李 婷，李家練，艾為黨,3，張 岍，邢丁予，曹騰飛

種養(yǎng)結合BAF工藝對密閉循環(huán)養(yǎng)殖水凈化效果分析

李 婷1,2，李家練1，艾為黨1,3※，張 岍2，邢丁予2，曹騰飛1

（1. 深圳市綠航星際太空科技研究院，深圳518117；2. 哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院，深圳518055； 3. 中國航天員科研訓練中心，北京100094）

為了滿足受控生態(tài)生保系統(tǒng)對魚類生長和水資源循環(huán)利用的需求，該文圍繞密閉循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)（recirculating aquaculture system，RAS）平臺構建以曝氣生物濾池（biological aerated filter，BAF）工藝為核心，輔以蔬菜栽培系統(tǒng)的水質凈化工藝，探討其對RAS持續(xù)運行的作用及原理。試驗初始，向平臺養(yǎng)殖池內(nèi)輸入300 L市政原水和60尾羅非魚魚苗，隨后系統(tǒng)連續(xù)循環(huán)運行200 d，通過分析系統(tǒng)水質及魚類生長狀況，考察BAF耦合蔬菜栽培工藝在RAS中的適用性。結果表明，1～60 d單獨BAF工藝對密閉RAS內(nèi)水質污染物控制效果較差，運行60 d后水中TOC、N和P類污染物均出現(xiàn)大量累積。針對該問題，構建2級BAF和蔬菜栽培耦合工藝，在后續(xù)140 d內(nèi)，TOC和NH4+-N累積濃度分別由60.3和2.9 mg/L降低至11.2和1.2 mg/L；NO2--N持續(xù)穩(wěn)定在0.1 mg/L以下；NO3--N和PO43--P分別由累積濃度114.2和43.1 mg/L降低并穩(wěn)定至54.7和15.6 mg/L左右。在BAF耦合蔬菜栽培工藝保障下，密閉RAS內(nèi)95 %以上水資源持續(xù)再生；羅非魚生長狀態(tài)良好，零死亡率，最大養(yǎng)殖密度達41.9 kg/m3；同步收獲4批次蔬菜，總質量達23 420 g，平均株質量達195.17 g/株。試驗結果說明，BAF耦合蔬菜栽培可有效保障RAS持續(xù)穩(wěn)定運行，可為密閉受控生態(tài)生保系統(tǒng)的水生動物養(yǎng)殖提供技術借鑒。

水質；凈化；水產(chǎn)養(yǎng)殖；蔬菜栽培；曝氣生物濾池

0 引 言

隨著載人航天技術的不斷發(fā)展，人類未來將進行更長時間的深空探測或建立星球基地[1-2]，在此過程中，如何向宇航員持續(xù)提供優(yōu)質動物蛋白并改善宇航員視覺環(huán)境，是載人航天受控生態(tài)生保系統(tǒng)（controlled ecological support system，CELSS）預先研究的方向之一[2-4]。傳統(tǒng)的魚類養(yǎng)殖技術，因需水量高，二次污染大等特點，不適于資源和空間都非常有限的CELSS系統(tǒng)[4-6]。密閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（recirculating aquaculture system，RAS）是近年來新興的魚類養(yǎng)殖方法，與傳統(tǒng)流型養(yǎng)殖方法相比，該方法具有養(yǎng)殖密度高、二次污染小和耗水量小等優(yōu)勢，可實現(xiàn)節(jié)水90%以上，節(jié)地99%以上[5-8]，已在歐美等發(fā)達國家推廣應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖領域[7-10]。

RAS實現(xiàn)循環(huán)養(yǎng)殖的關鍵在于，利用水循環(huán)再生工藝高效去除水體中殘留餌料和魚類排泄物，包括懸浮物、有機物、氨氮和磷酸鹽等污染物[5,11-13]。目前，RAS系統(tǒng)中常見的水循環(huán)再生工藝主要包括生物塘、人工濕地和接觸氧化等[14-16]。盡管上述工藝能較好實現(xiàn)地面RAS的循環(huán)養(yǎng)殖，但存在自控程度低、懸浮顆粒截留效果不穩(wěn)定、低濃度氨氮去除不理想等問題[13,17-19]。這些問題雖對地面大規(guī)模養(yǎng)殖影響不大，但對于養(yǎng)殖規(guī)模更小、水源補給率更低、人員維護程度更低的載人航天CELSS而言，上述問題將影響RAS的產(chǎn)量和系統(tǒng)所處的空間環(huán)境，因此，需構建一種適用于CELSS系統(tǒng)內(nèi)的RAS水質凈化再生工藝，以滿足水生動物的生長需求。

