基于不同投喂模式的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中三級(jí)生物濾池運(yùn)行效率研究?

孫雪倩， 李 麗,2??， 董雙林,2， 侯潤川， 趙 鑫

(1. 海水養(yǎng)殖教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)(中國海洋大學(xué))， 山東 青島 266003；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過程功能實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266237)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(Recirculating aquaculture systems, RAS)又稱封閉式養(yǎng)殖系統(tǒng)，是通過一系列物理、化學(xué)和生物手段，去除養(yǎng)殖池中的殘餌及養(yǎng)殖動(dòng)物的代謝產(chǎn)物等，從而實(shí)現(xiàn)水體的循環(huán)利用[1]，其對(duì)水資源的循環(huán)利用率能夠達(dá)到90%以上[2]，可實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)動(dòng)物高密度養(yǎng)殖，是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、現(xiàn)代化生產(chǎn)的有效生產(chǎn)方式，具有廣闊的發(fā)展前景[3]。

在RAS的水處理單元中，生物濾池在氨氮的去除方面起主要作用[11]，其對(duì)養(yǎng)殖廢水中氨氮有害物質(zhì)的去除效果決定整個(gè)RAS的最大養(yǎng)殖承載量[12]。廢水中某些水質(zhì)指標(biāo)可能會(huì)影響生物濾池的去除效果，例如化學(xué)需氧量(COD)、溫度和pH等。有研究表明，在高氨氮廢水條件下，COD/N的比率從0升到6時(shí)，污泥絮體硝化細(xì)菌的繁殖被抑制[13]。且在實(shí)際生產(chǎn)過程中，養(yǎng)殖池的水質(zhì)會(huì)受投餌策略的影響，呈現(xiàn)一定的變化趨勢(shì)，可能對(duì)生物濾池的去除效果產(chǎn)生影響。研究表明，不同投餌策略會(huì)改變養(yǎng)殖生物的氮磷廢物的排泄量[14]，但目前關(guān)于投餌策略影響RAS水質(zhì)及生物濾池去除效果的研究還較少，因此，探究投喂方式和水體中各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)生物濾池去除效果的影響十分必要。

多級(jí)生物濾池具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行成本低廉和抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在RAS中得到廣泛應(yīng)用[15]。但多級(jí)生物濾池可能會(huì)因其前幾級(jí)對(duì)水體中廢物去除較為徹底，導(dǎo)致其后幾級(jí)對(duì)廢物的去除效果較差，產(chǎn)生浪費(fèi)。因此，分析多級(jí)生物濾池中各級(jí)濾池的廢物去除率對(duì)優(yōu)化生物濾池結(jié)構(gòu)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

斑石鯛(Oplegnathuspunctatus)屬于高端水產(chǎn)品，在國內(nèi)具有很大的消費(fèi)市場(chǎng)，而循環(huán)水養(yǎng)殖是其主要養(yǎng)殖模式之一[16]。本文以斑石鯛RAS中的三級(jí)生物濾池為研究對(duì)象，通過對(duì)整個(gè)RAS中各單元水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，探究三級(jí)生物濾池TAN的去除效果，查明影響該三級(jí)生物濾池水處理效果的主要環(huán)境因子，為斑石鯛RAS養(yǎng)殖的調(diào)控優(yōu)化和高效運(yùn)作提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

斑石鯛RAS建于山東省萊州明波水產(chǎn)有限公司“循五”養(yǎng)殖車間，系統(tǒng)由養(yǎng)殖池、弧形篩、生物濾池、水泵、紫外消毒池和液氮罐等單元組成(見圖1)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，共7個(gè)養(yǎng)殖池，每個(gè)養(yǎng)殖池體積為30 m3。系統(tǒng)總水量約為460 m3，日換水量占總水量的5%，循環(huán)頻率為16次/d。2019年1月開始養(yǎng)殖斑石鯛，養(yǎng)殖過程中投喂斑石鯛配合飼料(賽格林魚類膨化全價(jià)配合飼料，粗蛋白≥50%、粗脂肪≥10%、粗纖維≤8%、粗灰分≤17%、賴氨酸≥2.4%、水分≤12%、總磷≥0.8%)。

生物過濾單元為三級(jí)浸沒式生物濾池(非曝氣)，第一級(jí)與第二級(jí)生物濾池側(cè)面相通，水流可直接流過(見圖1)。各級(jí)生物濾池橫截面積均為26 m2，水位高度2.8 m，各級(jí)有效體積均為72.8 m3。該生物濾池總水量約為220 m3，采用自然掛膜，濾料均采用彈性生物濾料(直徑為0.5 mm，比表面積296 m2/m3，俗稱“毛刷”)，濾料填充率為262 m/m3，水力停留時(shí)間為1 h。

