碳源與微生態(tài)制劑對水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理效果

傅 鑠，劉建勇，羅東水

(廣東海洋大學水產(chǎn)學院，廣東湛江 524088)

目前我國海水養(yǎng)殖中常需投加大量人工飼料和肥料確保養(yǎng)殖對象健康生長，這些外源營養(yǎng)物被養(yǎng)殖對象吸收后，大部分以糞便的形式排至養(yǎng)殖水體中[1-2]。這些代謝產(chǎn)物及未被吸收利用的餌料和肥料對養(yǎng)殖水體的污染速度遠超水體的自凈能力，而未經(jīng)有效處理的養(yǎng)殖尾水任意排放會對海洋環(huán)境造成嚴重污染[3-6]。微生物處理法是較為常見的一種水處理方法，通過向水體中加入各種有益菌抑制病菌生長，凈化水質。常用的有益菌主要包括硝化細菌、光合細菌、芽孢桿菌、乳酸桿菌等[7-9]。其中芽孢桿菌常作為飼料添加劑應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，用來促進水產(chǎn)動物生長[10-12]，光合細菌已在多種廢水的處理中廣泛應用，例如酒廠廢水、糖廢水、市政廢水等[13]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質凈化中，大量研究表明，芽孢桿菌和光合細菌也發(fā)揮了重要作用，如關月[14]利用光合細菌中的沙氏外硫紅螺菌P2Ectothiorhodospira shaposhnikovii對養(yǎng)殖尾水進行處理，發(fā)現(xiàn)光合細菌具有脫氮除磷的功能，可以有效去除養(yǎng)殖尾水中的氨氮、磷酸鹽和硫酸鹽，潘亞均等[15]向凡納濱對蝦養(yǎng)殖池中投加枯草芽孢桿菌Bacillus subtilis，使水體中NH4+-N 濃度降低30.81%，NO2--N 濃度降低13.22%。上述研究表明芽孢桿菌和光合細菌可以對養(yǎng)殖水體及尾水實現(xiàn)凈化，減少對環(huán)境的污染。但目前在處理養(yǎng)殖尾水的問題上關于同時施用芽孢桿菌和光合細菌尚無相關報道。

生物絮團技術是目前水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較為熱門的技術，通過人為向養(yǎng)殖水體添加有機碳物質（如糖蜜、葡萄糖等），調節(jié)水體中的碳氮比(C/N)，提高水體中異養(yǎng)細菌的數(shù)量，從而達到凈化水體的目的[16-17]?？紤]到芽孢桿菌和部分異養(yǎng)光合細菌的生長和發(fā)揮作用需要充足的氧氣和碳源，一般養(yǎng)殖尾水中的碳含量較少，無法保證異養(yǎng)菌正常發(fā)揮作用。因此參考生物絮團凈化水質的原理以及周丹等[18]提出的污水脫氮工藝中外部碳源投加量簡易計算方法，本研究按照C/N=5：1 的量加入碳源，通過比較生產(chǎn)上常用的芽孢桿菌和光合細菌制劑不同比例混合使用對養(yǎng)殖尾水的處理效果，探究在實際應用中同時采用芽孢桿菌和光合細菌制劑作為水質改良劑，進行養(yǎng)殖尾水凈化的可行性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 養(yǎng)殖尾水

實驗在湛江市徐聞縣某對蝦養(yǎng)殖場進行，實驗用水為某對蝦養(yǎng)殖場日常排放的尾水。

1.1.2 實驗藥品

本實驗所采用的芽孢桿菌為南華千牧公司生產(chǎn)的芽孢桿菌制劑，主要成分為枯草芽孢桿菌Bacillus subtilis，濃度為5×1010cfu·g-1，光合細菌為南華千牧公司生產(chǎn)的光合細菌菌液，主要成分為液態(tài)沼澤紅假單胞菌Rhodopseudomonas palustris，有效活菌數(shù)量大于1×1010個·mL-1，碳源為山東西王糖業(yè)生產(chǎn)的一水葡萄糖（含C 量為40%）。

