不同基質(zhì)構(gòu)建海水養(yǎng)殖系統(tǒng)硝化功能的比較分析

周濤 劉意康 徐愛(ài)玲 宋志文 陸繼哲

摘?要：為比較不同基質(zhì)構(gòu)建海水養(yǎng)殖系統(tǒng)硝化功能的強(qiáng)弱，選取纖維毛球、陶粒、螺旋式生物繩等7種基質(zhì)，其中陶粒、流化床填料、纖維毛球采取不同放置方式，共建立14個(gè)模擬海水養(yǎng)殖系統(tǒng)，比較不同基質(zhì)硝化功能建立過(guò)程以及同種基質(zhì)不同放置方式對(duì)氨氮和亞硝氮的去除效果。結(jié)果表明，單位體積珊瑚骨的氨氧化活性和亞硝酸鹽氧化活性高于其他載體，在氨氮初始濃度20 mg/L條件下，氨氮和亞硝氮降解至檢測(cè)不出分別需要3 d和11 d，而纖維毛球、陶粒、螺旋式生物繩、流化床填料、絲帶內(nèi)芯懸浮球、海綿內(nèi)芯懸浮球硝化系統(tǒng)的建立分別需要18、26、30、25、27和22 d。纖維毛球100目篩絹懸掛、陶粒網(wǎng)兜懸掛、流化床填料100目篩絹懸掛優(yōu)于其他放置方式，其中纖維毛球100目篩絹懸掛硝化功能建立時(shí)間為18 d，效果最優(yōu)，流化床填料100目篩絹懸掛、陶粒網(wǎng)兜懸掛硝化系統(tǒng)建立分別需要21、24 d。

關(guān)鍵詞：海水養(yǎng)殖系統(tǒng);基質(zhì);生物膜;硝化功能

隨著海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，中國(guó)的養(yǎng)殖模式已從傳統(tǒng)的粗養(yǎng)模式轉(zhuǎn)向集約化養(yǎng)殖，集約化養(yǎng)殖模式在帶來(lái)高產(chǎn)量的同時(shí)，也產(chǎn)生了越來(lái)越嚴(yán)重的有機(jī)物沉積和水質(zhì)惡化等環(huán)境問(wèn)題。 例如在海水養(yǎng)殖對(duì)蝦過(guò)程中，對(duì)蝦的排泄物和殘餌分解產(chǎn)生的氨和亞硝酸鹽，一旦積累會(huì)影響對(duì)蝦的呼吸系統(tǒng)[1-2]。氨會(huì)降低紅細(xì)胞及血紅蛋白的數(shù)量，引起慢性中毒，抑制生長(zhǎng)，是引起暴發(fā)性蝦病發(fā)生的重要誘因;亞硝酸鹽會(huì)降低血液中血藍(lán)蛋白的攜氧能力，引起組織缺氧、抵抗力下降[3]。在高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)中，由于投餌量大，導(dǎo)致水體中含氮有機(jī)物積累，在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，氨會(huì)導(dǎo)致亞硝酸鹽上升[4]。因此，海水養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)凈化的主要去除目標(biāo)是氨和亞硝酸鹽。

養(yǎng)殖系統(tǒng)中氨和亞硝酸鹽去除主要由硝化功能微生物，包括氨氧化細(xì)菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）完成，氨、亞硝酸鹽被轉(zhuǎn)化為相對(duì)無(wú)毒的硝酸鹽[5]。硝化功能微生物屬化能自養(yǎng)菌，其生長(zhǎng)緩慢且對(duì)環(huán)境因子敏感，還具有附著生長(zhǎng)的特性，因此需要提供適宜的生物膜載體供其生長(zhǎng)[6]，理想的基質(zhì)應(yīng)具有大的比表面積、低價(jià)格、易黏附微生物、低密度等特點(diǎn)[7]。

本研究選取纖維毛球、陶粒、螺旋式生物繩等7種基質(zhì)，同時(shí)對(duì)部分基質(zhì)采用不同放置方式，建立模擬海水養(yǎng)殖系統(tǒng)，研究不同系統(tǒng)硝化功能的建立過(guò)程。

1?材料與方法

1.1?實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1?實(shí)驗(yàn)菌劑?實(shí)驗(yàn)室自行制備硝化細(xì)菌制劑，為硝化功能微生物。

1.1.2?基質(zhì)材料?基質(zhì)性能參數(shù)如表1所示。1.2?實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由14個(gè)玻璃缸（35 cm×35 cm×40 cm，有效容積30 L）以及曝氣石、加熱棒等組成，人工海水由海水素配制，鹽度為15‰。

