SCLJ201911012

为了解决循环水养殖系统（RAS）的不足，生物絮凝技术（BFT）逐渐地进入研究者的视野并成为研究热点[1-2]。BFT是控制养殖水体中碳氮比通过细菌作用将水体中的颗粒有机物、溶解有机物和无机氮转化为水产养殖对象可以摄食的絮凝体来改善养殖水质，从而降低水体中的有害物质对养殖对象的影响[3]。但有些不直接摄食絮体的养殖对象不适合在原位系统中养殖。因此，异位BFT应用于RAS的工艺得到进一步提倡与发展[4]。SCHNEIDER等在RAS的固液分离装置后加上BFT装置的实验中，得出BFT反应器可以作为RAS的一个水处理单元的结论[5]。吴盛凯在原位和异位的2种模式下养殖吉富罗非鱼，表明异位养殖模式水质更稳定且鱼体肠组织中的胰蛋白酶活力在整个养殖期间都高于原位组[6]。微生物悬浮生长生物滤器是利用BFT原理，通过曝气使絮体在水体中悬浮生长的水处理装置。经刘文畅研究得知，该系统水力停留时间（HRT）为4.5h时运行效果为佳，具有用作RAS核心水处理装置的可行性[7]。除HRT外，工厂化RAS中快速去除水中的溶解性有害物质也是系统设计的核心问题[8]。了解系统对溶解性有害物质快速去除的能力，可以根据系统可承受养殖动物摄食生长过程中排泄的溶解性有害物质的量来调整系统的负荷，将系统有害物质控制在合理范围内，以确保养殖动物的安全与生长[9]。本研究以微生物悬浮生长生物滤器的RAS为研究对象，通过对系统反应区和沉淀区分别对三态氮快速去除能力的研究，计算得到了反应区和沉淀区对三态氮的去除速率，为该系统应用于生产实践做理论支持与指导。1实验部分1.1养殖系统与运行方式如图1，生物絮凝反应器为聚乙烯材质，高2.25m、内径1.2m，工作容积2.21m3。反应器中部设有一个中隔板将反应器分为反应区和沉淀区，中隔板宽1.2m、高2.1m，距反应器底部0.15m。反应区和沉淀区顶部各设有1个直径0.55m的圆形检查口，反应区由罗茨鼓风机进行曝气，进气量为1.2m3/h。沉微生物悬浮生长生物滤器对三态氮快速转化研究张南南1，刘文畅1，谭洪新1，2，罗国芝1，2，于永霞1，黎爽1（1.上海海洋大学，上海水产养殖工程技术研究中心，农业部淡水水产种质资源重点实验室；2.上海海洋大学，水产科学国际级实验教学示范中心：上海201306）摘要：为研究微生物悬浮生长生物滤器对三态氮的去除能力，对反应区和沉淀区分别进行NO3--N、NO2--N和NH4+-N快速转化实验。结果表明，反应区通过反硝化作用去除一定量的NO3--N，去除过程中会有NO2--N的短暂积累且最高积累量随着NO3--N初始含量的升高而升高，沉淀区对NO3--N无明显的处理能力；反应区对NO2--N的去除时间随NO2--N初始含量增加而增加，反应结束时有极少量的NO3--N积累，沉淀区对NO2--N去除能力较低；反应区对NH4+-N的转化迅速且彻底，有少量NO3--N积累，沉淀区对NH4+-N处理能力较弱，并且有NO2--N和NO3--N积累。NO3--N、NO2--N、NH4+-N的最大去除速率，反应区分别为1.97、0.76、8.10mg/(L·h)，沉淀区显著低于反应区，分别为1.61、0.29、1.16mg/(L·h)。关键词：微生物悬浮生长生物滤器；NO3--N；NO2--N；NH4+-N；去除速率中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-3770(2019)11-0055-006收稿日期：2018-09-22基金项目：国家重点研发计划（2017YFD0701700）；上海水产养殖工程技术研究中心能力提升项目（16DZ2281200）；上海市科学技术委员会资助项目（14320501900）作者简介：张南南（1993－），女，硕士研究生，从事工厂化水产养殖系统与工程研究联系电话：[phone]：电子邮件：[e-mail]通讯作者：谭洪新，博士，博士生导师，教授；电子邮件：[e-mail]:10.16796/j.cnki.1000-3770.2019.11.011第45卷第11期2019年11月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.45No.11Nov.,201955淀区底部设置与反应器底部呈30°夹角的导泥板。