基于超聲波定位技術(shù)的流化床生物濾器研發(fā)與性能分析

張海耿，劉安東，徐金鋮，高霞婷，張宇雷

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施工程重點實驗室，上海 200092)

流化床生物濾器是指通過流體將濾器中的濾料顆?；鵀V料仍停留在濾器中不被流體帶出的生物過濾器，主要用于去除養(yǎng)殖水體中氨氮等營養(yǎng)鹽，由于其具有處理效率高、占地面積小等優(yōu)勢，有望成為未來工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域主流的生物過濾器。流化床生物濾器最先由美國西弗吉尼亞淡水研究所研發(fā)而成，歷經(jīng)了垂直歧管流化床生物濾器、水平歧管流化床生物濾器、渦旋式流化床生物濾器等階段[1]，研發(fā)人員對裝置的進水方式進行了不斷的優(yōu)化與升級，以期在降低裝置運行能耗的同時，提升濾料在裝置中的流態(tài)化，進而提升該濾器的生物過濾性能。目前，對流化床生物濾器的研究主要集中在水力特性[2-3]，流態(tài)數(shù)值模擬[4-5]和水處理性能方面[6]，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在溫水和冷水條件下流化床生物濾器對氨氮的去除負(fù)荷分別達到了600～1000 g/(m3·d)和140～170 g/(m3·d)[7]，顯示出該裝置應(yīng)用于工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的優(yōu)越潛力。

流化床生物濾器一般選用的濾料粒徑較小，比表面積高達6 000～15 000 m2/m3，故濾料表面較易附著生物膜。超高的生物量豐度使得流化床生物濾器具有優(yōu)越的硝化性能，但在實際應(yīng)用過程中也帶來了一定問題。隨著生物膜的逐漸增厚，濾料的比重也會變輕，進而導(dǎo)致濾器床層高度的不斷增加，表層的濾料容易被水流帶出濾器。流化床生物濾器中濾料的不斷流失不僅會影響該裝置的水處理性能，也會增加該裝置的運行成本。

本研究研發(fā)了一種基于超聲波定位技術(shù)的流化床生物濾器，并采用高通量測序技術(shù)分析了生物濾器中細菌群落的變化，以期實現(xiàn)流化床生物濾器床層高度的穩(wěn)定，并進一步明確該生物濾器的凈水機制，為其在工業(yè)化養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 流化床生物濾器

研制了基于超聲波定位技術(shù)的流化床生物濾器裝置(圖1)，由超聲波泥位計、自清洗水泵、環(huán)形吸料管和流化床生物濾器筒體等組件構(gòu)建。筒體由上部沉淀區(qū)和下部膨脹區(qū)組成，沉淀區(qū)直徑0.9 m、高0.5 m，膨脹區(qū)直徑0.7 m、總高2.1 m、濾料放置高度0.8 m。環(huán)形吸料管位于膨脹區(qū)頂部，自清洗水泵安裝于筒體底部外側(cè)。

超聲波泥位計由超聲波探頭和控制器組成，聲波頻率為200 kHz，采用485通信，模擬輸出4～20 mA，探頭防護等級IP68，24 V供電，中文液晶顯示，測量精度1%～3%。超聲波探頭位于流化床生物濾器筒體頂部正中心，當(dāng)流化床生物濾器運行時，啟動超聲波泥位計，并在控制器中設(shè)定濾器的床層膨脹高度值，超聲波探頭實時將探頭至床層高度的距離以聲波信號反饋至控制器中。當(dāng)床層膨脹高度超過設(shè)定值時，控制器發(fā)出信號，自動開啟自清洗水泵，濾器表層的濾料通過環(huán)形吸料管流至濾器底部，在水泵葉輪的剪切作用下，濾料表面過厚的生物膜脫落，進而將濾料表面的生物膜維持在合理水平。當(dāng)床層膨脹高度低于設(shè)定值時，控制器發(fā)出信號，自動關(guān)閉自清洗水泵，通過實時控制自清洗水泵，實現(xiàn)流化床生物濾器床層高度的自動控制。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以常規(guī)流化床生物濾器為對照組(CF)，以研發(fā)的基于超聲波定位技術(shù)的流化床生物濾器為試驗組(EF)。將流化床生物濾器并聯(lián)于寶石鱸循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，并采用養(yǎng)殖水進行生物掛膜，掛膜成熟后，設(shè)計130%、150%和180% 3組床層膨脹率，監(jiān)測CF組和EF組的濾料流失和床層增高情況，試驗周期為1個月。

