章 霞，柳敏海，徐志進(jìn)，傅榮兵，殷小龍，李偉業(yè)，油九菊，張 川

（浙江省舟山市水產(chǎn)研究所,浙江舟山 316000）

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖的高速發(fā)展，養(yǎng)殖廢水污染問題日益凸顯。為突破以環(huán)境換經(jīng)濟(jì)的困局，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)日益臻進(jìn)。當(dāng)前的污水處理模式主要為物理方法[1-2]、化學(xué)方法[3-4]和生物方法[5-6]等，而20世紀(jì) 90年代，生物濾池作為集3種方法綜合效應(yīng)為一身的新型污水處理技術(shù)在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家廣為流行[7]。

生物濾池的原理是：在反應(yīng)器中，投入生物濾料，通過生物濾料形成生物膜以及濾料本身特性，集合物理過濾作用、生物分解作用以及化學(xué)作用等綜合作用處理污水[8-9]。生物濾池的應(yīng)用效果主要涉及水處理效果、基建面積，投資、運(yùn)行費(fèi)用以及應(yīng)用管理等因素[10]，其中生物濾料的選擇以及填充率是影響整體生物濾池造價(jià)工藝、使用壽命、運(yùn)行效率、占地面積等的重要因素。

藤壺殼是沿海地區(qū)常見的廢棄物，比表面積大、質(zhì)地堅(jiān)固、親水性好、價(jià)格低廉，是一種極有開發(fā)潛力的生物濾料。有研究表明，藤壺殼相較于PE、陶瓷環(huán)等濾料，處理對蝦養(yǎng)殖尾水的效果更好[11]。但縱觀現(xiàn)有的濾料選擇或應(yīng)用的相關(guān)研究，對濾料的填充率研究甚少，基于降低濾料成本和占地面積的目的，本文設(shè)定了不同填充率的藤壺殼對模擬對蝦養(yǎng)殖排水處理效果影響的試驗(yàn)，以期獲得當(dāng)前條件下的生物濾料與養(yǎng)殖排水的配比，為今后生物濾料的應(yīng)用和水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

2016年9月1日，將約1 200 L藤壺殼放置于浙江華興水產(chǎn)科技有限公司正在養(yǎng)殖南美白對蝦的養(yǎng)殖大棚（1 000 m3）中進(jìn)行自然掛膜，所用藤壺殼為黑色，中空，似去頂?shù)膱A錐小體，藤壺殼上遍布中空小管，個(gè)體大小不一（圖1）。40 d后，自然海水洗去沉積物，混勻，分裝成4組(A、B、C、D組，濾料體積分別為20 L、40 L、80 L和180 L)后，分別置于水處理系統(tǒng)裝置上部濾料桶中，盛放A、B、C組濾料的濾桶長、寬、高分別為60 cm、37.5 cm和40 cm，盛放D組濾料的濾桶長、寬、高分別為120 cm、70 cm和80 cm。下部蓄水桶（直徑100 cm，高50 cm）盛200 L海水。各實(shí)驗(yàn)組生物濾料與水體積比例分別為 1：10，2：10，4：10 和 9：10，通過水泵（流量 2 600 L/h）實(shí)現(xiàn)下進(jìn)水上出水循環(huán)，水處理裝置如圖2所示。

1.2 方法

圖1 藤壺殼Fig.1 Barnacle shells

圖2 試驗(yàn)運(yùn)行示意圖Fig.2 Trial operation schematic diagram

在2016年上半年對本試驗(yàn)場地內(nèi)南美白對蝦養(yǎng)殖過程中排放的養(yǎng)殖尾水進(jìn)行檢測，檢測獲得的水質(zhì)指標(biāo)氨氮（NH4+-N）濃度為 2.12～9.69 mg/L，亞硝酸鹽（NO2--N）濃度為0.54～2.12 mg/L，磷酸鹽（PO43--P）濃度為 0.036～0.560 mg/L，硝酸鹽（NO3--N）濃度為（0.56～1.00）mg/L。以監(jiān)測獲得的水質(zhì)指標(biāo)上限模擬各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)配置人工廢水，在200 L潔凈海水中各投放硫酸銨10 g、亞硝酸鈉10 g、磷酸二氫鉀0.5 g、硝酸鉀1.4 g，使水體中初始氨氮（NH4+-N）濃度約為 10 mg/L、亞硝酸鹽（NO2--N）約為 2 mg/L、磷酸鹽（PO43--P）約為 0.6 mg/L、硝酸鹽（NO3--N）約為1 mg/L。人工調(diào)節(jié)養(yǎng)殖尾水的碳氮比，使得總有機(jī)碳（TOC）約為232 mg/L。啟動水泵，運(yùn)行裝置，水處理時(shí)間為48 h。試驗(yàn)過程中，每4 h采用YSI-556多參數(shù)水質(zhì)測定儀測定水體中的鹽度、水溫、溶氧含量、pH；采用總有機(jī)碳分析儀TOC-LCPH CN200測定水體中總有機(jī)碳（TOC）含量；0～12 h每2 h測定一次氨氮（NH4+-N）、亞硝酸鹽（NO2--N）、硝酸鹽（NO3--N）含量；12～24 h每 4 h測定一次，24～48 h每 8 h測定1次，36 h每8 h測定一次，磷酸鹽（PO43--P）含量，0～10 h每2 h測定1次，測定方法見表1。

