氣水比對(duì)移動(dòng)床生物濾器凈化海水養(yǎng)殖廢水的影響

馬曉娜, 李 賢, 張延青, 王 博, 李 甍, 劉 鷹

?

氣水比對(duì)移動(dòng)床生物濾器凈化海水養(yǎng)殖廢水的影響

馬曉娜1, 2, 李 賢1, 張延青3, 王 博3, 李 甍4, 劉 鷹5

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 青島理工大學(xué), 山東 青島 266033; 4. 中國(guó)海洋大學(xué), 山東 青島 266100; 5. 大連海洋大學(xué), 遼寧 大連 116023)

生物濾器是海水養(yǎng)殖廢水凈化的核心處理單元, 而氣水比是影響移動(dòng)床生物濾器處理效率的關(guān)鍵因素。本實(shí)驗(yàn)采用掛膜成熟的移動(dòng)床生物濾器和人工模擬海水養(yǎng)殖廢水, 研究了不同氣水比(6︰1、10︰1、15︰1、20︰1、30︰1)對(duì)移動(dòng)床生物濾器處理海水養(yǎng)殖廢水效能的影響。結(jié)果表明: 隨著氣水比的增大, 氨態(tài)氮(TAN)去除率呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì), 亞硝酸鹽(NO2–-N)的積累率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì), 化學(xué)需氧量(COD)去除率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。氣水比為6︰1時(shí)TAN和COD平均去除率最大(TAN 12.55%±0.80%, COD 16.63%±1.28%), NO2–-N平均積累率相對(duì)較小(109.71%±23.94%), 且出水水質(zhì)穩(wěn)定, 波動(dòng)最小, 對(duì)水質(zhì)的凈化效果明顯好于其他的氣水比條件, 因此氣水比6︰1是實(shí)驗(yàn)條件下的最佳氣水比, 可為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論參考。

移動(dòng)床生物濾器; 海水養(yǎng)殖廢水; 氣水比; 凈化效能

中國(guó)是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國(guó), 產(chǎn)量可達(dá)世界海水養(yǎng)殖產(chǎn)量的70%[1], 與傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式相比, 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式具有節(jié)水、節(jié)能、生態(tài)效益高、人工可控等優(yōu)點(diǎn)[2-3], 是未來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展方向之一。海水封閉循環(huán)水養(yǎng)殖通過對(duì)養(yǎng)殖廢水的凈化處理實(shí)現(xiàn)循環(huán)回用, 其中水質(zhì)處理是關(guān)鍵。與生活污水和工業(yè)廢水相比, 海水養(yǎng)殖廢水鹽度較高、溫度較低、污染濃度較低、水質(zhì)處理指標(biāo)要求高[4], 這些特點(diǎn)增加了水處理的難度。生物濾器是循環(huán)水養(yǎng)殖水處理系統(tǒng)的核心單元, 也是其中能耗最大的單元, 可以有效轉(zhuǎn)化和脫除養(yǎng)殖廢水中的氨氮、亞硝酸鹽氮和有機(jī)物, 是目前國(guó)內(nèi)外廣泛推廣使用的廢水處理技術(shù)[3, 5]。

生物濾器按照填料是否相對(duì)固定, 分為固定床(Fixed Bed Reactor)和移動(dòng)床(Moving Bed Reactor)。與固定床相比, 移動(dòng)床生物濾器單位體積養(yǎng)殖生物承載量大、不易堵塞、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、處理效率高, 被認(rèn)為是一種新型高效的廢水處理方法[6-7]。國(guó)內(nèi)外對(duì)移動(dòng)床生物濾器的研究主要集中在污染濃度較高的工業(yè)廢水和生活污水處理領(lǐng)域[8], 而對(duì)于處理低污染濃度的海水養(yǎng)殖廢水的研究報(bào)道較少[9]。因此, 利用移動(dòng)床生物濾器處理海水循環(huán)水養(yǎng)殖廢水亟待進(jìn)一步的研究。氣水比即氣流量和水流量的比值, 是影響移動(dòng)床生物濾器處理效率的關(guān)鍵因素, 其可通過直接影響濾器內(nèi)溶氧濃度、污染物傳質(zhì)速率, 影響相關(guān)降解微生物如碳化細(xì)菌、硝化細(xì)菌等的生長(zhǎng), 進(jìn)而影響生物膜的生長(zhǎng)代謝和附著脫落過程[10-11]。氣水比過小則溶解氧不足, 填料循環(huán)移動(dòng)不暢, 不利于硝化反應(yīng); 而氣水比過大不僅能耗增加, 而且填料表面不斷沖刷可能造成生物膜脫落, 使得生物濾器處理效果下降[12]。因此探尋合適的氣水比非常重要。