(箭頭為水流方向。The arrow: the direction of water flow.)圖1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of recirculating aquaculture system

1.2 系統(tǒng)養(yǎng)殖管理

實(shí)驗(yàn)于2020年7月24日至10月9日進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)周期為77 d。斑石鯛初始平均體長(zhǎng)為18.77 cm，平均體質(zhì)量為308 g，養(yǎng)殖密度為17.29 kg/m3。實(shí)驗(yàn)初期共放養(yǎng)11 788條斑石鯛，于9月8日分池，轉(zhuǎn)移出2 764條幼魚，剩余數(shù)量為9 024條。實(shí)驗(yàn)期間，魚體生長(zhǎng)情況良好，系統(tǒng)內(nèi)無魚類死亡。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，魚體平均體長(zhǎng)為22.13 cm，平均體質(zhì)量為411 g，養(yǎng)殖密度為17.66 kg/m3。

實(shí)驗(yàn)期間采用兩種投喂模式，2020年7月24日到8月21日采用人工投喂模式，每日07：30和16：30各投喂1次；8月22日至10月9日，使用自動(dòng)化投喂機(jī)投喂飼料，從早上7：30開始，每隔1 h投喂一次，一日7次。系統(tǒng)日投喂量為29.4 kg，實(shí)驗(yàn)期間投喂量保持不變。每日8：00和17：00定點(diǎn)將養(yǎng)殖池底含有殘餌糞便的污水排放至系統(tǒng)外(見圖1)。

1.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

RAS系統(tǒng)各單元分別設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)(見圖1)。①養(yǎng)殖池出口Y；②弧形篩出口H；③第一級(jí)生物濾池出口S1；④第二級(jí)生物濾池出口S2；⑤第三級(jí)生物濾池出口S3；⑥紫外消毒池出口Z。各采樣點(diǎn)取5個(gè)不同部位不同深度水樣混合均勻。

RTAN1= (YTAN0-STAN1) /YTAN0×100%。

(1)

式中：RTAN1為TAN每小時(shí)去除率(%)；YTAN0為1 h時(shí)長(zhǎng)初始時(shí)養(yǎng)殖池出口水體TAN濃度(mg/L)；STAN1為1 h時(shí)長(zhǎng)結(jié)束時(shí)第三級(jí)生物濾池出口水體TAN濃度(mg/L)。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(X±SD)形式表示。采用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)和Levene檢驗(yàn)方法分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)、方差齊性檢驗(yàn)。若符合正態(tài)分布且方差齊，用ANOVA單因素方差分析，組間差異用Turkey進(jìn)行多重比較，以P<0.05作為差異顯著標(biāo)準(zhǔn)。采用典型判別分析(Canonical discriminant analysis, CDA)可視化水質(zhì)數(shù)據(jù)。相關(guān)性分析采用Pearson分析方法，顯著水平P<0.05。所有分析均由SPSS 25.0和R語言軟件實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 RAS各單元水質(zhì)及生物濾池對(duì)TAN的去除率

表1 斑石鯛循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體水質(zhì)參數(shù)

圖2 養(yǎng)殖池(Y)和各級(jí)生物濾池(S1、S2、S3)在前兩個(gè)判別函數(shù)上得分的二維散點(diǎn)圖Fig.2 2-dimensional scatter plot of individual scores for water quality of culture tank outlet(Y) and three-stage biofilter(S1、S2、S3) based on the first two discriminant function

2.1.3 不同投喂模式下生物濾池TAN去除率周變化規(guī)律 由圖3可知，人工投喂時(shí)TAN去除率最高為51.64%，最低為33.52%；自動(dòng)投喂機(jī)投喂時(shí)TAN去除率最高為39.63%，最低為12.98%。兩種投喂模式下，生物濾池TAN去除率具有顯著差異(P<0.05)。

2.2 養(yǎng)殖池中和及生物濾池對(duì)TAN的去除率日變化

圖3 兩種投喂模式下養(yǎng)殖池(Y)和第三級(jí)生物濾池(S3)TAN濃度及生物濾池TAN去除率周變化規(guī)律Fig.3 Weekly variation of TAN concentration in culture tank (Y) and third-stage biofilter (S3) and overall TAN removal rate in biofilter under two feeding modes

(紅色表示負(fù)相關(guān)，藍(lán)色表示正相關(guān)； 表示P<0.05， 表示P<0.01。Red means negative correlation， blue means positive correlation; means P<0.05; means P<0.01.)

