工厂化养殖中悬浮生物膜的构建性能和应用刘飞

工厂化养殖中悬浮生物膜的构建、性能和应用’刘飞韩舞鹰(中国科学院南海海洋研究所,环境与生态研究室,广州,510301)摘要:本研究选用一种纺织度料构建悬浮生物膜,成功地应用于工厂化养殖中控制氮氮和亚硝映氮水平。在生物膜成熟过程中,添加有机物是亚硝化单胞菌在生物膜上成熟的必要条件;水中磷映盆保持在0.3雌R习一PL一’以上有利于硝化杆菌提前成熟。成熟后的生物膜上各细菌种群数t都达到1护O双Jmr一3以上。性能测试表明,16一25℃间水温对悬浮生物膜的硝化性能有显著影响,而25一30℃问水温对硝化性能没有影响;最大的氮氮和亚硝酸去除速率在68.51一2刀.9咚M犷一Nm一Zh一’和56.89一178.2飞M万一Nm一Zh一’。应用结果表明,布!的悬浮生物膜可以保持氮氮、亚硝酸氮在安全水平,但氮氮浓度与悬浮生物膜的数t相关。关扭词:工厂化养殖;悬浮生物膜;生物膜成熟;亚硝化单胞菌;硝化杆菌;硝化作用(冶朋tucriton,伴rfomraneeandaPPliaCtionofasuSePnddebionlminaintesniveeultuertankiLueFiHanWu外gn(S以月htC肠ans,Isntiuettof众例侧户phy,Cihn既Acad.yof豁~,以断哪址扣510301,Cihan)A加坛即:tSAsuspenddeibiofhnpcores涨妇fomrifbrefillr曰n田nderhas卜沈napplideotcontorlcsueessfullylevelsofannomrraandnitirteinacftoyrcultuersystensr.Inthepor-~ofbiofilmanrtiurty,adidtionofo堪aniearntterisp此戏月ulsiteotesabtlihsiNt价~onbiofih;从tor阮c决犷would悦advane司otestablihsonbiiofilnhwenhtep坛刀phatelevels~秘jniatn曰a加ve0.3mgR写一PL一’inthewaetr.hTenum-悦花oftheercat雌扣iresofhaetieraontheanIt二biiofilnreaehedl护CFUcrn一3orahwe.T卜eesrulstofinitrifcationshowedhtattheefft尤toft巴npeart眠onthe叩ti川目initrifcationartes~is娜ifcandyidffeernt别mong16一25℃andontisgniifcant悦-t明隆无n25℃and30℃;the印timall’ANorinitrte~valarteave雌edform68.slot277.9吨TANm一Zh一’orfomr56.59ot175.2吨N衡一Nm一Zh一’,r巴peCtively.T七e叩ilPcaitonitrdestitifedthatsusepdnedbioiflsrndeplo卿entottheintesniveifhstanksiwthoutwaterexeh肚堪e~feasibleotmainiatnaccePtablelveeisof~aandinitretforifhs~ivaland,心iwh.uBtthesubstarteslevelslr比in面nde~比坛detothtenum悦rofsusepnddebiofiln陷underthe~~alaodign.价yw份dS:Sus伴nd曰bioifiln;Biofihnrr扭tiuryt;iNt一;iNt比6鱿决甲;iNitrifca-tion;Inten6ive以tuer;awterqaulity.墓金项目:广东省农业攻关项目—“养殖污水的再利用与资源化”(编号口仪扣8)1前言工厂化养殖(凡cto]下助皿c川t二)是一种在国内外广泛使用的养殖模式川,由于高的养殖密度、丰富的饲料投人产生大量污染物,所以保持优良的水质是成功的关键,其中最重要的是保持合适的氮氮、亚硝酸氮水平2[]。