本研究初步探討了不同氣水比對(duì)移動(dòng)床生物濾器海水養(yǎng)殖廢水處理效能的影響, 旨在探尋能獲得較好凈化效率的最佳氣水比, 為移動(dòng)床生物濾器在實(shí)際工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置概述

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的上流式生物濾器系統(tǒng), 圖1為實(shí)驗(yàn)移動(dòng)床生物濾器結(jié)構(gòu)示意圖。實(shí)驗(yàn)用生物濾器構(gòu)造整體是圓柱形, 上半部分采用不透明的PVC材料, 下半部分采用透明的有機(jī)玻璃, 以便查看其內(nèi)部填料的移動(dòng)情況; 底部為45°傾角, 直徑為11 cm, 有效高度為70 cm, 有效體積為6.3 L。濾器上部設(shè)置帶有旋塞的斜三通作為填料口, 方便填料的放入和取出。濾器出水口高60 cm處設(shè)置高位水箱, 蓄水池中的實(shí)驗(yàn)用水由潛水泵提升至高位水箱, 然后由重力作用經(jīng)連通管由反應(yīng)器底部進(jìn)水, 上部出水口出水。下部距出水口約10 cm處布設(shè)圓形有孔擋板, 防止填料在運(yùn)動(dòng)過程中流失或堵住出水口。曝氣采用微孔曝氣的方式, 氣泡密集, 有利于填料的移動(dòng)。曝氣頭布設(shè)于底部氣箱中, 底部?jī)A角處曝氣, 氣泡上升, 帶走部分水體, 形成空區(qū), 底板上的填料不斷移動(dòng)循環(huán)至傾角底部, 有利于填料在濾器內(nèi)循環(huán), 使得污水與填料能夠充分接觸。生物濾器的進(jìn)水由液體流量計(jì)控制, 進(jìn)氣由氣體流量計(jì)控制, 以設(shè)置不同的氣水比。

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)依據(jù)如下:

(1) 濾器高度和直徑

不同的高徑比(/)對(duì)生物濾器影響不同:/大的反應(yīng)器, 液體循環(huán)流量大, 速度快, 抗沖擊負(fù)荷能力高, 處理效率高;/小的反應(yīng)器, 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定, 運(yùn)行管理方便, 基建投資少。一般移動(dòng)床/范圍為4~15。由2=4/π[13]可知,的較小變化會(huì)引起的較大變化, 反之由改變引起的變化較小。所以在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí), 優(yōu)先確定高度。綜合考慮,選擇70 cm,選擇11 cm的標(biāo)準(zhǔn)徑。

(2) 填料投加量

填料投加量計(jì)算如下[13-14]:

s=s/d×1/(p–m)3–1 (1)

其中,s為填料濃度(g/L);為生物濃度(g/L);s為惰性填料真密度(g/cm3),s=0.634g/cm3;d為生物膜干密度(g/cm3),d=1.4 g/cm3;p為生物填料半徑(mm), 即填料掛膜后半徑,p=10.8 mm;m為惰性填料半徑(mm), 即填料掛膜前半徑,m=10 mm。

=v/s(2)

其中,v為容積負(fù)荷, 取v=9 kg/(m3·d);s為污泥負(fù)荷, 取s=1.2 kg/(kg·d)。v、s選擇依據(jù): 易降解廢水v可取7~10 kg/(m3·d), 處理低濃度廢水的反應(yīng)器s可取 1.0~1.5 kg/(kg·d)。

由(1)(2)可得填料濃度s= 66.335 g/L。

=s(3)

其中,為生物濾器有效體積,=6.3 L;為反應(yīng)區(qū)填料投加量, 計(jì)算得=417.91 g。

載體投加體積1=/s=417.91/0.634=659.165 cm3(4)

所用填料單個(gè)有效體積約為1.75 cm3(表1), 計(jì)算得填料投加量約為376個(gè)。

圖1 移動(dòng)床生物濾器示意圖

1.1.2 實(shí)驗(yàn)填料

本實(shí)驗(yàn)選用K3型填料, 其為多孔懸浮的圓環(huán)狀填料。其質(zhì)量輕, 價(jià)格低廉, 孔隙率大, 機(jī)械強(qiáng)度高, 不僅適合微生物附著生長(zhǎng), 且便于移動(dòng)循環(huán), 在國(guó)內(nèi)外廢水處理中得到廣泛應(yīng)用。填料的各項(xiàng)常用物理參數(shù)見表1。

