高錦芳 譚洪新,2,3 顧德平 羅國(guó)芝,2,3# 陳家捷 劉文暢(.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海 20306；2.上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，上海 20306；3.水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種中心上海市協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 20306；.上海市奉賢區(qū)農(nóng)業(yè)委員會(huì)，上海 2099)

水產(chǎn)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)與傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式相比，具有占地面積少、節(jié)約耗水量、高密度集約化和廢水排放可控等優(yōu)點(diǎn)。RAS的推廣可有效解決養(yǎng)殖廢水的排放問(wèn)題，但RAS容易積累硝態(tài)氮，一般情況下，硝態(tài)氮的安全質(zhì)量濃度在50 mg/L以下[1]，高濃度硝態(tài)氮將影響?zhàn)B殖對(duì)象的生長(zhǎng)，使其成活率、免疫力降低，體質(zhì)變?nèi)跎踔了劳鯷2-3]。同時(shí)，硝態(tài)氮排放到環(huán)境中將使周圍水體富營(yíng)養(yǎng)化，因此需要在RAS中添加反硝化處理設(shè)備去除硝態(tài)氮。

好氧顆粒污泥具有同時(shí)硝化反硝化(SND)的特點(diǎn)，因此可將好氧顆粒污泥應(yīng)用于RAS的硝態(tài)氮處理[4-5]。目前，好氧顆粒污泥主要應(yīng)用于生活污水和工業(yè)污水處理，還未有研究將好氧顆粒污泥應(yīng)用于水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水的處理[6]。為此，本研究嘗試用好氧顆粒污泥處理水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水，為水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水中硝態(tài)氮的去除提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行工況

試驗(yàn)采用序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)處理水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水，SBR有效體積為6 L，接種絮體為上海海洋大學(xué)循環(huán)水研發(fā)平臺(tái)內(nèi)生物絮凝養(yǎng)殖羅非魚的生物絮體，其總懸浮固體(TSS)為3 472.67 mg/L，接種量為3 L。SBR運(yùn)行周期為180 min，其中曝氣160 min，沉降10 min，出水5 min，進(jìn)水5 min。每周期出水體積為3 L，每天排泥500 mL，水力停留時(shí)間(HRT)為6 h，污泥停留時(shí)間(SRT)為15 d。低溶解氧體系不利于好氧顆粒污泥的形成[7]，因此將3個(gè)平行運(yùn)行的SBR連接在一個(gè)ACO-008B型空氣泵上，每個(gè)SBR的曝氣量為30 L/min，曝氣時(shí)SBR內(nèi)溶解氧為6.4～7.1 mg/L。因水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水中缺乏好氧顆粒污泥形成和保持活性的必要條件，為保證水中足夠的碳源，每天從RAS取水后添加葡萄糖，維持碳氮比(溶解性有機(jī)碳/(氨氮+硝態(tài)氮))為15。研究表明，在中性偏堿的環(huán)境中，好氧顆粒污泥對(duì)有機(jī)物及氮素的去除效果較佳[8]，所以在試驗(yàn)中添加碳酸氫鈉維持進(jìn)水pH在7.0～8.5。進(jìn)水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為24.0～50.0 mg/L，亞硝態(tài)氮為0.020～0.475 mg/L，氨氮為0.12～6.03 mg/L，溶解性磷酸鹽為1.8～15.7 mg/L，溶解性有機(jī)碳為179.0～605.1 mg/L。

1.2 水質(zhì)測(cè)定及絮體形態(tài)觀察

試驗(yàn)期間每天測(cè)定SBR中水質(zhì)指標(biāo),每2天測(cè)定TSS及揮發(fā)性懸浮固體(VSS)的質(zhì)量濃度，并考察絮體沉降性能。pH、溶解氧、溫度采用Multi3430型多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x測(cè)定。水樣經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾后，測(cè)定溶解性有機(jī)碳、硝態(tài)氮、氨氮、亞硝態(tài)氮和溶解性磷酸鹽的質(zhì)量濃度。其中，硝態(tài)氮采用N-(1-萘基)-紫外分光光度法測(cè)定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；亞硝態(tài)氮采用鹽酸萘乙二胺比色法測(cè)定；溶解性磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定[9]；溶解性有機(jī)碳采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定；TSS、VSS采用稱重法測(cè)定。采用SVI5衡量絮體沉降性能，SVI5指混合液沉降5 min后1 g干絮體所占的體積，SVI5越小，表示絮體沉降性能越好。每隔2天用顯微鏡觀察絮體并拍照，最后用4’,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)染色好氧顆粒污泥[10]，用熒光倒置顯微鏡觀察污泥形態(tài)。

