循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)微細(xì)懸浮顆粒的分布規(guī)律研究

段姍杉，楊 晨，宋協(xié)法，黃志濤

(1 中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003；2 新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中總懸浮顆粒物(total suspended solids,TSS)的不斷積累，會對養(yǎng)殖魚類的生長產(chǎn)生不利影響，會損害魚鰓功能、降低養(yǎng)殖魚類抵御環(huán)境中有害物質(zhì)的能力[1-2]。顆粒物在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中長時間的停留會導(dǎo)致腐敗分解，消耗氧氣，同時產(chǎn)生氨氮等有害物質(zhì)，堵塞魚鰓和增加物理過濾裝置負(fù)擔(dān)，危害系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。顆粒物主要來源于飼料殘渣、糞便和細(xì)菌絮凝體等[5-6]，根據(jù)顆粒物粒徑大小將養(yǎng)殖水體的固體顆粒物分為：微細(xì)顆粒(<30 μm)、小顆粒(30～100 μm)和易沉降顆粒(>100 μm)[7-8]，其中，微細(xì)顆粒不易采用弧形篩、微濾機(jī)等物理過濾裝置從養(yǎng)殖系統(tǒng)中去除[9-11]。了解微細(xì)懸浮顆粒的質(zhì)量濃度及粒徑分布(particle size distribution,PSD)狀況，對于優(yōu)化系統(tǒng)的顆粒過濾環(huán)節(jié)、調(diào)控養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)具有重要指導(dǎo)作用。

目前，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)懸浮顆粒的研究大部分集中在養(yǎng)殖池單元[12-13]，一般在試驗規(guī)模的小型循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行，對微細(xì)懸浮顆粒的研究相對較少。本研究以穩(wěn)定運(yùn)行的大西洋鮭(Salmo salar)商業(yè)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)為例，分析了系統(tǒng)各單元微細(xì)懸浮顆粒的總數(shù)量、總體積、總表面積的變化以及粒徑分布(PSD)規(guī)律，以期為優(yōu)化固液分離技術(shù)、提高微細(xì)懸浮顆粒物的去除效率提供參考。

1 材料和方法

1.1 系統(tǒng)介紹

本試驗所取水樣來自丹麥Danish Salmon公司穩(wěn)定運(yùn)行的大西洋鮭循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(圖1)。該系統(tǒng)共有12個養(yǎng)殖池，試驗期間養(yǎng)殖密度約為43.5～45.8 kg/m3，其水處理單元包括轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)(濾網(wǎng)孔徑為40 μm)、泡沫分離器(臭氧)、滴濾池(濾料為BIOBLOK)和4級浸沒式生物濾池(濾料為BIOBLOK)、溶氧池等環(huán)節(jié)。系統(tǒng)建成于2013年，運(yùn)行穩(wěn)定，日換水量約為3%～5%，循環(huán)次數(shù)為18次/d。

圖1 大西洋鮭循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)示意圖

1.2 水樣采集及微細(xì)懸浮顆粒測定

早上8:00，在投喂前，從系統(tǒng)中進(jìn)行取樣，取樣點分別位于泡沫分離器進(jìn)水口、泡沫分離器出水口、溶氧池(也是生物濾池和養(yǎng)殖池的進(jìn)水口)、生物濾池出水口和養(yǎng)殖池出水口(圖1)。各取樣點采取混合樣品2 L，立即拿回實驗室進(jìn)行分析。取樣時間為2019年6月—7月，共8周。

采用庫爾特粒度分析儀(型號：Multisizer 4e，Beckman)測定各樣品微細(xì)懸浮固體顆粒的數(shù)量，配備50 μm微孔試管，保證測定粒度上限為30 μm。利用分析儀自帶軟件(Multisizer 4e)計算懸浮固體顆粒的總體積(V)和總表面積(S)，假設(shè)顆粒物質(zhì)均為球形，其相應(yīng)的計算公式如下：

V=4/3πr3x

(1)

S=4πr2x

(2)