試驗結(jié)束后，取CF組流化床生物濾器和EF組流化床生物濾器的表層和底層樣品共4個，分別記為CF-S、CF-B、EF-S和EF-B。

1.3 指標(biāo)測定方法

1.3.1 水質(zhì)指標(biāo)

氨氮去除率，硝酸鹽氮去除率及氨氮去除負(fù)荷的計算方法如下[8]：

(1)

(2)

(3)

1.3.2 生物膜樣品分析

4個生物膜樣品總DNA提取按照傅蓮英等報道[9]的方法，采用細菌通用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對樣品16s rRNA進行PCR擴增[10]。擴增條件按照文獻[11]進行，而后在Illumina-MiSeq平臺上進行測序。測序完后，對樣品進行OTU聚類分析，采用Student T檢驗進行不同組別在屬水平的顯著性差異分析[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 床層濾料升高與流失情況

流化床生物濾器床層增高和濾料流失情況由圖2所示。

注：A代表流化床生物濾器床層增高；B代表流化床生物濾器濾料流失

本試驗設(shè)計了基于超聲波技術(shù)的濾料自清洗組件，即當(dāng)床層高度高于設(shè)定值時，通過超聲波信號控制自清洗水泵的啟停。由圖2A可知，采用基于超聲波技術(shù)的自清洗裝置時(EF組)，每周床層僅增高0.2～0.4cm，其增高數(shù)值顯著低于CF組(P<0.05)。而由圖2可知，CF組隨著床層膨脹率的增加，濾料的流失量也逐漸增加。而EF組即使床層膨脹率達到180%，每周的濾料流失量僅為38±5 g，顯著低于CF組(P<0.05)。流化床生物濾器上部為懸浮物沉淀區(qū)，流失的濾料沉降至該區(qū)域，經(jīng)清洗后可回收使用。

2.2 流化床生物濾器氨氮去除負(fù)荷分析

流化床生物濾器對TAN的去除負(fù)荷如圖3所示。

注：A代表流化床生物濾器床層增高；B代表流化床生物濾器濾料流失

流化床生物濾器生物膜成熟后，EF組和CF組進行了4個批次的TAN去除試驗，圖3A顯示了試驗系統(tǒng)水體中不同時刻下TAN質(zhì)量濃度變化。每個批次開始時，試驗系統(tǒng)水體中的平均TAN質(zhì)量濃度設(shè)計在6.46±0.05 mg/L，經(jīng)流化床生物濾器過濾后，水體中TAN質(zhì)量濃度逐漸降低。4 h后，EF組水體中的平均TAN質(zhì)量濃度從6.46±0.05 mg/L降至0.11±0.01 mg/L，而CF組水體中的平均TAN質(zhì)量濃度從6.46±0.05 mg/L降至0.39±0.13 mg/L。從TAN質(zhì)量濃度下降幅度來看，EF組和CF組呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即在第2或第3小時TAN濃度下降幅度最大，兩組TAN質(zhì)量濃度分別下降了2.35 mg/L和2.31 mg/L。

圖3B顯示了流化床生物濾器對TAN的去除負(fù)荷，每個時間段EF組和CF組的TAN去除負(fù)荷有所差異，隨著時間的推移，TAN去除負(fù)荷呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。以第一批次為例，在第1小時，EF組和CF組的TAN去除負(fù)荷分別為604.8 g/(m3·d)和430.08 g/(m3·d)，而在第3小時，TAN去除負(fù)荷分別達到了1128 g/(m3·d)和887.04 g/(m3·d)，其余批次也呈現(xiàn)相似的規(guī)律。整體而言，EF組的平均TAN去除負(fù)荷達到了762±164.33 g/(m3·d)，顯著高于CF組(P<0.05)。

2.3 流化床生物濾器進出水水質(zhì)指標(biāo)變化情況

流化床生物濾器進出水亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化如圖4所示。

注：A為亞硝酸鹽氮濃度變化；B為硝酸鹽氮濃度變化

流化床生物濾器進出水COD、堿度和溶氧質(zhì)量濃度變化如圖5所示。

注：A為COD；B為堿度；C為溶氧

圖5A顯示了試驗過程中流化床生物濾器進出水COD濃度變化情況，不同批次下水體中的COD濃度都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。在第1小時，EF組和CF組的出水COD濃度顯著低于進水，而后進出水COD濃度的差值逐漸縮小。