1.2 實驗方法

1.2.1 碳源與微生態(tài)制劑處理尾水方法

實驗在容積為100 L 的桶中進行，實驗水體為60 L，實驗前測量各項初始指標。根據(jù)本實驗所用復合芽孢桿菌制劑和光合細菌的使用說明，結合鄒文娟等[19]、鄭亞君等[20]的研究結果，設定了A、B、C、D 共4 個實驗組，其中A 組復合芽孢桿菌制劑和光合細菌濃度分別為0.1 g·m-3和1 mL·m-3，B 組復合芽孢桿菌制劑和光合細菌濃度分別為0.1 g·m-3和10 mL·m-3，C 組復合芽孢桿菌制劑和光合細菌濃度分別為1 g·m-3和1 mL·m-3,D 組復合芽孢桿菌制劑和光合細菌濃度分別為1 g·m-3和10 mL·m-3，每組設置3 個重復，實驗時24 h 曝氣。對照組為未經(jīng)任何處理的養(yǎng)殖尾水，24 h 曝氣。復合芽孢桿菌使用前需進行活化，活化方法為：將菌：紅糖：水按照0.5：1.5：25 比例混合活化3 h，光合細菌使用前進行光照3 h。測定初始總無機氮后，以有機碳含量為總無機氮5 倍的原則向水體中加入葡萄糖作為碳源。

1.2.2 指標測定方法

本實驗共持續(xù)9 d，實驗從第1 天起每隔2 d 進行水質測定，測定指標包括氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）和活性磷酸鹽（PO43--P）等。各項指標的測定方法均按照中華人民共和國農業(yè)部制定的《海水養(yǎng)殖尾水排放要求》（SC/T 9103-2007）中推薦的檢測方法進行，即NH4+-N 采用靛酚藍分光光度法，NO3--N 采用鋅-鎘還原法，NO2--N 采用萘乙二胺分光光度法，PO43--P 采用磷鉬藍分光光度法[21-22]進行測量?？偀o機氮為氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮測定結果之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并作圖，采用SPSS 2019 軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（ANOVA），所得結果均以平均值±標準差（Mean±SD）表示，以P＜0.05 作為差異顯著水平。

本研究中各實驗指標的去除率均用下列公式計算：

式中：C1 為尾水處理前各項指標的初始測量值，mg·L-1；C2 為尾水經(jīng)處理后各項指標的終末測量值，mg·L-1。

2 結果與分析

2.1 原水體指標

原水體質量指標如下：亞硝酸鹽氮為0.169±0.009 mg·L-1、氨氮為1.107±0.018 mg·L-1、活性磷酸鹽為0.256±0.010 mg·L-1、硝酸鹽氮為0.508±0.036 mg·L-1、總無機氮為1.783±0.050 mg·L-1。污水富營養(yǎng)化較嚴重，其中活性磷酸鹽含量已經(jīng)超標，總無機氮濃度也接近超標水平，水體呈黑色且透明度低。

2.2 不同濃度芽孢桿菌和光合細菌處理養(yǎng)殖尾水氮磷效果的比較

2.2.1 活性磷酸鹽

活性磷酸鹽處理效果如圖1 所示，包括對照組在內各組的濃度在實驗開始第1 天后出現(xiàn)下降，之后對照組的濃度趨于穩(wěn)定，去除率達到40%，處理組的濃度顯著降低（P＜0.05）。各處理組在實驗開始5 d 后去除率均達90%以上。

圖1 碳源和微生態(tài)制劑對活性磷酸鹽處理效果Fig.1 Effects of carbon sources and microecological agents on active phosphate treatment

2.2.2 硝酸鹽氮

硝酸鹽氮處理效果如圖2 所示，各處理組的硝酸鹽氮濃度均一直下降，第5 天時去除率達49%～60%。第7 天后處理組硝酸鹽氮濃度趨于平穩(wěn)，去除率達60%左右，而對照組硝酸鹽氮濃度呈先升高后下降的趨勢，第9 天時去除率達到80%，處理效果優(yōu)于處理組。

圖2 碳源和微生態(tài)制劑對硝酸鹽氮處理效果Fig.2 Effects of carbon sources and microecological agents on nitrate nitrogen treatment

2.2.3 亞硝酸鹽氮

亞硝酸鹽氮處理效果如圖2 所示，隨著時間增加，對照組的亞硝酸氮濃度逐漸升高，各處理組的濃度在實驗1 d 后先升高，之后顯著降低，各處理組在處理5 d 后去除率達90%以上。除濃度最低的A 組（芽孢桿菌和光合細菌添加濃度為0.1 g·m-3和1 mL·m-3）外，各處理組之間處理效果無顯著差異。

