[摘要]循環(huán)水養(yǎng)殖是當(dāng)今世界上一種先進(jìn)的養(yǎng)殖模式，與傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式相比，具有節(jié)水、節(jié)地、高密度集約化和排放可控的特點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，是今后水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展方向，目前已在國內(nèi)外推廣應(yīng)用，但其對(duì)處理后水質(zhì)要求更高。工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖水處理中最重要的環(huán)節(jié)是生物處理技術(shù)，單一的生物處理技術(shù)難以滿足循環(huán)水用水的水質(zhì)要求，采用大型藻類與微生物相結(jié)合的生物處理技術(shù)能夠快速高效地去除廢水中的COD、N、P等污染物。本文對(duì)大型藻應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖的可行性進(jìn)行了討論，并對(duì)其未來前景進(jìn)行展望。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖;大型藻;氮、磷;有機(jī)物

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201810

工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖（Recirculating Aquaculture System，RAS）作為一種新興的陸基養(yǎng)殖模式，其優(yōu)點(diǎn)是養(yǎng)殖密度高、可控性強(qiáng)、環(huán)境友好，目前在中國沿海及內(nèi)陸地區(qū)得到快速推廣和應(yīng)用[1-2]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)能夠不斷凈化養(yǎng)殖水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水體的循環(huán)利用，水體回用率高達(dá)96%以上，能有效地避免對(duì)周圍水環(huán)境的污染[3]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中起到主要水處理作用的是生物濾器，能將水中有機(jī)物和氨氮分別降解、氧化為毒性相對(duì)較低的硝酸鹽[4]，使養(yǎng)殖水體得到一定程度的凈化，但這種循環(huán)模式由于換水率低，會(huì)導(dǎo)致硝酸鹽大量積累[5-6]。相關(guān)研究結(jié)果顯示，硝酸鹽的積累會(huì)影響魚體的滲透壓和血細(xì)胞的運(yùn)氧能力，進(jìn)而引起魚體色澤和肉質(zhì)下降，而且富含硝酸鹽的養(yǎng)殖廢水直接排放，還會(huì)造成水體富營養(yǎng)化[7-10]。

去除海水中的硝酸鹽可通過微生物的反硝化作用最終將其轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓谴诉^程歷程長，需要額外投加碳源，效率有限，反硝化條件控制要求嚴(yán)格[11]。海水植物如海藻，可吸收海水中的氨氮、亞硝酸、硝酸鹽等轉(zhuǎn)化為自身的細(xì)胞物質(zhì)，效率相對(duì)較高，可解決或緩解養(yǎng)殖廢水中硝酸鹽積累[12]。在多營養(yǎng)級(jí)復(fù)合養(yǎng)殖系統(tǒng)中，藻類常布設(shè)于系統(tǒng)中用于吸收養(yǎng)殖魚類產(chǎn)生的氮磷營養(yǎng)鹽[13]。本文探討了大型藻類對(duì)養(yǎng)殖廢水中氮、磷及有機(jī)質(zhì)去除特點(diǎn)及效果，為大型藻類在循環(huán)水養(yǎng)殖廢水凈化上的推廣應(yīng)用提供依據(jù)，促進(jìn)養(yǎng)殖廢水的資源化利用。