經(jīng)過4 h后，EF組和CF組平均出水COD質(zhì)量濃度分別為14.25±1.89 mg/L和16.75±3.1 mg/L，對COD的去除率分別達到了79.82%±2.88%和76.26%±4.67%。圖5B和圖5C顯示了流化床生物濾器進出水堿度和溶氧的變化情況，隨著時間的推移，水體中的堿度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，EF組和CF組中的堿度從140±1.97 mg/L分別下降至100.33±1.02 mg/L和100.98±1.48 mg/L。流化床出水溶氧質(zhì)量濃度顯著低于進水， EF組和CF組進出水的溶氧差值分別為4.29±0.34 mg/L和4.1±0.34 mg/L，兩組的出水溶氧最低值分別僅為0.45 mg/L和0.65 mg/L。

2.4 流化床生物濾器細菌群落結(jié)構(gòu)分析

對EF組和CF組流化床生物濾器表層和底層的濾料進行了高通量測序，表1顯示了不同區(qū)域濾料表面細菌群落門水平變化。EF組表層和底層的門水平細菌種群豐度差別不大，優(yōu)勢細菌為變形菌門(Proteobacteria，27.41%～28.93%)，放線菌門(Actinobacteriota，18.18%～21.46%)和厚壁菌門(Firmicutes，13.5%～13.71%)。 說明采用自清洗裝置后，流化床生物濾器表層和底層的濾料進行了充分的交接與接觸，濾料的流態(tài)更加均一，各區(qū)域濾料表面門水平的細菌種類也無顯著差異。

表1 不同組別細菌群落結(jié)構(gòu)組成所占比例

CF組表層和底層的細菌種群豐度有一定差別，表層細菌豐度最高的門依次為厚壁菌門(Firmicutes，33.72%)，變形菌門 (Proteobacteria，24.21%)和綠彎菌門(Chloroflexi，18.32%)，而底層細菌豐度最高的門依次為變形菌門 (Proteobacteria，30.88%)，厚壁菌門(Firmicutes，25.26%)和放線菌門(Actinobacteriota，14.09%)。流化床生物濾器不同區(qū)域細菌群落屬水平分析如圖6所示。

圖6 流化床生物濾器不同區(qū)域細菌群落屬水平分析

圖6顯示了流化床生物濾器不同區(qū)域細菌群落屬水平分析(豐度大于1%)，共篩選獲得362個微生物屬。EF組濾料表層和底層濾料表面屬水平細菌種群和豐度的差異都不大，優(yōu)勢細菌主要為赭黃嗜鹽囊菌屬(Haliangium，9.83%～9.97%)，小念珠菌屬(Candidatus_Microthrix，7.17%～8.69%)，類諾卡氏菌屬(Nocardioides，6.81%～8.34%)，norank_f_Rhizobiales_Incertae_Sedis(6.38%～8.01%)，紅桿菌屬(Rhodobacter，3.34%～3.35%)和硝化螺菌屬(Nitrospira，3.11%～3.38%)。

CF組表層和底層濾料表面屬水平細菌種群和豐度的差異都較大，而優(yōu)勢菌群的種類較為相似，主要為羅姆布茨菌(Romboutsia，7.81%～14.1%)，Clostridium_sensu_stricto_1(11.28%～12.60%)，類諾卡氏菌屬(Nocardioides，4.58%～4.77%)和紅桿菌屬(Rhodobacter，1.87%～2.44%)。

采用Student T 檢驗法對EF組和CF組濾料屬水平細菌種群進行差異性分析，獲得了差異性最顯著的15個屬(圖7)。EF組中的Haliangium，Candidatus_Protochlamydia，Nitrospira，unclassified_c_Bacteroidia和Paracoccus豐度顯著高于CF組(P<0.05)，而Clostridium_sensu_stricto_1，Turicibacter和Devosia的豐度顯著低于CF組。