1.3 粗蛋白和粗脂肪的測(cè)定

采用元素分析儀對(duì)生物絮體中的碳、氮含量進(jìn)行分析，粗蛋白采用杜馬斯燃燒定氮法測(cè)定[11]；粗脂肪采用Floch法測(cè)定[12]，方法如下：將接種生物絮體或好氧顆粒污泥于65 ℃干燥，稱取一定干燥物質(zhì)用氯仿-甲醇混合溶液浸提24 h，抽濾混合液，將得到的濾液放置于50 mL已稱重的燒杯中真空干燥12 h，稱量燒杯質(zhì)量，粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算如下：

M=(W3-W2)/W1×100%

(1)

式中：M為生物絮體或好氧顆粒污泥中粗脂肪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；W3為加入濾液并真空干燥12 h后的燒杯質(zhì)量，g；W2為燒杯自身質(zhì)量，g；W1為生物絮體或好氧顆粒污泥的質(zhì)量，g。

1.4 胞外聚合物(EPS)的提取及測(cè)定

好氧顆粒污泥的形成機(jī)制為EPS假說(shuō)，認(rèn)為EPS將微生物細(xì)胞與顆粒態(tài)物質(zhì)連接形成好氧顆粒污泥[13-14]。EPS采用超聲波法提?。喝?0 mL泥水混合液于5 578 r/min下離心5 min，倒去上清液，取出固體加入20 mL純水，用漩渦振蕩器重懸浮1 min，再將混合液于6 831 r/min下離心10 min，將上清液經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾，得到松散結(jié)合胞外聚合物(LB-EPS)。將剩余固體用20 mL超純水重懸浮，將得到的混合液放置在冰浴中用SCIENTZ-ⅡD型細(xì)胞破碎儀(400 W)超聲10 min，8 818 r/min下離心10 min，上清液經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾，得到緊密結(jié)合胞外聚合物(TB-EPS)[15]。EPS中的多糖含量采用硫酸-蒽酮法測(cè)定(基準(zhǔn)物質(zhì)為葡萄糖)；蛋白質(zhì)含量采用修正的Folin-酚法測(cè)定(基準(zhǔn)物質(zhì)為牛血清蛋白)；DNA采用二苯胺法測(cè)定(基準(zhǔn)物質(zhì)為2-脫氧-D-核糖)[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮體變化

圖1、圖2分別為200倍顯微鏡和高倍電子顯微鏡下接種生物絮體和培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥圖片。由圖1(a)、圖2(a)可見(jiàn)，接種生物絮體結(jié)構(gòu)松散、邊緣模糊，而從圖1(b)、圖2(b)可見(jiàn)，培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥邊緣整齊，顆粒結(jié)構(gòu)緊密，平均粒徑約為150 μm，外觀呈橙黃色顆粒狀。可將好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過(guò)程分解為絮體優(yōu)勢(shì)期、競(jìng)爭(zhēng)共存期、顆粒優(yōu)勢(shì)期[17]。競(jìng)爭(zhēng)共存期時(shí)，SBR通過(guò)沉降出水將沉降性能較差的絮體排出，使顆粒污泥形成生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)好氧顆粒污泥進(jìn)行DAPI染色，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，好氧顆粒污泥是由微生物形成的結(jié)構(gòu)緊湊、外形規(guī)則的密集聚合體。由于好氧顆粒污泥緊密的結(jié)構(gòu)和較大的粒徑使其具有好氧區(qū)域、缺氧區(qū)域和厭氧區(qū)域，保持了良好的生物多樣性。通過(guò)異養(yǎng)細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的協(xié)同作用，好氧顆粒污泥可以較好地實(shí)現(xiàn)碳氮的同步去除[18]。

SBR運(yùn)行期間，混合液TSS、VSS、SVI5的變化情況見(jiàn)圖3。由圖3(a)可見(jiàn)，混合液SVI5從最初的126.73 mL/g升高到236.55 mL/g，再持續(xù)降低至28.94 mL/g，運(yùn)行后期，SBR內(nèi)成功培養(yǎng)出大量好氧顆粒污泥，這些好養(yǎng)顆粒污泥具有較好的沉降性能。由圖3(b)可見(jiàn)，SBR運(yùn)行過(guò)程中VSS變化趨勢(shì)與TSS變化趨勢(shì)相同，兩者質(zhì)量濃度在波動(dòng)中持續(xù)增加，在39～51 d基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，好氧顆粒污泥培養(yǎng)結(jié)束后，SBR內(nèi)VSS穩(wěn)定在16.33～17.47 g/L，TSS穩(wěn)定在17.25～18.57 g/L。

