5種生物濾料掛膜期間氨氮去除效果的比較

鄭 興,崔云亮,姚 瑤,孟凡同,顧志峰

(海南大學(xué) a.熱帶生物資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.海洋學(xué)院/海南省熱帶水生生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ?？?570228)

?

5種生物濾料掛膜期間氨氮去除效果的比較

鄭 興a,b,崔云亮a,b,姚 瑤a,b,孟凡同a,b,顧志峰a,b

(海南大學(xué) a.熱帶生物資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.海洋學(xué)院/海南省熱帶水生生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ?？?570228)

采用自然掛膜法,研究了封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中5種生物濾料掛膜期氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮含量的變化趨勢和相互關(guān)系,結(jié)果表明：在生物膜掛膜期間,5種不同生物濾料的氨氮質(zhì)量濃度均隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長而逐漸下降,亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度先升后降,硝酸鹽氮質(zhì)量濃度則是逐漸上升. 5種生物濾料中,珊瑚砂和紅色呼吸環(huán)的效果最優(yōu),約23 d完成掛膜,氨氮去除率為93.0%和92.5%.

生物濾料;循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng);掛膜;氨氮;水處理

高密度封閉式工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖過程中,氨氮降解是實(shí)驗(yàn)海水循環(huán)水養(yǎng)殖高效成敗的關(guān)鍵[1].循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)基本是利用生物濾料附著各種微生物的代謝活動分解養(yǎng)殖過程中所產(chǎn)廢物,即生物膜法,其處理效果好壞取決于濾料上生物膜的附著量和活性,故濾料的選擇與生物過濾處理效果關(guān)系十分密切. 理想的生物濾料應(yīng)具比表面積大、價(jià)格低廉、微生物易于附著、密度較小、易反沖洗等特性. 微生物在生物濾料上的附著過程稱為掛膜,掛膜時(shí)間長短及掛膜期間水體凈化效果等都是評價(jià)生物濾料的指標(biāo)[2, 3].

關(guān)于生物濾料材料的研究興于上世紀(jì)30年代,Bower在用生物球及軟性生物填料構(gòu)建海水濾池研究中發(fā)現(xiàn)其硝化功能的建立一般需要40-80d,且生物球效果優(yōu)于軟性生物填料[4];Hira等對階梯環(huán)和空心球進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)階梯環(huán)氨氮去除效果優(yōu)于空心球[5];何潔等對沙子、活性炭、沸石進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)沸石氨氧化作用和硝化作用性能均好于活性炭、沙子[6];吳凡等在關(guān)于聚苯乙烯泡沫粒子新型懸浮濾料的研究中發(fā)現(xiàn)其具有較高的氨氮去除率[7];王際英等在活化爐渣研究中發(fā)現(xiàn)活化爐渣與常規(guī)生物濾料相比具有較好的氨氮處理效果[8].

筆者以養(yǎng)殖廢水為處理對象, 在室內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中初步探索了珊瑚石、紅色呼吸環(huán)、白色玻璃環(huán)、火山巖、細(xì)菌球5種生物濾料生物掛膜階段的啟動時(shí)間長短及氨氮去除效果,并進(jìn)行橫向比較,以期對不同材質(zhì)濾料處理海水養(yǎng)殖廢水提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為上、中、下3層互通的封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖缸,其中下層用于生物濾料填充. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的總有效水體為600 L,采用潮汐式循環(huán)封閉系統(tǒng),室內(nèi)溫度為25 ℃.潮汐式循環(huán)封閉系統(tǒng)的構(gòu)建原理見文獻(xiàn)[9].

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

生物濾料中珊瑚砂于2014年07月3日采自海南省儋州市橋頭港,紅色呼吸環(huán)、白色玻璃環(huán)、天然火山巖、細(xì)菌球等4種濾料均購自臺灣no.1濾料公司. 5種生物濾材具體見圖1.

圖1 各生物濾料外觀圖a.白色玻璃環(huán);b.細(xì)菌球;c.紅色呼吸環(huán);d.火山巖;e.珊瑚砂

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 氨氮去除檢測方法

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

采用DPS14.5統(tǒng)計(jì)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析掛膜期間氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮含量變化以及彼此間的變化關(guān)系.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 掛膜過程中-N質(zhì)量濃度的變化

圖3 掛膜過程中-N質(zhì)量濃度的變化

圖4 掛膜過程中-N質(zhì)量濃度的變化

3 討論

19世紀(jì)20-30年代,英國人最早以碎石、爐渣作為生物濾料處理廢水,隨后國內(nèi)外大量學(xué)者對生物濾料的高生物濃度、高氧氣傳質(zhì)效率、高降解能力等方面進(jìn)行研究. Hiraz對比研究了階梯環(huán)和空心球生物濾料的特性,發(fā)現(xiàn)階梯環(huán)氨氮去除效果優(yōu)于空心球[5];Moore對尺寸范圍分別為1.5 mm-3.5 mm和2.5 mm-4.5 mm的濾料處理效果影響進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)粒徑在1.5-3.5 mm的濾料對氨氮的處理效果較優(yōu)[10];宋協(xié)法發(fā)現(xiàn)懸浮球形濾料氨氮去除效果優(yōu)于軟性濾料、彈性濾料、半彈性濾料[11];趙倩發(fā)現(xiàn)珊瑚石及火山巖硝化速率大于生物濾球[12].

