葡萄糖、蔗糖和糖蜜對(duì)水體中余氯的消除效果

王 博，秦海鵬，廖栩崢，胡世康，孫成波

(廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，廣東湛江 524088)

在養(yǎng)殖水體的水處理過(guò)程中，通常用到氯制劑如漂白粉、漂粉精和強(qiáng)氯精等來(lái)消毒水體，去除水體的病原生物和病原的宿主生物，來(lái)切斷病害的水平傳播途徑[1]。使用氯制劑消毒后，水體中會(huì)產(chǎn)生余氯，余氯對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物有十分嚴(yán)重的毒害作用[2]。養(yǎng)殖水體中的余氯高于0.02 mg·L-1，魚蝦的黏膜將會(huì)被強(qiáng)烈腐蝕，最后導(dǎo)致魚蝦的傷損或者死亡[3]。由此可見(jiàn)，余氯是養(yǎng)殖水體中的安全隱患之一。經(jīng)消毒的室內(nèi)水體中的余氯一般采用曝氣方法進(jìn)行消除[4]，但是曝氣這種方法去除余氯的效率并不高而且容易導(dǎo)致余氯殘留在水體之中[5]。由于自然脫氯時(shí)間長(zhǎng)，余氯含量過(guò)高，因此消毒后，養(yǎng)殖水體快速脫氯就十分必要了。消毒水體的脫氯方法主要用活性炭，這種方法目前使用都有一定困難；在養(yǎng)殖育苗生產(chǎn)中，通過(guò)添加硫代硫酸中和余氯[6]，這種方法添加量不好把控，并且容易對(duì)水體產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響育苗效果。

葡萄糖、蔗糖和糖蜜作為水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中經(jīng)常利用的3 種碳源，價(jià)格低廉，易于吸收，能補(bǔ)充能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為生物代謝和繁殖提供能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并作為基礎(chǔ)碳源，在養(yǎng)殖動(dòng)物的生長(zhǎng)過(guò)程中起著重要的作用。葡萄糖是生物最容易吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是生命活動(dòng)最主要的能量來(lái)源；蔗糖是還原性二糖，可以在酶的分解下產(chǎn)生葡萄糖和果糖，從而被生命體吸收。糖蜜中含有少量的粗蛋白質(zhì)，用于動(dòng)物飼養(yǎng)中可以刺激食欲，增強(qiáng)飼料的消化吸收率，此外，糖蜜中含有較多的礦物質(zhì)元素，對(duì)水體中生物生長(zhǎng)繁殖補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)[7]。這些碳源對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物沒(méi)有毒害作用，另外還可以調(diào)節(jié)水體中碳氮磷的比例，促使水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化[8]，可以在水產(chǎn)養(yǎng)殖的實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用并廣泛推廣。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)中，經(jīng)過(guò)含氯消毒劑消毒的海水，自然曝氣需要的時(shí)間較長(zhǎng)且不夠徹底，利用人工消除余氯來(lái)加快水處理的過(guò)程是非常有必要的。本實(shí)驗(yàn)主要研究不同碳源：葡萄糖、蔗糖和糖蜜對(duì)水體中余氯的去除效果，并在3 種碳源的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同濃度的試驗(yàn)，進(jìn)而探求可供提高脫氯的方法。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為廣東海洋大學(xué)東海島海洋生物研究基地，實(shí)驗(yàn)海水為海區(qū)抽取，通過(guò)沉淀、砂濾后使用，水溫為(29.4±0.71) ℃，鹽度(28.5±0.26)；本實(shí)驗(yàn)所選消毒劑為漂粉精，主要成分為次氯酸鈣，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室碘量法測(cè)定有效氯為50%；葡萄糖、蔗糖、糖蜜來(lái)自山東容海谷物科技有限公司；50 L 白色小桶。

