pH對海水生物濾器啟動階段構(gòu)建硝化功能的影響

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

循環(huán)水養(yǎng)殖可通過工業(yè)化手段調(diào)整、控制水質(zhì)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)用表明，流化床生物濾器具有極佳的硝化性能[4]，而國內(nèi)學(xué)者對其開展的研究相對較少[5]。張海耿等[6]對流化床的結(jié)構(gòu)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(guān)[10]。另外，pH變化會引起水環(huán)境中游離氨(FA)質(zhì)量濃度的變化，一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)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(chǎn)生抑制作用，F(xiàn)A對AOB和NOB的抑制質(zhì)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(guān)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(gòu)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(shè)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(zhì)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(nèi)徑均為11 cm，總有效體積約8.0 L。生物濾器高50 cm，內(nèi)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(jīng)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

1.2 試驗用水

1.3 試驗設(shè)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(zhì)指標(biāo)測定和數(shù)據(jù)分析

1.4.1 水質(zhì)指標(biāo)測定

1.4.2 數(shù)據(jù)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(nèi)的平均降解速率，mg/(L·h)。

數(shù)據(jù)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(jié)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

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

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(zhì)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(zhì)量濃度變化情況

圖5 不同pH條件下成熟膜系統(tǒng)中氨氮的平均降解速率

圖6 成熟膜系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化情況

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(zhì)量濃度超標(biāo)會影響?zhàn)B殖生物的正常生長，甚至?xí)?dǎo)致死亡，造成經(jīng)濟損失[20]。降低并有效控制養(yǎng)殖水體中的氨氮質(zhì)量濃度是循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)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(jié)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(jié)論與姜體勝等[24]的研究結(jié)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(jié)論

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