圖3 亞硝酸鹽氮處理效果Fig.3 Effects of carbon sources and microecological agents on nitrate nitrogen treatment

2.2.4 氨氮

氨氮處理效果如圖4 所示，包括對照組在內各組濃度在實驗開始逐漸下降。處理1 d 后對照組的去除率為17.63%，各處理組去除率均在56%左右。處理5 d 后，除濃度最低的A 組（芽孢桿菌和光合細菌添加濃度分別為0.1 g·m-3和1 mL·m-3）外，其余各處理組的去除率均達90%以上，對比對照組去除率為39.00%，處理效果顯著。

圖4 芽孢桿菌和光合細菌處理養(yǎng)殖尾水氨氮效果圖Fig.4 Effects of carbon sources and microecological agents on ammonia nitrogen treatment

2.2.5 總無機氮

對于總無機氮，對照組的濃度無明顯變化，各處理組濃度隨處理時間增加逐漸下降，第3 天開始，除最低濃度處理組A 組（芽孢桿菌和光合細菌添加濃度分別為0.1 g·m-3和1 mL·m-3）效果較差外，其余處理組之間并無顯著差異。處理5 d 后，各處理組總無機氮去除率達70%以上。處理7 d 后各處理組總無機氮濃度趨于平穩(wěn)，去除率均達到80%以上。

圖5 芽孢桿菌和光合細菌處理養(yǎng)殖尾水總無機氮效果圖Fig.5 Effects of carbon sources and microecological agents on total inorganic nitrogen treatment

2.3 最優(yōu)處理成本計算

本研究對光合細菌和芽孢桿菌添加碳源的狀態(tài)下進行養(yǎng)殖尾水氮磷處理效果的最優(yōu)成本進行了計算。綜合考慮處理成本和各指標處理效果，最終選擇C 組（復合芽孢桿菌制劑和光合細菌濃度分別設置為1 g·m-3和1 mL·m-3）作為最佳處理組，最優(yōu)處理時間為5 d。在此處理條件下，活性磷酸鹽、亞硝酸鹽氮、氨氮去除率均達85%以上，總無機氮去除率達80%以上，硝酸鹽氮去除率達50%以上，除硝酸鹽氮外，其余指標相較于對照組均顯著下降。

按照本實驗所用尾水總無機氮濃度1.783 mg·L-3進行計算，養(yǎng)殖池塘深度以1.5 m 計，則處理面積為1 hm2的養(yǎng)殖池塘尾水所需葡萄糖、芽孢桿菌和光合細菌量分別為22.31 kg、1 kg 和1 L。葡萄糖價格以3 元·kg-1計，則總價為66.93 元·hm-2，芽孢桿菌價格以13 元·kg-1進行計算，為13 元·hm-2，光合細菌價格以5 元·kg-1計，為5 元·hm-2，所需總價為84.93 元·hm-2。

3 討論與結論

3.1 對照組指標變化情況

在本實驗中，與以往研究結果不同的是，不僅添加微生態(tài)制劑和碳源的實驗組中各項指標有所下降，對照組的指標也發(fā)生了較大的變化[9,19]。這可能是因為本實驗中所采用的海水為從養(yǎng)殖池塘日常排放尾水中收集得到的，并且實驗過程中對照組也一直處于充氧狀態(tài)，從而導致了實驗結果中對照組出現(xiàn)顯著變化的現(xiàn)象。在對蝦的養(yǎng)殖過程中，通常會使用大量微生態(tài)制劑，使得排放的尾水中含有大量的菌[23-24]，自然條件下的水體本身也會存在許多微生物，導致本實驗所用尾水中含有某些細菌[25-26]。在正常情況下這些細菌由于缺少氧氣而無法發(fā)揮其本身的作用，而在本實驗中，對照組和實驗組均處于曝氣狀態(tài)，因此在大量充氧的情況下，此類細菌活力增強，導致本實驗中對照組的各項指標發(fā)生了明顯的變化。

本實驗中，對照組除亞硝酸鹽氮和總無機氮外其余各項指標均出現(xiàn)一定下降，其中處理9 d 后硝酸鹽氮去除率顯著高于處理組，但活性磷酸鹽和氨氮的去除率自實驗開始后均顯著低于對照組。肖煒等[27]、王博等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在水體中，亞硝酸鹽氮的毒性較大，濃度過高時會導致養(yǎng)殖對象患病甚至死亡，而硝酸鹽氮的毒性較弱。這表明僅采用曝氣的方式雖然可以降低部分污染物的濃度，但處理效果遠低于添加微生態(tài)制劑和碳源進行處理的方法。并且曝氣使得在水體中毒性更大的亞硝酸鹽氮的含量顯著增加，可能對水體造成更為嚴重的污染。