1.2 儀器和試劑

V-1600 型可見(jiàn)分光光度計(jì)、pH 計(jì)、鹽度計(jì)、滴定管、25 mL 具塞比色管、60 ml 廣口試劑瓶、50 L 白色小桶。

磺胺、鹽酸萘乙二胺、檸檬酸鈉、苯酚、次氯酸鈉、硫代硫酸鈉，實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.3 方法

實(shí)驗(yàn)在50 L 白色小桶中進(jìn)行，每個(gè)小桶中加入1.5 g 漂粉精(15 mg·L-1的有效氯)，消毒24 h 后，不曝氣，分別加入葡萄糖、蔗糖和糖蜜3 種碳源，每種碳源設(shè)3 種不同的濃度梯度50、100、150 mg·L-1，每個(gè)濃度梯度設(shè)3 個(gè)平行，另外設(shè)置3 個(gè)空白對(duì)照組。

測(cè)試指標(biāo)：余氯指標(biāo)在加入碳源前測(cè)量初始余氯含量，加入碳源后，從0 h 開(kāi)始1 h 測(cè)1 次；pH 指標(biāo)1 d 測(cè)2 次(上午7：30 和下午4：00)，鹽度、溫度、氨態(tài)氮、亞硝酸氮和硝酸氮1 d 測(cè)1 次(上午8：00)，實(shí)驗(yàn)周期7 d。

1.4 測(cè)定方法

氨態(tài)氮的濃度測(cè)定方法采用靛酚藍(lán)法，亞硝酸鹽采用重氮-偶氮光度法，硝酸氮采用鋅-鎘還原法測(cè)定，余氯采用N,N-二乙基-1,4-苯二胺滴定法測(cè)定，有效氯采用間接碘量法測(cè)定[9]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS19.0 軟件進(jìn)行處理。對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)用單因素方差分析(ANOVA)，P＜0.05 為有顯著性差異，并用Excel 2010 繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳源對(duì)水體中余氯的消除效果

2.1.1 葡萄糖

水體中余氯的濃度在加入葡萄糖之后的1 h，處理組的濃度顯著降低(P＜0.05)，150 mg·L-1處理組余氯消除效果最好，衰減率為68%，空白組余氯衰減率為6%。各處理組對(duì)水體中的余氯都產(chǎn)生了顯著的影響，不同濃度組中，濃度越大效果越明顯，余氯的衰減率也越大。3 種濃度下都可以在短時(shí)間內(nèi)消除余氯，150 mg·L-1添加組最快(12 h 左右)，50 mg·L-1最慢(20 h 左右)。具體見(jiàn)表1。

表1 不同葡萄糖濃度下對(duì)余氯的衰減結(jié)果Tab.1 Attenuation results of residual chlorine at different glucose concentrations

2.1.2 蔗糖

由表2 可知，水體中余氯的量在加入蔗糖之后的1 h 內(nèi)，呈現(xiàn)出明顯的變化。150 mg·L-1處理組余氯去除效果最好，衰減率達(dá)到37%；各處理組對(duì)水體中的余氯都產(chǎn)生了影響，不同濃度組中，濃度越大效果越明顯，余氯的衰減率也越高。

表2 不同蔗糖濃度下對(duì)余氯的衰減結(jié)果Tab.2 Attenuation results of residual chlorine at different sucrose concentrations

2.1.3 糖蜜

由表3 可知，水體中余氯的量在加入糖蜜之后的1 h 內(nèi)，處理組的濃度顯著降低(P＜0.05)，150 mg·L-1處理組余率消除效果最好，衰減率達(dá)到95%；各處理組對(duì)水體中的余氯都產(chǎn)生了顯著的影響，不同濃度組中，濃度越大效果越明顯，余氯的衰減率也越高，3 種濃度下都可以在短時(shí)間內(nèi)將余氯消除，150 mg·L-1添加組最快(8 h 左右)，50 mg·L-1最慢(12 h 左右)。

表3 不同糖蜜濃度下對(duì)余氯衰減的結(jié)果Tab.3 Attenuation results of residual chlorine at different molasses concentrations

