清洗頻率對固定床生物濾器水處理性能的影響

李 葉 , 杜以帥 , 徐建平 , 邱天龍 , 周 利 , 孫建明

(1. 中國科學(xué)院 海洋研究所 實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 3. 中國科學(xué)院 海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(recirculating aquaculture system, RAS)利用一系列的水處理設(shè)備去除養(yǎng)殖水體中的有害物質(zhì), 實(shí)現(xiàn)水體的重復(fù)利用[1], 具有高效節(jié)水、環(huán)保、可控等諸多優(yōu)點(diǎn), 是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要方向之一[2-3]。RAS中養(yǎng)殖生物產(chǎn)生的代謝廢物以及殘餌是養(yǎng)殖水體的主要污染源[4]?？偣腆w懸浮物(total suspended solids, TSS)在RAS中的積累和分解礦化, 會導(dǎo)致養(yǎng)殖水體中氨氮、亞硝酸鹽氮和化學(xué)需氧量濃度升高[5-6], 從而影響?zhàn)B殖系統(tǒng)的負(fù)載及生物濾器的硝化功能[7]。因此, 快速去除RAS中的固體懸浮物, 對維持系統(tǒng)凈化效果, 避免水質(zhì)下降, 保證養(yǎng)殖生物健康生長至關(guān)重要。生物濾器是RAS成功運(yùn)行的關(guān)鍵, 對于養(yǎng)殖水體的凈化和循環(huán)再利用起到關(guān)鍵作用[8]。

固定床生物濾器比懸浮式生物濾器更穩(wěn)定, 應(yīng)用更加廣泛[9-11]。傳統(tǒng)的固定床生物濾器類型多樣,其中浸沒式生物濾器具有截留懸浮物、高效可控的優(yōu)點(diǎn), 但由于易堵塞、水流分布不均勻、老化菌膜不易排除等缺點(diǎn), 限制了其廣泛應(yīng)用[12-13]。本實(shí)驗(yàn)研究的固定床生物濾器是一種改進(jìn)設(shè)計(jì)的具有自潔功能的固定床生物濾器, 其不僅具有懸浮物截留功能,還可通過自清洗功能克服上述缺點(diǎn), 但不同清洗頻率對自潔生物濾器的水處理能力影響尚未明確, 因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的清洗頻率, 探討清洗頻率對生物濾器水處理性能的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為三套掛膜成熟的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng),結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示, 裝置由微濾機(jī)過濾裝置、蓄水池、自潔生物濾器、清洗裝置和養(yǎng)殖池組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Experimental device diagram

微濾機(jī)過濾裝置為轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī), 網(wǎng)目250目。蓄水池為圓柱形, 直徑80 cm, 高80 cm, 容積為400 L。生物濾器為圓柱形, 直徑為40 cm, 高180 cm, 由PVC材料制成, 在底部安裝篩板以支撐生物填料。生物填料為纖維球, 其具有截污能力強(qiáng)、過濾精度高等特性[14], 填料比表面積為3 000 m2/m3, 填充率為100%。清洗裝置由PVC材料制成, 下方連接篩板,上方連接電機(jī), 中間支柱部分直徑為10 cm, 高為160 cm, 中間支柱周圍制成螺旋形狀, 并采用上流式旋轉(zhuǎn)攪動填料, 轉(zhuǎn)速控制在0.5 r/s。自潔生物濾器清洗時, 清洗裝置由生物濾器頂部電機(jī)帶動, 采用上流水方式攪動填料, 同時電動閥開啟, 生物濾器出水流向微濾機(jī), 利用微濾機(jī)濾除生物濾器中經(jīng)生物膜絮凝的固體顆粒物。養(yǎng)殖池的直徑為100 cm, 水位高為50 cm, 容積為300 L, 每組設(shè)3個平行。系統(tǒng)利用液體流量計(jì)以精確控制流量, 確保每個養(yǎng)殖池水力負(fù)荷相同。