式中：V—某一粒徑范圍內(nèi)顆粒的總體積，mm3；S—某一粒徑范圍內(nèi)顆粒的總表面積，mm2；r— 顆粒的半徑，mm；x—某一粒徑范圍內(nèi)的顆粒總數(shù)，個。

1.3 顆粒分布指數(shù)(β值)計算

水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)水體中顆粒的數(shù)量、表面積和體積分布與顆粒粒徑分布函數(shù)有關(guān)，且粒徑分布的函數(shù)遵循冪函數(shù)定律[14]。冪函數(shù)定律可用式(3)表示，公式左右兩邊同時取對數(shù)可得式(4)，是一條斜率為β的直線，β值的大小可用來評估顆粒均勻性及區(qū)分不同的樣品[15]。顆粒分布指數(shù)(β值)隨著水中懸浮微顆粒物含量的變化而變化，其大小反映了水中不同粒徑顆粒占總顆粒數(shù)量的比例[16]。顆粒分布(PSD)利用庫爾特粒度分析儀自帶的軟件(Multisizer)進(jìn)行分析。

(3)

(4)

式中：N— 粒徑范圍Δl內(nèi)的顆粒數(shù)量或者占總數(shù)量的百分比，%；l— 粒徑范圍Δl內(nèi)的顆粒中值等效體積徑(μm)；A—常數(shù)，數(shù)值為10；β—顆粒分布指數(shù)。

1.4 統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與分析

2.1 微細(xì)懸浮固體顆粒的變化趨勢

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)各單元微細(xì)懸浮固體顆粒數(shù)量隨時間的變化如圖2所示。

圖2 顆粒數(shù)量變化曲線

系統(tǒng)內(nèi)微細(xì)懸浮顆?？倲?shù)量的范圍為(0.36～2.11)×106個/mL。泡沫分離器進(jìn)水口、養(yǎng)殖池出水口的微細(xì)懸浮固體顆粒質(zhì)量濃度較高，平均值分別為(1.74± 0.25)×106個/mL和(1.66± 0.24)×106個/mL，生物濾池出水口的微細(xì)懸浮固體顆粒質(zhì)量濃度較小，為(5.54± 1.70)×105個/mL。溶氧池的顆粒質(zhì)量濃度處于中間水平，為(1.22±0.27)×106個/mL。泡沫分離器可以明顯減少水體中微細(xì)懸浮固體顆粒的數(shù)量，泡沫分離器出水口的顆粒數(shù)量為(8.58± 3.42)×105個/mL，去除率達(dá)到51.9%。從不同時間角度來看，泡沫分離器進(jìn)水口、養(yǎng)殖池出水口和溶氧池微細(xì)固體顆粒數(shù)量在整個試驗過程中基本保持穩(wěn)定，從第2周開始略有上升的趨勢，最后回落至試驗初始水平。泡沫分離器出水口的顆粒數(shù)量在第6、7周取樣中呈現(xiàn)了峰值(1.47×106個/mL和1.38×106個/mL)，而后又恢復(fù)到初始水平。生物濾池出水口的顆粒數(shù)量在整個試驗過程中波動很小，基本穩(wěn)定在5.50×105個/mL左右。

