仇天雷，王旭明，高　敏，海熱提，王曉慧，李　媛，韓梅琳

(1.北京化工大學，北京市水處理環(huán)保材料工程技術研究中心，北京　100029；2.北京市農(nóng)林科學院生物技術研究中心，北京　100097)

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生物強化移動床生物膜反應器處理水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水初步研究

仇天雷1,2，王旭明2，高敏2，海熱提1，王曉慧1，李媛1，韓梅琳2

(1.北京化工大學，北京市水處理環(huán)保材料工程技術研究中心，北京100029；2.北京市農(nóng)林科學院生物技術研究中心，北京100097)

摘要：利用自制的硝化細菌菌劑促進移動床生物膜反應器(Moving bed biofilm reactor，MBBR)的掛膜啟動，分析不同載體氨氮負荷、碳氮比條件下反應器運行狀況，并進一步進行了實驗室模擬循環(huán)水養(yǎng)殖草金魚實驗。結(jié)果顯示，利用自制硝化菌劑能夠完成整個移動床反應器的啟動過程，在接種15 d后使循環(huán)出水氨氮穩(wěn)定在1 mg/L以下。單位體積載體氨氮負荷實驗表明，MBBR能夠在100 mg TAN/(L填料·d)條件下，使出水滿足一般水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)要求(氨氮<0.5 mg/L，亞硝氮<0.1 mg/L)。進水碳氮比在1以內(nèi)時MBBR能夠穩(wěn)定高效運行。在實驗室模擬循環(huán)水養(yǎng)殖過程中，經(jīng)菌劑強化的MBBR能維持循環(huán)出水氨氮低于0.5 mg/L，亞硝氮低于0.05 mg/L。

關鍵詞：生物填料；循環(huán)水養(yǎng)殖；硝化細菌；生物強化

中國水產(chǎn)養(yǎng)殖年產(chǎn)量約為4 000萬噸，占世界總水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的61%[1]。高密度養(yǎng)殖給環(huán)境帶來很多不良影響[2]。水體在水處理系統(tǒng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中循環(huán)利用的循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖(Recirculating aquaculture system，RAS)是一種環(huán)境友好型的養(yǎng)殖模式，具有節(jié)水、節(jié)地、高密度集約化和排放可控的特點，為養(yǎng)殖給環(huán)境帶來的不良影響提供了一種可行的解決方案[3]。

生物過濾系統(tǒng)是RAS水處理的核心部分，其硝化作用是維持循環(huán)水養(yǎng)殖體系中低于致死氨濃度(0.1～3 mg/L，取決不同養(yǎng)殖品種、pH和鹽度)的關鍵所在[4-5]。近年來，懸浮填料由于其比表面積大，不需反沖洗等優(yōu)點，陸續(xù)應用于海水及淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖的移動床生物膜反應器(Moving bed biofilm reactor，MBBR)[6-11]。但由于該類型填料微生物附著慢，且硝化細菌自身生長緩慢，導致掛膜速度慢，反應器啟動時間長，而利用活性污泥進行馴化又有引入外源病原菌的風險，在實際生產(chǎn)中不常采用[12]，所以利用硝化細菌菌劑生物強化是一種有效促進懸浮填料掛膜的手段。此外，MBBR在水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理中的應用多關注水力停留時間、曝氣量等控制參數(shù)[8,13]，而在水質(zhì)碳氮比對硝化作用影響方面較少涉及。

本試驗通過添加自制硝化細菌菌劑強化MBBR掛膜，進一步研究了不同氨氮負荷、碳氮比條件下反應器去除率變化情況，并將MBBR初步應用于實驗室規(guī)模草金魚的循環(huán)水養(yǎng)殖，為MBBR反應器在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中的快速啟動及應用提供基礎數(shù)據(jù)支持。

1材料與方法

1.1實驗裝置及配水

水處理反應器為移動床生物膜反應器(MBBR)，材料為有機玻璃，內(nèi)徑為12 cm的圓柱體，總有效體積為2 L。采用多孔流化懸浮填料(鞏義市北山口三星水處理新型填料廠)，填料為直徑25 mm，厚度為2.5 mm的多孔圓柱塑料，密度為0.95 g/cm3，比表面積約為500 m2/m3，填料總體積約600 mL。循環(huán)水箱有效容積為8 L。在人工配水實驗階段，進水從循環(huán)水箱經(jīng)蠕動泵泵入MBBR，MBBR出水自流入循環(huán)水箱，水箱內(nèi)氨氮及其他污染物濃度由濃縮液箱進水調(diào)節(jié)(圖1a)。在實驗室規(guī)模RAS實驗中，進水養(yǎng)殖魚缸總體積為15 L，有效體積為8 L，MBBR進水由蠕動泵從魚缸泵入反應器(圖 1b)，出水由上部出水口循環(huán)流回魚缸，水力停留時間均為13 min，實驗溫度為25 ℃。