1 大型藻類對(duì)氮磷的去除

《2012年中國漁業(yè)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，在中國，關(guān)鍵的海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的主要污染物是無機(jī)氮，包括氨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）和亞硝氮（NO2--N）等，磷污染物主要為活性磷酸鹽（PO43--P）。在水產(chǎn)養(yǎng)殖用水中，氨氮和亞硝酸鹽氮的含量比硝態(tài)氮的高得多，這兩種形態(tài)的氮是影響魚蝦生長繁殖的重要因素。氨氮在水體中以兩種形式存在，分別為離子氨（NH4+-N）和游離氨（NH3），相互轉(zhuǎn)化關(guān)系為NH3+H2ONH4++OH-，此轉(zhuǎn)化關(guān)系維持動(dòng)態(tài)平衡[14]，這種平衡關(guān)系與溫度、鹽度、pH值等因素相關(guān)。當(dāng)總氨氮含量超過0.5mg/L時(shí)，對(duì)魚有毒害作用，其中NH3的毒性更大，有研究表明NH3高于一定濃度會(huì)導(dǎo)致魚鰓組織受損，影響魚體內(nèi)臟器官皮膜通透性，使魚的機(jī)體代謝功能和組織功能嚴(yán)重受損。我國漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 11607-1989）規(guī)定，水產(chǎn)養(yǎng)殖用水中NH3不得超過0.02mg/L。NO2--N是由于水體中的氨氮在亞硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化而成的，其為亞硝化作用和硝化作用的一種中間產(chǎn)物，NO2--N含量過高可將魚、蝦血液中的亞鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，這種血紅蛋白血液攜氧能力低，使魚蝦組織缺氧，從而引起魚蝦的死亡[15]。硝態(tài)氮對(duì)魚蝦的毒害作用沒有氨氮與亞硝態(tài)氮的作用明顯，但在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中硝酸鹽會(huì)產(chǎn)生積累，最高可累積到400～500mg/L[16]。研究表明75mg/L以上的硝酸鹽會(huì)影響?zhàn)B殖動(dòng)物的生長[17]。含磷化合物雖然沒有明顯表現(xiàn)出對(duì)魚類的危害，但過多的硝磷酸鹽排入外界環(huán)境水體后會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，因此需要對(duì)其進(jìn)行去除。

由于藻類細(xì)胞由多種物質(zhì)組成，成分復(fù)雜，Stumm等[18]在對(duì)藻類細(xì)胞物質(zhì)做出充分研究和總結(jié)后提出，藻類的分子式可以大致看作C106H263O110N16P，由此分子式可以推出光合作用的反應(yīng)公式如下：

（1）

由公式（1）可以看出，藻類利用水中的氮、磷吸收CO2，在酸性條件下進(jìn)行光合作用，合成自身的細(xì)胞物質(zhì)并釋放出O2。有研究表明，藻類對(duì)NH4+-N、NO3--N和NO2--N均有吸收作用，另外由于藻類的光合作用過程中消耗水體中的H+，使水體呈弱堿性，即pH值增大，氨在弱堿性的水環(huán)境中容易逸散[19-21]。藻類對(duì)磷的利用主要是溶解性磷，并且在無機(jī)磷磷源中優(yōu)先利用正磷酸鹽。近年來，各學(xué)者對(duì)不同藻類處理氮磷的效率進(jìn)行了研究探索，大型海藻藻類對(duì)水體中氮磷的去除率見表1[22-27]，可以看出大型海藻對(duì)氮的去除能力均相對(duì)較好，去除率可達(dá)到60%～90%，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)藻類的研究中，藻類對(duì)磷的去除率高于氮的去除率。

2 有機(jī)質(zhì)的去除

養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的有機(jī)物包括溶解性有機(jī)物、懸浮于水中或沉積于水底的顆粒性有機(jī)物兩部分。過多的有機(jī)物導(dǎo)致水體異養(yǎng)菌的大量繁殖，這些異養(yǎng)細(xì)菌與魚類爭(zhēng)奪氧氣，引起魚類窒息死亡，還可能使病原菌大量繁殖，導(dǎo)致魚蝦感染疾病[12]。

藻類凈化水體中有機(jī)質(zhì)主要分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為物理化學(xué)吸附，即藻類會(huì)吸附水體中的有機(jī)顆粒，此過程與代謝無關(guān)。龍須菜等網(wǎng)狀或絲狀的大型藻類，因其特殊的形狀結(jié)構(gòu)，在吸附聚集水中的有機(jī)顆粒時(shí)，相對(duì)于微藻可以發(fā)揮更大的作用[28-31]。第二個(gè)階段的作用機(jī)理是緩慢主動(dòng)生物富集與降解作用，光合作用產(chǎn)生的氧氣增加了水體的溶解氧，這種活性溶解氧更容易被微生物吸收利用，使好氧的異養(yǎng)微生物能夠不斷對(duì)大分子有機(jī)質(zhì)進(jìn)行降解，從而降低水中的COD。有研究表明，1g藻類能夠提供1.5～1.92g的O2，這些O2能夠被好氧細(xì)菌利用，從而降解COD[32]。有研究提出O2與COD的最佳比例，研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)O2/COD為1.55時(shí)，O2能夠完全被好氧細(xì)菌吸收利用，好養(yǎng)細(xì)菌的活性得到最大化，從而對(duì)有機(jī)物的降解作用也得到最大化。而微生物降解有機(jī)質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的CO2又能夠被藻類吸收利用，藻類的活性也因此得到提升。因此，在這種相互影響的過程中，藻類與微生物是互利共生的，這種平衡形成一種菌藻共生體系，與其他處理方式相比有很大的優(yōu)勢(shì)[33]。此外，小分子有機(jī)物也可以直接被藻類吸收利用。陳海敏等[34]研究發(fā)現(xiàn)，光合細(xì)菌與小球藻聯(lián)合處理養(yǎng)殖廢水時(shí)，水體中總有機(jī)碳（TOC）去除率達(dá)到75%，COD去除率達(dá)到41%。

