， ， ，，

(1中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，中科院實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；4 大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連116023)

循環(huán)水養(yǎng)殖可通過(guò)工業(yè)化手段調(diào)整、控制水質(zhì)環(huán)境和供給營(yíng)養(yǎng)，具有節(jié)省水資源、環(huán)保、可控等諸多優(yōu)點(diǎn)，是陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展的重要方向之一[1]。生物濾器作為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)核心的水處理單元，其穩(wěn)定高效的運(yùn)行是循環(huán)水養(yǎng)殖成功的前提之一[2]。流化床(MBBR)是一種新型的生物濾器，在挪威、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家早已被應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中[3]，國(guó)外許多養(yǎng)殖企業(yè)的成功應(yīng)用表明，流化床生物濾器具有極佳的硝化性能[4]，而國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其開(kāi)展的研究相對(duì)較少[5]。張海耿等[6]對(duì)流化床的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并研究新型流化床生物濾器的水處理能力。柳瑤等[7-9]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)流化床的流化狀態(tài)進(jìn)行研究，并探討膨脹率和C/N對(duì)流化床水處理效果的影響。流化床生物濾器濾料表面附著微生物的生長(zhǎng)、繁殖與周圍環(huán)境的pH密切相關(guān)[10]。另外，pH變化會(huì)引起水環(huán)境中游離氨(FA)質(zhì)量濃度的變化，一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)的FA會(huì)對(duì)氨氧化細(xì)菌(AOB)或者亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)的活性產(chǎn)生抑制作用，F(xiàn)A對(duì)AOB和NOB的抑制質(zhì)量濃度分別為10～100 mg/L和0.1～10 mg/L[11]。要保證生物濾器穩(wěn)定高效的運(yùn)行，就要為AOB和NOB等微生物創(chuàng)造適宜的pH環(huán)境。目前，關(guān)于pH對(duì)生物濾器硝化性能的影響報(bào)道較多，但是進(jìn)水pH對(duì)流化床生物濾器啟動(dòng)階段構(gòu)建硝化功能的影響研究未見(jiàn)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的簡(jiǎn)易流化床生物濾器循環(huán)水系統(tǒng)，圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。試驗(yàn)裝置整體材質(zhì)為有機(jī)玻璃，主要分為儲(chǔ)水箱和生物濾器兩部分。儲(chǔ)水箱分為高位水箱和低位水箱，高位水箱高40 cm，低位水箱高60 cm，內(nèi)徑均為11 cm，總有效體積約8.0 L。生物濾器高50 cm，內(nèi)徑10 cm，有效體積約3.5 L。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，低位水箱中的水由潛水泵提升至高位水箱，再由高位水箱流入流化床生物濾器，經(jīng)生物濾器處理后流回低位水箱，完成一次循環(huán)。生物濾器使用直徑2.5 cm、厚度0.4 cm的64孔環(huán)形塑料懸浮填料，填料有效表面積約1 200 m2/m3。生物濾器填料填充率為30%。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)用水

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 進(jìn)水pH對(duì)流化床生物濾器掛膜啟動(dòng)的影響

1.3.2 pH對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的流化床生物濾器硝化性能的影響

1.4 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定和數(shù)據(jù)分析

1.4.1 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

1.4.2 數(shù)據(jù)分析

η=(c進(jìn)-c出) /c進(jìn)×100%

(1)

R=(r1+r2+r3+r4)/4

(2)

R—TAN平均降解速率；r1、r2、r3、r4分別為TAN在前1、2、3、4 h內(nèi)的平均降解速率，mg/(L·h)。

數(shù)據(jù)分析采用SPSS18.0進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用 Duncan 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)水pH對(duì)流化床生物濾器掛膜啟動(dòng)的影響

