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        水產(chǎn)養(yǎng)殖水體循環(huán)利用過程中堿度的變化及調(diào)控

        2018-03-21 00:33:59羅國芝陳曉慶譚洪新
        淡水漁業(yè) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:碳酸鹽堿度硝化

        羅國芝,陳曉慶,譚洪新

        (上海海洋大學水產(chǎn)科學國家級實驗教學示范中心,上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心,水產(chǎn)動物遺傳育種中心上海市協(xié)同創(chuàng)新中心,上海,201306)

        堿度(Alkalinity)表示水體維持pH穩(wěn)定的能力,也被用來表征水體與強酸中和的能力[1]。養(yǎng)殖水體含碳酸鹽、重碳酸鹽、氫氧化物、磷酸鹽等,其中碳酸鹽和重碳酸鹽是堿度的主要組分[2]。堿度有三種單位:mmol/L,德國度和mg/L CaCO3,三者之間的數(shù)量關(guān)系是1 mmol/L=2.804 德國度=50.05 mg/L CaCO3。在已經(jīng)發(fā)表的文獻中,絕大多數(shù)以mg/L CaCO3表示,意為水體中具有的堿度的量相當于含有相當濃度的CaCO3具有的抵抗pH變化的能力[1]。

        養(yǎng)殖水體的堿度主要受水體中的微生物學過程、光合作用和魚蝦呼吸作用的影響。堿度較低的養(yǎng)殖池塘中,光合作用能夠明顯提高pH;堿度較高的池塘,pH受光合作用的影響比較小[3]。流水養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖中的堿度主要受所在水體的影響,要刻意維持比較困難。封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)需要處理養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)以保證養(yǎng)殖水的可循環(huán)利用性,理論和實踐結(jié)果均表明,養(yǎng)殖水循環(huán)利用過程中堿度會明顯降低[4]。堿度的降低會對養(yǎng)殖水體中的生物學過程產(chǎn)生明顯影響,也會影響水體中的某些物質(zhì)存在的狀態(tài)而影響?zhàn)B殖動物[5]。因此,堿度是影響?zhàn)B殖水可循環(huán)利用能力的重要指標之一。

        本文對循環(huán)利用的養(yǎng)殖水體中堿度的變化規(guī)律和調(diào)控策略進行了總結(jié),為維持循環(huán)水高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)pH的穩(wěn)定提供參考。

        1 水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中堿度的標準

        天然海水的平均堿度116 mg/L CaCO3,淡水的平均堿度47.5 mg/L[6]。Piper等[7]和 Heinen等[8]推薦養(yǎng)殖水需要100~400 mg/L CaCO3的堿度。我國漁業(yè)水質(zhì)標準(GB11607-89)中沒有對堿度進行限定,本文成稿時能夠查閱到的制定了養(yǎng)殖水體的堿度標準的有澳大利亞和新西蘭,均規(guī)定淡水養(yǎng)殖水體中堿度應維持在20 mg/L[6]。

        Rojas等[9]的研究表明提高堿度能夠提高羅非魚(Oreochromisniloticus)的生長效率。銀鲇幼魚的最佳堿度是 80 mg/L CaCO3[10]。Davidson等[11]的研究表明虹鱒(Oncorhynchusmykiss)幼魚的封閉式循環(huán)養(yǎng)殖水體中的堿度維持在195 mg/L CaCO3。Summerfelt等[12]的研究表明亞特蘭大鮭魚(Atlanticsalmonsmolt)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng), 70 mg/L CaCO3和 200 mg/L CaCO3沒有明顯差別,出于成本考慮,建議 70 mg/L CaCO3。海水養(yǎng)殖凡納濱對蝦水體中含160 mg/L CaCO3的堿度長得最好[13]。研究表明,羅氏沼蝦(M.rosenbergii)的生長率和存活率隨著堿度的增加而降低, 250 mg/L CaCO3堿度條件下會出現(xiàn)明顯的死亡[14]。用生物絮凝技術(shù)海水養(yǎng)殖凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei),養(yǎng)殖密度165 PL/m3的堿度范圍40~160 mg/L CaCO3[15]。Furtado等[16]利用生物絮凝養(yǎng)殖凡納濱對蝦,不換水,堿度70 mg/L CaCO3以上(此時pH 在7.38以上)可以形成生物絮團和生物膜,堿度高的條件下(300 mg/L)硝化率更高。