圖5 兩種投喂模式下養(yǎng)殖池水體中含量變化Fig.5 The density of TAN in culture tank water under two feeding modes

兩種投喂模式下養(yǎng)殖池(Y)和各級(jí)生物濾池(S1、S2、S3)的TAN濃度的日變化見圖6，生物濾池內(nèi)，TAN的變化規(guī)律與養(yǎng)殖池相似，日間較高，夜間TAN逐漸降低。兩種投喂模式下Y與S1、S1與S2的24 h平均TAN濃度均無顯著差異(P>0.05)，Y與S2、Y與S3的TAN濃度差異顯著(P<0.05)。人工投喂時(shí)，S2與S3的TAN濃度無顯著差異(P>0.05)；自動(dòng)投喂機(jī)投喂時(shí)，S2與S3的TAN濃度差異顯著(P<0.05)。

為探究氨氮負(fù)荷對(duì)生物濾池氨氮去除效果的影響，計(jì)算了兩種投喂模式下24 h內(nèi)生物濾池每小時(shí)TAN去除率。由圖6可知，日間系統(tǒng)內(nèi)TAN負(fù)荷高時(shí)，生物濾池TAN去除率高，最高達(dá)到57.05%。夜間系統(tǒng)內(nèi)TAN負(fù)荷較低時(shí)，生物濾池TAN去除率降低。兩種投喂模式下，生物濾池每小時(shí)TAN去除率與其氨氮日變化規(guī)律相似。

圖6 兩種投喂模式下養(yǎng)殖池(Y)和各級(jí)生物濾池(S1、S2、S3)的TAN濃度及生物濾池每小時(shí)TAN去除率日變化Fig.6 Daily changes of TAN concentration in the culture tank (Y) and three-stage biofilters (S1, S2, S3) and the overall hourly TAN removal rate of the biofilter under two feeding modes

3 討論

3.1 RAS整體水質(zhì)變化情況

根據(jù)漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，養(yǎng)殖水體中非離子氨(NH3-N)濃度要小于0.02 mg/L，海水養(yǎng)殖pH應(yīng)在7.0～8.0之間[18]，海水養(yǎng)殖水體中溶解氧含量需在5 mg/L以上[19]。本實(shí)驗(yàn)中，養(yǎng)殖池平均溶解氧含量為9.11 mg/L，pH為7.3，均符合養(yǎng)殖要求。池中TAN濃度約為1.07 mg/L，水體中NH3-N在TAN中占比主要受溫度和pH影響[18]，本系統(tǒng)條件下，NH3-N含量約為(0.008 6±0.000 7) mg/L，適于水產(chǎn)養(yǎng)殖。

Taghipour等[27]比較了兩種不同類型生物濾池處理廢氣流的性能，發(fā)現(xiàn)在不同氨流入濃度下，三級(jí)生物濾池比一級(jí)生物濾池對(duì)TAN去除能力強(qiáng)、馴化時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)在計(jì)算生物濾池對(duì)TAN去除率時(shí)考慮了水力停留時(shí)間，因此并未對(duì)各級(jí)生物濾池去除率分開計(jì)算，僅計(jì)算了三級(jí)生物濾池的去除率，但本實(shí)驗(yàn)中，養(yǎng)殖池和第一級(jí)生物濾池的TAN平均濃度差異顯著，第二級(jí)和第三級(jí)生物濾池的TAN平均濃度差異顯著，24 h連續(xù)檢測(cè)結(jié)果表明養(yǎng)殖池與第二級(jí)、第三級(jí)生物濾池日平均濃度差異顯著，因此，該系統(tǒng)中各級(jí)生物濾池對(duì)TAN均有良好的去除效果，不存在功能浪費(fèi)現(xiàn)象。這與前人研究結(jié)果有一定差異，張浩天等[16]研究發(fā)現(xiàn)，斑石鯛RAS廢水經(jīng)三級(jí)生物濾池處理后，氨氮濃度由0.137～0.257 mg/L降至0.035～0.139 mg/L，且由于前兩級(jí)生物濾池對(duì)廢水處理較為徹底，導(dǎo)致第三級(jí)生物濾池可能存在浪費(fèi)現(xiàn)象。柳婷婷等[21]對(duì)硬頭鱒(Oncorhynchusmykiss)和虹鱒(O.mykiss)魚苗RAS六級(jí)生物濾池進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該生物濾池對(duì)TAN去除率高達(dá)75%，但其級(jí)數(shù)較多導(dǎo)致運(yùn)行效率降低。