表1 填料的物理參數(shù)

1.1.3 實(shí)驗(yàn)用水

本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)試劑配制人工模擬海水養(yǎng)殖廢水。通過向新鮮海水中投加氯化銨和葡萄糖控制水體中的TAN和COD, 投加量分別為: 氯化銨15.29 g/m3, 葡萄糖25.71 g/m3, 新鮮海水來自中國(guó)科學(xué)院海洋研究所。進(jìn)水TAN 5~6 mg/L, COD 23~30 mg/L, NO2–-N 0.001~0.003 mg/L, pH 7.4~7.8, 實(shí)驗(yàn)期間水溫22~26℃,水力停留時(shí)間1 h。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)在水力停留時(shí)間40 min、氣水比為10︰1、溶解氧充足、進(jìn)水水溫為15~20℃的條件下進(jìn)行掛膜, 各反應(yīng)器在71 d后TAN去除率均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且出水亞氮濃度變化較小, 視為掛膜基本成熟。此后采用此掛膜成熟的移動(dòng)床生物濾器進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 通過氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)改變氣水比, 于改變氣水比后第1, 2, 3, 5, 7, 9, 10 d取樣進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。共設(shè)置6︰1、10︰1、15︰1、20︰1、30︰1等5個(gè)氣水比處理, 每組處理設(shè)置三個(gè)重復(fù)。

1.2.2 水質(zhì)測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)選取COD、TAN、NO2–-N為主要水質(zhì)指標(biāo), 實(shí)驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)pH值、溫度等常規(guī)指標(biāo), 具體方法參照海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范[15]及優(yōu)化方法[16], 其中, COD: 堿性高錳酸鉀法; TAN: 納氏試劑分光光度法; NO2–-N: 萘乙二胺分光光度法; pH值和溫度分別使用YSI便攜式pH計(jì)和溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析方法

污染物去除率計(jì)算公式: 去除率=(o–G)/o×100, 其中,o為進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)平均濃度;G為出水水質(zhì)指標(biāo)平均濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示, 數(shù)據(jù)分析采用軟件SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析(one- way ANOVA), 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)采用Duncan方法(<0.05)。

2 結(jié)果

2.1 氣水比對(duì) TAN去除效果的影響

圖2為不同氣水比條件下生物濾器TAN去除率。圖3為不同氣水比條件下生物濾器TAN平均出水濃度及平均去除率。結(jié)果表明, 隨著氣水比的增大, TAN去除率先降低后增加, 氣水比由6︰1增大至20︰1時(shí), TAN去除率持續(xù)降低, 當(dāng)氣水比繼續(xù)增加至30︰1時(shí), TAN去除率出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。在氣水比為6︰1時(shí)對(duì)氨氮的去除效果最好, 去除率最高且保持穩(wěn)定, 平均可達(dá)12.55%±0.80%, 出水TAN濃度最低, 低于4.5 mg/L, 波動(dòng)最小。隨著氣水比的增大, 出水TAN濃度波動(dòng)變大, 濃度增大, 氣水比在20︰1時(shí), TAN去除率最低, 出水TAN濃度最大, 峰值達(dá)到6 mg/L,波動(dòng)也最為劇烈。TAN去除率由大到小排列為6︰1、10︰1、30︰1、15︰1、20︰1。對(duì)TAN去除率的單因素方差分析結(jié)果表明, 氣水比6︰1時(shí), TAN去除率顯著高于氣水比15︰1和20︰1(<0.05), 與10︰1和 30︰1條件下去除率無顯著性差異(>0.05), 氣水比10︰1與20︰1條件下去除率差異顯著(<0.05), 其他氣水比條件下TAN去除率差異不顯著(>0.05)。