圖1　移動床生物膜反應器

人工配水配方：胰蛋白胨(Trypton，OXOID)：20 mg(總有機碳含量約20 mg/L)；NH4Cl，38.2 mg(氨氮含量10 mg/L)； NaHCO3，71.4 mg；Na2HPO4， 18.85 mg；混合微量元素：1 mL；自來水1 L?；旌衔⒘吭兀篘iCl2，0.5 g；MnSO4·4H2O，0.5 g；ZnSO4，0.1 g；硼酸鈉，0.1 g；CoCl2·6H2O，0.05 g；CuSO4·5H2O，0.005 g；Na2MoO4，0.04 g；蒸餾水 1 L。

1.2菌種及培養(yǎng)方式

實驗組菌劑：菌劑構成為實驗室分離的異養(yǎng)硝化細菌孟加拉副球菌(ParacoccusbengalensisN74-1)和購自德國菌種保藏中心(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH，DSMZ)的自養(yǎng)硝化細菌韋氏硝化桿菌(NitrobacterwinogradskyiDSM 10237)。菌株N74-1用液體異養(yǎng)硝化細菌培養(yǎng)基(葡萄糖，5 g；NH4Cl 0.76 g；NaCl，0.3 g；酵母膏，0.5 g；K2HPO4，1 g；MgSO4·7H2O，0.3 g；FeSO4·7H2O，0.03 g；蒸餾水1 L)溫度28 ℃，轉(zhuǎn)速150 r/min搖床培養(yǎng)48 h，菌液備用[14]。菌株DSM 10237用DSMZ液體培養(yǎng)基Medium 756a (酵母膏，1.5 g；蛋白胨，1.5 g；丙酮酸鈉，0.55 g；微量元素溶液，1 mL；亞硝酸鈉，2 g；蒸餾水，1 L；pH 7.4)，溫度28 ℃，轉(zhuǎn)速150 r/min搖床培養(yǎng)7 d，菌液備用。

對照組菌劑：市場購買的硝化菌劑。

1.3實驗設置

實驗總共分為三個階段：

階段1，人工配水掛膜啟動：配水采用自來水配制，實驗組的菌劑接種量為1 ‰(V∶V)，啟動時向反應器中投加ParacoccusbengalensisN74-1菌液1 mL，待亞硝氮積累后，添加Nitrobacterwinogradskyi菌液1 ml。對照組菌劑添加1 ‰(V∶V)，即為2 mL。兩個反應器均在添加菌劑后關閉循環(huán)泵，悶曝24 h；出水氨氮濃度降至零后(第16天)向循環(huán)水桶內(nèi)按配水比例重新添加胰蛋白胨、NH4Cl和NaHCO3。

階段2，連續(xù)進水階段，考察不同載體負荷以及不同碳氮比條件下，反應器運行狀況。利用蠕動泵每天補充胰蛋白胨、NH4Cl和NaHCO3，使反應器單位載體氨氮負荷(Volumetric total TAN load rates，VTL)分別設置為100 mg 氨氮(Total ammonia nitrogen，TAN)/(L填料·d)和200 mg TAN/(L填料·d)【注：反應器氨氮負荷為80 mg TAN/d時，相當于25 kg/m3養(yǎng)殖密度1%(W∶W)的投餌量條件產(chǎn)生的氨氮[15]】；碳氮比分別設置為0，1及2(W∶W)，碳源以胰蛋白胨中含有TOC計算，氮源按NH4Cl含有的氨態(tài)氮計算，每天利用蠕動泵泵進相應的胰蛋白胨、NH4Cl濃度。

階段3，實際水產(chǎn)養(yǎng)殖掛膜及穩(wěn)定運行：啟動期用養(yǎng)殖廠錦鯉養(yǎng)殖水，接種方法與階段1相同，用蠕動泵連續(xù)循環(huán)。待反應器出水氨氮和亞硝氮穩(wěn)定后，接入8 L的養(yǎng)殖魚缸，養(yǎng)殖品種為草金魚(Carassiusauratus)，養(yǎng)殖密度約為12.5 g/L，數(shù)量共10尾，總重量為100 g，每天飼喂為魚體總重的1 %，即 1 g，使用飼料為育成錦鯉飼料(蛋白含量為35%)。

1.4水樣采集及檢測

每天定時取MBBR出水，經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾后測定檢測氨氮、亞硝氮、硝態(tài)氮及可溶性有機碳(DOC)含量。硝酸鹽氮采用紫外分光光度法測定；氨氮采用水質(zhì)快速測定儀測定；DOC用TOC分析儀測定；亞硝酸鹽氮采用鹽酸萘乙二胺比色法測定[16]。