不同碳源對(duì)余氯的作用，整體都呈下降趨勢(shì)，3 種碳源對(duì)中和余氯都有著明顯的作用。糖蜜效果最顯著，蔗糖效果最差，相比傳統(tǒng)的去除余氯的方法，3 種碳源都可以明顯縮短中和余氯的時(shí)間；同一碳源不同濃度下，去除余氯的效果隨碳源添加量成正比關(guān)系。具體如圖1 所示。

圖1 投加不同碳源后水體的余氯的變化趨勢(shì)Fig.1 The trend of residual chlorine in water bodies after adding different carbon sources

2.2 不同碳源對(duì)水體氨氮的影響效果

加入碳源的消毒海水氨態(tài)氮的變化明顯，各處理組氨態(tài)氮呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在3～4 d 各組都出現(xiàn)最大值；不同碳源組對(duì)氨態(tài)氮的影響呈現(xiàn)一定的差異，葡萄糖和糖蜜引起的氨態(tài)氮變化較蔗糖更為明顯；糖蜜在150 mg·L-1的濃度下，氨態(tài)氮的濃度出現(xiàn)最高值1.456±0.004 mg·L-1，葡萄糖作用效果次之，比空白組的氨氮濃度(0.751 mg·L-1)增加了1 倍。具體如圖2所示。

圖2 水體中氨氮的變化趨勢(shì)Fig.2 Changes of ammonia nitrogen in water

2.3 不同碳源對(duì)水體亞硝酸鹽的影響效果

碳源對(duì)水體中亞硝酸鹽的影響，空白組與實(shí)驗(yàn)組的亞硝酸鹽變化趨勢(shì)相同；第1 d 的亞硝酸鹽濃度0.13±0.01 mg·L-1，隨后逐漸升高，第4 d 達(dá)到最大值0.36±0.01 mg·L-1，之后又呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。具體如圖3所示。

圖3 水體中亞硝酸鹽的變化趨勢(shì)Fig.3 Changes of nitrite in water

2.4 不同碳源對(duì)硝酸鹽的影響效果

水體中硝酸鹽的變化趨勢(shì)見(jiàn)表4，各實(shí)驗(yàn)組和空白組，在試驗(yàn)期間硝酸態(tài)氮并沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，而是維持在穩(wěn)定水平，硝酸態(tài)氮濃度基本維持在0.37±0.02 mg·L-1。

表4 水體中硝酸鹽的變化趨勢(shì)Tab.4 Changes of nitrate in water

2.5 水體中pH 的變化情況

實(shí)驗(yàn)前水體水溫為27.2±0.5 ℃、pH 為8.4±0.04，加入不同碳源后pH 有明顯的變化，pH 整體呈先降低后升高的趨勢(shì)，3 種碳源有明顯降低pH 的效果，糖蜜、葡萄糖和蔗糖在150 mg·L-1濃度下，pH 分別降低到7.42±0.03、7.5±0.03 和7.6±0.04，空白組pH 只降低了0.8。在同樣的濃度下，糖蜜對(duì)pH 的影響最大，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。具體變化如圖4 所示。

圖4 加入不同碳源后水體pH 的變化情況Fig.4 Changes in pH of water bodies after addition of different carbon sources

3 討論

目前普遍認(rèn)為影響余氯在水中反應(yīng)的因素主要有溫度[10-11]、初始氯質(zhì)量濃度[12]、水中有機(jī)物的質(zhì)量濃度[13-14]和pH[15-16]等。余氯在主體水中主要與有機(jī)、無(wú)機(jī)物反應(yīng)，水中的無(wú)機(jī)物主要與余氯發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，水中有機(jī)物與余氯發(fā)生的反應(yīng)比較復(fù)雜，主要和水中有機(jī)物(NOM)的組分有關(guān)。通過(guò)給消毒水體中添加不同濃度的有機(jī)碳源，水體中余氯量呈現(xiàn)出明顯的變化。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出添加不同的碳源對(duì)余氯的影響效果不同，同一碳源組，碳源的添加濃度與余氯衰減呈正相關(guān)。