圖2 不同氣水比條件下生物濾器 TAN 去除率

圖3 不同氣水比條件下生物濾器TAN平均出水濃度及平均去除率

2.2 氣水比對(duì)NO2–-N積累的影響

圖4為不同氣水比條件下生物濾器NO2–-N的積累率。圖5為不同氣水比條件下生物濾器NO2–-N平均出水濃度及平均積累率。結(jié)果表明, 隨著氣水比的增大, NO2–-N的積累率先增加后降低, 氣水比由6︰1增加至10︰1, NO2–-N的積累率出現(xiàn)驟增, 隨著氣水比的繼續(xù)增加由10︰1至30︰1, NO2–-N的積累率出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。在氣水比為30︰1時(shí)對(duì)NO2–-N的處理效果最好, 平均積累率最低且保持穩(wěn)定, 平均可達(dá)95.24%±20.44%, 出水NO2–-N波動(dòng)小, 受進(jìn)水條件影響較小。在氣水比為6︰1時(shí)NO2–-N的平均積累率較高于氣水比30︰1但無明顯差異, 平均積累率可達(dá)109.71%±23.94%, 出水NO2–-N波動(dòng)小。氣水比在10︰1時(shí), NO2–-N積累率最大, 平均積累率高達(dá)339.70%±49.77%, 出水NO2–-N波動(dòng)劇烈, 不穩(wěn)定。NO2–-N累積率由小到大排列為30︰1、6︰1、20︰1、15︰1、10︰1。對(duì)出水NO2–-N積累率的單因素方差分析表明: 氣水比6︰1條件下顯著低于氣水比15︰1(<0.05), 極顯著低于氣水比10︰1 (<0.01), 氣水比10︰1和20︰1顯著差異(<0.05), 其他氣水比條件下NO2–-N去除率差異不顯著(>0.05)。

圖4　不同氣水比條件下生物濾器NO2–-N積累率

圖5　不同氣水比條件下生物濾器NO2–-N平均出水濃度及平均積累率

2.3 氣水比對(duì)COD去除效果的影響分析

圖6為不同氣水比條件下生物濾器對(duì)COD的去除率。圖7為不同氣水比條件下生物濾器COD平均出水濃度及平均去除率。由圖可以看出, 當(dāng)氣水比為6︰1時(shí), 生物濾器對(duì)COD的處理效果最好, 出水COD濃度最低, 去除率顯著高于其他氣水比條件(>0.05), 最高去除率達(dá)22.58%±6.72%, 平均去除率達(dá)16.63%±1.28%, 出水較為穩(wěn)定, 波動(dòng)小。隨著氣水比的增大, COD去除率出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。COD平均去除率由大到小排列為6︰1、15︰1、10︰1、20︰1、30︰1。對(duì)生物濾器COD去除率進(jìn)行單因素方差分析結(jié)果表明, 氣水比6︰1條件下顯著高于其他氣水比10︰1、15︰1、20︰1、30︰1(<0.05), 10︰1、15︰1、20︰1、30︰1氣水比條件下, 兩兩之間差異不顯著(>0.05)。

圖6 不同氣水比條件下生物濾器COD去除率

圖7 不同氣水比條件下生物濾器COD 平均出水濃度及平均去除率

3 討論

氣水比不僅為生物濾器微生物的呼吸提供必須的“臨界氧濃度”, 還是生物反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的重要指標(biāo)[17]。氣水比越大, 與溶氧濃度相關(guān)的功能微生物如碳化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌等的活性相對(duì)越強(qiáng), 但當(dāng)氣水比過大時(shí), 反而會(huì)降低處理效能[18-19]。合適的氣水比是影響移動(dòng)床生物濾器處理效能和工程投資經(jīng)濟(jì)性的重要控制因素[20], 可以有效提高生物濾器的生物硝化速率和有機(jī)物分解速率。因此, 本研究在實(shí)驗(yàn)室條件下設(shè)計(jì)構(gòu)建移動(dòng)床生物濾器, 并利用掛膜成熟后的生物濾器探尋不同氣水比對(duì)移動(dòng)床生物濾器去除效果的影響。

循環(huán)水系統(tǒng)中主要的代謝廢物為殘餌、糞便產(chǎn)生的TAN、NO2–-N和有機(jī)物[21]。TAN是魚類排泄物的主要成分, 非離子氨會(huì)毒害養(yǎng)殖生物。TAN的積累會(huì)影響?zhàn)B殖生物的生理生化指標(biāo)進(jìn)而影響其生長(zhǎng)繁殖, 甚至嚴(yán)重時(shí)致使生物死亡, 導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[22]。有研究發(fā)現(xiàn), NO2–-N是誘發(fā)魚病的環(huán)境因子之一[23]。NO2–-N積累會(huì)引起魚類中毒甚至窒息死亡[24]。COD是表征水體中有機(jī)物相對(duì)含量的指標(biāo)之一, 反映的是能被氧化的有機(jī)物污染狀況, 包括溶解態(tài) COD 及顆粒態(tài)COD 兩部分。生物濾器的主要作用是創(chuàng)造培養(yǎng)微生物菌群的條件, 利用微生物降解廢水中的TAN、NO2–-N及部分有機(jī)物, 減小對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的毒害作用, 脫除水體中的氮元素, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的凈化[5]。生物濾器對(duì)水體污染物的凈化主要依靠附著在其內(nèi)部填料上的生物膜特別是相應(yīng)功能微生物來實(shí)現(xiàn)。TAN的去除主要依靠硝化反應(yīng)來完成, 硝化反應(yīng)是硝化細(xì)菌在好氧條件下將TAN轉(zhuǎn)化為NO2–-N、硝酸鹽氮的過程, 這個(gè)過程中會(huì)造成NO2–-N的積累, 但是部分微生物可以將產(chǎn)生的NO2–-N進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為對(duì)養(yǎng)殖生物毒害性較弱的硝酸鹽氮[25]。COD的凈化主要依靠生物膜上降解有機(jī)物的微生物的活性及氣體的氣浮作用。