本文針對珊瑚石、紅色呼吸環(huán)、白色玻璃環(huán)、天然火山巖、細(xì)菌球這5種生物濾材進(jìn)行了關(guān)于生物膜形成時(shí)間長短,及在形成過程水體氨氮含量、亞硝酸鹽含量及硝酸鹽含量變化,即生物濾料在掛膜期間的凈水效果.

硝酸鹽氮質(zhì)量濃度達(dá)最大值所需時(shí)間與亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度降至最低值所需時(shí)間基本吻合,即在系統(tǒng)運(yùn)行23 d后. 該現(xiàn)象與張延青等人的研究結(jié)果較為相似[18].

本實(shí)驗(yàn)所用的5種生物濾料(細(xì)菌球、白色玻璃環(huán)、火山巖、紅色呼吸環(huán)、珊瑚砂)在生物掛膜階段中,珊瑚砂及紅色呼吸環(huán)性能優(yōu)于細(xì)菌球、白色玻璃環(huán)、火山巖,主要表現(xiàn)為其啟動時(shí)間較快、氨氮去除率較高.

[1]曲克明,杜守恩.海水工廠化高效養(yǎng)殖體系構(gòu)建工程技術(shù)[M].北京:海洋出版社,2010:369.

[2]Qiu G, Xiang L, Song Y, et al. Comparison and modeling of two biofilm processes applied to decentralized wastewater treatment[J].Frontiers of Environmental Science & Engineering in China. 2009,3(4):412-420.

[3]Zhu M, Wang W. Engineering Test of Biological Aerated Filter to Treat Wastewater[M].Information and Management Engineering, Zhu M, Springer Berlin Heidelberg, 2011,544-550.

[4]Bower C E, Turner D T. Effects of seven chemotherapeutic agents on nitrification in closed seawater culture systems[J].Aquaculture. 1982, 29(3-4): 331-345.

[5]Hirai M K M Y M. Comparison of the biological NH3 removal characteristics among four inorganic packing materials[J].Journal of Bioscience and Bioengineering. 2001,91(4):428-430.

[6]何潔,劉長發(fā),張紅霞.3種載體上生物膜的硝化性能[J].中國水產(chǎn)科學(xué). 2003,10(1): 65-68.

[7]吳凡,鮑越鼎,劉晃,等.一種新型懸浮濾料在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的生物過濾效果[J].水產(chǎn)科技情報(bào),2008,35(6):293-296.

[8]王際英,喬洪金,李寶山,等.活化爐渣作為生物濾料在循環(huán)式海水工廠化養(yǎng)殖中的應(yīng)用[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2014(3):1-4；10.

[9]黃濱,田景波,孫修濤.海水池塘養(yǎng)殖污水減排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程化技術(shù)[Z].2008.

[10]Moore R Q J S T. The effects of media size on the performance of biological aerated filters[J].Water Research,2001,35(10):2514-2522.

[11]宋協(xié)法,柳瑤,黃志濤.不同濾料及掛膜方式對養(yǎng)殖污水處理效果的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010(8):687-1691.

[12]趙倩,曲克明,崔正國,等.碳氮比對濾料除氨氮能力的影響試驗(yàn)研究[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2013(2):243-248.

[13]山形陽一,梅志平譯. 循環(huán)過濾裝置的維護(hù)和管理[J].水產(chǎn)科技情報(bào),1991,18(2):58-60.

[14]張俊新,魏海峰,何潔,等.用煤渣和沸石處理海水養(yǎng)殖廢水的掛膜動力學(xué)研究[J].大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(3):205-209.

[15]劉雨等. 生物膜法污水處理技術(shù)[M].2000:215.

[16]王威,曲克明,王海增,等.水力負(fù)荷對3種濾料生物掛膜和溶解無機(jī)氮去除效果的初步研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2012(1):66-71.

[17]李冬梅,龍倩雯,周志寧,等.生物-氧化鐵改性砂對氨氮的強(qiáng)化過濾性能[J].中國給水排水,2014(3):5-9.

[18]張延青,劉鷹,石芳永,等.海水生物濾器除氮性能及硝化動力學(xué)研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010(8):1697-1703.

Comparison of The Aammonia-removing Eefficiency of Five Biofilters in Rrecirculating Aquaculture System During Biofilm Cultivation

ZHENG Xinga,b,CUI Yun-lianga,b,YAO Yaoa,b, MENG Fan-tonga,b, GU Zhi-fenga,b

(a. Ministry of Education Key Laboratory of Tropical Bio-resources, Hainan University, Haikou Hainan 570228, China; b. Ocean College/Hainan Key Laboratory of Tropical Hydrobiological Technology, Hainan University, Haikou Hainan 570228, China)

2015-03-23

國際科技合作專項(xiàng)(2012DFG32200，2013DFA31780);國家科技支撐計(jì)劃(2012BAC18B04);海南省科技興海項(xiàng)目(XH201314)

鄭興(1990- ),男,浙江湖州人,海南大學(xué)海洋學(xué)院水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)2014級碩士研究生,研究方向?yàn)楹Ｑ笊镞z傳育種及生態(tài)養(yǎng)殖.

顧志峰(1975-),男,江蘇常州人,海南大學(xué)海洋學(xué)院教授,博士,研究方向?yàn)樨愵愷B(yǎng)殖與海洋生態(tài).

S668． 4

A

1008-6722(2015) 02-0080-05

10.13307/j.issn.1008-6722．2015．02．18