浮性與沉性生物絮團(tuán)氨氮處理能力與營(yíng)養(yǎng)組成的比較研究

譚竟宏，陸泳因，羅國(guó)芝,2,3，譚洪新,2,3，劉文暢,2,3

(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)上海市水產(chǎn)動(dòng)物良種創(chuàng)制與綠色養(yǎng)殖協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201306;3 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 201306)

生物絮團(tuán)技術(shù)是通過(guò)向養(yǎng)殖水體中添加碳源或提高飼料中的碳含量促進(jìn)硝化細(xì)菌等微生物生長(zhǎng)和對(duì)氮的吸收，將水體中浮游植物、細(xì)菌、顆粒有機(jī)物等絮凝成養(yǎng)殖對(duì)象可攝食的生物絮團(tuán)，從而起到凈化水質(zhì)的作用[1-2]。然而生物絮團(tuán)的積累會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖池底的總懸浮固體(TSS)含量增加，這會(huì)對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的攝食情況，甚至生長(zhǎng)發(fā)育等產(chǎn)生負(fù)面影響[3-6]。

傳統(tǒng)絮團(tuán)生物量的調(diào)控，通常通過(guò)添加沉降單元[7]或者絮團(tuán)脫水技術(shù)[8]排除掉密度體積較大的絮團(tuán)來(lái)達(dá)到減少系統(tǒng)TSS質(zhì)量濃度的目的。絮團(tuán)沉淀過(guò)程中，生物絮團(tuán)會(huì)逐漸分為兩部分，即浮性絮團(tuán)與沉性絮團(tuán)。浮性絮團(tuán)是因?yàn)樗w低溶氧水平、營(yíng)養(yǎng)缺乏或其他刺激絮團(tuán)生長(zhǎng)的條件導(dǎo)致絲狀微生物的快速增殖或發(fā)生絮團(tuán)的反絮凝作用形成[9-12]。沉性絮團(tuán)則是由細(xì)菌胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)粘連微生物逐漸形成的密度較大的細(xì)菌團(tuán)[13-14]。有研究表明通過(guò)沉淀調(diào)節(jié)絮團(tuán)TSS質(zhì)量濃度不會(huì)影響系統(tǒng)水質(zhì)控制能力[15]，但同樣大小的絮團(tuán)也會(huì)有不同的沉降速度[16]。目前的研究結(jié)果并不能證明沉性絮團(tuán)或者浮性絮團(tuán)各自的水質(zhì)控制能力且沒(méi)考慮沉淀的時(shí)間成本。

本研究以5 min為沉淀時(shí)間，比較了浮性絮團(tuán)和沉性絮團(tuán)的總氨氮處理能力和營(yíng)養(yǎng)組成，旨在為養(yǎng)殖中生物絮團(tuán)量的調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備以及材料

生物絮團(tuán)用魚(yú)用膨化配合飼料(通威股份公司)培養(yǎng)絮團(tuán)，所用飼料含28%粗蛋白、12%粗纖維、5%粗脂肪、15%粗灰分、0.6%總磷以及12.5%水分。18個(gè)10 L聚乙烯透明桶為容器。用透明硅膠軟管(內(nèi)徑5mm，外徑7 mm)作為曝氣管，采用大馬蹄曝氣石曝氣。馬弗爐(SR-JX3-9箱式電爐)用于灼燒絮團(tuán)。兩臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)(功率750W，森森集團(tuán)股份有限公司)。元素分析儀ELMENTAR VARIO MAX用于分析生物絮團(tuán)的碳氮元素。坩堝用于絮團(tuán)進(jìn)行灼燒。葡萄糖(C6H12O6)為碳源。碳酸氫鈉(NaHCO3)調(diào)節(jié)堿度。多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x(WTW，Multi 3430，德國(guó))用于水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)。紫外分光光度計(jì)(型號(hào)UV2000，上海尤尼柯，中國(guó))用于水質(zhì)檢測(cè)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取18個(gè)10 L聚乙烯透明水桶，有效體積為7 L，將18個(gè)桶編為6組，分別為A組、B組、C組、D組、E組、F組，每組3個(gè)平行，組內(nèi)編號(hào)為1、2、3。試驗(yàn)用上海海洋大學(xué)養(yǎng)殖技術(shù)與工程實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)培養(yǎng)好的生物絮團(tuán)，將生物絮團(tuán)沉淀5 min，取上清液42 L，平均倒入C組、F組，每組體積為7 L，每桶TSS≈150 mg/L。將原生物絮團(tuán)重新混勻沉淀5 min后，取沉淀，使用曝氣3 d以上的自來(lái)水將其稀釋?zhuān)蛊銽SS≈150 mg/L，平均倒入A組、D組，每組體積為7 L。將原生物絮團(tuán)重新混勻后，直接取用生物絮團(tuán)，加入曝氣3 d以上的自來(lái)水將其稀釋?zhuān)蛊銽SS≈150 mg/L，再將混勻后的生物絮團(tuán)平均倒入B組、E組，每組體積為7 L。