        養(yǎng)殖水體中現(xiàn)有堿度的標準是基于養(yǎng)殖對象的需求而定。養(yǎng)殖水循環(huán)利用過程中會涉及到參與處理的微生物學過程,也應考慮水體中微生物對堿度的需求。自養(yǎng)硝化過程是養(yǎng)殖用水去除氨氮的常用方法。堿度低,pH不穩(wěn)定,影響微生物菌群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,自養(yǎng)硝化效率降低,氨氮和亞硝酸氮會升高并積累[17],影響魚蝦的生長和存活。Rusten等[18]的研究表明,當堿度從115 mg/L (pH 7.3) 降低到 57 mg/L (pH 6.7)時移動床生物過濾中的硝化效率會降低一半。一般認為自養(yǎng)硝化過程需要 40 ~100 mg/L CaCO3的堿度[19-21]。

        Chen 等[22]建議自養(yǎng)硝化過程處理養(yǎng)殖水的封閉式養(yǎng)殖水體中堿度至少應該維持在 200 mg/L CaCO3以上。Ebeling 等[23]認為循環(huán)利用率大于90%的養(yǎng)殖用水中應該維持100~150 mg/L CaCO3。 Boyd等[24]認為至少池塘養(yǎng)殖水體中應該維持75 mg CaCO3/L以上的堿度。生物絮凝技術(shù)養(yǎng)殖系統(tǒng)中,氨氮的異養(yǎng)同化過程會消耗堿度(3.57 g CaCO3/g總氮),自養(yǎng)硝化過程也會消耗堿度(7.07 g CaCO3/g總氮),堿度也會作為碳源被消耗[24-25]。Furtado等[26]認為,BFT系統(tǒng)中,100 mg/L以下的堿度會影響硝化效率,但Li等[27]的研究表明,堿度高于200~250 mg/L 會導致不完全硝化過程。Furtado等[28]進一步比較了堿度對BFT凡納濱對蝦養(yǎng)殖的效果,75 mg/L CaCO3堿度組與150和300 mg/L CaCO3堿度組相比,氨氮和亞硝酸鹽積累更明顯,認為高堿度更有利于生物絮團的形成、穩(wěn)定和硝化過程的進行。Piérri等[15]在生物絮凝中培養(yǎng)凡納濱對蝦,在165尾/m3的密度下,凡納濱對蝦可以在40~160 mg/L CaCO3堿度條件下存活。

        2 堿度和其他水質(zhì)指標的關(guān)系

        堿度對魚蝦不會產(chǎn)生直接影響,會改變某些物質(zhì)的存在形態(tài),進而影響魚蝦的生長和生存。

        2.1 堿度與重金屬

        重金屬離子能與水體中的碳酸鹽絡合成化合物,降低游離重金屬離子濃度,減少游離重金屬對魚蝦的毒性[29]。堿度對重金屬離子的溶解性有決定性影響。Mustapha[30]的研究表明,水體中鎘離子的濃度與水體中的堿度(105 ~245 mg/L CaCO3)有明顯關(guān)系。

        2.2 堿度和pH

        堿度描述的是水體中和酸根的能力,因此被用來描述水體穩(wěn)定pH的能力,也被稱為緩沖能力。堿度較高的養(yǎng)殖水體中,pH比較穩(wěn)定,堿度較低的養(yǎng)殖水體中,pH晝夜變化明顯(圖1)。

        圖1 高堿度和低堿度水中pH的晝夜變化[2]Fig.1 pH changes during a 24 h period in waters with high and low alkalinity levels[2]

        圖2 pH和總堿度關(guān)系示意[31]Fig.2 The relationship between the pH and total alkalinity[31]

        pH 4.3以下時,水體中沒有堿度,只有游離的礦物酸度(Free Mineral Acidity,FMA) 和CO2。pH 4.3~8.3時,溶解的CO2開始轉(zhuǎn)變成碳酸氫根;pH 超過8.3,碳酸氫根轉(zhuǎn)化成碳酸根, pH 為10.2 時,幾乎所有的碳酸氫根轉(zhuǎn)化成碳酸根;pH在10.2以上時,只能測得氫氧根和碳酸根(圖2)。堿度的酸滴定測定時有兩個突躍點, pH 8.3 附近和pH 4.2 附近,前者用酚酞指示劑,測定的堿度是酚酞堿度;后者用甲基橙做指示劑,測定的堿度被稱為甲基橙堿度。因此,甲基橙堿度是總堿度,酚酞堿度只包括氫氧根堿度和碳酸根堿度的一半。