本研究通過氣水比的聯(lián)合作用使填料在移動(dòng)床內(nèi)循環(huán)移動(dòng), 加強(qiáng)生物膜與養(yǎng)殖廢水的接觸與傳質(zhì)作用。在氣水比6︰1的條件下填料能夠循環(huán)移動(dòng), 而低于6︰1時(shí)填料則不能正常循環(huán)移動(dòng)。氣水比30︰1時(shí)水體呈現(xiàn)翻滾狀態(tài), 由于海水養(yǎng)殖廢水是微污染水, 其生物濾器填料掛膜本來就比較困難[26], 若繼續(xù)增大氣水比, 會(huì)造成生物膜的脫落, 處理效率反而會(huì)下降, 并且能耗過大, 提高了生物濾器運(yùn)行成本, 因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)置6︰1為最低氣水比, 30︰1為最高氣水比。結(jié)果表明隨著氣水比的增大, TAN去除率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì), NO2–-N的積累率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì), COD去除率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。氣水比在6︰1時(shí), TAN和COD去除率最高, NO2–-N積累率最小, 且出水水質(zhì)最為穩(wěn)定, 波動(dòng)最小。這可能是因?yàn)楹ＫB(yǎng)殖廢水營(yíng)養(yǎng)少, 且水體鹽度高, 不利于微生物的生長(zhǎng)[27]。如果是傳統(tǒng)的生物濾器, 隨著時(shí)間的推移, 其上的生物膜會(huì)越來越厚, 污染物的去除率會(huì)隨著氣水比的增大而增大; 但在移動(dòng)床生物濾器中, 當(dāng)氣水比達(dá)到一定程度時(shí), 反應(yīng)器中的溶氧已足夠滿足硝化細(xì)菌的需要, 不再是硝化細(xì)菌的代謝活性的限制因素, 此時(shí), 當(dāng)氣水比繼續(xù)增加, 生物濾器中的氣泡增多, 氣泡對(duì)水體的擾動(dòng)增強(qiáng), 又會(huì)導(dǎo)致填料之間碰撞加劇, 過量沖刷填料表面, 加速了生物膜的脫落, 這樣有效功能微生物數(shù)量及活性降低, 影響去除效果[26]。因此在氣水比較小為6︰1時(shí), 污染物去除率最大, NO2–-N積累率最小, 隨著氣水比的增大, 其對(duì)污染物的去除效率反而下降, 但是在氣水比為30︰1的時(shí)候TAN去除率上升, NO2–-N積累率減小, 這是因?yàn)?0︰1的氣水比已經(jīng)相當(dāng)大, 根據(jù)雙膜理論, 氣液膜之間的阻力決定了氧氣傳遞速率的大小, 氣水比越大, 氣液膜間的傳質(zhì)阻力越小, 其他條件相近時(shí), 生物膜內(nèi)溶氧濃度越高[28], 雖然填料上的生物膜微生物數(shù)量減少, 但是好氧異養(yǎng)菌及硝化細(xì)菌的活性增強(qiáng), 并且水體中的氣泡數(shù)量增加很多, 通過氣浮作用對(duì)水體中的污染物也有一定的凈化作用。侯沙沙[27]等研究發(fā)現(xiàn)使用竹環(huán)填料的生物濾器, 隨著氣水比增大, 出水TAN濃度逐漸降低, 出水COD波動(dòng)減小, 且趨于平緩, 在氣水比為30︰1 時(shí)其去除率最大, 這是因?yàn)橹癍h(huán)填料質(zhì)量較重需要較大的氣水比而本實(shí)驗(yàn)K3填料質(zhì)輕便于移動(dòng), 6︰1的氣水比即可達(dá)到較好的去除率。黃濱等[26]通過封閉式循環(huán)水半滑舌鰨(Gunthe)養(yǎng)殖試驗(yàn), 隨著氣水比由 0.75 : 1~1.25︰1 的增加, 生物濾池氨氮的去除率由35.0%增加至52.0%, 但對(duì)化學(xué)需氧量COD的去除率影響并不顯著, 其平均去除率為10.14%, 氣水比高于1.25︰1 時(shí), TAN和 NO2–-N去除率增速明顯減緩, 如果氣水比再繼續(xù)增大, 對(duì)TAN去除作用不明顯, 還會(huì)浪費(fèi)能耗。宋奔奔[11]等的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣水比為6︰1時(shí), 移動(dòng)床濾料達(dá)到流化狀態(tài), TAN去除率顯著高于其他處理。這些研究結(jié)果與本研究的研究結(jié)果相似。