2結(jié)果與分析

2.1反應器啟動期微生物菌劑強化效率

從啟動期氨氮濃度變化可以看出(圖 2)，兩種菌劑的添加均能使出水氨氮濃度降低，兩組反應器也均在添加菌劑后10 d，氨氮出現(xiàn)迅速下降，說明硝化細菌添加入水處理反應器具有一定的延遲期。添加自制菌劑的實驗組氨氮濃度在15 d降低到1 mg/L以下后，即使重新升高進水濃度，循環(huán)出水氨氮和亞硝氮也均能夠基本維持在1 mg/L以下；但添加市售的硝化細菌的對照組在15 d后更換新的進水后，氨氮濃度持續(xù)升高，且維持在5 mg/L左右，說明15 d內(nèi)對照組中生物膜內(nèi)硝化細菌含量或活性未達到水產(chǎn)養(yǎng)殖要求。

圖2　啟動期氨氮濃度變化

另一方面，從啟動期亞硝氮數(shù)據(jù)能看出(圖3)，對照組亞硝氮升高的原因主要為硝化作用不完全，亞硝酸鹽隨著啟動時間延長而累積，導致啟動失??；實驗組通過硝化細菌Nitrobacterwinogradskyi的添加，使硝化的中間產(chǎn)物亞硝氮得到迅速去除，從而保證了完全的硝化作用，這一結(jié)果與Kuhn等[17]添加硝化細菌至蝦(Litopenaeusvannamei)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)強化硝化作用結(jié)果類似。同時可以明顯觀察到硝化系統(tǒng)的不平衡導致COD的去除也受到影響(圖4)，對照組COD在15 d后也出現(xiàn)明顯升高，可能原因是高濃度的亞硝酸鹽影響了其他異養(yǎng)微生物的生長，從而影響到COD的去除。

圖3　啟動期亞硝氮濃度變化

圖4　啟動期COD濃度變化

2.2不同載體氨氮負荷條件下氨氮去除效果

模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖密度為25 kg/(m3)，0.75%和1.5%兩種投餌密度下，分別設置100和200 mg TAN/(L填料·d)兩個VTL，觀察MBBR運行效果。結(jié)果表明(圖5)，在100 mg TAN/(L填料·d)條件下，MBBR出水氨氮濃度能保持在0.5 mg/L以下，亞硝氮基本維持在0.1 mg/L以下，說明VTL在100 mg TAN/(L載體·d)，反應器水力停留時間為13 min條件下，經(jīng)過生物強化掛膜的MBBR能夠保證出水水質(zhì)滿足一般水產(chǎn)養(yǎng)殖需求(氨氮<0.5 mg/L，亞硝氮<0.1 mg/L)。這與Pfeiffer等[6]研究類似，在低飼養(yǎng)條件下，懸浮塑料載體的單位體積氨氮去除率(Volumetric TAN removal rates,VTR)在82.5～92.2 mg TAN/(L載體·d)之間。在200 mg TAN/(L填料·d)條件下，出水氨氮濃度在0.3～16 mg/L之間劇烈波動，亞硝氮也逐漸積累，說明200 mg TAN/(L填料·d)負荷條件下該種填料的MBBR不能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖需要，該結(jié)果與Pfeiffer等[6]和李月等[13]研究不同，在他們的研究中VTR值能達到186.4和440 mg TAN/(L載體·d)，可能原因為本實驗的水力停留時間(約12.5 min)長于他們的研究(5.5 min和8 min)。

圖5　不同單位體積填料氨氮負荷條件下出水水質(zhì)

2.3不同碳氮比條件下氨氮去除效果

通常認為，循環(huán)水養(yǎng)殖水體中有機物含量升高，會對硝化作用產(chǎn)生抑制，從而進一步影響循環(huán)水處理生物過濾的硝化作用[18-19]。本實驗中，MBBR在不同碳氮比條件下對氨氮的去除效果有顯著的不同(圖6)，在碳氮比為零，即不添加有機碳源的條件下(C∶N=0∶1)，出水氨氮濃度維持在0.58 mg/L以下，亞硝氮含量基本為零；碳氮比為1時，出水氨氮基本為0，亞硝氮含量低于0.05 mg/L；碳氮比調(diào)整為2時，出水氨氮濃度顯著增加，且極不穩(wěn)定，最高值達到8.73 mg/L，同時亞硝氮也出現(xiàn)明顯累積。結(jié)果表明碳氮比控制在1左右有利于硝化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。與Michaud的研究不同[19]，其海水養(yǎng)殖的移動床反應器最適碳氮比范圍在0～2之間，主要原因為初始進水濃度(2 mg/L)和水力停留時間(4.75 min)有差別所致。與趙倩等[20]的最適碳氮比為5結(jié)果不同，可能原因是移動床反應器與生物濾床反應器結(jié)構不同，為全混合反應器，生物濾床更易在反應器前端去除多余碳源，以保證硝化細菌的硝化效率。