1.2 實(shí)驗(yàn)負(fù)載

養(yǎng)殖過程中的主要負(fù)載是未被攝食的殘餌和養(yǎng)殖生物的糞便。為了真實(shí)還原實(shí)際生產(chǎn)養(yǎng)殖過程, 本實(shí)驗(yàn)所用養(yǎng)殖負(fù)載是養(yǎng)殖場中所收集的凡納濱對蝦的殘餌、糞便, 每日將養(yǎng)殖負(fù)載定時、定量向養(yǎng)殖池添加, 每個養(yǎng)殖池每天大約添加干重100 g, 每套系統(tǒng)每天共加入干重300 g。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用三組掛膜成熟的自潔生物濾器裝置,自清洗頻率分別設(shè)置為0.5次/d (S1)、1次/d (S2)、2次/d (S3), 每組進(jìn)水流量為900 L/h, 養(yǎng)殖系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)為1.5次/h。每天在添加實(shí)驗(yàn)負(fù)載前, 分別在生物濾器的進(jìn)水口、出水口取水樣, 自清洗10 s后在生物濾器出水口取水樣, 進(jìn)行各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的檢測,包括氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總固體懸浮物、化學(xué)需氧量。實(shí)驗(yàn)為循環(huán)水系統(tǒng), 由于同一時間點(diǎn)生物濾器進(jìn)出水口的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度差異小, 因此實(shí)驗(yàn)取生物濾器的進(jìn)水口水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)期間溶氧(DO)保持在7.0~9.0 mg/L,溫度為15~19 , ℃ 鹽度為20, pH為7.7~8.1。

1.4 水質(zhì)指標(biāo)測定與數(shù)據(jù)分析

1.4.1 水質(zhì)指標(biāo)測定

水質(zhì)指標(biāo)的測定參照海洋監(jiān)測規(guī)范(GB 17378.4—2007)及其優(yōu)化方法, 氨氮采用納氏試劑比色法[15],亞硝酸鹽氮采用萘乙二胺分光光度法[16], 硝酸鹽氮采用紫外分光光度法[17], 總固體懸浮物采用重量法,化學(xué)需氧量采用堿性高錳酸鉀法[16], DO、溫度、pH采用YSI—556(美國)多參數(shù)水質(zhì)分析儀檢測。

1.4.2 數(shù)據(jù)分析

生物濾器污染物的去除量R和去除率η的計(jì)算公式如下:

式中,R為污染物去除量, mg/L;η為污染物去除率, %,c1為生物濾器進(jìn)水中污染物的平均質(zhì)量濃度, mg/L;c2為生物濾器出水中污染物的平均質(zhì)量濃度, mg/L。

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 采用單因素方差分析(One-way ANOVA)評價相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)顯著性差異水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±S.D.), 顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 清洗頻率對生物濾器硝化性能的影響

清洗頻率對生物濾器氨氮變化的影響如圖2a所示。圖中顯示三個處理組中的氨氮濃度變化趨勢基本一致, 均是先升高后降低最后趨于穩(wěn)定。S2處理組和S1處理組均在實(shí)驗(yàn)第8 d達(dá)到了氨氮濃度的最大值, 第8 d之后S2處理組和S1處理組的氨氮濃度迅速下降, 且S2處理組比S1處理組氨氮濃度降低的速度快。S3處理組在實(shí)驗(yàn)第6 d氨氮濃度達(dá)到最高, 且達(dá)到的最高氨氮濃度比S2處理組和S1處理組低, 第6 d之后S3處理組氨氮濃度開始下降, 實(shí)驗(yàn)最后兩天三個處理組的氨氮濃度降為0.04 mg/L左右, 差異性不顯著(P<0.05)。S3處理組的氨氮下降時間比S2處理組和S1處理組提前兩天。

圖2 不同清洗頻率實(shí)驗(yàn)組氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮變化Fig. 2 Changes of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen and nitrate nitrogen in different cleaning frequency test groups

清洗頻率對生物濾器亞硝酸鹽氮變化的影響如圖2b所示。圖中顯示三個處理組的亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢均先升高后降低最后趨于穩(wěn)定。S2處理組和S1處理組的亞硝酸鹽氮濃度達(dá)到的最大值分別為0.34 mg/L和0.67 mg/L, 而S3處理組的亞硝酸鹽氮的濃度最大值達(dá)到了2.4 mg/L。在整個實(shí)驗(yàn)期間S3處理組亞硝酸鹽氮濃度最高, S1處理組次之, S2處理組最低。S2、S1和S3處理組的亞硝酸鹽氮濃度下降時間分別為實(shí)驗(yàn)開展的第6 d、第7 d和第8 d。在實(shí)驗(yàn)開展的第5 d至第10 d, S3處理組中亞硝酸鹽氮濃度均顯著高于S2處理組和S1處理組(P<0.05), 在實(shí)驗(yàn)開展的第6 d至第9 d, S1處理組中亞硝酸鹽氮的濃度顯著高于S2處理組(P<0.05)。而S2、S1和S3處理組的亞硝酸鹽氮濃度在實(shí)驗(yàn)第11 d之后分別穩(wěn)定在0.13 mg/L、0.21 mg/L和0.26 mg/L, 差異性不顯著(P<0.05)。