殘餌的溶解和養(yǎng)殖生物代謝產(chǎn)物是水體中磷的主要來源。生物濾池中對(duì)磷酸鹽的去除與聚磷菌等異養(yǎng)細(xì)菌有關(guān)，需通過聚磷菌耗氧聚磷、厭氧除磷過程相互交替實(shí)現(xiàn)磷酸鹽的去除[32-34]。而在生物濾池生物膜形成過程中，聚磷菌因競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)導(dǎo)致含量較低，起不到除磷作用[35]。有研究表明，生物濾池中濾料的材質(zhì)也是影響其除磷效果的原因之一，不同填料對(duì)水體中磷酸鹽的去除率不同[36]。本實(shí)驗(yàn)生物濾池對(duì)含磷化合物無去除作用，可能與聚磷菌含量低、無厭氧環(huán)境、濾池中濾料材質(zhì)等因素有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了斑石鯛RAS養(yǎng)殖池中12個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，通過Pearson相關(guān)性分析得出水體中TAN濃度，與水中T、TN和TP呈正相關(guān)關(guān)系。研究表明，室溫下近海水養(yǎng)殖水體溫度越高，硝化速率越高[37]。在RAS生物濾池中，溫度對(duì)硝化作用的影響還受到水中溶解氧和TAN濃度的限制[38-39]。實(shí)驗(yàn)中養(yǎng)殖池TAN濃度與pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。硝化過程中會(huì)產(chǎn)生游離酸，可與水中的碳酸氫鹽反應(yīng)并釋放較多的CO2，游離酸和CO2溶解在水中會(huì)使水體pH降低[40]。有研究表明，弱堿性環(huán)境最適宜海水養(yǎng)殖中硝化作用的進(jìn)行[41]，pH在7.5～9.0范圍內(nèi)，RAS生物濾池生物膜上硝化效率最好[38]。Villaverde等[42]研究發(fā)現(xiàn)，浸沒式生物濾池水體pH從5.0增加到8.5，其硝化效率呈線性增加。本實(shí)驗(yàn)中養(yǎng)殖池水體pH約為7.3(見表1)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)適當(dāng)提高水體中pH有助于提高硝化速率，降低養(yǎng)殖池水中TAN濃度。

生物濾池生物膜硝化動(dòng)力學(xué)受多種因素影響，除溫度、pH外，還與有機(jī)碳化合物含量、溶解氧等因素有關(guān)[38]。本實(shí)驗(yàn)中COD對(duì)TAN濃度無顯著相關(guān)性，可能因?yàn)樵揜AS養(yǎng)殖池中COD含量較低有關(guān)。該系統(tǒng)養(yǎng)殖池采用人工增氧，DO一直保持較高水平，因此實(shí)驗(yàn)中DO對(duì)TAN濃度無顯著相關(guān)性。但相關(guān)性分析顯示，DO與TAN去除率呈顯著負(fù)相關(guān)，且DO與TAN濃度之間相關(guān)系數(shù)值為負(fù)數(shù)。陸偉強(qiáng)等[43]研究表明，水體中DO過高會(huì)抑制硝化作用，在海水RAS中，DO適宜濃度為5～7 mg/L。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，本實(shí)驗(yàn)養(yǎng)殖系統(tǒng)養(yǎng)殖池應(yīng)適當(dāng)減小增氧強(qiáng)度，降低養(yǎng)殖水體內(nèi)DO含量至適宜范圍，可能有助于提高TAN去除率。