2.4實驗室水平生物過濾系統(tǒng)水處理效果

根據(jù)以上結(jié)果，設置氨氮負荷為40 mg N/(L填料·d)。實驗反應器在20 d內(nèi)完成反應器的啟動(圖7)，氨氮濃度逐步穩(wěn)定在0.5mg/L以下，實驗組前期(2～8 d)隨著氨氮迅速下降，亞硝氮迅速積累，直到后期(12～16 d)逐漸下降至0左右。

圖6　不同碳氮比條件出水水質(zhì)

圖7　啟動期水質(zhì)指標變化情況

圖8　實驗室模擬養(yǎng)殖期水質(zhì)變化

菌劑中亞硝化細菌濃度遠高于硝化細菌，所以氨氮濃度首先下降而亞硝酸鹽迅速上升，后隨著硝化細菌的增長而亞硝酸鹽逐漸降低，至菌群平衡反應器正常啟動。通過實驗表明現(xiàn)有菌劑仍然需要進一步優(yōu)化兩種菌劑的數(shù)量比例，且在啟動期使用時要注意亞硝酸鹽的積累情況。

將啟動完成的反應器與養(yǎng)殖魚缸連接，模擬養(yǎng)殖水處理實驗，在24 d的處理過程中，出水氨氮和亞硝氮能夠基本穩(wěn)定在0.5 mg/L和0.05 mg/L以下(圖8)，能夠滿足養(yǎng)殖一般淡水魚類需求。

3結(jié)論

(1)只利用自制硝化細菌菌劑進行接種，可以完成移動床反應器的啟動， 20 d后循環(huán)出水氨氮和亞硝氮濃度均明顯低于對照菌劑組，且兩者循環(huán)出水濃度均低于1 mg/L；

(2)在100 mg TAN/(L載體·d)的氨氮負荷條件下，MBBR出水氨氮濃度小于0.5 mg/L，亞硝氮小于 0.1 mg/L，負荷高于200 mg TAN/(L載體·d)出水水質(zhì)不穩(wěn)定；

(3)碳氮比對MBBR硝化作用影響明顯，最適碳氮比為1，碳氮比2時出水水質(zhì)不穩(wěn)定；

(4)在模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖條件下，自制的硝化細菌菌劑能夠在20 d內(nèi)完成移動床反應器的啟動，并在12.5 kg/m3的養(yǎng)殖條件下，滿足草金魚養(yǎng)殖需求。

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(責任編輯：鄧薇)

收稿日期：2015-08-14；

修訂日期：2016-04-15

第一作者簡介：仇天雷(1982-)，男，博士研究生，助理研究員，專業(yè)方向為環(huán)境科學與工程。E-mail:qiutianlei@baafs.net.cn 通訊作者：海熱提。E-mail:bjzhx@mail.buct.edu.cn

中圖分類號：S959

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6907-(2016)04-0065-06

Application of bioaugmentation with nitrifying bacteria in the rapid start-up of moving bed biofilm reactor in recirculating aquaculture system

QIU Tian-lei1,2,WANG Xu-ming2,GAO Min2,TURSUN Haireti1,WANG Xiao-hui1,LI Yuan1,HAN Mei-lin2

(1.BeijingUniversityofChemicalTechnology,BeijingEngineeringResearchCenterofEnvironmentalMaterialforWaterPurification,Beijing100029,China;2.BeijingAgro-BiotechnologyResearchCenter,BeijingAcademyofAgricultureandForestry,Beijing100097,China)

Abstract：Nitrifying bacteria,which are responsible for oxidation of ammonia to nitrate,play an essential role in biofilter of recirculating aquaculture system(RAS).To accelerate the start-up of moving bed biofilm reactor (MBBR) in RAS,bioaugmentation was adopted with the addition of mixed nitrifying bacteria.As a result,the inoculated MBBR was successfully started after 15 days and the NH4+-N concentrations of effluents maintained below 1 mg/L.Then at volumetric total ammonia nitrogen(TAN) load rates of 100 g TAN/(L media-d),TAN and nitrite nitrogen concentrations in effluents of MBBR maintained below 0.5 and 0.1 mg/L,respectively.At C/N ratios raging from 0 to 1,the MBBR showed stable and efficient daily performances for RAS.In lab-scale RAS experiment,the MBBR in Carassius auratus RAS was started up within 20 days and the NH4+-N and NO2--N concentrations of effluents were below 0.5 and 0.05 mg/L,respectively.

Key words：biofilm carriers;recirculating aquaculture system;nitrifying bacteria;bioaugmentation

資助項目：北京市農(nóng)林科學院科技創(chuàng)新能力建設專項(KJCX2014302)；北京市農(nóng)林科學院青年基金(QNJJ 201417)；北京市科技計劃項目(Z15111000210000)