漂粉精的消毒作用來(lái)自次氯酸鈉的強(qiáng)氧化性，水體中的余氯也是來(lái)自氧化消毒之后殘留的次氯酸，而3 種不同的碳源均可以與水體中的次氯酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生中和余氯的作用。葡萄糖與糖蜜在中和余氯這一作用上強(qiáng)于蔗糖，且碳源的濃度越高，中和余氯的效果越快。葡萄糖作為單糖和醛糖，易于發(fā)生氧化反應(yīng)，被具有氧化性的物質(zhì)氧化成糖酸，作為水體中余氯來(lái)源的次氯酸鈉，具有強(qiáng)氧化性，與葡萄糖的氧化反應(yīng)易于發(fā)生[17]。蔗糖屬于非還原性二塘，較難發(fā)生氧化還原反應(yīng)，但是在水體中次氯酸鈉這種強(qiáng)氧化劑的氧化性，仍然能使作為酮糖的蔗糖發(fā)生較慢的氧化還原反應(yīng)。糖蜜是由多種蔗糖發(fā)酵處理之后的產(chǎn)物，糖蜜中還添加油大量的硫酸或鹽酸，發(fā)生氧化還原的能力較強(qiáng)，與水體中的次氯酸鈉發(fā)生氧化反應(yīng)[15]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)中，經(jīng)過(guò)含氯消毒劑消毒的海水，自然曝氣需要的時(shí)間較長(zhǎng)且不夠徹底，利用人工消除余氯來(lái)加快水處理的過(guò)程是非常有必要的。

空白組的海水pH 在7 d 內(nèi)維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)，由于空白組的海水經(jīng)過(guò)漂粉精的消毒之后，殺死了水體中原有的藻類和原生動(dòng)物以及各種微生物。加入3 種碳源的水體pH 有明顯的變化，這是因?yàn)槠咸烟菍儆谌┨?，蔗糖、糖蜜屬于酮糖，在水體中能被氧化物次氯酸鈉氧化變?yōu)樗幔移咸烟亲钊菀妆谎趸癁槠咸烟撬醄18]。由于糖蜜中雜菌生長(zhǎng)旺盛，在糖蜜的的加工中，需要加硫酸或者鹽酸酸化來(lái)防止雜菌的生長(zhǎng)，并且有效調(diào)節(jié)酸度，為養(yǎng)殖中使用提供便利[19]。因此，3 種碳源對(duì)水體中pH 的影響效果不一，其中，糖蜜對(duì)pH 的影響最大，葡萄糖稍差，蔗糖最弱。

水體中亞硝酸鹽、硝酸鹽和氨態(tài)氮的變化情況，可以看到實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組是有差異的。實(shí)驗(yàn)水體用漂粉精的消毒，水體中的微生物基本上被殺死。水體中亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等微生物對(duì)三氮的轉(zhuǎn)化影響不大；葡萄糖屬于單糖，比蔗糖更易于微生物吸收，加快代謝，促進(jìn)含氮有機(jī)物到氨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[20]。而糖蜜中含有大量的含氮有機(jī)物、各種雜質(zhì)和添加物，富含微生物生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素，微生物能夠更快的生長(zhǎng)繁殖，從而加快含氮有機(jī)物到氨態(tài)氮的分解過(guò)程[21]。水體中殘余的含氮有機(jī)物經(jīng)過(guò)分解之后變?yōu)榘睉B(tài)氮，使水體中氨氮的濃度升高，然而由于亞硝化細(xì)菌的繁殖，水體中的一部分氨態(tài)氮被轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮，且水體中有機(jī)氮的總量減少，氨態(tài)氮的濃度又逐漸降低[20]。