微生物懸浮生長(zhǎng)水處理系統(tǒng)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉文暢，譚洪新,3，羅國芝,3，杜欣澤

(1 上海海洋大學(xué)，上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2上海海洋大學(xué)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水水產(chǎn)種質(zhì)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；3上海海洋大學(xué)，水產(chǎn)科學(xué)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 201306)

水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量和集約化程度日益增加，中國養(yǎng)殖產(chǎn)量已占到世界養(yǎng)殖產(chǎn)量的60%以上[1]。室外池塘養(yǎng)殖等生產(chǎn)形成的污染物使得水體富營養(yǎng)化，直接外排周邊水域，容易危害生態(tài)環(huán)境[2]。廢水生物處理技術(shù)是水產(chǎn)養(yǎng)殖水污染治理的重要方法之一[3]，按照微生物的生長(zhǎng)方式，可分為懸浮生長(zhǎng)法和附著生長(zhǎng)法，還可以分為好氧微生物懸浮生長(zhǎng)(主要以活性污泥法為代表)和厭氧微生物懸浮生長(zhǎng)水處理系統(tǒng)(常見的有厭氧消化法等)[4]。水產(chǎn)養(yǎng)殖中，由于需要維持動(dòng)物生存所需較高的溶氧(DO)質(zhì)量濃度，主要應(yīng)用好氧微生物懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)[4- 6]。

微生物懸浮生長(zhǎng)水處理系統(tǒng)是城市污水主要的處理方式，其水處理微生物量大、水處理效率高、生化反應(yīng)類型多[4,7]。基于上述優(yōu)點(diǎn)，微生物懸浮生長(zhǎng)也是水產(chǎn)養(yǎng)殖重要的水處理方式之一，又因其可資源化地回收營養(yǎng)元素，被作為一種可持續(xù)發(fā)展的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式而被廣泛地研究和應(yīng)用[5- 6]。

回顧了微生物懸浮生長(zhǎng)水處理系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用歷程，總結(jié)了當(dāng)前的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，旨在為工廠集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)調(diào)控和廢水生物處理提供參考。

1 微生物懸浮生長(zhǎng)水處理系統(tǒng)的產(chǎn)生

這種被稱為活性污泥的微生物絮凝體(絮團(tuán))，通過凝聚、吸附、氧化、分解等作用去除廢水中的污染物；利用靜置的方法使絮凝體沉淀，獲得懸浮固體物(TSS)質(zhì)量濃度較低的出水，通過曝氣或者機(jī)械攪拌等方法使反應(yīng)池的微生物處于懸浮狀態(tài)，DO被控制為一定的水平，保證生化反應(yīng)的正常進(jìn)行。

2 微生物懸浮生長(zhǎng)水處理技術(shù)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的早期應(yīng)用

2.1 活性污泥池在早期循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖開始于20世紀(jì)60年代。雷霽霖院士將其定義為采用現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合，在半自動(dòng)或全自動(dòng)的系統(tǒng)中高密度養(yǎng)殖優(yōu)質(zhì)魚類，并對(duì)全過程實(shí)行半封閉或全封閉式管理的一種無污染、商業(yè)性和科學(xué)化的養(yǎng)魚生產(chǎn)方式[9]。在這種高密度集約化養(yǎng)殖模式下，水環(huán)境調(diào)控是關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 循環(huán)水養(yǎng)殖中的活性污泥池隨后被固定膜生物濾器替代

微生物除了懸浮式地生長(zhǎng)在水體中、形成絮團(tuán)，還可以依附填料等物質(zhì)固定生長(zhǎng)而成為生物膜[4]。20世紀(jì)80、90年代，隨著容易控制運(yùn)行狀態(tài)的滴濾式、生物轉(zhuǎn)盤等固定膜生物濾器的開發(fā)和應(yīng)用，活性污泥池在RAS中逐步被替代[10,13- 15]。20世紀(jì)90年代以后，活性污泥法鮮有單獨(dú)用作工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理的技術(shù)核心，而是與生物膜水處理及其變型技術(shù)組成新的工藝而被報(bào)道[16- 18]。

固定膜生物濾器具有水處理流量較大、運(yùn)行狀況比較可控、適宜多組進(jìn)行串聯(lián)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)[16]，但是面臨著填料空隙易被堵塞[15,19]、自養(yǎng)硝化與異養(yǎng)反硝化處理通常存在較大沖突、需要一系列復(fù)雜的水處理裝置等難題[16]。懸浮生長(zhǎng)的微生物具有微生物量大、水處理效率高、自養(yǎng)硝化與異養(yǎng)反硝化沖突較小的優(yōu)點(diǎn)，但是存在需要較高的管理技術(shù)來控制運(yùn)行狀況，需要額外設(shè)置沉淀池等缺點(diǎn)[16,20]。