表1 各個(gè)試驗(yàn)組設(shè)置條件Tab.1 Set conditions for each experimental groups

上述各組初始?jí)A度維持在300.00 mg/L左右，兩臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)(功率750 W)為上述18個(gè)桶進(jìn)行曝氣，溶氧保持最初取樣時(shí)一致。對(duì)A、B、C、D、E、F組絮團(tuán)進(jìn)行總氨氮快速轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，即A、B、C三組分別以初始質(zhì)量濃度為10 mg/L氯化銨作為氮源，以DOC/TN(溶解性有機(jī)碳/總氮)=15加入葡萄糖作為碳源；D、E、F三組分別以初始質(zhì)量濃度為10 mg/L氯化銨作為氮源。當(dāng)每組的亞硝酸鹽氮含量下降至約為0 mg/L時(shí)，則試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)指標(biāo)與檢測(cè)方法

2.1 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

2.2 絮團(tuán)指標(biāo)測(cè)定

TSS采用稱(chēng)重法進(jìn)行測(cè)定[18]；絮團(tuán)粗蛋白和碳氮比(C/N)使用元素分析儀ELMENTAR VARIO MAX檢測(cè)氮元素含量，再換算成蛋白質(zhì)平均系數(shù)6.25[19]。粗灰分測(cè)定采用GB/T 6438—2007[20]的方法；粗脂肪采用氯仿-甲醇法[21]，脂肪酸測(cè)定采用甲酯化法[22]，水解氨基酸采用GB/T 5009.124—2003[23]前處理，上機(jī)測(cè)定(日立，L-8800，氨基酸分析儀)。

2.3 氨氮去除效率和總氨氮去除速率計(jì)算公式

R=100%×(C1-C2)/C1

(1)

S=(C1-C2)/(T×t)

(2)

2.4數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，用Origin、Adobe Illustrator軟件進(jìn)行相關(guān)圖表的繪制。試驗(yàn)數(shù)值用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)形式表示，采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)ANOVA單因素方差分析，P<0.05為差異性顯著。

3 結(jié)果

3.1 生物絮團(tuán)組分指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，如表2所示加碳源組浮性絮團(tuán)粗蛋白含量最高為(30.66±0.01)%，不加碳源組沉性絮團(tuán)粗灰分含量最高為(45.99±1.51)%，加碳源組混合絮團(tuán)粗脂肪含量最高為(4.46±0.22)%；加碳源組粗蛋白含量高于不加碳源組且粗灰分含量低于不加碳源組，而C/N低于不加碳源組。脂肪酸測(cè)定結(jié)果如表3所示，兩種條件下浮性絮團(tuán)EPA含量最高。

表2 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組生物絮團(tuán)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)含量Tab.2 The contents of bioflocs nutrient composition at the end of experiment

表3 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組生物絮團(tuán)的脂肪酸含量Tab.3 The contents of bioflocs fatty acids at the end of experiment

3.2 生物絮團(tuán)的水解氨基酸含量

如表4所示，加碳源組A、B、C中，甘氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、組氨酸、天冬氨酸組內(nèi)差異顯著(P<0.05)，不加碳源組中天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、蛋氨酸、脯氨酸組內(nèi)差異均顯著(P<0.05)。加碳源組中，浮性絮團(tuán)氨基酸含量是除了甘氨酸以外為組內(nèi)最高；不加碳源組中，浮性絮團(tuán)氨基酸含量是除了蛋氨酸以外為組內(nèi)最低。加碳源所有組中氨基酸含量高于不加碳源組。

表4 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)17種氨基酸含量Tab.4 The contents of 17 kinds of amino acids at the end of experiment

3.3 試驗(yàn)期間的水質(zhì)變化

表5 試驗(yàn)運(yùn)行期間各組主要水質(zhì)指標(biāo)的平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差Tab.5 The average and standard deviation of each primary water quality index in all treatment groups during the experiment