4 結(jié)論

本文主要研究了不同氣水比條件下移動(dòng)床生物濾器處理海水養(yǎng)殖廢水污染物的去除效果, 包括對(duì)COD、TAN、NO2–-N的處理效率。結(jié)果顯示: 不同氣水比條件下移動(dòng)床生物濾器凈化污染物的效果不同, 且去除率波動(dòng)較大。氣水比為6︰1時(shí), 生物濾器對(duì)TAN和COD的去除率均為最佳, 對(duì)NO2–-N的積累率相對(duì)較低, 能夠滿足魚類養(yǎng)殖對(duì)亞硝酸鹽氮濃度的安全要求, 且此時(shí)移動(dòng)床生物濾器能耗最低。如果增大氣水比, 不但能耗增加, 濾器的去除率也會(huì)下降; 如果減小氣水比, 則濾器中的填料不能正常循環(huán)移動(dòng), 失去了移動(dòng)床生物濾器的意義。因此選擇氣水比為6︰1可獲得較好的凈化效率。

[1] FAO (Food and Agriculture Organisation of the United Nations).The State of World Fisheries and Aquaculture[R]. Rome: FAO, 2012, 209.

[2] Timmons M B, Ebeling J M. The role for recirculating aquaculture systems [J]. AES News, 2007, 10(1): 2-9.

[3] 劉鷹. 海水工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2011, 13(5): 50-53.Liu Ying. Research progress on marine industrial recirculating aquaculture technology[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2011, 13(5): 50-53.

[4] 沈加正. 膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于海水養(yǎng)殖廢水處理的基礎(chǔ)研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 2011.Shen Jiazheng. Fundamental research on application of membrane bioreactor in marine aquaculture wastewater treatment[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2011.

[5] 王峰, 雷霽霖, 高淳仁, 等. 國(guó)內(nèi)外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式水質(zhì)處理研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2013, 15(10): 16-23. Wang Feng, Lei Jilin, Gao Chunren, et al. Research progress of water conditioning in industry recirculating aquaculture mode at home and abroad[J]. Engineering Science, 2013, 15(10): 16-23.

[6] 李景賢, 羅麟, 楊慧霞, 等. MBBR法工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀及其研究進(jìn)展[J]. 四川環(huán)境, 2007, 26(5): 97-101. Li Jingxian, Luo Lin, Yang Huixia, et al. Status quo of application and research progress of MBBR process [J]. Sichuan Environment, 2007, 26(5): 97-101.

[7] 陳淑吟, 孫國(guó)銘, 吉紅九. 臭氧水處理在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究[J]. 水產(chǎn)養(yǎng)殖, 2001, 2: 28-30. Chen Shuying, Sun Guoming, Ji Hongjiu. The study on application of O3treatment in aquaculture[J]. Journal of Aquaculture, 2001, 2: 28-30.

[8] 王學(xué)江, 夏四清, 陳玲, 等. DO對(duì)MBBR同步硝化反硝化生物脫氮影響研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, 34(4): 514-517, 538. Wang Xuejiang, Xia Siqing, Chen Ling, et al. Effect of DO on smiultaneous nitrification and denitrification in MBBR[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2006, 34(4): 514-517, 538.

[9] Zhu S, Chen S. Impacts of Reynolds number on nitrification biofilm kinetics[J]. Aquacult Eng, 2001, 24: 213-229.

[10] 高喜燕, 傅松哲, 劉纓, 等. 循環(huán)海水養(yǎng)殖中生物濾器生物膜研究現(xiàn)狀與分析[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化, 2009, 36(3): 16-20. Gao Xiyan, Fu Songzhe, Liu Ying, et al. Advances and analysis on the research of biofilm in biofilter in recirculating marine aquaculture system[J]. Fishery Modernization, 2009, 36( 3) : 16-20.