1.3 數(shù)據(jù)分析

表1 水質(zhì)檢測指標(biāo)以及檢測方法Tab.1 Water qualityindices and test methods

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)（α＝0.05）。

2 結(jié)果

2.1 水體基本環(huán)境因子的變化

試驗(yàn)期間，水溫22～26℃。本試驗(yàn)在陽光房中遮陰開展，各組間的溫度、光照基本一致，pH、溶氧含量等指標(biāo)也相差無幾（表2）。

2.2 不同處理組水中氨氮（NH4+-N）的去除率

表2 試驗(yàn)過程中環(huán)境因子的變化。Tab.2 The variation inenvironmental factors during the test

從圖3可以看出，4組水中氨氮（NH4+-N）濃度均呈先上升后下降的趨勢，其中氨氮（NH4+-N）含量（以小于0.2 mg/L為基準(zhǔn)）去除所耗時(shí)間由高至低依次為：D組B組>C組>D組；在4 h時(shí)，B、C、D三組的氨氮開始降解，且C、D組氨氮去除率顯著高于A組（P<0.05）；在6 h內(nèi)A組氨氮濃度仍呈上升趨勢，6～8 h時(shí)，A組氨氮濃度開始下降；在10 h時(shí)，各組的氨氮去除率為：D組（95.14±1.57）%>C 組（81.98±5.04）%>B 組（66.46±4.99）%>A 組（13.27±1.55）%，各組之間差異顯著；在12 h時(shí)，D組氨氮去除率（81.98±5.04）%顯著高于B組（92.10±50.31）%、C 組（93.99±0.18）%，B、C 組顯著高于 A 組（84.51±0.11）%（P<0.05）；16h時(shí)，C、D 組氨氮去除率顯著高于 A、B 組（P<0.05）；20 h時(shí)，B 組（99.38±0.04）%、C 組（99.79±0.06）%、D 組（99.82±0.03）%高于 A 組（96.72±0.38）%，以去除率90%為基準(zhǔn)，D組優(yōu)先B、C組2 h，優(yōu)先于A組6 h。

圖3 4個(gè)處理組水中的氨氮（NH4+-N）去除率Fig.3 The NH4+-N removal rates in four treatment groups

2.2 不同處理組水中亞硝酸鹽（NO2--N）的去除率

從圖4可以看出，4個(gè)試驗(yàn)組對亞硝酸鹽氮（NO2--N）的去除能力均較強(qiáng)。在前10 h內(nèi)，各組鹽硝酸鹽氮去除速率由高至低為：D組＞C組＞B組＞A組；在10 h時(shí)，D組亞硝酸鹽氮去除率（98.56±0.14）%顯著高于 C組（76.27±3.37）%（P＜0.05），C 組顯著高于 B 組 （28.18±0.15）%（P＜0.05），B 組顯著高于 A 組（9.23±1.10）%（P＜0.05）；12 h時(shí)，D 組亞硝酸鹽氮去除率（98.30±0.33）%高于 C 組（97.52±0.61）%，但差異不顯著（P＞0.05），C、D 組去除率顯著高于 B 組（48.35±1.25）%，B 組顯著高于A組（12.75±0.48）%（P＜0.05）;20 h時(shí)，D組（99.86±0.05）%、C 組（98.33±0.46）%、B 組（99.91±0.01）%亞硝酸鹽氮去除率顯著高于 A 組（77.98±1.06）%（P＜0.05）；32h時(shí)，各組的亞硝酸鹽去除率差異不顯著（P＞0.05）。以達(dá)到亞硝酸鹽氮去除率95%為基準(zhǔn)，D組優(yōu)先C組2 h，C組優(yōu)先B組8 h，B組優(yōu)先于A組12 h。

圖4 4個(gè)處理組對NO2--N去除效果Fig.4 The NO2--N removal efficiencyin four treatment groups

2.3 不同處理組水中磷酸鹽（PO43--P）的去除率

4個(gè)處理組對磷酸鹽（PO43--P）的去除效果明顯（圖5）。在前2 h時(shí)，各組對磷酸鹽的去除速率為：D組＞C組＞B 組＞A 組；在 4 h 時(shí)，A、B、C、D 組磷酸鹽（PO43--P）的去除率達(dá) （93.40±1.30）%、（89.46±0.09）%、（95.03±0.61）%和（99.27±0.14）%，D 組去除效果顯著高于 A，C組（P＜0.05），A、C 組去除效果顯著高于 B 組（P＜0.05）；在10 h時(shí)，A、B、C、D 4組的磷酸鹽（PO43--P）的去除效果分別達(dá)（99.57±0.12）%，（99.51±0.12）%，（99.58±0.11）%和（99.63±1.01）%，無顯著差異（P＞0.05）。