1.3?實(shí)驗(yàn)方案

共設(shè)置14個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，1#為對(duì)照組，其余為實(shí)驗(yàn)組。其中2#、3#、4#分別為網(wǎng)兜懸掛、100目篩絹懸掛、200目篩絹懸掛放置纖維毛球基質(zhì);5#、6#、7#分別為鋪底、網(wǎng)兜懸掛、100目篩絹懸掛放置陶?；|(zhì);8#為支架固定放置的螺旋式生物繩基質(zhì);9#、10#、11#分別為漂浮、100目篩絹懸掛、200目篩絹懸掛放置流化床填料基質(zhì);12#、13#分別為網(wǎng)兜懸掛放置絲帶內(nèi)芯懸浮球和海綿內(nèi)芯懸浮球基質(zhì);14#為鋪底放置珊瑚骨系統(tǒng)，所有基質(zhì)體積均為5 L。

前3 d各系統(tǒng)每天投加80 mL菌劑，之后停止添加。實(shí)驗(yàn)期間控制溫度27～28 ℃，溶解氧7.0～8.0 mg/L。投加氯化銨使系統(tǒng)氨氮初始濃度為20 mg/L，pH 7.5～8.5，實(shí)驗(yàn)期間不換水，定期補(bǔ)充水分。每24 h檢測(cè)氨氮和亞硝酸鹽氮濃度，每72 h檢測(cè)硝酸鹽濃度。

1.4?分析方法

氨氮測(cè)定采用次溴酸鈉氧化法[8]，亞硝酸鹽氮測(cè)定采用重氮偶聯(lián)法[9]，硝酸鹽氮測(cè)定采用紫外分光光度法[9]。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同基質(zhì)構(gòu)建海水養(yǎng)殖系統(tǒng)硝化功能的建立過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組氨氮濃度均呈明顯下降趨勢(shì)，但降低速率存在差異。在氨氮初始濃度為20 mg/L情況下，珊瑚骨系統(tǒng)（14#）對(duì)氨氮降解速率最快，氨氮降低至檢測(cè)不出需要3 d時(shí)間，而纖維毛球（2#）、陶粒（5#）、螺旋式生物繩（8#）、流化床填料（9#）、絲帶內(nèi)芯懸浮球（12#）、海綿內(nèi)芯懸浮球（13#）系統(tǒng)則分別需要6～19 d時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中亞硝酸鹽氮均呈先上升再降低的趨勢(shì)，其中珊瑚骨、纖維毛球系統(tǒng)達(dá)到峰值所需時(shí)間均為5 d，而陶粒、螺旋式生物繩、流化床填料、絲帶內(nèi)芯懸浮球、海綿內(nèi)芯懸浮球系統(tǒng)亞硝酸鹽氮濃度達(dá)到峰值則需要11～19 d。珊瑚骨系統(tǒng)亞硝鹽氮降低至檢測(cè)不出需要11 d，而纖維毛球、陶粒、螺旋式生物繩、流化床填料、絲帶內(nèi)芯懸浮球、海綿內(nèi)芯懸浮球系統(tǒng)亞硝酸鹽氮降低至檢測(cè)不出需要18～30 d，空白組亞硝酸鹽氮濃度至實(shí)驗(yàn)結(jié)束仍處于上升階段。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中硝態(tài)氮濃度始終呈上升趨勢(shì)，但不同基質(zhì)系統(tǒng)硝氮上升速度不同，且最終濃度由高到低也略有不同。珊瑚骨系統(tǒng)硝氮上升速度最快，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束濃度最高;絲帶內(nèi)芯懸浮球系統(tǒng)最低。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同基質(zhì)系統(tǒng)48 h氨氮去除率與氨氧化強(qiáng)度，可見(jiàn)硝化強(qiáng)度由高到低依次為珊瑚骨、纖維毛球、海綿內(nèi)芯懸浮球、流化床填料、陶粒、絲帶內(nèi)芯懸浮球、螺旋式生物繩，珊瑚骨系統(tǒng)48 h氨氮去除率最高，為72.8%，優(yōu)于其它基質(zhì)。

2.2?基質(zhì)不同放置方式對(duì)硝化功能建立過(guò)程的影響

添加纖維毛球的2#、3#和4#系統(tǒng)氨氮降低至檢測(cè)不出，分別需要6、5和11 d;設(shè)置陶粒作為基質(zhì)的5#、6#和7#系統(tǒng)氨氮降低至檢測(cè)不出，分別需要14、7和12 d;添加流化床填料的9#、10#和11#系統(tǒng)氨氮降低至檢測(cè)不出，分別需要13、6和12 d。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中亞硝酸鹽氮濃度先升高后降低，設(shè)置纖維毛球作為載體的3#系統(tǒng)、陶粒作為載體的6#系統(tǒng)、流化床填料作為載體10#系統(tǒng)，在同基質(zhì)系統(tǒng)中亞硝氮最先降至檢測(cè)不出，分別需要18、24和21 d。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中硝酸鹽氮濃度均呈上升趨勢(shì)，相同載體的系統(tǒng)硝酸鹽濃度變化基本一致，在亞硝氮達(dá)到峰值后加速上升，設(shè)置纖維毛球的3#系統(tǒng)、陶粒載體的6#系統(tǒng)和流化床填料的10#系統(tǒng)在同基質(zhì)系統(tǒng)中硝酸鹽氮濃度上升速度最快，且至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)濃度最高。因此，纖維毛球、陶粒和流化床填料分別以100目篩絹懸掛、網(wǎng)兜懸掛和100目篩絹懸掛放置時(shí)效果最優(yōu)。