清洗頻率對生物濾器硝酸鹽氮變化的影響如圖2c所示, 圖中顯示在實(shí)驗(yàn)期間三個處理組的硝酸鹽氮的濃度上下波動, 但三個處理組的硝酸鹽氮濃度總體是增加的趨勢。實(shí)驗(yàn)第1 d, 三個處理組的硝酸鹽氮無明顯差異(P>0.05), 實(shí)驗(yàn)第7 d和實(shí)驗(yàn)第14 d, S3處理組的硝酸鹽氮含量低于S1和S2處理組, 且差異性顯著(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)到第14 d S3處理組硝酸鹽氮含量分別比S1和S2處理組低了16.04%和23.01%。

2.2 清洗頻率對生物濾器截污能力的影響

2.2.1 清洗頻率對CODMn的影響

自清洗頻率對生物濾器中CODMn的影響如圖3所示。從圖中可以看出三個處理組生物濾器進(jìn)出水口的CODMn含量均隨著殘餌糞便量的增加而逐漸升高。清洗頻率不同, 三個處理組生物濾器中CODMn的含量也不同, S2處理組比S1處理組和S3處理組的CODMn含量高, 而S1處理組的CODMn含量在整個試驗(yàn)期間最低。但三個處理組生物濾器的進(jìn)水口和出水口CODMn含量均比較低, 能夠保證水體較好的清潔度。S1處理組(圖3a)對CODMn的去除率在試驗(yàn)前5 d處于波動狀態(tài), 波動范圍在5%~25%左右, 但在試驗(yàn)開展的第6 d至第14 d內(nèi)基本穩(wěn)定在12%左右。S2處理組(圖3b)中CODMn的去除率在試驗(yàn)前4 d不斷升高, 試驗(yàn)第4 d后除第11 d外, 去除率在9%左右波動。S3處理組(圖3c)中CODMn去除率不穩(wěn)定且波動范圍比較大, 其中S3處理組對CODMn的去除率在試驗(yàn)前5 d在13%~26%之間波動,試驗(yàn)開展第6 d后對CODMn的去除率在8%~25%之間波動。

圖3 實(shí)驗(yàn)期間各處理組生物濾器進(jìn)、出口CODMn去除率、平均去除量及清洗后CODMn的變化Fig. 3 Changes in the inlet and outlet CODMn removal rate, average removal volume, and CODMn after cleaning of the biofilter of each treatment group during the test

圖3d表示整個實(shí)驗(yàn)周期三個處理組的生物濾器在14 d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)進(jìn)水口CODMn總量與出水口CODMn總量差的平均量。結(jié)果顯示, S1處理組的平均去除量最低, 且與另外兩組差異性顯著(P<0.05),S3處理組平均去除量最高, 但與S2處理組之間差異性不顯著(P>0.05)。圖3e表示每兩天三個處理組清洗之后生物濾器出水口的CODMn含量, 均隨著殘餌糞便量的增加而逐漸升高。清洗后生物濾器出水口中S3處理組CODMn濃度最高, S2處理組次之, S1處理組最低, 且三個處理組之間CODMn含量差異性顯著(P<0.05)。

2.2.2 清洗頻率對TSS的影響

清洗頻率對生物濾器的TSS的影響如圖4所示。從圖4a中可以看出三個處理組生物濾器進(jìn)水口的TSS含量均隨著殘餌糞便量的增加而逐漸升高, 且S1處理組含量最高, 與另外兩組相比差異性顯著(P<0.05), S2處理組次之, S3處理組最低。圖4b顯示三個處理組生物濾器出水口的TSS含量趨勢和進(jìn)水口一致, 且S1處理組含量最高, S2處理組次之, S3處理組最低。圖4c表示整個實(shí)驗(yàn)周期三個處理組的生物濾器進(jìn)、出水口TSS平均去除量。結(jié)果顯示, S1處理組的平均去除量最高, 且與另外兩組差異性顯著(P<0.05), S3處理組平均去除量最低, 與S2處理組之間差異性不顯著(P>0.05)。圖4d表示每兩天三個處理組清洗之后生物濾器出水口的TSS含量, 均隨著殘餌糞便量的增加而逐漸升高。清洗后生物濾器出水口中S3處理組TSS濃度最高, S2處理組次之, S1處理組最低, 且三個處理組之間TSS含量差異性顯著(P<0.05)。