微細(xì)懸浮顆?？偙砻娣e呈現(xiàn)出的變化趨勢與顆粒數(shù)量相似(圖3)，系統(tǒng)內(nèi)微細(xì)懸浮顆?？偙砻娣e的范圍為(0.24～1.3)× 107mm2/mL。泡沫分離器進(jìn)水口、養(yǎng)殖池出水口的顆?？偙砻娣e相對較大，平均值分別達(dá)到(1.12 ± 0.15)× 107mm2/mL和(1.08 ± 0.14)× 107mm2/mL，生物濾池出水口的顆粒總表面積最少，僅為(4.39± 1.07)× 106mm2/mL。養(yǎng)殖水體經(jīng)泡沫分離器處理后，顆?？偙砻娣e下降至(6.17± 2.39)×106mm2/mL。溶氧池的顆粒總表面積處于中間水平，為(8.13± 2.02)×106mm2/mL。泡沫分離器進(jìn)水口和養(yǎng)殖池出水口的顆粒表面積在第2周時下降至8.70×106mm2/mL左右，后慢慢上升至試驗初期水平。溶氧池的顆?？偙砻娣e前4周穩(wěn)定在6.50×106mm2/mL左右，后逐漸上升，在第7周時達(dá)到峰值，為1.07×107mm2/mL，最后一周取樣回落至試驗初始水平。泡沫分離器出水口的顆粒表面積呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，峰值出現(xiàn)在第7周，為1.03×107mm2/mL。生物濾池出水口的顆粒表面積比較穩(wěn)定，在整個試驗過程中維持在4.40×106mm2/mL左右。

圖3 顆粒總表面積變化曲線

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)各單位微細(xì)懸浮固體體積隨時間變化的趨勢如圖4所示，系統(tǒng)內(nèi)微細(xì)懸浮顆粒總體積的范圍為(0.97～6.3)×106mm3/mL。泡沫分離器進(jìn)水口、養(yǎng)殖池出水口的顆?？傮w積相對較大，分別達(dá)到(4.76 ± 0.96)×106、(4.88± 0.943)×106mm3/mL，生物濾池出水口的顆?？傮w積相對較少，為(2.35±0.75)×106mm3/mL。養(yǎng)殖水體經(jīng)泡沫分離器處理后，懸浮顆?？傮w積下降至(2.78 ± 1.01)×106mm3/mL。溶氧池的顆粒總體積處于中間水平，為(3.58± 1.18)×106mm3/mL。除生物濾池出水口外，其他4個取樣點顆?？傮w積都呈現(xiàn)出與顆粒數(shù)量、總表面積相同的變化趨勢。泡沫分離器進(jìn)水口、泡沫分離器出水口和養(yǎng)殖池出水口顆?？傮w積均在第2周下降，后緩慢升至試驗初始水平。溶氧池顆粒總體積前4周穩(wěn)定，后逐漸升高，在第7周達(dá)到峰值5.23×106mm3/mL。生物濾池出水口的顆?？傮w積在第2周下降，后逐漸上升，在第4周達(dá)到峰值，為3.73×106mm3/mL，之后穩(wěn)定在2.30×106mm3/mL左右。

圖4 顆?？傮w積變化曲線

2.2 粒徑分布(PSD)特征

整個試驗期間各取樣點的PSD各自相對穩(wěn)定，不同采樣位置PSD差異明顯，以第3周的試驗結(jié)果為例，養(yǎng)殖系統(tǒng)不同位置的顆粒分布情況如圖5～圖7所示。數(shù)量分布方面，1～30 μm范圍內(nèi)，隨著顆粒粒徑的減小，顆粒數(shù)量迅速增加，粒徑為1～3 μm的顆粒占比為98.36%，3～15 μm的占1.63%，15～30 μm的僅占0.01%；泡沫分離器進(jìn)水口的顆粒數(shù)量略高于養(yǎng)殖池出水口的顆粒數(shù)量，說明40 μm的轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)對粒徑<30 μm的顆粒未起到去除作用；生物濾池出水口和泡沫分離器出水口的懸浮顆粒數(shù)量相對較低，明顯低于其他取樣點(圖5)。表面積分布方面，隨著粒徑的增大，顆粒的總表面呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在1～2 μm之間，顆?？偙砻娣e遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他粒徑范圍的顆?？偙砻娣e(圖6)。體積分布方面，顆粒粒徑越大，顆粒總體積越大(圖7)。

圖5 第3周系統(tǒng)內(nèi)1～30 μm顆粒PSD(數(shù)量)

圖6 第3周系統(tǒng)內(nèi)1～30 μm顆粒PSD(表面積)

圖7 第3周系統(tǒng)內(nèi)1～30 μm顆粒PSD(體積)