2.4 不同處理組水中總有機(jī)碳（TOC）的去除率

4個(gè)實(shí)驗(yàn)組中的TOC去除率呈波動上升趨勢，最終去除率趨于一致（圖6）。各組TOC去除率達(dá)到最高所需時(shí)間不同，其中D組在16 h的TOC去除率達(dá)（98.02±2.28）%，顯著高于C組（78.56±4.06）%、B 組（49.29±2.22）%和A 組（56.30±4.10）%（P＜0.05）；在 40 h，C 組去除率達(dá)（97.53±1.19）%，B 組在 48 h時(shí)，TOC 去除率達(dá)（95.76±1.51）%，A組為（91.30±2.30）%。4試驗(yàn)組在48 h時(shí)，生物濾料對TOC的去除率排序?yàn)椋篋組＞C組＞B組＞A組?？梢奣OC的去除率隨藤壺填充率的增加而增加。

圖5 不同填充率下水中磷酸鹽（PO43--P）的去除率Fig.5 The phosphate(PO43--P)removal rates atdifferent filling rates

圖6 不同填充率下水中TOC的去除率Fig.6 The influence of different filling rate on the TOC removal effect

3 討論

3.1 藤壺殼填充率對水體中氨氮去除效果的影響

水產(chǎn)養(yǎng)殖水域中氨氮過高是誘發(fā)水產(chǎn)動物暴發(fā)性疾病的重要環(huán)境因素之一。當(dāng)非離子態(tài)氨濃度為0.05～0.2 mg/L時(shí)，水生動物的生長受抑制，功能失調(diào)，甚至急性中毒而死亡[12]。本試驗(yàn)中，氨氮以0.1 mg/L為基準(zhǔn)，不同試驗(yàn)組氨氮濃度降解達(dá)到此基準(zhǔn)的時(shí)間隨著填充率的增大而縮短，填充率為2：10的B組，4：10的C組和9：10的D組最終的氨氮去除效果顯著優(yōu)于A組（1：10）（P＜0.05），去除率均在98.75%以上，B、C、D三組最高去除率之間無顯著性差異，且藤壺殼填充率2：10氨氮水處理效果優(yōu)于當(dāng)前報(bào)道的其他濾料的水處理效果例如紅色呼吸環(huán)、白色玻璃環(huán)、天然火山巖和細(xì)菌球等4種濾料[13]和SVA濾料制成3～6 mm球形顆粒濾料[14]等?？梢娞賶貧ぬ畛渎?：10可為今后的養(yǎng)殖尾水生物濾池氨氮去除的設(shè)計(jì)作參考。

3.2 藤壺殼填充率對水體中亞硝酸鹽氮去除效果的影響

有研究表明在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水體中的亞硝酸鹽一般需控制在0.1 mg/L以下，高濃度的亞硝酸鹽會誘發(fā)水生動物的出血病，引發(fā)其他疾病[15-16]。本試驗(yàn)中，以控制亞硝酸鹽濃度低于0.1 mg/L為基準(zhǔn)，不同試驗(yàn)組亞硝酸鹽氮的去除速率與藤壺殼填充率呈正相關(guān)。B（填充率為2：10）、C（填充率為4：10）、D（填充率為9：10）組亞硝酸鹽氮的最終去除效果也顯著優(yōu)于A組（P＜0.05），去除率均在97.09%以上。B、C、D三組之間無顯著性差異，且B、C、D 3組的亞硝酸鹽氮濃度均能在24 h內(nèi)有效降解，可見藤壺殼填充率（2：10）在綜合亞硝酸鹽去除效果、經(jīng)濟(jì)成本和資源利用方面可作為適宜的配比，進(jìn)行后續(xù)的研究。

3.3 藤壺殼填充率對水體中磷酸鹽去除效果的影響

磷酸鹽是構(gòu)成水體富營養(yǎng)化污染的重要原因[17]，而磷酸鹽的去除也是評估水處理效果的重要標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)中，A、B、C、D 4組在前4h，磷酸鹽（PO43--P）去除速率為：D組＞C 組＞B 組＞A 組，但在 10 h時(shí)，磷酸鹽（PO43--P）的去除率均可達(dá)99.51%以上,可見填充率對水體中（PO43--P）的最終去除效果影響不大。究其原因，有研究表明水體中磷酸鹽（PO43--P）的去除主要依靠植物[18-19]和微生物的吸收[20-21]，而本試驗(yàn)磷酸鹽去除率高的可能與試驗(yàn)前的源水體中添加了葡萄糖有關(guān)，因?yàn)榱姿猁}的去除主要依靠水體中細(xì)菌的吸收作用，而連子如等[22]、趙晨紅等[23]和SUTTLE C A,et al[24]的研究表明添加碳源有助于水處理系統(tǒng)中的細(xì)菌快速增長[24-26]，從而可提高磷酸鹽的去除效率。