生物膜在循环水育苗系统中的水质调控作用,水污染论文

　　现代化的高效循环水养殖技术始于 20 世纪 70 年代的欧洲，至 20 世纪 90 年代已成为欧洲水产养殖的主流方式．我国于 20 世纪 70 年代末对循环水养殖技术进行探索，先后从欧洲引进数十套设备用于淡水养殖，但限于经济条件和技术限制，未能大规模推广．近年来，我国水产养殖规模不断扩大，养、捕比例由 2002 年的 63∶ 37 提高到 2011 年的 72∶ 28，水产养殖产量占世界总产量的 70%．然而，过于粗放的养殖模式使养殖水体污染日益严重，养殖病害频发，养殖成本大幅上升．清洁、高效的循环水养殖技术开始受到越来越多的重视，并在我国沿海和内陆部分地区得到积极推广．养殖过程中，大量残饵、粪便常会导致水体富营养化，诱使病害发生，此时水体总氮(TN) 、总磷(TP) 、氨氮(NH3-N) 、亚硝酸盐氮(NO2-N) 、化学需氧量(COD) 等大幅升高．因此，齐全的水处理设备对于循环水养殖系统至关重要．基于生物膜技术的生物滤池是当前循环水养殖系统中使用最广泛的水体清洁装置．它依靠其中的各种滤料或填料为载体，富集有益微生物形成生物菌膜，通过微生物的新陈代谢作用实现对养殖废水中“三态氮”、COD 等溶解性有害物质的降解和去除．为了解循环水育苗系统水处理流程、探索生物膜在循环水育苗系统中的水质调控作用，本文通过研究生物滤池处理前后水质主要指标的变化，揭示生物滤池对育苗池水质的净化效果，旨在为智能化温室育苗系统水质调控模式和技术研究提供参考．

　　1、试验部分

　　1． 1 研究对象

　　本试验采样地点位于浙江南太湖淡水水产种业有限公司罗氏沼虾(Macrobrachium rosenbergii) 15#育苗池，面积 18 m2，育苗数量 60 万幼体，育苗时间为 20 d，其循环水育苗系统结构图如图 1 所示．该系统主要由 4 个部分组成: 育苗池、沉淀池、生物滤池及储水池．育苗池的养殖水体经出水口进入沉淀池，去除其中的悬浮颗粒物等杂质后，进入生物滤池，借助滤池中固着微生物的新陈代谢作用将水体中的有机污染物降解，得到净化的水体流入储水池，最终再经进水口回到育苗池中，实现循环水养殖．

论文摘要

　　生物滤料为进口聚乙烯树脂颗粒料经高温两次发泡制成，具有质轻、比表面积大、吸附能力强、不破碎、孔隙率高、滤速高、脱污能力强、滤料均匀、使用寿命长等优点，直径: 4—5 cm，准密度: 15—20 g·cm－ 3，孔隙率: 50%．

　　1． 2 挂膜方法

　　菌种为浙江省淡水水产研究所鱼病室提供的有益菌，主要为芽孢杆菌和乳酸菌．每毫升菌液中，有益菌含量为 1 ×1011CFU．挂膜时，每 100 L 水体投入约 0． 5 mL 的菌液．污水采自邻近养殖池的养殖废水，先以慢速引入生物滤池，循环 3—7 d 后，改为慢速连续进水．在此过程中，水体中的微生物附着在滤料表面，吸收水中的有机物进行生长繁殖．进水量逐步增加到正常值时，滤料上形成较稳定的生物膜．挂膜培养时间约 40 d．

　　1． 3 生物膜生长情况判定方法

　　传统对生物膜生长情况的判定是通过对水质理化参数进行测定来实现的，操作较为复杂．生物膜生长情况本质上来说，是固着其上的微生物生长情况的体现，而在评价微生物生长情况的方法中，生物量是一个直观、有效的指标．生物膜在形成过程中，始终伴随着膜厚度的增加和膜的脱落，在形成初期，膜厚度增加速度大于脱落速度，使得生物膜总体处于不断增厚的状态，即固着生物量不断增加，但这一状态不会始终保持下去，受固着微生物生长状况和生物膜所处水质环境的影响，在某一时刻，膜厚度增加速度与脱落速度达到平衡，生物膜厚度基本保持不变，即固着生物量达到最大值，此时生物膜上的微生物大多处于各自生命周期的稳定期，标志着生物膜的成熟．随着生物膜处理时间的延长，膜厚度增加速度逐渐小于脱落速度，使得生物膜处于不断变薄的状态，即固着生物量不断减少，标志着生物膜步入老化阶段．此时，循环水系统对水质的净化能力减弱．在第 1 次取水样时，从生物滤池取下一块滤料，先用蒸馏水轻轻冲洗，去除未固定的非生物质，再将滤料连同上面固着的微生物一起放进烘箱中，105 ℃下烘干至恒重，计此时滤料的重量为 m2，另取一块未经使用的滤料同法烘干并称重，计其重量为 m1，则某一时期滤料上固着的生物量为(m2－ m1) ．第 2次取水样时，从第 1 次所取滤料邻近位置再取一块滤料，同法烘干、称重，计算生物量，依次类推直至取样结束．

