摘要為探究膜生物一體化設(shè)備(MBR)凈水技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖池塘尾水的處理效果,使用MBR對(duì)河蟹養(yǎng)殖尾水進(jìn)行處理,并與微曝氣技術(shù)處理池塘進(jìn)行比較。于2023年6—10月對(duì)養(yǎng)殖池塘(AP)、微曝氣處理池(MAP)和MBR處理池(MBR-P)的總磷(TP)含量、溶解性總磷(TDP)含量、總氮(TN)含量、氨氮( 含量、硝酸鹽(
)含量、亞硝酸鹽(
)含量、溶解性總氮(TDN)含量、高錳酸鹽指數(shù)(
)、懸浮物(SS)含量
和水溫(WT)進(jìn)行檢測(cè)。采用主成分分析研究不同水質(zhì)參數(shù)與各月份、池塘間的關(guān)系。結(jié)果表明,MBR和微曝氣技術(shù)均能有效凈化養(yǎng)殖尾水。不同月份MBR技術(shù)對(duì)總氮和總磷的去除率分別為 5 4 . 9 0 % ~ 8 7 . 9 9 % 和 2 5 . 0 0 % ~ 9 1 . 3 0 % ,微曝氣技術(shù)對(duì)總氮和總磷的去除率分別為 2 6 . 2 7 % ~ 7 9 . 8 6 % 和 1 4 . 2 9 % ~ 8 0 . 0 0 % 。與微曝氣技術(shù)相比,膜生物一體化設(shè)備對(duì)主要污染物氮和磷具有更好的去除效果。該研究結(jié)果為MBR技術(shù)在養(yǎng)殖尾水處理中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞養(yǎng)殖尾水;MBR;微曝氣;水質(zhì)參數(shù);凈水技術(shù)中圖分類號(hào)S714文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 0517-6611(2025)08-0205-04doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2025.08.042
開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
AbstractInodertoivestgatehereatmentfectofmembraneio-reactor(MBR)equipmentwaterpurificationtecoloyonthetailwater ofaquacultureponds,tetailwaterofrivercrabaquaculturewastreatedbyusingMBR,anditwascomparedwithmicroaerationteology treatmentpodotalososotentotaloledosostettalgenteog ( -N)content,nitrate (
)content,nitrite(
)content,total dissolved nitrogen (TDN)content,permanganate index (
),suspended solids (SS) content,
and water temperature (WT) were detected in the aquaculture pond (AP),micro-aeration pond (MAP) and MBRtreatmentpond(MBR-P)respectivelyfromJunetoOctoberof2O23.Theprincipalcomponentanalysiswasalsousedtorevealtherelationshipbetweendiferentwaterqaltfactosandthepondsinachonth.TeresultsshowdtatbothMBR,andmicro-aerationtraet technologiescould efectivelypurifytheaquaculture tailwater.TheremovalrateofTNand TPin diffrent monthswere 5 4 . 9 0 % - 8 7 . 9 9 % and (204號(hào) 2 5 . 0 0 % - 9 1 . 3 0 % for MBR,respectively,and 2 6 . 2 7 % - 7 9 . 8 6 % and 1 4 . 2 9 % - 8 0 . 0 0 % for micro-aeration,respectively.Compared with the micro-erationtecologadetermoaltoneainltantsrogendosousissudoviddttat and theoretical basis for the application of MBR in the treatment of aquaculture tail water.