3 微生物懸浮生長(zhǎng)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 典型RAS中的微生物懸浮生長(zhǎng)反應(yīng)器

當(dāng)前，典型的RAS主要使用固定膜生物過濾器作為核心的水處理單元[15]，僅有少數(shù)RAS采用厭氧的微生物懸浮生長(zhǎng)反應(yīng)器進(jìn)行脫氮除磷或處理固體廢棄物等[21- 22]。

厭氧微生物懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于高有機(jī)污染或者有毒的工業(yè)廢水和市政污水等[4,7]。工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的污染物濃度一般遠(yuǎn)低于上述廢水，因此厭氧微生物懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)僅僅作為污染物處理工藝的旁路應(yīng)用工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖。采用厭氧序批式反應(yīng)器消化處理RAS中產(chǎn)生的固體廢棄物，固體有機(jī)物含量減少41.61%，體積減小了90%以上[21]。向RAS的活性污泥池添加碳源，可以實(shí)現(xiàn)厭氧反硝化脫氮效果[22]。

3.2 生物絮團(tuán)原位養(yǎng)殖技術(shù)

3.2.1 生物絮團(tuán)原位養(yǎng)殖技術(shù)的產(chǎn)生

微生物懸浮生長(zhǎng)的活性污泥法在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的早期應(yīng)用中，活性污泥池與養(yǎng)殖動(dòng)物在空間上是分開的、異位的。但是，大量懸浮生長(zhǎng)的水處理微生物與養(yǎng)殖動(dòng)物處于同一水體的原位養(yǎng)殖系統(tǒng)同樣存在。

20世紀(jì)70年代，微生物懸浮生長(zhǎng)的模式即已被嘗試地應(yīng)用于斑節(jié)對(duì)蝦(Penaeusmonodon)、南美白對(duì)蝦(Litopenaeusvannamei)等水產(chǎn)動(dòng)物的養(yǎng)殖[6]。20世紀(jì)80年代，一種“微生物湯”養(yǎng)殖系統(tǒng)被視作原位養(yǎng)殖系統(tǒng)理論的雛形[6,23]。20世紀(jì)90年代，隨著Avnimelech等[6,24]進(jìn)一步研究和應(yīng)用，逐步系統(tǒng)地形成了基于額外添加碳源、提高養(yǎng)殖系統(tǒng)碳氮比(C/N)的原位養(yǎng)殖理論，并且應(yīng)用為生物絮團(tuán)技術(shù)(Biofloc Technology,BFT)。

BFT的生物絮體同活性污泥法的類似，是兩種水處理技術(shù)的核心。生物絮體包含浮游生物、細(xì)菌、活的或者死的顆粒有機(jī)體等[5]。典型的絮體外部形狀不規(guī)則，可滲透性強(qiáng)，孔隙率可以超過99%，比表面積大，粒徑為幾微米到1 000微米不等[5- 6]。

3.2.2 BFT原位養(yǎng)殖技術(shù)的作用和缺點(diǎn)

BFT主要應(yīng)用于濾食性水產(chǎn)動(dòng)物的原位養(yǎng)殖，主要養(yǎng)殖的濾食性水產(chǎn)動(dòng)物有蝦類[6,25- 26]、羅非魚[6,27]、鳙(Aristichthysnobilis)[28]等。研究發(fā)現(xiàn)，BFT同樣可用于非濾食性魚類的原位養(yǎng)殖，如斑點(diǎn)叉尾鮰(Ictaluruspunctatus)、革胡子鯰(Clariasgariepinus)等[29- 30]。

水產(chǎn)動(dòng)物攝食的飼料，約有75%的N和P沒有被初次有效地利用，而是以糞便和代謝產(chǎn)物等形式排出體外，成為養(yǎng)殖環(huán)境中的污染物質(zhì)[6]。但是，在BFT原位養(yǎng)殖系統(tǒng)中，細(xì)菌具有可觀的生長(zhǎng)速度和生物量產(chǎn)率，未被利用的N和P可以最終成為微生物的生物量，并且通過生物絮凝作用形成具有一定大小顆粒的、可被動(dòng)物再次攝食的生物絮體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的重復(fù)使用[6,32]。