生物法处理养殖水被认为是最经济可行的方法,并在国外得到鼓励3[]。除了以混养方式为代表的“生态法”41[,解决水质问题的典型措施为生物膜处理外,按生物反应器的类型来分主要分为4类:生物滤池、生物接触氧化池、生物转盘、生物流化床3[,习。但是,这些以硝化作用原理为主的措施受到经济和技术上的限制。①前期工作中播要比较复杂的工程优化设计和规划;②需要经常的运行管理和维修维护;③需要专门的投资和运行费用。与传统的集约化养殖相比,工厂化养殖一般技术性强、投人较大。理想的水质控制方法应该操作简单、经济可行、技术有效e[]。Bartvold等(2X()l)认为原位生物修复是一种新的水质控制技术,并研究了养殖池中布置抽以山几百叫后的水质和徽生物特点71[。依此思路,本研究利用一种纺织废料构建了简单、经济的、在线处理的悬浮生物膜,评价了它的硝化性能,并验证了它在养殖中的技术可行性,供科研和实际生产借鉴。2材料与方法2.1旅料和.浮生物腆的特征PVC纤维棉是一种柔软、多孔、致密的薄层化工纤维,是常见的纺织加工原料,加工后的废料在纺织工厂大t剩余。废料的厚度平均为3二,裁减成长方形(30cmx10二,LxW),作为本试验中细菌生长的载体(图1)。经侧量,每个载体的基本参数为8[]:总表面积840enl平,比重(0.8士0.1)吨m一3,比表面积)93.3衬m一3,空隙率69.8%。裁减CliPP.d--~--一叫卜r0Peb.tten绳木条配tDeC0rated-一-一--卜PlasticPIPe传m扭恤derofifbreifll纤维棉刹料}}}}}塑料管图1悬浮生物膜的加工过程凡.1段抽miate山唱旧njp旧a,川堪,周”已目恤五blfr以11if肠创川旧1面1目er.布t到养殖池前,载体的一端绑上一节塑料条(重量约为1009,长度约为10二),用作沉子;载体的另一端绑上一节中间系有绳子的小木条(长度约为10助)。用绳子将载体绑在竹棍上,竹棍浮在水面,这样载体垂直悬浮在水中。每个载体原料成本只有0.5元左右。2.2实脸和试脸系统实验和试验于2的1年n月至2加2年3月在位于惠州市的某水产养殖场的室内车间进行。.148·悬浮生物膜的成熟和性能测试在20个1时聚氨醋塑料池中进行。每个塑料池中装人曦气处理3d的自来水约0.肠时,起始水温为15一16℃。由气泵供气,每池供气t为40Lr/inn,池中溶氧不低于6grn几,形成柔和的水流。每个池中放有4个自动调节电热棒控制水温。试验中州一旦低于7.0,加人3009碳酸氢钠(食品级)提高州,增加碱度。除了取样和检查开灯外,室内光照为零,防止浮游植物同化氨氮现象对实验的干扰。悬浮生物膜应用到养鱼池中的技术可行性试验在两个9衬水泥池中进行。池底装有3个等间隔的微孔曝气管,由气泵供气,每次供气量约为6X()L石min。水源为曦气后的自来水,经加人热水调节后,水温在22一24℃。室内由3个40W日光灯照明,减少浮游植物的干扰。2.3硝化细菌在.浮生物膜上的“成熟”2.3.1实脸1:有机物与水沮对亚峭化单胞菌“成熟”的影响每个塑料池中放人20个悬浮生物膜,均匀布置于水体。同时,每个池中放人12个裁成(3ox3ox3an,LxwxT)的小载体(因水流作用浸浮在水中)。池中均加人细菌制剂1片(6.49,淀粉30%,芽抱杆菌的芽抱70%),选用片剂是为了减少有机物的干扰。试验分为3组,共6个处理(表1):1曰气和1」〕为低温组,水温为15一16℃;MA和MO为中间水温组,为24一25℃;HA和HO为高温组,为28一29℃。其中,1曰气、MA和1认池中加人169抓化按(AP),使起始总氛氮浓度约为5grnN碳一Nl一’。其中,OL、MO和r刃池中加人3009麦教(30目)作为有机物。MO处理设有5个重复。