2.3 顆粒分布指數(shù)(β值)

β值可以反映水中不同粒徑顆粒的分布情況，當(dāng)β值較大時，表示水中粒徑小的顆粒數(shù)量相對較多；反之當(dāng)β值較小時，說明水體中大粒徑的顆粒所占的比重相對較大。很多研究利用β值分析水體中顆粒的分布狀況，一般認(rèn)為水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的β值在2～5之間[17]。而本試驗中β值的范圍是3.96～6.48(表1)，這是由于粒徑范圍的設(shè)定影響β值的大小，本試驗中設(shè)置的粒徑范圍是1～30 μm，而之前的報道粒徑設(shè)置的范圍是1～200 μm。5個取樣點的β值隨時間波動，但均值相對穩(wěn)定。泡沫分離器出水的β值顯著(P<0.05)低于其他采樣點，說明泡沫分離器去除了大量的小顆粒，所剩大顆粒的比例相對較高；充氧池的β值均值數(shù)值最高，可能是由于充氧池內(nèi)的曝氣增加了大顆粒破碎為小顆粒的概率，造成小顆粒的占比增加，從而導(dǎo)致β值的增大。

表1 顆粒分布指數(shù)(β值)

3 討論

3.1 微細(xì)懸浮顆粒對系統(tǒng)的潛在影響

固體顆粒的去除是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要課題，固體顆粒物在水體中長時間的停留會帶來一系列潛在的危害，然而由于技術(shù)所限，之前對微細(xì)懸浮顆粒(<30 μm)的研究較少，因此其對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的潛在影響也一直被忽視。本研究發(fā)現(xiàn)，大西洋鮭循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中微細(xì)懸浮顆粒中1～3 μm的顆粒物達(dá)到98%以上，顆粒數(shù)量可以達(dá)到1.70×106個/mL，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的流水養(yǎng)殖方式(5.41×104個/mL)[18]，這是由于微濾機(jī)等過濾環(huán)節(jié)很難去除30 μm以下的微細(xì)懸浮顆粒，水體中微細(xì)懸浮顆粒將循環(huán)積累。高質(zhì)量濃度的微細(xì)懸浮顆粒是否會對大西洋鮭帶來影響尚不明確，由于其是水體中異養(yǎng)微生物的主要營養(yǎng)來源，具有成為有害細(xì)菌“溫床”的潛在可能[19-20]。此外，系統(tǒng)中微細(xì)懸浮顆的總表面積達(dá)(8.4±1.3)×106mm2/mL，且隨著粒徑的增大呈先下降后上升的趨勢(圖6)，粒徑為1～2 μm的顆?？偙砻娣e遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他粒徑范圍的顆粒總表面積，由于懸浮小顆粒(<3 μm)數(shù)量非常多、比表面積大，在水體中與細(xì)菌發(fā)生碰撞和接觸的概率較高，使得細(xì)菌更易附著形成高豐度。微細(xì)懸浮顆?？梢宰鳛橄趸?xì)菌的載體，起到“濾料”的作用，這也是高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)水體中硝化細(xì)菌豐度較高的原因。

3.2 各處理單元對微細(xì)懸浮顆粒分布的影響

本試驗中水體流經(jīng)泡沫分離器后，微細(xì)懸浮顆粒物的數(shù)量、總體積和總表面積均下降約50%，這也驗證了泡沫分離器對微小懸浮顆粒物和溶解有機(jī)物有很好的去除效果[21-22]。本試驗系統(tǒng)在泡沫分離器中通入了臭氧，去除懸浮顆粒的同時起到殺菌消毒作用，目前關(guān)于臭氧是提高還是降低顆粒物的穩(wěn)定性，導(dǎo)致顆粒物粒徑變大還是變小還有爭論[23]。Guilherme等[24]研究發(fā)現(xiàn)采用臭氧可以顯著提升泡沫分離器對微細(xì)懸浮固體顆粒的去除率，Rueter等[25]也發(fā)現(xiàn)，通入臭氧可降低水體中微細(xì)懸浮顆粒物的豐度，增大大粒徑顆粒物的比例。根據(jù)本試驗泡沫分離器進(jìn)、出水口，1～5 μm微細(xì)顆粒數(shù)量PSD和總表面積PSD分布降低的趨勢(圖5、圖6)，說明通入臭氧殺死了水體中的細(xì)菌和微藻(0.5～5 μm)，而細(xì)菌和微藻都是水體中微細(xì)懸浮顆粒組成部分，死細(xì)菌和微藻更加容易被泡沫吸附去除，因此從結(jié)果上呈現(xiàn)了大顆粒比例升高，小顆粒降低的趨勢，即β值顯著(P<0.05)降低(表1)。