微生物中的益生菌可以與病原菌競(jìng)爭(zhēng)生存空間和營養(yǎng)物質(zhì)，從而抑制后者的生長(zhǎng)和繁殖[34- 35]。研究表明，添加碳源和接種益生菌的BFT原位養(yǎng)殖系統(tǒng)可以促使某些益生菌(如Bacillussp.)成為養(yǎng)殖系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)種類之一，并且抑制病原微生物的生長(zhǎng)(如弧菌Vibriosp.)[35]。微生物絮凝體含有豐富的鮮活微生物和各種有益成分，如脂多糖、肽聚糖、葡聚糖和聚- β- 羥丁酸等，他們?cè)陴B(yǎng)殖環(huán)境中的存在和被攝食可以刺激和提高養(yǎng)殖動(dòng)物的非特異免疫能力[34- 36]。

BFT原位養(yǎng)殖系統(tǒng)由于大量的微生物與水產(chǎn)動(dòng)物處于同一空間，因而至少存在以下缺點(diǎn)：1)BFT原位養(yǎng)殖水體中的活性顆粒物質(zhì)量濃度較高，維持絮體的懸浮狀態(tài)和高水平DO需要消耗大量的能源[5,37]；2)BFT過高的懸浮物質(zhì)量濃度可能對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物產(chǎn)生脅迫[5,37]；3)存活于生物絮體中的微生物量大、耗氧速率高，一旦遇到停電等突發(fā)事故，絮體會(huì)迅速沉淀并且使養(yǎng)殖水體中的DO降低到幾乎為零的水平，增加了養(yǎng)殖過程的風(fēng)險(xiǎn)；4)維持養(yǎng)殖系統(tǒng)較高的C/N，需要消耗大量的有機(jī)碳源物質(zhì)；5)大量碳源的添加會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)的劇烈波動(dòng)，從而影響?zhàn)B殖動(dòng)物的生長(zhǎng)[26]。

3.3 基于BFT的異位微生物懸浮生長(zhǎng)反應(yīng)器

3.3.1 異位反應(yīng)器的水處理作用

由于BFT原位養(yǎng)殖系統(tǒng)具有上述缺點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者基于BFT和活性污泥法的技術(shù)方法，設(shè)想或者采用大量微生物的生長(zhǎng)與養(yǎng)殖動(dòng)物處于不同空間的、異位式的微生物懸浮生長(zhǎng)反應(yīng)器進(jìn)行水處理、回收營養(yǎng)物質(zhì)、調(diào)控過多的生物絮體等[32,38]。

基于BFT向微生物懸浮生長(zhǎng)的異位反應(yīng)器中添加碳源，在實(shí)現(xiàn)對(duì)主要含氮污染物處理效果的同時(shí)，可以通過異養(yǎng)同化作用獲得較高的微生物產(chǎn)率[38]。此外，微生物懸浮生長(zhǎng)的水處理系統(tǒng)具有自養(yǎng)硝化與異養(yǎng)反硝化處理沖突較小的優(yōu)點(diǎn)[16]。在原位養(yǎng)殖系統(tǒng)中，由于養(yǎng)殖動(dòng)物與主要的水處理微生物生活于同一區(qū)域，不能設(shè)置類似于活性污泥脫氮除磷所需的厭氧段或者缺氧段。相關(guān)研究在添加碳源的、無厭氧段的活性污泥系統(tǒng)中同樣實(shí)現(xiàn)了同步脫氮除磷：異養(yǎng)反硝化細(xì)菌可以利用生物絮體氧傳質(zhì)產(chǎn)生的厭氧或缺氧微環(huán)境進(jìn)行反硝化脫氮[39]，聚磷菌在好氧條件下可以將污水中的磷酸鹽以聚磷的形式儲(chǔ)存于體內(nèi)[39]；好氧反硝化和相關(guān)功能微生物可能在好氧的原位養(yǎng)殖系統(tǒng)或者異位反應(yīng)器中存在，如此實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化[20,39- 41]。

水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的殘飼、糞便和生物殘?bào)w組成了主要的養(yǎng)殖固體顆粒物。在開放的養(yǎng)殖系統(tǒng)中(如池塘、水庫等)，固體顆粒物主要成為沉積物。在閉合的工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)中，養(yǎng)殖固體顆粒物可以比較容易地通過微濾機(jī)等設(shè)備及時(shí)地收集。異位的微生物懸浮生長(zhǎng)反應(yīng)器可以將固體顆粒物中的營養(yǎng)物質(zhì)，特別是氮元素，提升成為微生物的生物量和蛋白質(zhì)，以期進(jìn)一步資源化利用。Crab等[43]采用轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)收集羅非魚精養(yǎng)過程中的固體顆粒物，在反應(yīng)器中提高C/N至10，曝氣處理15 d，獲得粗蛋白含量為28%～58%的生物絮體。RAS的固體顆粒物，提高C/N至15以上，經(jīng)過反應(yīng)器處理，可以獲得脂肪酸種類相對(duì)比較豐富的生物絮體[44]。