Key wordsAquaculture tailwater;MBR;Micro-aeration; Water quality parameters; Water purification technology
隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模在我國(guó)日益擴(kuò)大,由于集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的高密度、高投入模式而產(chǎn)生的尾水污染問(wèn)題受到學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。養(yǎng)殖尾水中包含養(yǎng)殖殘餌、生物糞便、死亡生物、?;贰B(yǎng)殖藥物和殺蟲(chóng)劑等,這些有機(jī)/無(wú)機(jī)污染物一旦流入自然生態(tài)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致區(qū)域地下水、河流和海洋水質(zhì)受到直接或間接的污染[2]在淡水養(yǎng)殖中,包含氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽在內(nèi)的含氮物質(zhì)、有機(jī)物以及溶解性總磷等是水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中的主要污染物[3]。在自然條件下,養(yǎng)殖尾水中的污染物一般很難自我降解并實(shí)現(xiàn)水體自凈,尤其是污染情況較為嚴(yán)重的尾水,需要利用水質(zhì)凈化設(shè)備或生物凈水技術(shù)等對(duì)其進(jìn)行處理才能有效減少養(yǎng)殖尾水對(duì)環(huán)境的污染[4]。因此,如何有效、低成本地處理/凈化養(yǎng)殖尾水成為實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖可持續(xù)化的關(guān)鍵因素。
膜生物一體化設(shè)備(簡(jiǎn)稱MBR)是一種全新的尾水處理裝置,利用膜過(guò)濾技術(shù)對(duì)水中的多價(jià)鹽和有機(jī)污染物進(jìn)行高效截留,采用AO生物處理工藝去除氨氮、有機(jī)物等污染物[5-6]。MBR的A級(jí)池能夠有效地將污水中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化分解成 ,同時(shí)利用有機(jī)碳作為電子供體,將
轉(zhuǎn)化成
,而且還能利用部分有機(jī)碳源和
合成新的細(xì)胞物質(zhì),依靠原水中存在的較高濃度有機(jī)物完成反硝化作用,最終消除氮的富營(yíng)養(yǎng)化污染。盡管有機(jī)物濃度已大幅度降低,但仍有一定含量的有機(jī)物及較高含量的
存在。為了使有機(jī)物得到進(jìn)一步氧化分解,同時(shí)在碳化作用完成的情況下使硝化作用能順利進(jìn)行,MBR的O級(jí)池將有機(jī)負(fù)荷較低的好氧生物接觸氧化池,O級(jí)池中好氧微生物及自氧型細(xì)菌(硝化菌)利用有機(jī)物分解產(chǎn)生的無(wú)機(jī)碳或空氣中的
作為營(yíng)養(yǎng)源,將污水中的
轉(zhuǎn)化成
;隨后,0級(jí)池的出水部分回流到A級(jí)池,為其提供電子受體,通過(guò)反硝化作用最終消除氮污染[。因此,基于MBR強(qiáng)大的脫氮去磷能力,有望在養(yǎng)殖尾水處理方面得到推廣應(yīng)用。
微曝氣技術(shù)是一種新型的污水處理技術(shù),能有效增加水體溶氧量,抑制藻類生長(zhǎng),以達(dá)到修復(fù)廢水生態(tài)的目的[7]目前,該技術(shù)已經(jīng)較為成熟,且在污水處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8]。然而,目前關(guān)于MBR對(duì)養(yǎng)殖尾水的處理研究報(bào)道較少。筆者分別利用MBR與微曝氣技術(shù)對(duì)河蟹養(yǎng)殖池塘尾水進(jìn)行處理,并對(duì)處理后的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),評(píng)估新型凈水技術(shù)MBR對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的處理效果,并將其與微曝氣技術(shù)處理的尾水水質(zhì)進(jìn)行比較,旨在為MBR技術(shù)的推廣及其在養(yǎng)殖尾水處理中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐與理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1池塘條件試驗(yàn)在江蘇省南京市浦口區(qū)后圩村某河蟹養(yǎng)殖池塘進(jìn)行,選用經(jīng)生石灰清塘、暴曬7d后,底質(zhì)相同,養(yǎng)殖密度、生產(chǎn)管理模式相同、面積 的成蟹養(yǎng)殖池塘2個(gè)(池塘A、B)。從養(yǎng)殖池塘A(AP)抽取養(yǎng)殖水,通過(guò)MBR膜生物一體化設(shè)施進(jìn)行處理(MBR-P);池塘B共設(shè)置2組微曝氣裝置,每組20個(gè)膜組件,對(duì)其中的養(yǎng)殖水進(jìn)行處理(MAP)。
1.2采樣方法在養(yǎng)殖池塘(AP)、MBR處理池(MBR-P)和微曝氣處理池(MAP)分別設(shè)置采樣點(diǎn),其中AP和MAP在池塘上風(fēng)口、中央?yún)^(qū)域和下風(fēng)口設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn),MBR-P在出水口處設(shè)置采樣點(diǎn)。使用取水器進(jìn)行水樣采集,保存后進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)檢測(cè),于2023年6—10月進(jìn)行水樣收集和檢測(cè)。