RAS养殖单元由上层和下层养殖区以及底层的缓冲区组成，通过聚氯乙烯管道串联。上、中层养殖区长10m、宽1m、高0.45m，控制水位高0.18m。每层养殖区底部设有5个长度为2.5m的纳米微孔曝气盘进行供氧，曝气盘共同连接到1台旋涡式气泵。缓冲区长1.8m、宽1m、高0.45m，控制水位高0.25～0.35m，底部放置1个长度为2.5m的纳米微孔曝气盘，出水口一端设有1台造流方向与缓冲区水流方向相反的造流泵，防止固体颗粒物沉淀。养殖区内养殖水进入缓冲区后由离心泵提水通过进水管（反应区高2.15m处）进入反应区，通过连通器原理进入沉淀区。浑浊反应液经沉淀区沉淀后，絮体污泥经导泥板重回反应区，上清液经出水管（沉淀区高2.05m处）进入上层养殖区。系统上层和下层养殖区各放养100尾澳洲宝石鲈（Scortumbarcoo），规格为(432.54±83.28)g，负载量为24.03kg/m3，运行期间系统HRT为12h、进水体积流量为3L/min，每日每层投喂500g饲料（其中粗蛋白质、粗纤维、粗脂肪、灰分、水的质量分数分别≥30%、≤13%、≥3%、≤15%、≤12.5%），每天向反应区添加葡萄糖470g（早7:30、晚7:30各1次）维持COD/ρ(TN)15，及时调整反应区TSS使其维持在700mg/L左右[10]。养殖期间反应区污泥容积指数（SVI）(49.90±15.57)mL/g，DO的质量浓度7～8mg/L，温度26.6～26.7℃，pH为8.1～8.3，NH4+-N、NO2--N、NO3--N、溶解性有机碳（DOC）的质量浓度分别为(0.01±0.02)、(0.06±0.12)、(2.05±0.67)、(24.75±6.99)mg/L；沉淀区SS、DO的质量浓度分别为100、4.7～5.5mg/L，温度26.6～26.7℃，pH为7.4～7.5，NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TOC的质量浓度分别为(0.02±0.02)、(0.08±0.15)、(2.12±0.87)、(23.89±6.50)mg/L。1.2无机氮的去除速率1）NO3--N去除速率。实验用水取自养殖系统运行第70天的反应器，取反应区水样900mL于1000mL的三角烧瓶中，设置A、B、C、D共4个组（每组3个平行），立即分别加入KNO3储备液使A组、B组、C组、D组NO3--N的质量浓度分别为2.60、7.60、12.60、22.60mg/L。将三角烧瓶放于固定化摇床中，转速120r/min，温度26.5℃。沉淀区取样方法同反应区，对应组编号为A1组、B1组、C1组和D1组。三角烧瓶放于恒温培养箱中，设置温度为26.5℃。每2h取水样测试NH4+-N、NO2--N和NO3--N含量，第1小时内每15min取样测试1次NO3--N含量。2）NO2--N去除速率。实验步骤与NO3--N去除速率测定的方法相同，仅需改加入NaNO2储备液使A组和A1组、B组和B1组、C组和C1组、D组和D1组NO2--N的质量浓度分别为0.50、1.00、2.00、4.00mg/L。每2h取水样测试NH4+-N、NO2--N和NO3--N，第1小时内每15min取样测试NO2--N含量1次。3）NH4+-N去除速率。实验步骤与NO3--N去除速率测定的方法相同，仅需改加入(NH4)2SO4储备液使A组和A1组、B组和B1组、C组和C1组、D组和D1组NH4+-N的质量浓度分别为0.50、1.00、2.00、4.00mg/L。每2h取水样测试NH4+-N、NO2--N和NO3--N含量，第1小时内每15min取样测试NH4+-N含量1次。