由于樣品保存問題，本試驗未能獲取微濾機(jī)進(jìn)、出水口水樣，可以近似認(rèn)為養(yǎng)殖池出水為微濾機(jī)進(jìn)水，泡沫分離器的進(jìn)水為微濾機(jī)的出水，可以看出兩者的顆粒數(shù)量、表面積、總體積基本沒有差異(圖2～圖4)，β值也沒有顯著性變化(P>0.05)，說明微濾機(jī)(濾網(wǎng)尺寸為40 μm)很難起到去除微細(xì)顆粒的作用，且微濾過程大顆粒破碎還可能導(dǎo)致微細(xì)顆粒數(shù)量的增加[20]，從控制循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)微細(xì)顆粒的角度考慮，不建議把微濾機(jī)篩網(wǎng)尺寸設(shè)置過小(如40 μm)。

浸沒式固定床生物濾池過濾/截留微細(xì)顆粒的作用明顯，水體流經(jīng)浸沒式生物濾池后，水體中的微細(xì)顆粒數(shù)量、體積和表面積都顯著(P<0.05)降低，β值顯著(P<0.05)降低，微細(xì)顆粒被濾料截留、吸附、聚集在生物濾池[26-27]，同時，截留的顆?？勺鳛槲⑸锔街妮d體，其表面生物膜的自然生長，從而產(chǎn)生一個生物膜屏障，將顆粒困在生物濾池的內(nèi)部[28-29]。當(dāng)截留在生物濾池內(nèi)的顆粒達(dá)到飽和時，生物濾池截留顆粒的能力會大大下降，導(dǎo)致生物濾池出水的顆粒數(shù)量大幅度增加時，則需進(jìn)行反沖洗[30]。目前各循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的生物濾池排污的周期主要是憑經(jīng)驗，很少有明確的依據(jù)，監(jiān)測出水口固體顆粒變化可能為生物濾池的排污周期的確定提供有力的依據(jù)。

4 結(jié)論

分析了大西洋鮭(Salmo salar)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)各處理單元的微細(xì)顆粒的數(shù)量、體積、表面積及其粒徑分布(PSD)的規(guī)律。顆粒數(shù)量分布方面，隨著粒徑的減小，各樣品顆粒數(shù)量迅速增加；體積分布方面，顆粒粒徑越大，顆粒總體積越大；表面積分布方面，隨著粒徑的增大，總表面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。微濾機(jī)(濾網(wǎng)尺寸為40 μm)未能起到去除微細(xì)顆粒的作用，泡沫分離器和浸沒式生物濾池都具有一定的微細(xì)懸浮顆粒截留能力，但仍不足以將整個系統(tǒng)的微細(xì)顆粒控制在低數(shù)量級。由于技術(shù)所限，目前對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)微細(xì)懸浮顆粒的研究相對較少，未來還應(yīng)該在微細(xì)懸浮顆粒對養(yǎng)殖魚類的影響，微細(xì)懸浮顆粒與懸浮微生物(free-living bacteria)之間的量級關(guān)系，以及各類型過濾裝置對微細(xì)懸浮顆粒的去除能力等方面開展研究，逐步實現(xiàn)微細(xì)懸浮顆粒的精準(zhǔn)調(diào)控。

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