3.2 兩種投喂模式下養(yǎng)殖池氮的日變化及生物濾池對(duì)TAN的去除情況

養(yǎng)殖生產(chǎn)中，建立最佳投喂策略對(duì)于提高養(yǎng)魚場(chǎng)效率、減少過度投喂、保持良好水質(zhì)和降低運(yùn)營費(fèi)用至關(guān)重要[44]。本實(shí)驗(yàn)中人工投喂時(shí)日投喂2次，每次投喂0.5 h后進(jìn)行排污，將一部分含有殘餌的污水排出系統(tǒng)外，養(yǎng)殖池由于水體中剩余殘餌和斑石鯛糞便的產(chǎn)生導(dǎo)致TAN濃度上升并達(dá)到峰值，池內(nèi)水體在經(jīng)過生物濾池的不斷處理，使夜間TAN濃度呈下降趨勢(shì)。Kemp等[45]研究發(fā)現(xiàn)，在具有生物過濾水浴槽的塑料箱養(yǎng)殖的龍蝦，進(jìn)食后TAN排泄率升高并出現(xiàn)明顯峰值，且TAN排泄率隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸恢復(fù)到喂食前速率。該研究與本實(shí)驗(yàn)TAN變化趨勢(shì)相似。實(shí)驗(yàn)RAS改用自動(dòng)化投喂機(jī)投喂后，投喂頻率增加，導(dǎo)致日間TAN濃度一直處于較高水平。Pedersen等[46]所研究的RAS中虹鱒連續(xù)進(jìn)食，生物濾池入口TAN日變化濃度表現(xiàn)出與本實(shí)驗(yàn)相似的晝夜趨勢(shì)。因此，不同的投喂方式使得養(yǎng)殖池內(nèi)TAN的日變化規(guī)律不同。有研究發(fā)現(xiàn)，不同投喂頻率對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)也有影響，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加投喂頻率可使水質(zhì)日變化波動(dòng)較小，提高水體穩(wěn)定性，減小養(yǎng)殖生物因水環(huán)境變化較大而產(chǎn)生的應(yīng)激[47-48]。此外，增加攝食頻率可以減少養(yǎng)殖生物應(yīng)激行為，從而減少養(yǎng)殖生物個(gè)體生長(zhǎng)的不均勻性[49]。因此，采用自動(dòng)投喂機(jī)一日多次投喂方式，能避免養(yǎng)殖池內(nèi)水體水質(zhì)變化產(chǎn)生較大波動(dòng)，減小斑石鯛?wèi)?yīng)激反應(yīng)，有利于斑石鯛生長(zhǎng)。

喂食頻率會(huì)影響魚的采食量、殘餌量、飼料利用效率，進(jìn)而影響魚的代謝物和排泄物以及水質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算了兩種投喂模式下生物濾池TAN去除率周變化規(guī)律，結(jié)果表明，采用自動(dòng)投喂機(jī)投喂時(shí)生物濾池TAN去除率明顯低于人工投喂時(shí)。Phillips等[50]發(fā)現(xiàn)，在鱸魚的集約化養(yǎng)殖中，較高的攝食頻率使養(yǎng)殖水體中TAN平均值顯著降低。本實(shí)驗(yàn)中自動(dòng)化投喂機(jī)模式TAN去除率低的原因可能是投喂頻率增加，系統(tǒng)內(nèi)TAN濃度降低，TAN負(fù)荷降低。

本實(shí)驗(yàn)中，兩種投喂模式下生物濾池每小時(shí)TAN去除率均與養(yǎng)殖池氨氮變化趨勢(shì)相似，日間去除率較高，夜間隨著TAN濃度下降而降低。Pearson相關(guān)分析也表明，TAN去除率與養(yǎng)殖廢水中TAN濃度呈正相關(guān)關(guān)系。前人研究也表明，進(jìn)水口養(yǎng)殖廢水的氨氮負(fù)荷大小影響生物濾池TAN去除率。在生物濾池清除能力范圍內(nèi)，廢水中氨氮負(fù)荷較高，濾池對(duì)TAN的去除率較高[51]。但廢水中氨氮負(fù)荷過高，會(huì)抑制硝化細(xì)菌的硝化作用，并使NH3-N在水體中積累[52]。而氨氮負(fù)荷過低，會(huì)使生物濾池最大清除能力降低，不能很好的應(yīng)對(duì)水體中TAN濃度突然升高現(xiàn)象[53]。Tirado等[54]研究表明，當(dāng)飼料負(fù)荷改變時(shí)，RAS生物濾池中微生物響應(yīng)會(huì)隨之改變。因此，在適宜范圍內(nèi)水體中較高氨氮負(fù)荷有利于提高濾池對(duì)TAN的去除率。

4 結(jié)論

(2)不同的投喂方式使得養(yǎng)殖池內(nèi)TAN的日變化規(guī)律不同，采用自動(dòng)化投喂機(jī)一日多投模式可使養(yǎng)殖池內(nèi)水質(zhì)更穩(wěn)定，有利于魚類生長(zhǎng)。在適宜范圍內(nèi)養(yǎng)殖廢水中氨氮負(fù)荷高，生物濾池對(duì)TAN的去除率也高。