1.3水質(zhì)檢測(cè)對(duì)收集的水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè),檢測(cè)的水質(zhì)參數(shù)包括總磷(TP)含量、溶解性總磷(TDP)含量、總氮(TN)含量、氨氮( 含量、硝酸鹽(
)含量、亞硝酸鹽(
)含量、溶解性總氮(TDN)含量、高錳酸鹽指數(shù)(
)、懸浮物(SS)含量
和水溫(WT)。水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)由江蘇皓安生態(tài)科技有限公司完成。
1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析使用R語(yǔ)言(R4.12)和SPSS2020 軟件(IBMCo.,USA)完成。
2結(jié)果與分析
2.1水質(zhì)參數(shù)如表1所示,AP中總氮含量8月、10月較高,分別為3.18和 ;經(jīng)過(guò)MBR和微曝氣處理后MBR-P和MAP中總氮含量在每個(gè)月份均明顯降低。AP中總磷含量10月較高,為
;經(jīng)過(guò)處理后,除了6月MAP中總磷含量不變外,其他月份MBR-P和MAP中總磷含量均明顯降低。AP中氨氮含量在7月、8月和10月較高,分別為
月MBR-P和MAP中氨氮含量與AP相比均明顯降低。AP中高錳酸鹽指數(shù)8月最高(
,9月最低
,其余月份為
與AP相比,除了6月MBR-P中高錳酸鹽指數(shù)上升外,其余月份MBR-P和MAP中高錳酸鉀指數(shù)均明顯降低。在溶解性總磷方面,MBR和微曝氣處理表現(xiàn)出較好的去除效果。從溶解性總氮含量來(lái)看,AP在8月和10月較高,分別為3.09和
,而在MBR-P和MAP中溶解性總氮含量均低于
。在懸浮物、硝酸鹽和亞硝酸鹽方面,MBR和微曝氣處理未表現(xiàn)出明顯的去除效率,這可能是由于檢測(cè)值太低所致。
2.2氮磷去除率為了更好地比較MBR和微曝氣裝置對(duì)養(yǎng)殖尾水的去除效率,基于以上檢測(cè)的水質(zhì)參數(shù),篩選出總氮、氨氮、總磷和溶解性總磷作為主要污染指標(biāo),并計(jì)算出MBR-P和MAP對(duì)其去除率。從圖1可以看出,6—10月MBR-P對(duì)總氮的去除率為 5 4 . 9 0 % ~ 8 7 . 9 9 % ,MAP對(duì)總氮的去除率為 2 6 . 2 7 % ~ 7 9 . 8 6 % ;除了6月水體中氨氮去除率較低外,其他月份MBR-P對(duì)氨氮的去除率為 6 2 . 5 7 % ~ 9 3 . 9 4 % ,MAP對(duì)氨氮的去除率為 4 3 . 6 9 % ~ 9 0 . 7 9 % ;MBR-P對(duì)總磷的去除率為 2 5 . 0 0 % ~ 9 1 . 3 0 % ;MAP除了在6月未對(duì)總磷產(chǎn)生去除效果外,7—10月對(duì)總磷的去除率為 1 4 . 2 9 % ~ 8 0 . 0 0 % :在溶解性總磷方面,MBR-P在6月對(duì)其去除率為 7 3 . 3 3 % ,而MAP對(duì)其去除率僅 6 . 6 7 % 。
2.3水質(zhì)參數(shù)主成分分析為了可視化MBR和微曝氣技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖池塘尾水的處理效果,對(duì)檢測(cè)的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了主成分分析(PCA)。如圖2所示,前2個(gè)變量PC1和PC2分別解釋了主成分的 8 7 . 1 2 % 和 1 0 . 2 0 % ,共解釋了總變量的
9 7 . 3 2 % ,表明該結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在PC1軸上,懸浮物(SS)含量、溶解性總氮(TDN)含量和總氮(TN)含量具有較高的絕對(duì)特征值,分別為0.96、0.18和0.17;在PC2軸上,高錳酸鹽指數(shù)( )、總氮(TN)含量和溶解性總氮(TDN)含量具有較高的絕對(duì)特征值,分別為0.84、0.32和0.31。
Fig.1Removalatesoftotaltrogenmoarogentotalopusnddssedtotaloousb-Pndrat
3討論
集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的尾水污染問(wèn)題已經(jīng)被多次報(bào)道,其排放會(huì)導(dǎo)致自然水體富營(yíng)養(yǎng)化、藥殘風(fēng)險(xiǎn)以及養(yǎng)殖水產(chǎn)品食品安全等問(wèn)題,對(duì)海洋與淡水生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅[1]淡水養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的重要組成部分,成功的淡水養(yǎng)殖通過(guò)生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)的整合來(lái)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)的可循環(huán)[9]。水體富營(yíng)養(yǎng)化是養(yǎng)殖尾水污染的關(guān)鍵問(wèn)題之一,尤其是氮磷的積累已經(jīng)成為制約全球水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)之一[10]。集約化的水產(chǎn)養(yǎng)殖不可避免會(huì)導(dǎo)致池塘中氮磷的積累,高密度、高投喂的養(yǎng)殖活動(dòng)中殘餌、糞便等容易導(dǎo)致氮和磷含量的升高,從而造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[]。如果將這些尾水排入自然水域,很容易導(dǎo)致天然水體的污染,從而破壞自然水域的生態(tài)系統(tǒng)。因此,如何處理養(yǎng)殖廢水是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)急需解決的問(wèn)題之一。