圖1 200倍顯微鏡下的生物絮體和好氧顆粒污泥Fig.1 The photos of the bioflocs and aerobic granule sludge under 200 magnified visual field

圖2 5 000倍電子顯微鏡下的生物絮體和好氧顆粒污泥Fig.2 The photos of the bioflocs and aerobic granule sludge under electron microscope of 5 000 times

2.2 反應(yīng)器出水水質(zhì)

SBR運(yùn)行期間水質(zhì)變化情況如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，SBR運(yùn)行初期，出水亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、溶解性有機(jī)碳及溶解性磷酸鹽的濃度均明顯降低，氨氮濃度波動(dòng)較大。第1天出水亞硝態(tài)氮、溶解性磷酸鹽的濃度高于進(jìn)水，說(shuō)明SBR中存在反硝化反應(yīng)及有機(jī)質(zhì)的降解。隨著SBR中好氧顆粒污泥的逐漸形成，硝態(tài)氮、溶解性有機(jī)碳、溶解性磷酸鹽都達(dá)到較好的去除效果，去除率在90%以上。反應(yīng)器出水亞硝態(tài)氮不穩(wěn)定，多次出現(xiàn)出水亞硝態(tài)氮濃度高于進(jìn)水的情況，這是因?yàn)楹醚躅w粒污泥內(nèi)部存在厭氧區(qū)，具有反硝化作用，而亞硝態(tài)氮作為反硝化的中間產(chǎn)物，出水濃度受進(jìn)水氨氮影響較大?？傮w看來(lái)，出水亞硝態(tài)氮的濃度較低，在羅非魚的耐受范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生影響。受進(jìn)水氨氮濃度影響，SBR出水氨氮波動(dòng)較大，氨氮去除率總體在50%左右，較硝態(tài)氮去除率低，這是緣于好氧顆粒污泥主要以硝態(tài)氮為氮源，對(duì)硝態(tài)氮的適應(yīng)濃度較高，因此SBR對(duì)硝態(tài)氮的處理效果更好。

2.3 典型周期內(nèi)SBR的水質(zhì)變化

圖5為一個(gè)典型周期內(nèi)SBR中3種形態(tài)氮和溶解性有機(jī)碳的變化。由圖5可見(jiàn)，SBR內(nèi)硝態(tài)氮在5 min內(nèi)被迅速利用，從27.7 mg/L降到5.1 mg/L，運(yùn)行到10 min后，硝態(tài)氮已下降到1.0 mg/L以下，在隨后的170 min內(nèi)，硝態(tài)氮穩(wěn)定在0.6 mg/L以下。亞硝態(tài)氮、氨氮在運(yùn)行前期均呈先升高再降低的趨勢(shì)，其中亞硝態(tài)氮在運(yùn)行90 min后達(dá)到穩(wěn)定，氨氮在運(yùn)行30 min后達(dá)到穩(wěn)定，兩者在運(yùn)行后期均維持較低的濃度水平。SBR中溶解性有機(jī)碳在30 min內(nèi)迅速降低，說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生硝化—反硝化反應(yīng)，SBR內(nèi)的好氧顆粒污泥能快速吸附并利用水體中的氮素和溶解性有機(jī)碳。王昌穩(wěn)等[19]研究發(fā)現(xiàn)，由于好氧顆粒污泥由大量微生物細(xì)胞和EPS構(gòu)成，具有負(fù)表面電位和很高的吸附活性，同時(shí)好氧顆粒污泥具有多孔表面，因此能夠快速吸附利用水中的氨氮，通過(guò)硝化作用將其氧化為硝態(tài)氮。此外，好氧顆粒污泥內(nèi)部存在缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，有助于硝態(tài)氮被快速反硝化利用，最終以氮?dú)獾男问脚懦鰧?shí)現(xiàn)氮素去除。

圖3 SBR運(yùn)行過(guò)程中SVI5、TSS、VSS變化Fig.3 The changes of SVI5，TSS,VSS during the operation of SBR

圖4 運(yùn)行過(guò)程中SBR內(nèi)水質(zhì)變化Fig.4 The changes of water quatily during the operation of SBR