圖1 10mg/L總氨氮快速轉(zhuǎn)化試驗(yàn)加碳源組中A組、B組、C組的三態(tài)氮變化圖Fig.1 Dynamics of total ammonium-N(a),nitrite-N(b)and nitrate-N(c) in A,B and C duringthe adding carbon source experimental period

圖3 10mg/L總氨氮快速轉(zhuǎn)化試驗(yàn)不加碳源組中D組、E組、F組的三態(tài)氮變化圖Fig.3 Dynamics of total ammonium-N(a),nitrite-N(b)and nitrate-N(c) in D,E andF during the no adding carbon source experimental period

圖4 10mg/L總氨氮快速轉(zhuǎn)化試驗(yàn)不加碳源組中D組、E組、F組的總氮與溶解性總氮變化圖Fig.4 Dynamics of TN(a) and DTN(b) in D,E and F during the no adding carbon source experimental period

3.4 試驗(yàn)前后TSS含量變化

如圖5和圖6所示，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，兩種條件下TSS質(zhì)量濃度都上升且加碳源組增加量高于不加碳源組。加碳源組中，A組和B組前后TSS質(zhì)量濃度差異顯著(P<0.05)，C組前后TSS質(zhì)量濃度差異不顯著(P>0.05)；不加碳源組D組和F組前后TSS質(zhì)量濃度差異顯著(P<0.05)，B組TSS質(zhì)量濃度前后差異不顯著(P>0.05)。

圖5 加碳源組試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)、結(jié)束時(shí)各組TSS變化Fig 5 Dynamics of total suspended solids from beginning to end of the adding carbon source experiment

圖6 不加碳源組試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)、結(jié)束時(shí)各組TSS的變化Fig 6 Dynamics of total suspended solids from beginning to end of the no adding carbon source experiment

4 討論

4.1 沉性與浮性生物絮團(tuán)對(duì)生物絮團(tuán)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)成分比較

本試驗(yàn)加碳源組中粗蛋白含量顯著高于不加碳源組粗蛋白含量，有研究表明[24-27]添加碳源有利異養(yǎng)微生物的生長(zhǎng)以及提高生物絮團(tuán)系統(tǒng)中的生物多樣性，而異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)速率為自養(yǎng)細(xì)菌的10倍，提供了更多的菌體蛋白。所以加碳源組粗蛋白含量高于不加碳源組，與研究結(jié)論相符。本研究中加碳源組與不加碳源組中浮性絮團(tuán)粗蛋白含量最高，可能與生物絮團(tuán)中的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)的含量有關(guān)。有研究表明[28-33]EPS中蛋白質(zhì)是其主要成分，污泥的絮凝能力隨著總EPS含量的增加而降低，與本研究結(jié)果相符。試驗(yàn)前后粗灰分占比高達(dá)40%左右，吳盛凱等[34]用生物絮團(tuán)養(yǎng)殖羅非魚(yú)，研究結(jié)果表明隨著養(yǎng)殖進(jìn)程的推進(jìn)，生物絮團(tuán)的粗灰分占比不斷增加，最后占比為30%左右。本研究使用的生物絮團(tuán)來(lái)自上海海洋大學(xué)循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)與工程實(shí)驗(yàn)室，生物絮團(tuán)硝化系統(tǒng)建立到本試驗(yàn)使用距離有半年，其間一直添加碳源氮源保證其硝化進(jìn)程的運(yùn)行，本試驗(yàn)粗灰分含量在40%左右，可能是原絮團(tuán)培養(yǎng)周期長(zhǎng)，導(dǎo)致粗灰分占比的增加。