3.3.2 異位反應(yīng)器用作RAS的核心水處理裝置

3.3.3 異位反應(yīng)器剩余微生物絮體的資源化利用

微生物懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)往往會(huì)產(chǎn)生較多的微生物絮體，其營養(yǎng)組成雖然隨著運(yùn)行工況和物質(zhì)投入的不同而差異較大，但是因具有一定的營養(yǎng)價(jià)值而被相關(guān)學(xué)者關(guān)注[30,43]。干燥的生物絮體用作飼料原料，向顆粒飼料中添加0%、4%、8%、12%的干燥絮體投喂斑節(jié)對(duì)蝦，結(jié)果4%的添加量能夠顯著地提高對(duì)蝦的消化能力和生長(zhǎng)性能[48]。Crab等[43]運(yùn)用異位反應(yīng)器處理羅非魚養(yǎng)殖污染物獲得的新鮮生物絮體，隨后被成功地投喂了羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)仔蝦。羅國芝等[44]運(yùn)用異位反應(yīng)器處理高體革鯻(Scortumbarcoo)RAS的固體顆粒物，獲得的生物絮體可用于鹵蟲(Artemiasp.)的營養(yǎng)強(qiáng)化。生物絮體在用作顆粒飼料原料的過程中，干燥需要消耗大量的寶貴能源，為此亦可將新鮮絮體直接投喂養(yǎng)殖動(dòng)物[43]。直接投喂新鮮絮體僅能被養(yǎng)殖動(dòng)物濾食，所以瓦格寧根大學(xué)設(shè)計(jì)了一種冰塊絮體顆粒飼料：絮體收集后，放入一排塑料孔板中，每個(gè)孔板1 g絮體，然后置于冰箱制粒成型，隨后它能夠被羅非魚攝食[49]。Liu等[40]采用2%的瓊脂溶液，在最高溫度不超過40℃的工藝條件下，設(shè)計(jì)制作了一種類似果凍的膠狀絮體顆粒飼料，并且成功地投喂給羅非魚，通過表觀消化率的實(shí)驗(yàn)證明其可被較好地消化利用氮元素。

4 結(jié)語與展望

微生物懸浮生長(zhǎng)水處理系統(tǒng)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究，早期活性污泥法的應(yīng)用形式已被固定膜水處理裝置逐步替代，當(dāng)前在RAS中主要與固定膜水處理技術(shù)組成新的水處理工藝或者用作RAS尾水處理的旁路。但是，微生物懸浮生長(zhǎng)的BFT正在被廣泛應(yīng)用，并且發(fā)揮著多種積極作用。為了解決BFT原位水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的缺點(diǎn)，微生物懸浮生長(zhǎng)的異位反應(yīng)器被應(yīng)用于資源化處理養(yǎng)殖污水和固體顆粒物質(zhì)。此外，基于異位反應(yīng)器構(gòu)建了水處理設(shè)備簡(jiǎn)單的RAS，并且成功地開展了中試規(guī)模的應(yīng)用研究。

異位反應(yīng)器用作RAS的核心水處理裝置，可以同時(shí)處理多種污染物，資源化的利用剩余生物絮體，簡(jiǎn)化RAS的裝備組成。基于異位反應(yīng)器的RAS，符合水產(chǎn)養(yǎng)殖降低成本、節(jié)約自然資源和可持續(xù)發(fā)展的需要，可能是未來的重要發(fā)展方向之一。但是，作為一種新發(fā)展的養(yǎng)殖系統(tǒng)及模式，下一步仍需不斷地優(yōu)化其工藝。此外，目前研究的熱點(diǎn)和展示的優(yōu)良效果主要集中在氮磷等污染物質(zhì)的處理和調(diào)控，仍需研究氮磷以外的物質(zhì)在養(yǎng)殖用水長(zhǎng)期重復(fù)使用過程中的積累和流動(dòng)規(guī)律，以期深刻挖掘探索微生物懸浮生長(zhǎng)水處理系統(tǒng)在工廠集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用前景。