2.4 粗蛋白和粗脂肪含量變化

隨著SBR的運(yùn)行，生物絮體逐漸培養(yǎng)成好氧顆粒污泥，期間粗蛋白及粗脂肪的變化情況見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，SBR內(nèi)生物絮體粗蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從最初的29.9%最高增加到46.6%，運(yùn)行結(jié)束后，好氧顆粒污泥的粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.6%，說(shuō)明生物絮體經(jīng)馴化后可以利用水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水中的硝態(tài)氮合成細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)。生物絮體中粗脂肪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈上升趨勢(shì)，從最初的1.2%增加到2.0%以上。生物絮凝養(yǎng)殖目前已成功應(yīng)用到濾食性水產(chǎn)品如羅非魚、對(duì)蝦的養(yǎng)殖中，且有研究表明，羅非魚和蝦類會(huì)主動(dòng)攝食生物絮體，提高對(duì)絮體蛋白的利用率[20-21]。本研究培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥粗蛋白含量已達(dá)到羅非魚的生長(zhǎng)需求，但粗脂肪含量與羅非魚的生長(zhǎng)需求(7.67%～9.34%)相差較大[22-23]。因此，好氧顆粒污泥是否能在處理水質(zhì)的同時(shí)以飼料或補(bǔ)充蛋白的形式應(yīng)用到實(shí)際養(yǎng)殖中，還有待進(jìn)一步的研究。

圖5 典型周期內(nèi)SBR的水質(zhì)變化Fig.5 The changes of water quatily in a typical cycle of SBR

圖6 粗蛋白和粗脂肪的變化Fig.6 The change of crude protein and crude fat

2.5 生物絮體與好氧顆粒污泥EPS比較

EPS是在一定環(huán)境條件下細(xì)菌和其他微生物用于自我保護(hù)和互相黏連而分泌于細(xì)胞外的一種具有黏性的聚合物[24]，EPS對(duì)好氧顆粒污泥的形成、穩(wěn)定起著重要的作用。EPS由LB-EPS及TB-EPS共同構(gòu)成，其中LB-EPS位于細(xì)胞外層，主要靠氫鍵和離子鍵結(jié)合，有較高的負(fù)電性和較強(qiáng)結(jié)合水能力，使絮體外層具有空間位阻和靜電斥力，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)松散，能夠溶解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧。TB-EPS位于細(xì)胞內(nèi)層，通過(guò)疏水結(jié)合位相互結(jié)合在一起，使絮體具有緊密的結(jié)構(gòu)[25-26]。

利用超聲波法分別提取接種生物絮體及好氧顆粒污泥的TB-EPS和LB-EPS，研究發(fā)現(xiàn)，生物絮體內(nèi)TB-EPS和LB-EPS的質(zhì)量濃度(以單位質(zhì)量VSS中總有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量計(jì)，下同)分別為(12.70±1.92)、(0.79±0.39) mg/g，好氧顆粒污泥中TB-EPS和LB-EPS的質(zhì)量濃度分別為(55.97±8.62)、(0.64±0.02) mg/g?？梢?jiàn)，生物絮體中LB-EPS含量較好氧顆粒污泥高，而TB-EPS含量較好氧顆粒污泥低，進(jìn)一步證明了LB-EPS使絮體變得松散，TB-EPS使絮體變得緊密的結(jié)論。

生物絮體與好氧顆粒污泥的LB-EPS、TB-EPS物質(zhì)組成見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，生物絮體LB-EPS中的多糖顯著高于好氧顆粒污泥(P<0.05)，而蛋白質(zhì)、腐殖酸、DNA、TOC含量與好氧顆粒污泥無(wú)顯著差異(P>0.05)。好氧顆粒污泥TB-EPS中的多糖、TOC含量顯著高于生物絮體(P<0.05)，而蛋白質(zhì)、腐殖酸和DNA無(wú)顯著性差異(P>0.05)。可見(jiàn)生物絮體與好氧顆粒污泥中EPS的主要區(qū)別成分是多糖。

圖7 生物絮體和好氧顆粒污泥EPS中蛋白質(zhì)、腐殖酸、多糖、DNA、TOC質(zhì)量濃度Fig.7 The content of protein,humic acid,polysaccharide,DNA,TOC in EPS of bioflocs and aerobic granule sludge

3 結(jié) 論

(1) 在SBR內(nèi)接種生物絮體，用水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)好氧顆粒污泥，在溶解氧為6.4～7.1 mg/L的條件下，培養(yǎng)出的好氧顆粒平均粒徑在150 μm，SBR內(nèi)VSS在16.33～17.47 g/L，TSS在17.25～18.57 g/L，好氧顆粒污泥對(duì)水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水具有較好的處理效果，硝態(tài)氮、溶解性有機(jī)碳、溶解性磷酸鹽去除率均在90%以上。運(yùn)行結(jié)束后，好氧顆粒污泥粗蛋白和粗脂肪含量均高于接種生物絮體。

(2) 生物絮體內(nèi)LB-EPS含量比好氧顆粒污泥高，而TB-EPS含量比好氧顆粒污泥低，這與生物絮體結(jié)構(gòu)松散，而好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實(shí)有關(guān)。生物絮體與好氧顆粒污泥中EPS的主要區(qū)別成分是多糖。

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