩(wěn)定期，去除效率基本保持穩(wěn)定。上升期，除第1、19、26、40天外，其他時間點pH 7.5處理組對TAN的去除效率顯著高于其他3個處理組(P<0.05)；下降期，在第43、57天時pH 7.5處理組對TAN的處理效率顯著高于pH 7.0、pH 8.5處理組(P<0.05)，其他時間點各處理組對TAN的處理效率無顯著差異(P>0.05)；穩(wěn)定期，4個處理組生物濾器對TAN的去除效率均穩(wěn)定在80%以上，pH 7.5和pH 8.0處理組生物濾器對TAN的平均去除效率高于pH 7.0和pH 8.5處理組，但差異不顯著(P>0.05)。pH 7.5處理組第29天時對TAN的日處理效率達到80%以上，啟動50 d左右處理效率基本穩(wěn)定；pH 8.0處理組對TAN的日處理能力僅次于pH 7.5處理組，在第36 天時對TAN的處理效率達到80%以上，啟動61 d左右處理效率基本穩(wěn)定。pH 7.0和pH8.5處理組在第71天后對TAN的日處理效率基本穩(wěn)定。

圖3 生物濾器掛膜階段亞硝酸鹽氮的去除情況Fig.3 Removal of in the stage of biofilm formation in biofiltor

2.2 pH對穩(wěn)定運行的流化床生物濾器硝化性能的影響

2.2.1 pH對處理TAN的影響

圖4為生物填料掛膜成熟穩(wěn)定后不同pH條件下流化床生物濾器中TAN質量濃度隨時間變化的趨勢圖。從圖中可以看出，各處理組的生物濾器對TAN都有較好的處理效果，pH 7.5、pH 7.7和pH 8.0處理組相對pH 7.0和pH 8.5處理組生物濾器TAN的去除能力更強。其中，pH 7.7處理組對TAN的去除效果在30～240 min，顯著優(yōu)于pH 7.0和pH 8.5處理組(P<0.05)，而pH 7.5、pH 7.7和pH 8.0處理組之間，pH 7.0、pH 8.5處理組之間，生物濾器對TAN的去除能力沒有顯著差異(P>0.05)。各處理組對TAN的平均去除速率如圖5所示。pH 7.7處理組TAN去除速率為(0.58±0.020) mg/(L·h)，pH 7.0、pH 7.5、pH 8.0和pH 8.5處理組TAN的去除速率分別為(0.48±0.018) mg/(L·h)、(0.53±0.019) mg/(L·h)、(0.51±0.028) mg/(L·h)和(0.49±0.019) mg/(L·h)。pH 7.7處理組TAN的去除速率比pH 7.0和pH 8.5處理組分別提高14.53%和12.90%，比pH 7.5和pH 8.0處理組提高4.91%、9.87%。

圖4 成熟膜系統(tǒng)中氨氮質量濃度變化情況Fig.4 Changes of TAN concentration in mature membrane system

圖5 不同pH條件下成熟膜系統(tǒng)中氨氮的平均降解速率Fig.5 Average degradation rate of TAN in mature membrane system under different pH conditions

圖6 成熟膜系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮質量濃度變化情況Fig.6 Changes of concentration in mature membrane system

3 討論

3.1 進水pH對流化床生物濾器掛膜啟動的影響

3.2 pH對流化床生物濾器硝化能力的影響

3.2.1 pH對TAN處理能力的影響

養(yǎng)殖系統(tǒng)水環(huán)境中的無機氮主要為氨氮[19]，氨氮質量濃度超標會影響?zhàn)B殖生物的正常生長，甚至會導致死亡，造成經濟損失[20]。降低并有效控制養(yǎng)殖水體中的氨氮質量濃度是循環(huán)水養(yǎng)殖產業(yè)健康發(fā)展的保障。從生物濾器掛膜啟動階段以及成熟穩(wěn)定運行階段可以看出，隨著pH的增大，TAN的處理效率先增大后減小[21]，其中生物濾器在pH 7.5～pH 8.0條件下對TAN有較高的處理效率，這與徐婷等[22]得到的結論(pH 7.3～pH 8.0的TAN降解率最大)十分相近。有研究發(fā)現(xiàn)，AOB在pH 7.4～pH 7.8時活性最強[23]。通過研究不同pH對生物濾器穩(wěn)定后硝化能力的影響發(fā)現(xiàn)，在pH 7.7時TAN的處理效率最高。本研究結論與姜體勝等[24]的研究結果(pH 7.74時活性污泥的硝化能力最強)十分相近。本試驗還發(fā)現(xiàn)，pH 7.7處理組TAN的降解速率比pH 7.5、pH 8.0處理組分別提高4.91%、9.87%，由此證明，相較于pH 7.7～ pH 8.0，pH 7.5～ pH 7.7時生物濾器運行更加穩(wěn)定，更有利于氨氮的降解。

4 結論

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