　　1． 4 试验方法及样品采集

　　育苗开始的第2 天，投喂孵化18 h 的卤虫无节幼体，投喂密度在10 个·mL－ 1左右，以后每天投喂．随着罗氏沼虾溞状幼体蜕壳生长，摄食量增加，投喂量也相应增加．至罗氏沼虾溞状幼体发育到第 8 期以后，以投喂蛋羹为主、卤虫无节幼体为辅．蛋羹每天投喂 6 次，投喂时间为 1∶ 00、6∶ 00、11∶ 00、13∶ 00、17∶00、22 ∶ 00，每次投喂蛋羹时，应确保 80% 的罗氏沼虾溞状幼体能抢到蛋羹．布苗后第 2 天上午 9∶ 00 开始进行第 1 次采样，在 15#育苗池出水口和进水口各采集 3 瓶平行水样，分别测定 NH3-N、NO2-N、CODMn、TP、TN，3 次数据取平均值，水样应做好标记，并注意避光保存，以免其中的微生物进行光合作用．此后，每隔 2 d 采 1 次样．育苗期间，育苗池曝气装置一直处于开启状态，且曝气头较多，水中溶解氧含量均保持在 10 mg·L－ 1以上，故不再测定溶解氧指标．

　　1． 5 水质测定

　　NH3-N 采用纳氏试剂分光光度法测定、NO2-N采用 N-(l-萘基) -乙二胺光度法测定、TP 采用磷钼蓝分光光度法测定、TN 采用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定、COD 采用高锰酸钾法测定．所使用试剂均购自国药集团化学试剂有限公司．

　　2、结果与讨论

　　2． 1 生物膜固着生物量的变化

　　成熟的生物膜一般由好氧层和厌氧层组成，如图 2 所示，初始时生物膜上的微生物生长较旺盛，固着生物量较高并维持在一定水平(5 月 20 日—5 月 27 日) ; 随着生物滤池运行时间的延长，生物膜内部的厌氧层逐渐增厚，厌氧物质不断富集，使生物膜脱落速度接近增长速度，表现为滤料固着生物量开始减少(5 月 30 日) ; 5 月 30 日以后，生物膜脱落速度超过生成速度，生物膜固着生物量大大降低，标志着生物膜已处于老化阶段，对水质的净化能力下降，理想的解决方法是对生物膜进行再生处理，但时间较长(约为 40 d 左右) ，不适合罗氏沼虾的苗种培育，从工厂化生产角度分析，可以考虑育苗中期对育苗池水体进行更新，从而减轻生物滤池的负荷．

　　2． 2 总氮(TN) 在生物膜处理前后的变化

　　水体中的总氮包括有机氮和无机氮，其中无机氮主要由氨氮和硝态氮组成．由图 3 可知，总氮浓度在养殖过程中呈现先快速上升，再缓慢下降的趋势，这可能是因为罗氏沼虾苗进食能力不强或饵料投放过多导致水体中营养物质残留，使初始总氮含量偏高，5 月 27 日以后，水体中总氮含量逐渐下降，可能的原因有三: 一是罗氏沼虾苗消化系统逐渐发育完善，进食能力增强，大大降低了饵料的残留量，减少了含氮有机物的富集; 二是生物滤池对水体的净化作用; 三是虾苗育苗不同时期投喂饵料种类不同，对水体中氮的贡献不同．图 3 显示生物膜对水体总氮的初始清除率较高，达 46． 13%，这是因为此时生物膜上固着的微生物量较多，随着处理时间的延长，生物膜逐渐老化，固着生物量开始减少(图 2) ，对总氮清除率下降，并在第 18 天达到最低值，为 1．05%．