[11] 仇付國(guó), 郝曉地, 陳新華. 曝氣生物濾池處理效果影響因素試驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2008, 33(12): 81-84.Qiu Fuguo, Hao Xiaodi, Chen Xinhua. Experimental study on influencing factor of biological aerated filter[J]. Environmental Science and Management, 2008, 33(12): 81-84.

[12] 宋奔奔, 宿墨, 單建軍, 等. 水力負(fù)荷對(duì)移動(dòng)床生物濾器硝化功能的影響[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化, 2012, 39(5): 1-6.Song Benben, SU Mo, Shan Jianjun, et al. Effect of hydraulic loading on nitrification efficiency in moving bed biofilm reactor[J]. Fishery Modernization, 2012, 39(5): 1-6.

[13] 施漢昌, 溫泌雪, 白雪. 污水處理好氧生物流化床的原理與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012, 270-272. Shi Hanchang, Wen Mixue, Bai Xue. The principle and application of aerobic biological fluidized bed in waste--water treatment[M]. Beijing: Science Press, 2012, 270-272.

[14] Hirata A, Nakamura Y, Tsuneda S. Nitrogen removal from industrial wastewater discharged from metal recovery process[J]. Water Science and Technology, 2001, 44(2-3): 171-179.

[15] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB17378.4-2007海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第4部分: 海水分析[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007. Standardization Administration of the People’s Republic of China. GB 17378.4 -2007 Marine monitoring norms part 4: Seawater analysis[S]. Beijing: Standards Press of China, 2007.

[16] 閆修花, 王桂珍, 陳迪軍. 納氏試劑比色法測(cè)定海水中的氨氮[J]. 環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù), 2003, 15(3): 21-23. Yan Xiuhua, Wang Guizhen, Chen Dijun. To determine NH4+-N directly in sea-water using nessler’s reagent- colorimetry[J]. Environmental Monitoring in China, 2003, 15(3): 21-23.

[17] 孔小松, 干愛華, 劉瑞軒, 等. 氣水比對(duì)生物膜法處理廢水各階段的影響[J]. 工業(yè)水處理, 2005, 25(7): 50-52. Kong Xiaosong, Gan Aihua, Liu Ruixuan, et al.The effect of gas-water ratio on the biofilm wastewater treatment technology in different stages[J]. Industrial Water Treatment, 2005, 25(7): 50-52.

[18] 趙靜野, 鄭曉萌, 高軍. 曝氣充氧中氧總傳質(zhì)系數(shù)的探討[J]. 北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2006 (1): 32-37. Zhao Jingye, Zheng Xiaomeng, Gao Jun. Research on transfer coefficient of oxygenic aeration[J]. Journal of Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture, 2006(1): 32-37.

[19] 張闖, 陶濤, 李爾, 等. 兩種曝氣設(shè)備的清水曝氣充氧實(shí)驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境污染與防治, 2006(1): 42-45. Zhang Chuang, Tao Tao, Li Er, et al. Evaluation of two aerators based on results of clean water oxygenation experiment[J]. Environmental Pollution & Control, 2006(1): 42-45.

[20] 徐斌, 夏四清, 胡晨燕, 等. MBBR 工藝預(yù)處理黃浦江微污染原水[J]. 中國(guó)給水排水, 2004, 20(8): 5-9. Xu Bing, Xia Siqing, Hu Chenyan, et al. MBBR technology for pretreatment of micro-polluted raw water[J]. Chinawater&Wastewater, 2004, 20(8): 5-9.

[21] Martins C I M, Eding E H, Verdegem M C J, et al. New developments in recirculating aquaculture systems in Europe: A perspective on environmental sustainability[J]. Aquacultural Engineering, 2010, 43(3): 83-93.

[22] 張衛(wèi)強(qiáng), 朱英. 養(yǎng)殖水體中氨氮的危害及其檢測(cè)方法研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境衛(wèi)生學(xué)雜志, 2012, 2(6): 324-327. Zhang Weiqiang, Zhu Ying. Advances on the research of the hazard of ammonia nitrogen in aquaculture water and its determination method[J]. Journal of Environmental Hygiene, 2012, 2(6): 324-327.

[23] 余瑞蘭, 聶湘平, 魏泰莉, 等. 分子氨和亞硝酸鹽對(duì)魚類的危害及其對(duì)策[J]. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué), 1999, 6(3): 73-77. Yu Ruilan, Nie Xiangping, Wei Taili, et al. Toxicity of molecular ammonia & nitrite to fishes and the control measures[J]. Journal of Fishery Sciences of China, 1999, 6(3): 73-77.