圖7 不同組別屬水平差異性分析

3 討論

3.1 流化床生物濾器濾料自清洗結(jié)構(gòu)研制

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中一般采用生物濾池或移動床生物濾器作為生物過濾單元[13-14]，需通過定期沖洗或排污的方式移除脫落的生物膜或顆粒物。由于流化床生物濾器的特殊性，目前尚未有效的濾料清洗裝置，在濾器運行過程中常存在床層增高和濾料流失的問題。本研究通過采用超聲波定位技術(shù)，研制了濾料實時自清洗裝置，既實現(xiàn)了床層高度的穩(wěn)定，又減少了濾器內(nèi)部濾料的流失。流化床生物濾器在實際運行過程中，一般設(shè)計床層膨脹率為150%[15]，在該膨脹率下，采用自清洗裝置的流化床生物濾器每周的床層增高和濾料流失僅為1.8±0.3 cm 和28±12 g，比對照組分別降低了500%和350%。流化床生物濾器床層高度的穩(wěn)定不僅有利于裝置的正常運行，也會減少流失的濾料對養(yǎng)殖對象的影響。通過自清洗裝置清洗下來的微小懸浮顆粒物，在筒體上部布水擋板的作用下，隨水流沉降至沉淀區(qū)，可通過定期排污的方式將其移出流化床生物濾器。

3.2 流化床生物濾器凈水機制分析

目前，以實際養(yǎng)殖水為處理對象，移動床生物濾器對氨氮的去除負(fù)荷在34.32～186.4 (m3·d)之間[16-19]，采用模擬養(yǎng)殖水進行試驗，其結(jié)果可高達374 g/(m3·d)[20]。本試驗采用人工配水方式檢測了流化床生物濾器的硝化性能，采用自清洗裝置的流化床生物濾器對TAN的去除負(fù)荷達到了762±164.33 g/(m3·d)，其結(jié)果高于前人研究[21]。一方面，本試驗選用的濾料比表面積較高，為細菌生長提供了巨大的場所；另一方面，運用超聲波定位技術(shù)定期清洗生物膜可能有利于促進營養(yǎng)物質(zhì)和微生物之間的傳質(zhì)效率，進而提升流化床生物生物濾器的硝化性能。對照組因?qū)V料未進行處理，表層濾料的生物膜會逐漸變厚，為細菌提供生長的面積變小，進而影響了濾器的硝化效率[22-23]。

高通量測序表明，流化床生物濾器中細菌的多樣性較高，共鑒定出了362個微生物屬。兩組生物濾器都檢測出硝化螺旋菌門，在降解TAN方面起了關(guān)鍵作用[29]。另外，也篩選出具有異養(yǎng)硝化功能的菌屬，如紅桿菌屬(Rhodobacter)、硝化螺菌屬(Nitrospira)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和假單胞菌屬(Pseudomonas)等，而鑒定出的Devosia菌屬具有好氧反硝化功能，但該菌屬豐度非常低，這些菌屬共同作用于養(yǎng)殖水體中氮的轉(zhuǎn)化和COD等物質(zhì)的去除[30]。試驗研究發(fā)現(xiàn)EF組中的功能性細菌，如Nitrospira的豐度顯著高于CF組，說明將生物膜厚度維持在一定水平可能有利于功能性細菌的富集，進而提升該裝置運行時的硝化性能。

4 結(jié)論

研制了基于超聲波定位技術(shù)的濾料自清洗裝置，不僅可穩(wěn)定控制流化床生物濾器床層高度的穩(wěn)定和減少濾料的流失，也提升了濾器對TAN的去除負(fù)荷。當(dāng)水體中初始TAN為6.46±0.05 mg/L時，流化床生物濾器對TAN的去除負(fù)荷達到了762±164.33 g/(m3·d)，在此過程，未出現(xiàn)亞硝酸鹽氮的累積。與傳統(tǒng)流化床生物濾器不同，采用自清洗裝置的流化床生物濾器表層和底層濾料表面細菌種群結(jié)構(gòu)和豐度未出現(xiàn)明顯的差異，優(yōu)勢細菌主要為赭黃嗜鹽囊菌屬，Candidatus_Microthrix，類諾卡氏菌屬，norank_f_Rhizobiales_Incertae_Sedis，紅桿菌屬和硝化螺菌屬，共同作用于養(yǎng)殖水體中氨氮等營養(yǎng)物質(zhì)的去除。

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