        pH直接決定氨氮中分子氨的占比,高堿度導致pH升高,會由此帶來分子氨的增加,影響?zhàn)B殖對象的生長和存活。

        2.3 堿度和CO2

        水體中的碳酸根和碳酸氫根是堿度最重要的組分,所以堿度是和CO2緩沖系統(tǒng)聯(lián)系在一起的,與pH和CO2有明顯的相關(guān)性(見圖2)。Gendel等[32]的研究表明,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中充分曝氣(CO2濃度不高于 7 mg/L)和較低的pH會導致水體的堿度比較低,緩沖能力比較弱。為了維護水體中的CO2低于15 mg/L,需要維持70 ~ 190 mg/L CaCO3的堿度[3]。

        水體中的堿度和pH、水溫、CO2有緊密聯(lián)系,如果已知總堿度、pH和水溫,可根據(jù)表1計算出此時水體中溶解的CO2[33]。

        以養(yǎng)殖池中pH 7.2,溫度25 ℃,總堿度103 mg/L ,從表1可以查到折算系數(shù)是0.121,則可計算此時水體中的CO2含量為103(mg/L CaCO3)×0.124=12.8 mg/L。需要注意的是,需在30 min內(nèi)測定pH值。這個方法也會有誤差,在有條件的情況下還是直接測得比較合適。

        2.4 堿度和硬度

        水體總硬度是指水中所有金屬離子的濃度,多以二價、三價金屬離子為主。碳酸鹽硬度是指Ca2+、Mg2+以碳酸鹽和碳酸氫鹽形式存在的部分如CaCO3、MgCO3。非碳酸鹽硬度是指Ca2+、Mg2+以硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物等形式存在的部分如CaSO4、MgSO4。養(yǎng)殖水體中硬度以Ca2+、Mg2+為主,但是錳離子(Mn2+)、鐵離子(Fe2+)、鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)對養(yǎng)殖對象也非常重要。如果堿度均由Ca2+和Mn2+離子組成的話,硬度高,堿度就會高;如果主要由Na+和K+組成,則硬度高,堿度就不一定高[34]。Ca2+,Mg2+硬度比較高的水體中,Cu2+、Zn2+等重金屬的毒性影響會明顯減低。酸性的、硬度比較低的水體中,重金屬離子的毒性會表現(xiàn)得比較明顯。水體總堿度是指水中堿基物質(zhì)的總量,包括有CaCO3、MgCO3和Na2CO3、KOH等能調(diào)節(jié)中和水體氫離子的物質(zhì)。正是這種調(diào)節(jié)中和水體氫離子的能力,我們稱之為水體的緩沖能力,這也是堿度不能等同于硬度的最大區(qū)別所在。當堿度等于硬度時,水體中的碳酸鹽和碳酸氫鹽只是鈣和鎂。當堿度大于硬度時,水體中的碳酸鹽和碳酸氫不僅只是鈣和鎂,還有鉀鹽和鈉鹽等;當堿度小于硬度時,水體中鈣和鎂不僅只有碳酸鹽和碳酸氫鹽,還有硫酸鹽、鹽酸鹽和硝酸鹽等非碳酸鹽。

        表1 根據(jù)水溫、pH和總堿度估算光合作用可利用的CO2系數(shù)[33]Tab.1 Coefficient of photosynthesis exploitable CO2 estimated by water temperature,pH,and total alkalinity

        b總堿度(mg/L CaCO3) ×系數(shù)=CO2(mg/L)

        pH、CO2、硬度和堿度間的關(guān)系對于維持養(yǎng)殖水質(zhì)的穩(wěn)定至關(guān)重要,但在實際使用過程中很難把握。養(yǎng)殖水循環(huán)利用過程中這些指標的變化及之間的關(guān)系和池塘養(yǎng)殖會有不同,需要獲得更加基礎、大量的一手數(shù)據(jù),