3.2 添加碳源情況下光合細菌和芽孢桿菌協(xié)同處理養(yǎng)殖尾水效果

有研究表明在養(yǎng)殖過程中添加芽孢桿菌和光合細菌可對養(yǎng)殖水體實現(xiàn)凈化，增加養(yǎng)殖產(chǎn)量，減少對環(huán)境的污染。但光合細菌不能分解大分子有機物，只能分解小分子有機物，而芽孢桿菌不能分解小分子有機物，但能將大分子有機物分解成小分子有機物和氨基酸等[29]，因此如果同時使用芽孢桿菌和光合細菌，效果更加明顯。

鄒文娟等[19]對光合細菌和枯草芽孢桿菌在污水處理效果進行研究，發(fā)現(xiàn)混合菌對氨氮、亞硝酸鹽氮和化學需氧量的處理效果優(yōu)于單菌組。羅勇勝等[30]對光合細菌與芽孢桿菌協(xié)同凈化模擬養(yǎng)殖水體的效果進行研究，發(fā)現(xiàn)光合細菌與芽孢桿菌協(xié)同效果明顯，混合菌組降解氨氮和亞硝酸鹽氮的能力都強于單菌組，處理7 d 時對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率分別達到了35.38%和81.05%。本研究采用光合細菌與芽孢桿菌對養(yǎng)殖尾水進行處理，發(fā)現(xiàn)混合菌可有效去除尾水中的氨氮、亞硝酸鹽氮、總無機氮和活性磷酸鹽，與前人研究結果相似。且由于本研究所用材料為日常養(yǎng)殖排放的尾水，組成成分較為復雜，因此還通過添加碳源和曝氣的方式保證光合細菌與芽孢桿菌的處理效果，發(fā)現(xiàn)處理5 d 時，各處理組對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率均達90%以上。

3.3 養(yǎng)殖尾水處理方法的選擇

目前養(yǎng)殖尾水的處理方法主要是物理處理法、化學處理法和生物處理法[31]。物理處理法可以快速去除懸浮物，但其過程一般較復雜，主要包括曝氣、過濾、沉淀、吸附以及泡沫分離技術等。其中機械過濾技術和泡沫分離技術廣泛應用于工廠化養(yǎng)殖尾水處理中[32]。通常情況下，采用物理處理法進行尾水處理需要購置和建設相應的設施設備，前期成本較高，如常用的泡沫分離器和蛋白分離器價格達上萬元，普通中小規(guī)模養(yǎng)殖戶難以承擔。

化學處理方法是在水體中添加各種化學試劑進行消毒，主要有高錳酸鉀、甲醛、生石灰、漂白粉、臭氧以及電化學方法等[32]。使用化學制劑作為水質改良劑，雖然可以凝絮、中和微小的懸浮膠粒等污染物及有效殺死水體中的致病菌，但也會殺死水中的有益菌，易對環(huán)境造成二次污染[33]。并且化學制劑的價格和用量均較高，目前普通養(yǎng)殖戶多選用生石灰和漂白粉進行養(yǎng)殖水質的凈化。對于養(yǎng)殖尾水，根據(jù)先前的研究結果[34-36]，處理同樣指標的養(yǎng)殖池塘尾水需要生石灰和漂白粉的量分別為0.3 g·L-1和0.2 g·L-1左右，生石灰按800 元·t-1計算，處理費用為240 元·hm-2，漂白粉按照計算2 200 元·t-1計算，處理費用為440 元·hm-2，均遠超本研究同時使用碳源和微生態(tài)法處理費用。若普通養(yǎng)殖戶長期使用生石灰和漂白粉會增加養(yǎng)殖成本，降低養(yǎng)殖收益。

對比化學處理法的高成本以及對環(huán)境可能造成的二次污染，物理成本過程復雜，前期成本大的缺點，采用微生態(tài)制劑與添加碳源的方法處理養(yǎng)殖尾水的成本較低，有利于在各級養(yǎng)殖戶中進行推廣。