圖4 實(shí)驗(yàn)期間各處理組生物濾器進(jìn)、出口TSS、平均去除量及清洗后TSS的變化Fig. 4 Changes in the inlet and outlet TSS, average removal volume, and TSS after cleaning the biofilter of each treatment group during the test

3 討論

3.1 清洗頻率對生物濾器硝化性能的影響

氨氮和亞硝酸鹽氮逐步積累并達(dá)到一定的程度后會對養(yǎng)殖生物產(chǎn)生明顯的毒害作用, 因此控制水體中氨氮和亞硝酸鹽氮的濃度尤為重要[18]。水體中絕大部分的氮是通過養(yǎng)殖生物的新陳代謝作用產(chǎn)生的[19]。本實(shí)驗(yàn)中氨氮主要來源于殘餌糞便在微生物作用下的分解釋放。隨著殘餌糞便量的不斷增加, 不同的清洗頻率導(dǎo)致三個處理組具有不同的顆粒物含量, 經(jīng)過微生物的分解釋放使三個處理組的氨氮濃度產(chǎn)生差異, 這與王華等[20]關(guān)于工廠化不同密度下養(yǎng)殖生物對養(yǎng)殖水體的水質(zhì)影響的研究結(jié)果一致。隨著氨氮濃度的升高, 生物膜上微生物活性、數(shù)量和優(yōu)勢菌也增多[21], 后經(jīng)氨氧化細(xì)菌(AOB)轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮使氨氮濃度逐步下降。清洗頻率次數(shù)多去除的顆粒物量多, 減少了氨氮的釋放, 從而使S3處理組氨氮濃度比S2、S1處理組提前下降。

水體中的氨氮經(jīng)過AOB作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮,隨著殘餌糞便量的增加, 亞硝酸鹽氮的濃度逐漸升高, 后經(jīng)過亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。AOB相比NOB對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng), 世代周期短, 生長速度快, 即當(dāng)AOB的活性高于NOB時,氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮的速率大于亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮的速率時, 會造成亞硝酸鹽氮的積累現(xiàn)象[22]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, S3處理組的亞硝酸鹽氮含量在實(shí)驗(yàn)中期階段遠(yuǎn)大于S2、S1處理組。因?yàn)樯锬ど系奈⑸飼r刻在更新?lián)Q代, 老化的生物膜脫落,而生物濾器中微生物的生長代謝及活性受環(huán)境因子的影響, 進(jìn)而影響生物濾器的水處理能力[23]。S3處理組亞硝酸鹽氮中期濃度高, 分析原因認(rèn)為一方面由于NOB對環(huán)境的適應(yīng)性不強(qiáng)[24], 頻繁的攪拌會破壞NOB適宜的生長環(huán)境, 使附著在生物填料上面的NOB的繁殖代謝變慢, 無法及時補(bǔ)充生物膜上脫落的NOB; 另一方面, 頻繁的攪拌使附著不牢固的微生物脫落。但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行, 最后S3處理組的亞硝酸鹽氮濃度降低到低水平, 與S1、S2處理組無明顯差異, 說明S3處理組中微生物逐漸適應(yīng)其環(huán)境變化, 使S3處理組的微生物菌膜附著更牢固, 生物濾器的水處理能力更穩(wěn)定。

硝酸鹽氮的毒性與氨氮和亞硝酸鹽氮相比較小,有研究表明高濃度的硝酸鹽氮對養(yǎng)殖生物的生長有抑制作用, 認(rèn)為應(yīng)將硝酸鹽氮的濃度控制在50 mg/L以下的安全范圍內(nèi)[25]。本實(shí)驗(yàn)三個處理組硝酸鹽氮的濃度均在安全范圍以內(nèi)。研究表明, 當(dāng)DO<0.2 mg/L時會發(fā)生厭氧反硝化[26], 本實(shí)驗(yàn)中生物濾器的底部有可能會由于氧氣不足, 發(fā)生反硝化反應(yīng), 去除少部分的硝酸鹽氮。三個處理組初始硝酸鹽氮濃度差異不明顯, 但實(shí)驗(yàn)結(jié)束后S3處理組硝酸鹽氮含量明顯低于S1、S2處理組, 說明頻繁的清洗減少了系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)物含量, 從而減少了硝酸鹽氮的積累。硝酸鹽氮作為氮的最終產(chǎn)物, 其含量減少會降低系統(tǒng)中的氮含量, 保證生物濾器的水處理功能, 從而使水質(zhì)保持穩(wěn)定, 也為后續(xù)的尾水處理環(huán)節(jié)減輕了負(fù)擔(dān)。