試驗(yàn)前后粗脂肪的含量變化不大，在4%左右。Kuhn等[35]通過(guò)養(yǎng)殖試驗(yàn)表明生物絮凝物之間可能存在不確定的營(yíng)養(yǎng)不一致。這一結(jié)果與Ekasari等[36]的研究結(jié)果一致，其研究表明即使粒徑較小的絮團(tuán)，粗脂肪含量也高于粒徑較大的絮團(tuán)。也有一些研究表明生物絮團(tuán)的微生物群落的結(jié)構(gòu)不同，取樣時(shí)間的不同，都會(huì)引起營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的差異[37-40]。B組、C組與E組、F組C16差異顯著(P<0.05)，A組與D組僅在C16:n7差異顯著(P<0.05)，除了E組，其余5組多不飽和脂肪酸含量都增加，且加碳源組比不加碳源組含量高，與Elrazak等[41]和Qi等[42]研究不相同，葡萄糖可能是影響細(xì)菌生長(zhǎng)和EPA生產(chǎn)率的最重要因素，添加葡萄糖會(huì)導(dǎo)致EPA含量下降。但也有研究表明脂肪酸含量與生物量以及種群豐度有關(guān)[37]。本研究中加碳源組EPA含量高于不加碳源組含量，可能是生物量以及豐度高于不加碳源組。兩種條件下，浮性絮團(tuán)的EPA含量高于組內(nèi)其余兩組，可能是浮性絮團(tuán)有更高的亞硝酸鹽積累，有研究表明pH、溫度或外界壓力等其他因素會(huì)引起細(xì)胞膜的變化且細(xì)胞膜流動(dòng)性越強(qiáng)，EPA含量越高[41,43-47]。本研究中更高的亞硝酸鹽積累可能導(dǎo)致浮性絮團(tuán)中細(xì)菌的細(xì)胞膜流動(dòng)性增強(qiáng)，所以?xún)煞N條件下浮性絮團(tuán)EPA含量為同組內(nèi)最高。

本試驗(yàn)加碳源組中，氨基酸含量高于不加碳源組，與金毅等[48]、Schneider等[49]研究結(jié)果一致，即生物絮團(tuán)中更高的碳源輸入以及更高的生物量，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的增加。加碳源組中浮性絮團(tuán)氨基酸含量除了甘氨酸以外高于其余兩組，與張揚(yáng)等[50]和Rontani等[51]研究相似，即浮性顆?？赡芎懈嗟陌被岬葼I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。不加碳源組中，浮性絮團(tuán)氨基酸含量除了蛋氨酸以外低于其余兩組，可能是因?yàn)樗w擁有更高的亞硝酸鹽氮負(fù)荷，在不加碳源的條件下，生物絮團(tuán)進(jìn)行硝化作用消耗了更多的自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，與李莉等[52]研究結(jié)果相似。

4.2 沉性絮團(tuán)與浮性絮團(tuán)對(duì)生物絮團(tuán)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化比較

浮性絮團(tuán)的增多還有一種可能性是生物絮團(tuán)發(fā)生反絮凝，導(dǎo)致絮團(tuán)密度體積粒徑變小，沉浮性變差，浮性絮團(tuán)增加[9-12]。葉繼良等[57]以轉(zhuǎn)速作為變量，通過(guò)水體剪切力切割生物絮團(tuán)，發(fā)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速組的絮團(tuán)緊實(shí)密度高，低轉(zhuǎn)速組的絮團(tuán)松散密度低，但通過(guò)氨氮快速轉(zhuǎn)化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二者對(duì)氨氮有良好的去除速率且各組之間差異不顯著。Souza等[58]發(fā)現(xiàn)生物膜的大小以及總懸浮固體的數(shù)量不會(huì)影響B(tài)FT系統(tǒng)中的硝化過(guò)程，但會(huì)造成硝化活性延遲或降低。所以本試驗(yàn)浮性絮團(tuán)的產(chǎn)生原因可能不是發(fā)生了反絮凝。

5 結(jié)論

浮性絮團(tuán)與沉性絮團(tuán)粗蛋白差異不顯著，加碳源組粗蛋白含量高于不加碳源組；沉性絮團(tuán)比浮性絮團(tuán)擁有更高的粗灰分含量，不加碳源組粗灰分含量整體高于加碳源組；加碳源后混合絮團(tuán)粗脂肪含量更高，不加碳源組中沉性絮團(tuán)粗脂肪含量更高；加碳源組與不加碳源組中，浮性絮團(tuán)具有更高的EPA含量；加碳源組中浮性絮團(tuán)氨基酸含量除甘氨酸以外高于沉性絮團(tuán)，不加碳源組中，浮性絮團(tuán)氨基酸含量除了蛋氨酸以外低于沉性絮團(tuán)；浮性絮團(tuán)比沉性絮團(tuán)具有更高的亞硝酸鹽峰值，不加碳源組氨氮去除效率高于加碳源組。應(yīng)進(jìn)一步探究沉性絮團(tuán)與浮性絮團(tuán)在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象產(chǎn)生的影響，為生物絮團(tuán)量的調(diào)控提供更優(yōu)解的方案。

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