目前,應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理的技術(shù)主要包括物理、化學(xué)和生物3種手段,具體包括微曝氣、機(jī)械過(guò)濾、泡沫分離、臭氧凈化技術(shù)等[12-13]。MBR是一種結(jié)合膜分離技術(shù)與生物技術(shù)的新型水處理技術(shù),被認(rèn)為是膜分離過(guò)程與生物反應(yīng)的巧妙結(jié)合,具有廣闊的應(yīng)用前景[14]。20世紀(jì)90年代后期,許多歐洲國(guó)家將MBR技術(shù)用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機(jī)物截留,不需要經(jīng)過(guò)沉淀池。膜生物反應(yīng)器工藝通過(guò)膜的分離技術(shù)強(qiáng)化了生物反應(yīng)器的功能,使活性污泥濃度提高,其水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間可以分別得到控制,從而有效實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化乃至有機(jī)物污染的修復(fù)[15-17] O
該研究結(jié)果表明,在總氮、氨氮、總磷和溶解性總磷的去除率方面,MBR與微曝氣技術(shù)相比表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。氨氮是水環(huán)境中最常見(jiàn)的污染物之一,能夠?yàn)樵孱愄峁┑矗罱K導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、產(chǎn)生水華等[8]。該研究結(jié)果表明,MBR處理8月水體中氨氮含量為 ,對(duì)其去除率達(dá)到 9 3 . 9 4 % ,說(shuō)明其能夠有效凈化水體中的氨氮,且6一10月其去除率均高于微曝氣技術(shù)處理。磷的累積會(huì)導(dǎo)致水體污染,影響水生態(tài)系統(tǒng),并對(duì)人類造成一定程度的危害,因此水體中磷的含量受到學(xué)者的廣泛關(guān)注[19]。該研究中MBR和微曝氣技術(shù)均有效降低了養(yǎng)殖尾水中總磷和溶解性總磷的含量,且MBR技術(shù)處理中總磷和溶解性總磷在含量和去除率上與MAP相比總體上有更好的表現(xiàn),以上結(jié)果均說(shuō)明
MBR對(duì)總磷和溶解性總磷的去除具有良好的效果。Li等[5]使用厭氧缺氧膜生物反應(yīng)器( ),利用反硝化磷積累生物和反硝化糖原積累生物進(jìn)行脫氮除磷,顯著降低了城市污水中氮、磷的含量。該研究結(jié)果與Li等的研究結(jié)果類似,表明MBR膜生物技術(shù)能夠有效降解污水中的氮和磷;Liang等[20使用MBR膜生物系統(tǒng)與好氧污泥顆粒協(xié)同對(duì)污水進(jìn)行處理,有效降解了污水中的氮、磷。在Li等[5]和Liang等[20]的研究中,將微生物與MBR技術(shù)結(jié)合,在氮、磷污染更嚴(yán)重的水體中獲得了較好的去除效果,且篩選出相關(guān)的菌株用于降解氮和磷,而合適的微生物種類與MBR聯(lián)動(dòng)可能會(huì)成為繼續(xù)改進(jìn)養(yǎng)殖尾水處理工藝的有效方案之一。
為了對(duì)AP、MBR-P和MAP的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行可視化分析,使用主成分分析(PCA)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維,分析水質(zhì)參數(shù)與各月份和池塘之間的關(guān)聯(lián)性。結(jié)果表明,除了6月外,AP、MBR-P和MAP中各水質(zhì)參數(shù)的主成分均較為離散,與AP關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的水質(zhì)參數(shù)主要有懸浮物(SS)含量、總氮(TN)含量、溶解性總氮(TDN)含量、氨氮( 含量和高錳酸鹽指數(shù)(
);與MAP關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的水質(zhì)參數(shù)主要為硝酸鹽(
)含量,與MBR-P關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的水質(zhì)參數(shù)主要為懸浮物(SS)含量、硝酸鹽(
)含量。總氮(TN)含量和溶解性總氮(TDN)含量與MAP和MBR-P均呈反向關(guān)聯(lián)性,這能夠在一定程度上反映MAP和MBR-P對(duì)池塘尾水的降氮效果,并揭示池塘的整體水質(zhì)狀況。總體來(lái)說(shuō),盡管與其他使用MBR技術(shù)的試驗(yàn)[5,20]相比,該試驗(yàn)中池塘養(yǎng)殖尾水污染較輕,但MBR技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖尾水中氮、磷的去除率整體上優(yōu)于微曝氣技術(shù),表明MBR技術(shù)能夠更好地用于處理/凈化養(yǎng)殖尾水。
該研究對(duì)MBR凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià),并與微曝氣技術(shù)處理進(jìn)行了比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)殖尾水的凈化技術(shù)中膜生物一體化凈水技術(shù)的效果優(yōu)于微曝氣技術(shù),能夠有效實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖尾水的降氮、減磷。該研究結(jié)果為膜生物一體化凈水設(shè)備在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
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