3.2 清洗頻率對生物濾器截污能力的影響

CODMn反映了水體中有機(jī)物的污染程度, 含量越高, 水體受到的有機(jī)物污染越重[27]。CODMn氧化分解會消耗大量的氧氣, 加快水質(zhì)惡化進(jìn)程, 增大病害風(fēng)險[28], 因此控制養(yǎng)殖水體中的有機(jī)物含量是十分必要的。實(shí)驗(yàn)期間, S1、S2和S3處理組的生物濾器進(jìn)出水口的CODMn含量均是S1處理組最高, S2處理組次之, S3處理組最低, 說明實(shí)驗(yàn)期間循環(huán)水系統(tǒng)中CODMn含量S1處理組最高, S2處理組次之,S3處理組最低。這是因?yàn)镾1處理組清洗頻率低, 清洗之后去除的CODMn量少, 而S3處理組清洗頻率高,能將更多的CODMn量去除系統(tǒng), 從而降低系統(tǒng)中CODMn含量。生物膜屬于一個微生態(tài)系統(tǒng), 前期硝化菌和異養(yǎng)菌存在著競爭關(guān)系[21], 而隨著有機(jī)物和氮含量的升高, 異養(yǎng)菌和硝化菌維持動態(tài)平衡, 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[27]。S3處理組因?yàn)轭l繁的清洗攪拌破壞了異養(yǎng)菌和硝化菌的平衡, 硝化菌對環(huán)境的適應(yīng)能力差[24], 異養(yǎng)菌占優(yōu)勢時其降解有機(jī)物的量高, 從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)期間生物濾器進(jìn)出水口的CODMn含量波動大, 使S3處理組的CODMn的去除率較高且平均去除量高, 而S1處理組清洗次數(shù)少, 異養(yǎng)菌和硝化菌維持動態(tài)平衡, 生物濾器進(jìn)出水口的CODMn含量差異小, 因此S1處理組平均去除量低。

循環(huán)水系統(tǒng)是復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng), 殘餌糞便不及時清理, 會在水中形成懸浮顆粒, 造成填料表面阻塞、降低硝化效率, 使養(yǎng)殖水體腐殖質(zhì)積累, 易使細(xì)菌大量繁殖[29]。實(shí)驗(yàn)期間, 由于S1處理組清洗頻率低, 排出系統(tǒng)的TSS量少; S3處理組清洗頻率高, 排出系統(tǒng)的TSS量高, 導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)中TSS含量S1處理組最高, S2處理組次之, S3處理組最低, 解決了傳統(tǒng)浸沒式生物濾器易堵塞, 老化菌膜不易清除[12]的缺點(diǎn)。TSS的高效去除可以保證循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)穩(wěn)定, 縮小生物濾器的規(guī)模, 節(jié)省投資和占地面積。生物濾器出水均經(jīng)過纖維球過濾, 三個處理組填料填充率相同, S1處理組清洗頻率低導(dǎo)致生物濾器截留的顆粒物含量高, 會造成一定的堵塞, 因此導(dǎo)致S1處理組生物濾器進(jìn)出水口TSS平均去除量最高,而S2處理組次之, S3處理組最低。

4 結(jié)論

(1) 系統(tǒng)建立初期自潔生物濾器的硝化性能受清洗頻率的影響, 長期看影響較小, 差異不顯著。但由于S3處理組清洗頻率高, 減少了氮的釋放, 最終與S1、S2處理組相比硝酸鹽氮含量低, 降低了系統(tǒng)中的氮含量。

(2) 由于S3處理組清洗頻率高, 與S1、S2處理組相比能去除較多的TSS量和CODMn量, 從而使S3處理組系統(tǒng)中TSS和CODMn含量低于S1和S2處理組, 減少生物濾器的水處理負(fù)荷, 保持水質(zhì)穩(wěn)定。

(3) 綜合清洗頻率對自潔生物濾器的硝化性能和截污能力的影響, 應(yīng)適當(dāng)增加生物濾器的清洗頻率, 在本實(shí)驗(yàn)條件下自潔生物濾器自清洗頻率2次/d效果較好。