[24] Krous S R, Blazer V S, Meade T L. Effect of Acclimation time on nitrite movement across the gill epithelia of rainbow trout: The role of “chloride cells”[J]. The Progressive Fish-Culturist, 1982, 44(3): 126-130.

[25] Díaz V, Ibá?ez R, Gómez P, et al. Kinetics of nitrogen compounds in a commercial marine Recirculating Aqua----cu-lture System[J]. Aquacultural Engineering, 2012, 50: 20-27.

[26] 黃濱, 雷霽霖, 翟介明, 等. 封閉循環(huán)水系統(tǒng)生物濾池氣水比對(duì)水質(zhì)凈化效能的影響[J]. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué), 2013, 20(6): 1266-1273. Huang Bin, Lei Jilin, Zhai Jieming, et al., Effect of the air-to-liquid ratio on treatment efficiency of wastewater in multistage BAF in a recirculating aquaculture system[J]. Journal of Fishery Sciences of China, 2013, 20(6): 1266-1273.

[27] 侯沙沙. 海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中氣水比對(duì)生物濾器去除效率的影響[D]. 青島: 青島理工大學(xué), 2011. Hou Shasha. Dissertation for the Master Degree in Enginee-ring[D]. Qingdao: Qingdao Technological University, 2011.

[28] 劉春, 張安龍. 氣水比對(duì)曝氣生物濾池處理堿法草漿中段廢水的影響[J]. 上海造紙. 2009, 40(3), 52-56. Liu Chun, Zhang Anlong. The Effect of Ratio of Gas and Water on Treating Soda Straw Pulping Ef?uent using Biological Aerated Filter[J]. Shanghai Paper Making, 2009, 40(3), 52-56.

(本文編輯: 康亦兼)

Effect of gas–water ratio on removal efficiency of marine aquaculture wastewater in moving bed biofilm reactor

MA Xiao-na1, 2, LI Xian1, ZHANG Yan-qing3, WANG Bo3, LI Meng4, LIU Ying5

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China; 4. Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 5. Dalian Ocean University, Dalian 116023, China)

The biological filter is the central unit in recirculating aquaculture systems (RAS) and the gas–water ratio is the key factor that influences the treatment efficiency of moving bed biofilm reactors. To determine the best gas–water ratio, in this paper, we evaluated the effect of the gas–water ratio on the purification efficiency in a mature moving bed biofilm reactor. We investigated the removal rates of total nitrogen (TAN), accumulation rates of nitrite (NO2–-N), and chemical oxygen demand (COD) at different gas–water ratios (6︰1, 10︰1, 15︰1, 20︰1, 30︰1). The results showed that as the gas–water ratio increased from 6︰1 to 30︰1, the TAN removal rate first increased and then decreased, whereas the accumulation rate of NO2–-N first decreased and then increased. The gas–water ratio of 6︰1 was associated with a better treatment efficiency than other gas–water ratios, with the best removal rates for TAN (12.55% ± 0.80%), COD (16.63% ± 1.28%), and the relatively lowest NO2–-N (109.71% ± 23.94%) accumulation rate. Our results provide a reference for the optimization of moving bed biofilm reactors in industrialized production.

aquaculture wastewater; moving bed biofilm reactor; gas–water ratio; treatment effect

[National Natural Science Foundation of China, No31472312, No. 41306152, No. 31402283; the National Key Technologies R&D Program (2014BAD08B09); the JIANGSU Province key R&D Project (BE2015325); the key Program of Qingdao Innovation and Demonstration in Marine Economy Development (Construction of the Innovative Industry Chain for Efficient and Intelligent Equipment in Recirculating Aquaculture System)]

Dec. 29, 2016

X703

A

1000-3096(2017)08-0046-07

10.11759/hykx20161229002

2016-12-29;

2017-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(31472312, 41306152, 31402283); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAD08B09); 江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(BE2015325); 青島市海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展示范城市重點(diǎn)項(xiàng)目-工業(yè)化循環(huán)水高效智能養(yǎng)殖裝備產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新與構(gòu)建項(xiàng)目

馬曉娜(1991-), 女, 山東青島人, 博士研究生, 主要從事養(yǎng)殖環(huán)境工程研究, E-mail: Marianna_IOCAS@163.com, 電話: 15610480956; 劉鷹, 通信作者, 男, 研究員, 主要從事水產(chǎn)工程學(xué)研究與應(yīng)用, E-mail: yinliu@qdio.ac.cn