　　2． 3 总磷(TP) 在生物膜处理前后的变化

　　磷是动植物主要营养元素之一，参与虾苗对钙的吸收和成壳过程．养殖水体中磷主要来自于饵料、肥料及引水过程．一般认为水体中磷的浓度达到 0． 02 mg·L－ 1时，对水体的富营养化就会起明显的促进作用．图 4 显示，水体初始磷浓度为 0． 06 mg·L－ 1，经生物膜处理后，磷浓度降至 0． 025 mg·L－ 1，运行7 d后，由于虾苗进食能力较弱，饵料残留较多，使水体中磷的浓度直线上升，最高达到 0． 22 mg·L－ 1，生物膜对磷的清除率随着生物膜的老化也逐渐下降，由最初的58． 33%降至30． 55%; 随着虾苗的发育成熟，饵料对水体中磷浓度的贡献减弱，在生物膜的作用下，水体中磷浓度逐渐降低至 5 月 30 日的0． 055 mg·L－ 1; 此后，不断老化的生物膜对水体净化作用逐渐减弱，水体磷浓度总体呈现上升趋势．

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　　2． 4 氨氮(NH3-N) 在生物膜处理前后的变化

　　循环水养殖中的氨氮主要来自于水产动物代谢及饵料在微生物作用下的分解，是水体的主要耗氧污染物，能导致水体富营养化．氨在水体中通常以非离子态氨(NH3) 和离子态氨(NH+4) 存在，其中以非离子态氨(NH3) 对水产动物危害较大，其具有脂溶性，可以侵入并富集在动物细胞中，破坏生物体内的氨氮平衡．图 5 显示，氨氮初始时浓度较高，这与虾苗进食能力弱有关，此时，生物膜对氨氮的清除能力也最强，为 22．68%，在生物膜的作用下，水体氨氮逐渐下降并在 5 月 27 日浓度降到最低; 5 月 27日以后，生物膜上固着生物量开始减少，表明生物膜开始老化，对氨氮的清除率减弱，5 月 30 日以后氨氮浓度呈现上升趋势．

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　　2． 5 亚硝态氮(NO2-N) 在生物膜处理前后的变化

　　工厂化循环水养殖中亚硝态氮主要有两个来源: 一是水体中溶解氧含量高时，氨氮经硝化反应氧化为亚硝态氮; 二是溶解氧不足时，硝态氮经反硝化过程还原为亚硝态氮．亚硝态氮会阻碍水产动物血液对氧气的运输，使水产动物因缺氧而窒息死亡，同时，还会降低水产动物抗病能力，增加养殖病害爆发的风险．图 6 显示，亚硝态氮浓度先上升后下降，并于 5 月 27 日达到最高值，这是因为初始氨氮浓度较高，促进了亚硝态氮的积累，此时，生物膜的净化能力也达到了最大值，为 32． 22%; 5 月 30 日以后，生物膜老化开始凸显，滤料固着微生物量逐渐减少，亚硝态氮浓度再次上升并维持在一个较高的水平．

　　2． 6 化学需氧量(CODMn) 在生物膜处理前后的变化

　　CODMn反映了水中受还原性物质污染的程度，也是表征水体中有机质含量的一个重要指标．育苗初始阶段，因虾苗消化系统尚未发育完善，进食能力较弱，导致水体中有机物含量较高，经生物膜处理后，水体中 CODMn不断下降，并最终稳定在一个较低的水平(图 7) ，可能是因为此时虾苗已经生长发育成熟，饵料残留不再成为有机污染物的主要来源，后者更多来源于虾苗排泄物，在微生物的作用下，有机污染物的浓度保持动态平衡．生物膜对 CODMn的清除能力较弱，最高清除率为 7． 73%．

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　　3、结论

　　罗氏沼虾育苗通常需要 20 d 左右，因此本研究采样时间跨度设计为 18 d．育苗早期，生物滤池的净化能力最佳，对 TN 最高清除率可达 46．13%，对 TP 最高清除率可达 58．33%，对 NH3-N 最高清除率可达 22．68%，对NO2-N最高清除率可达 32．22% ，对 COD 最高清除率可达 7．73% ．育苗中期，生物膜开始逐步老化，对各污染物清除率都有不同程度的减弱．此时，若继续运行，则生物膜将不能很好地发挥净化作用．从工厂化生产角度分析，在育苗中期对育苗池水体进行更新较为合适，可以降低水体中污染物含量，减轻生物滤池的负荷．

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