3?討論

硝化功能微生物屬化能自養(yǎng)菌，利用氨或亞硝酸鹽為能源，二氧化碳為碳源，具有代時(shí)長(zhǎng)、生長(zhǎng)慢、消耗總堿度大、附著性強(qiáng)等特點(diǎn)[10-11]，在污水處理和水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)凈化過(guò)程中扮演重要角色。添加基質(zhì)可增加硝化菌群附著面積，有利于其快速生長(zhǎng)繁殖，并最終加速系統(tǒng)中氨氮和亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化，減少氨和亞硝酸鹽對(duì)養(yǎng)殖生物的毒性作用。此外，使用基質(zhì)作為生物膜載體還可為養(yǎng)殖生物補(bǔ)充餌料，增加魚(yú)類棲息空間[12-14]。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，當(dāng)硝化功能微生物達(dá)到一定數(shù)量，且比例合適時(shí)，會(huì)縮短氨和亞硝酸鹽峰值時(shí)間并降低峰值濃度，從而快速完成硝化功能建立過(guò)程[15-16]。從研究結(jié)果可知，添加基質(zhì)的實(shí)驗(yàn)組，氨氮和亞硝氮去除效果明顯高于空白組，揭示添加基質(zhì)可起到良好的水質(zhì)調(diào)控效果，與張家松等[17]研究結(jié)果一致?；|(zhì)孔隙率、比表面積和表面粗糙度是影響生物膜掛膜效果和掛膜速度的重要因素，其中珊瑚骨系統(tǒng)硝化功能建立時(shí)間更短，硝化能力優(yōu)于其他生物膜載體。珊瑚骨作為一種天然生物膜載體，比海綿內(nèi)芯和纖維毛球表面粗糙，同時(shí)其孔隙率和比表面積大于絲帶內(nèi)芯、流化床填料等人工載體，這些均有利于硝化功能的建立，與張宇雷等[18]使用的PVA-PVP共混填料相比，其降解氨氮、亞硝氮效果更為高效，還可以提高系統(tǒng)pH值，平衡水質(zhì)，對(duì)硝化系統(tǒng)的建立具有良好的促進(jìn)作用。

通常養(yǎng)殖水體要求溶解氧不低于5 mg/L，因此需要通過(guò)曝氣來(lái)維持水體中溶解氧[19]。曝氣會(huì)擾動(dòng)水體，加大載體表面剪切力，不利于生物膜的掛膜和成熟。流化床填料、纖維毛球采用100目篩絹懸掛放置的方式，優(yōu)于其他放置方式，分析原因，100目篩絹既可以實(shí)現(xiàn)包內(nèi)水體和養(yǎng)殖水體之間的充分流動(dòng)，又可以減少擾動(dòng)水體對(duì)生物膜的沖擊，有利于微生物快速附著生長(zhǎng)繁殖;200目篩絹可能會(huì)對(duì)水體流動(dòng)有阻礙作用，使系統(tǒng)硝化功能的建立受到影響，因此基質(zhì)采取合適的放置方式有利于硝化功能的建立。

人工基質(zhì)對(duì)有機(jī)顆粒的吸附和降解，減少了池底厭氧水層，降低了有害物質(zhì)的濃度，減少了有害細(xì)菌的生長(zhǎng)空間，且表面形成的生物膜能夠加快養(yǎng)殖水體物質(zhì)循環(huán)[20-21]。本實(shí)驗(yàn)基質(zhì)具備了以下條件：性質(zhì)穩(wěn)定，完全無(wú)毒無(wú)害，表面粗糙，孔隙率和比表面積大，可回收利用等[22]。

4?結(jié)論

投加基質(zhì)作為生物膜載體可以顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的硝化能力，其中珊瑚骨硝化系統(tǒng)建立最快需11 d，最慢的是螺旋式生物繩需30 d。不同基質(zhì)硝化系統(tǒng)建立效果由強(qiáng)到弱依次為珊瑚骨、纖維毛球、海綿內(nèi)芯懸浮球、流化床填料、陶粒、絲帶內(nèi)芯懸浮球、螺旋式生物繩。

同種基質(zhì)采用不同放置方式其硝化功能建立過(guò)程存在差異。100目篩絹包懸掛的纖維毛球、流化床填料系統(tǒng)硝化功能建立時(shí)間較快，分別為18和21 d，快于同基質(zhì)200目篩絹和網(wǎng)兜懸掛放置。

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