2.1.1 pH對(duì)TAN處理能力的影響

生物濾器掛膜啟動(dòng)階段，不同pH條件下生物濾器對(duì)TAN的去除情況如圖2所示。

圖2 生物濾器掛膜階段氨氮的去除情況

圖2整體趨勢(shì)可見(jiàn)，流化床生物濾器在掛膜啟動(dòng)階段對(duì)TAN的處理能力主要分為3個(gè)時(shí)期：上升期(0～40 d)、下降期(40～57 d)和穩(wěn)定期(57～99 d)。上升期，生物濾器對(duì)TAN的去除效率快速升高；下降期，去除效率出現(xiàn)下降現(xiàn)象；穩(wěn)定期，去除效率基本保持穩(wěn)定。上升期，除第1、19、26、40天外，其他時(shí)間點(diǎn)pH 7.5處理組對(duì)TAN的去除效率顯著高于其他3個(gè)處理組(P<0.05)；下降期，在第43、57天時(shí)pH 7.5處理組對(duì)TAN的處理效率顯著高于pH 7.0、pH 8.5處理組(P<0.05)，其他時(shí)間點(diǎn)各處理組對(duì)TAN的處理效率無(wú)顯著差異(P>0.05)；穩(wěn)定期，4個(gè)處理組生物濾器對(duì)TAN的去除效率均穩(wěn)定在80%以上，pH 7.5和pH 8.0處理組生物濾器對(duì)TAN的平均去除效率高于pH 7.0和pH 8.5處理組，但差異不顯著(P>0.05)。pH 7.5處理組第29天時(shí)對(duì)TAN的日處理效率達(dá)到80%以上，啟動(dòng)50 d左右處理效率基本穩(wěn)定；pH 8.0處理組對(duì)TAN的日處理能力僅次于pH 7.5處理組，在第36 天時(shí)對(duì)TAN的處理效率達(dá)到80%以上，啟動(dòng)61 d左右處理效率基本穩(wěn)定。pH 7.0和pH8.5處理組在第71天后對(duì)TAN的日處理效率基本穩(wěn)定。

圖3 生物濾器掛膜階段亞硝酸鹽氮的去除情況

2.2 pH對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的流化床生物濾器硝化性能的影響

2.2.1 pH對(duì)處理TAN的影響

圖4為生物填料掛膜成熟穩(wěn)定后不同pH條件下流化床生物濾器中TAN質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，各處理組的生物濾器對(duì)TAN都有較好的處理效果，pH 7.5、pH 7.7和pH 8.0處理組相對(duì)pH 7.0和pH 8.5處理組生物濾器TAN的去除能力更強(qiáng)。其中，pH 7.7處理組對(duì)TAN的去除效果在30～240 min，顯著優(yōu)于pH 7.0和pH 8.5處理組(P<0.05)，而pH 7.5、pH 7.7和pH 8.0處理組之間，pH 7.0、pH 8.5處理組之間，生物濾器對(duì)TAN的去除能力沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。各處理組對(duì)TAN的平均去除速率如圖5所示。pH 7.7處理組TAN去除速率為(0.58±0.020) mg/(L·h)，pH 7.0、pH 7.5、pH 8.0和pH 8.5處理組TAN的去除速率分別為(0.48±0.018) mg/(L·h)、(0.53±0.019) mg/(L·h)、(0.51±0.028) mg/(L·h)和(0.49±0.019) mg/(L·h)。pH 7.7處理組TAN的去除速率比pH 7.0和pH 8.5處理組分別提高14.53%和12.90%，比pH 7.5和pH 8.0處理組提高4.91%、9.87%。

圖4 成熟膜系統(tǒng)中氨氮質(zhì)量濃度變化情況

圖5 不同pH條件下成熟膜系統(tǒng)中氨氮的平均降解速率

圖6 成熟膜系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化情況

3 討論

3.1 進(jìn)水pH對(duì)流化床生物濾器掛膜啟動(dòng)的影響

3.2 pH對(duì)流化床生物濾器硝化能力的影響

3.2.1 pH對(duì)TAN處理能力的影響

養(yǎng)殖系統(tǒng)水環(huán)境中的無(wú)機(jī)氮主要為氨氮[19]，氨氮質(zhì)量濃度超標(biāo)會(huì)影響?zhàn)B殖生物的正常生長(zhǎng)，甚至?xí)?dǎo)致死亡，造成經(jīng)濟(jì)損失[20]。降低并有效控制養(yǎng)殖水體中的氨氮質(zhì)量濃度是循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的保障。從生物濾器掛膜啟動(dòng)階段以及成熟穩(wěn)定運(yùn)行階段可以看出，隨著pH的增大，TAN的處理效率先增大后減小[21]，其中生物濾器在pH 7.5～pH 8.0條件下對(duì)TAN有較高的處理效率，這與徐婷等[22]得到的結(jié)論(pH 7.3～pH 8.0的TAN降解率最大)十分相近。有研究發(fā)現(xiàn)，AOB在pH 7.4～pH 7.8時(shí)活性最強(qiáng)[23]。通過(guò)研究不同pH對(duì)生物濾器穩(wěn)定后硝化能力的影響發(fā)現(xiàn)，在pH 7.7時(shí)TAN的處理效率最高。本研究結(jié)論與姜體勝等[24]的研究結(jié)果(pH 7.74時(shí)活性污泥的硝化能力最強(qiáng))十分相近。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，pH 7.7處理組TAN的降解速率比pH 7.5、pH 8.0處理組分別提高4.91%、9.87%，由此證明，相較于pH 7.7～ pH 8.0，pH 7.5～ pH 7.7時(shí)生物濾器運(yùn)行更加穩(wěn)定，更有利于氨氮的降解。

4 結(jié)論

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