NO3--N、NO2--N和NH4+-N去除速率计算方法[11]：根据前1h内不同时间测定的质量浓度，分别绘制NO3--N、NO2--N和NH4+-N质量浓度随时间变化的曲线图，曲线图斜率k即为该指标的去除速率。若该指标在前1h内的某一时间点转化完，则取开始时间至该点绘制曲线。1.3试剂与分析方法KNO3、NaNO2、(NH4)2SO4储备液中NO3--N、NO2--N、NH4+-N的质量浓度分别为14.44、1.972、1.888g/L，所用试剂均为分析纯。NO3--N含量用紫外分光光度法测定，NO2--N含量用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定，NH4+-N含量用次溴酸钠氧化法测定，温度、DO含量、pH用WTW（Multi3430）测定。2结果与讨论2.1NO3--N去除速率图2～图5是NO3--N去除速率测定过程中反应区和沉淀区氮转化情况，表1是NO3--N去除速率。由图2可知，反应区A组NO3--N含量未出现明显变化，B组降至初始含量时不再下降，C组和D组有持续下降过程。表明反应区具有处理NO3--N的能力，最终将NO3--N的质量浓度控制在2.5mg/L左右。由图3可知，B组、C组和D组NO2--N含量在前图1微生物悬浮生长生物滤器的RASFig.1RASofthemicrobialsuspensiongrowthbio-filter水处理技术第45卷第11期562h迅速上升，随后B组和C组开始下降，D组4h后开始下降，表明反应区发生了反硝化反应，NO3--N含量越高NO2--N的积累量越大，转化后的NO3--N未以其它氮的形式残留于水中。由图4可知，沉淀区A1组NO3--N含量无明显下降，B1组在前15min稍有下降，C1组和D1组在前1h内有下降趋势，表明沉淀区对NO3--N无明显处理能力。由图5可知，NH4+-N和NO2--N无明显积累。由表1可知，在实验所设置的初始NO3--N含量范围内，除A组外，相同的初始NO3--N含量反应区NO3--N去除速率均显著高于沉淀区，原因是系统在运行过程中每天定时向反应区添加葡萄糖，使反应区含有充足的碳源实现了反硝化脱氮。朱淑琴在间歇式活性污泥法硝化与反硝化的实验研究中也发现，在反硝化过程中不添加有机碳源的反硝化速率远远低于添加有机碳源的反硝化速率[12]。A组和A1组之间去除速率差异性不显著，是因为A组和A1组NO3--N含量为原系统中的NO3--N含量，并且很低，反应区和沉淀区均不再对其有明显处理效果。反应区A组、B组和C组去除速率随NO3--N含量的增加而显著增加，D组去除速率虽较C组增加但差异性不显著。原因是NO3--N反硝化菌将NO3--N还原为NO2--N时需要消耗碳源，同时生成的NO2--N还原也需要碳源，会出现NO3--N反硝化菌和NO2--N反硝化菌竞争碳源的现象[13]。这种现象在D组表现得更加突出，致使D组与C组NO3--N去除速率差异不显著。反应区可以有效控制系统中的NO3--N含量，使NO3--N稳定于低含量范围内并且不会以其它氮的形式残留于水中。类似的研究中，以聚丁二酸丁二醇酯（PBS）为碳源在序批式反应中进行反硝化性能测试，结果表明当初始NO3--N质量浓度为40mg/L时，反硝化平均速率为1.482mg/(L·h)，低于反应区的C组和沉淀区D1组[14]；在静置-好氧-缺氧序批式反应器NO3--N的质量浓度为15～20mg/L时测得反硝化速率为0.98mg/(L·h)[15]。这与本实验初始NO3--N质量浓度为15mg/L的结果相当，而当本系统NO3--N的质量浓度为20mg/L时，NO3--N的去除图2测定NO3--N去除速率时反应区NO3--N含量的变化Fig.2ChangeofNO3--NcontentinreactionareaduringthemeasurementofNO3--Nremovalrateρ(NO3--N)/(mg·L-1)02468101204812162024t/hABCD图