3 大型藻處理養(yǎng)殖廢水

有關(guān)研究提出利用藻類去除污水中的氮磷物質(zhì)，之后由藻類作為組成部分的復(fù)合生物技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣，復(fù)合生物技術(shù)主要包括貝藻處理技術(shù)和菌藻處理技術(shù)。藻類在養(yǎng)殖廢水凈化方面的應(yīng)用研究進(jìn)入了繁榮期，將大型海藻與貝類和微生物對(duì)污染物的降解能力結(jié)合起來，也成為復(fù)合生物技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

很多大型海藻本身也是重要的水產(chǎn)品，如龍須菜、海帶等，可以食用、藥用、提取工業(yè)原料，在利用其處理養(yǎng)殖污水的同時(shí)還可以作為副產(chǎn)品進(jìn)行，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，一舉兩得。近年來，對(duì)于不同品種大型藻類與水生動(dòng)物和微生物結(jié)合，對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理效果亦有研究，韋建益等[35]將黑藻與硝化菌組合應(yīng)用于草金魚循環(huán)水養(yǎng)殖，黑藻和硝化菌干粉的組合對(duì)各氮鹽都有一定的凈化效果，NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TP的去除率相對(duì)于沒有黑藻和硝化菌干粉的對(duì)照組分別增加了63.5%、56.37%、153.4%和28.85%。有研究將太平洋牡蠣與龍須菜結(jié)合，處理大西洋鮭養(yǎng)殖廢水，結(jié)果表明牡蠣與龍須菜密度比為1∶1時(shí)，對(duì)廢水中的NO2-N去除率達(dá)40.29%。李秀辰等[36]研究的集成系統(tǒng)由生物滴濾池和水生植物組成，用于凈化魚池水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)對(duì)TAN和有機(jī)物的去除率分別保持在80%和40%以上。鄒俊良[37]采用金魚藻、狐尾藻和螺螄單獨(dú)或聯(lián)合使用，30d的時(shí)間，對(duì)黃顆魚養(yǎng)殖廢水中TN的去除率達(dá)到14.93%～20.92%，TP的去除率達(dá)到11.95%～17.92%，并且處理時(shí)間的延長可能使去除效果增加，采用MBBR-金魚藻系統(tǒng)處理養(yǎng)殖廢水，COD、TAN去除率達(dá)到89.93%、95.07%。

4 結(jié) 論

藻類由于其特殊的形狀結(jié)構(gòu)和生理代謝作用，在生物凈化方面發(fā)揮了良好的作用，吸引著各國學(xué)者不斷深入研究探索。然而目前相比于活性藻系統(tǒng)、固化藻系統(tǒng)等微藻的應(yīng)用技術(shù)，運(yùn)用大型藻處理養(yǎng)殖廢水的技術(shù)相對(duì)較少，其應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖的案例也十分有限。

大型藻類對(duì)養(yǎng)殖水體中的氮、磷有較好的處理效果，其釋放的溶解氧可提供給水體中的細(xì)菌，從而對(duì)有機(jī)物的降解起到了促進(jìn)作用，此外很多大型海藻在處理養(yǎng)殖污水的同時(shí)還可以收獲一定的經(jīng)濟(jì)效益。利用大型藻與微生物結(jié)合處理養(yǎng)殖廢水能達(dá)到較高的出水水質(zhì)，滿足循環(huán)水養(yǎng)殖中較高的水質(zhì)要求。因此大型海藻應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖有著廣闊的發(fā)展前景，其在實(shí)際生產(chǎn)的運(yùn)用需要進(jìn)一步的探索和研究。

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