衰l实脸1的设计1知b.11、比比口皿成D甲州腼.tl份处理1人1义)M以h《】HAI田O水温(℃)15一1615一1624一2524一2528一2928一29麦轶(〕阅g)+++叙化按(169)+++细菌产品(6.49)++++++,表中+表示加人了某种物质骨The51,囚of十int悦coll刀11n3iniclcat曰the司ditionofsuh巾m吧ott悦们民,廿川泊切.2.3.2实脸2:磷睦盐对峭化杆菌“成熟”的影响进行实验l时,认为有机物中含有满足微生物生长足够的磷源,能够支持生物膜的早期发育,所以没有加人磷酸盐。由于磷酸盐很容易消耗掉(好氧条件下被细菌过量吸收、储存)0E〕,一段时间后一般水中磷酸盐很低,磷酸盐很可能是生物膜进一步成熟的限制因子。因而,在处理MO中的亚硝化单胞菌于试验的第16天成熟后,利用用作重复的5个他设计4个处理:Mm和`吠卫中活性磷酸盐浓度低于0.01飞心一PL一’,不加人磷酸盐作为对照j吸刀中保持为0.3呢代习一PL一’汕吠x中保持为0.6呢R习一PL一’汤《万中保持为1.0吨R艰一PL一’。每天监测活性磷酸盐浓度,再加人适量的磷酸二氢钾(AP)达到设定浓度。2.3.3实脸1、2的指标记录生物膜成熟时间的计量方法为,从试验开始到某天底物浓度降低65%以上的天数间隔;.149.亚硝化单胞菌的底物为氛氮,硝化杆菌的底物为亚硝酸氮。每天下午3:oo一3:30取水样,监侧声、总氮氮、亚硝酸氮、悬浮固体水平。每3天监侧1次溶氧、水温、硝酸盐水平。在进行实验1时,每3天记录磷酸盐;进行试验2时,每天记录处理池的磷酸盐。总氛氮高峰、亚硝酸盐高峰和亚硝酸盐低谷时,侧盆处理MA和M()的小载体(3个)上附着细菌量。2.4.浮生物膜的.大硝化性能另取8个新的塑料池,装人自来水,用于测t无有机负荷、只有相应底物条件下生物膜的最大硝化性能。每个池均匀配tlo个成熟的悬浮生物膜(总的表面积为0.84澎)。总氮氮去除速率(R绷)和亚硝酸盐去除速率(凡,e)t的计算方法为:R二△C.VA.T式中R为总氮氮或亚硝酸盐的去除速率(grnN斑。(1)N街一Nm一Zh一’),△C为T时间间隔内的底物浓度变化(mgN碳orN坏一NL一’),v为池水的体积(l),T为测量时间间隔(h),A为池中惫浮生物膜的总表面积(时)。2.4.1实脸3:不同水滋下惫浮生物膜的总氛氮去除速率实验前让生物膜适应水温ld。每池加人抓化按约169(起始氮氮浓度约为5gnrN阅一NI一’),每池加人碳酸氢钠2的g提高水体缓冲能力。4个水温(16,20,25,30℃)条件下的处理编号为TR16、TE20了n论5、TR刃,每个处理设2个重复。每3小时记录水温、出、总氮氮、亚硝酸盐水平,采用公式(l)计算去除数率。2.4.2实脸4:不同水滋下愚浮生物膜的亚峭睦盆去除速率完成实验3后,换水并适应水温ld,每池加人亚硝酸钠8.39(起始亚硝酸盐浓度约为2mgN街一NL一l),每池加人碳酸氢钠2009。4个水温条件下的处理编号为NR16、NFZo、NF25、NR刃。每2小时记录水温、PH、亚硝酸盐水平,采用公式(1)计算去除数率。2.5.浮生物成在宜内集约化养鱼中的初步应用试验期为巧d。池中分别放人平均体重3039的娜鱼330一340条,每天每池投加饲料2纯(通威,粗蛋白30%)。试验设2个处理:第1个池中均匀布置45个载体,编号为5A;第2个池中均匀布t27个载体,编号为3A。每天记录声、总氮氮、亚硝酸氮水平,最后计算成活率,进行处理间的差异性分析。2.6水质分析和统计分析方法水温、闭和溶氧用便携式州3151和C吮1315i(WTW,eGn加巴ny)在水中直接读数。总氮氮(水杨酸盐法)、亚硝酸氮(重氮化法)、磷酸盐(抗坏血酸法)、悬浮固体(光度法)水平采用哈希标准试剂在便携式哈希光度计(F坛c.hDR为800)上测量。用分析试剂盒(Tetn产)大致侧量硝酸盐水平。载体上细菌量分析采用平板计数法:异养细菌用琼脂平板[’。〕、硝化细菌用硅胶平板〔川。每次取3个小载体放在装有T加een.800.lmL