        3 養(yǎng)殖水體中影響堿度的主要微生物學過程

        3.1 光合作用

        用水生植物進行養(yǎng)殖水處理既能去除高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中積累的CO2,又能恢復一部分由于自養(yǎng)硝化過程消耗的堿度。關(guān)于利用水生植物處理養(yǎng)殖水的研究多集中于對氮、磷的去除效果方面[36],對CO2的去除效率和堿度的提高未見相關(guān)報道。

        3.2 自養(yǎng)硝化

        自養(yǎng)硝化過程是去除養(yǎng)殖用水氨氮最常用的方法,養(yǎng)殖密度越高,飼料投入就越多,產(chǎn)生的不能被利用的氮素就越多,需要處理的氨氮就越多,硝化作用強度就比較大,堿度消耗就比較明顯。為了保障養(yǎng)殖用水的可循環(huán)利用性,需要補充因為自養(yǎng)硝化過程消耗的堿度。具體補充方法可以根據(jù)氨氮產(chǎn)生的量估算需要補充的堿性物質(zhì)的量。首先可根據(jù)投餌率計算氨氮的產(chǎn)生量[34]:

        PTAN=F×PC×0.092

        PTAN表示氨氮的日產(chǎn)生量(kg/天),F(xiàn)表示每天的投餌量(kg/天),PC表示飼料中蛋白質(zhì)含量(%)。上述公式應用的假設前提:蛋白質(zhì)含氮量16%,80%的投喂氮被攝入,被攝入的氮的80%被排泄,被排泄的氮最終會有90%的成為TAN+尿素。另外,殘餌和糞便會被固液分離移出,不進入硝化裝置。根據(jù)自養(yǎng)硝化過程的堿度消耗量(7.05 g CaCO3/g N)[22],則應補充的被自養(yǎng)硝化過程消耗的堿度的量就應該是:7.05×F×PC×0.092 = 0.648×F×PC 。

        3.3 異養(yǎng)反硝化

        3.4 氨氮異養(yǎng)同化

        PTAN=F×PC×0.144

        氨氮的異養(yǎng)同化過程是一個消耗堿度的過程,同化1 g N 要消耗3.57 g CaCO3堿度(3.57 g CaCO3/g N),根據(jù)投餌率補充堿度的量就應該是0.514×PC×F。

        除了上述微生物學過程對養(yǎng)殖水體中的堿度,對養(yǎng)殖水的理化處理也可能影響堿度的含量。在養(yǎng)殖水體中加入臭氧是常用的水質(zhì)改善方法之一[40],Whangchai等[41]和Matsumura等[42]的研究表明,臭氧處理會引起養(yǎng)殖水體中堿度和pH的明顯降低。

        4 水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)利用水體堿度的調(diào)節(jié)方法

        表2 堿度補充的方法[45]Tab.2 The methods of adding alkalinity[45]

        注:Na化合物一般在水中的溶解性較高,Mg的溶解性較弱。Ca的溶解性介于Na和Mg之間。

        可以添加2%~4%的安全海水提高淡水養(yǎng)殖水體中的堿度[47]。與淡水相比,海水的緩沖能力較高,含有較高濃度的碳酸根和碳酸氫根[6],可以中和掉一部分的H+,提高pH[44]。

        5 結(jié)論

        水的堿度不僅可以通過改變水體中某些物質(zhì)的存在形態(tài)進而影響?zhàn)B殖對象,同時能影響?zhàn)B殖水體的自養(yǎng)硝化、異養(yǎng)反硝化和氨氮異養(yǎng)同化過程的效率。水的堿度受水中光合作用和呼吸作用的影響會發(fā)生變化,養(yǎng)殖水循環(huán)利用過程中微生物學過程也能使堿度會明顯降低,水體中pH、CO2與水體緩沖系統(tǒng)與堿度變化規(guī)律有緊密聯(lián)系。通過補充堿度或者替換新水的方式提高養(yǎng)殖水體中堿度到一定的水平,以滿足自養(yǎng)硝化和氨氮的同化過程所消耗的堿度從而實現(xiàn)養(yǎng)殖水體的原位凈化。關(guān)于水產(chǎn)養(yǎng)殖水循環(huán)利用過程中堿度的變化機制基本從池塘養(yǎng)殖中借鑒,需開展大量基礎的研究,為實現(xiàn)循環(huán)利用水體堿度控制和維持循環(huán)水高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)pH的穩(wěn)定提供參考。

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