曝氣生物濾池（biological aerated filter，BAF）工藝是一種集曝氣、高濾速、截留懸浮物、定期反沖洗于一體，適合高效、低耗、自控程度高的污水再生工藝[20-21]。BAF工藝通過濾料的機械截留實現(xiàn)懸浮物尤其是細小顆粒物的高效去除；通過濾料比表面積大的特點，可富集大量世代周期較長的硝化菌，實現(xiàn)低濃度氨氮的高效去除；通過布水布氣及反沖洗過程的自動控制，實現(xiàn)整體工藝的機械化操作[22-23]。目前，BAF工藝在市政污水處理領域已有廣泛應用，與傳統(tǒng)生物污水處理工藝相比，BAF工藝處理效率更高、更穩(wěn)定，受環(huán)境影響相對較小，對水中氨氮去除率達到90%以上，出水懸浮物控制在10mg/L以下[20,22]。此外，BAF工藝因占地面積小、抗沖擊負荷能力強，是城市污水處理廠升級改造的優(yōu)選工藝，可在有限的空間環(huán)境內(nèi)實現(xiàn)污水的高效凈化及再生[20-23]。盡管BAF已在城市污水再生領域有大量研究及應用，但將其應用于循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質凈化及再生領域的研究有限，尤其是相關的實際應用還很少[20-23]。本文基于受控生態(tài)生保系統(tǒng)對魚類生長和水資源循環(huán)利用的需求，結合BAF工藝高效低耗的污水處理特點，圍繞RAS平臺構建以曝氣生物濾池（biological aerated filter，BAF）為核心的水質凈化工藝，探討其對RAS持續(xù)運行的作用及原理。以好氧BAF單元為核心工藝，采用新型輕質聚苯乙烯濾料，耦合蔬菜栽培和臭氧曝氣單元[18,24]，構建以BAF耦合工藝為核心的密閉循環(huán)養(yǎng)殖水系統(tǒng)，通過高密度養(yǎng)殖新吉羅非魚的廢水循環(huán)再生中試試驗，考察BAF耦合蔬菜栽培工藝是否可有效保障RAS持續(xù)穩(wěn)定運行，為密閉受控生態(tài)生保系統(tǒng)的水生動物養(yǎng)殖提供技術借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。主要由以BAF為核心的密閉循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)養(yǎng)殖池、細格柵、一級好氧BAF（BAF I）、蔬菜栽培單元、二級BAF（BAF II），以及熱交換單元等6部分組成。其中，養(yǎng)殖池為有機玻璃矩形池，長120 cm，寬60 cm，高90 cm，設計水位高度為70 cm，有效容積500 L；細格柵單元采用篩網(wǎng)為200目的微濾機；BAF I 和 BAF II 均為有機玻璃柱，BAF I 柱內(nèi)徑14 cm，高100 cm，內(nèi)填充60 cm高的陶粒濾料，有效空床體積36 L；BAF II 內(nèi)徑為9 cm，高100 cm，內(nèi)填充80 cm高的陶粒濾料，有效空床體積20 L。BAF I 采用空壓機曝氣，曝氣量為0.06 m3/min，保持養(yǎng)殖池內(nèi)溶解氧濃度≥5 mg/L；BAF II 采用臭氧曝氣，曝氣量為500 mg/h，臭氧空氣殘余濃度＜0.2 mg/m3；蔬菜栽培架為矩形聚苯烯盤，栽培盤中含20個蔬菜栽培孔，孔間距為3 cm，栽培架下有效過水體積為20 L，栽培架上方設有LED燈（紅藍光比例為4∶1）作為蔬菜栽培光源，光強為160～250mol/(m2·s)，每日光照時間從7點至23點，共計16 h；試驗環(huán)境溫度為22～25 ℃。裝置運行期間，以羅非魚為養(yǎng)殖對象，總養(yǎng)殖水體體積300 L，設計最大養(yǎng)殖密度為40.0～50.0 kg/m3，系統(tǒng)循環(huán)率0.52 次/h，日補水率3.0%～5.0 %。

注：BAF I、BAF II分別為一級曝氣生物濾池和二級曝氣生物濾池。下同。

1.2 試驗材料

1）羅非魚基本參數(shù)及稱量方法

試驗用魚品種為新吉富羅非魚，魚苗來自中國科學院水生動物研究所，初始投放量為60尾，初始平均體質量為29.6 g/尾。試驗過程中，每10 d稱量一次羅非魚體質量，方法為將所有系統(tǒng)內(nèi)羅非魚撈起放于水桶中稱質量，通過計算總質量和水桶（含水）質量差，得出羅非魚總質量，再通過總質量計算平均每尾羅非魚體質量。

2）生菜基本參數(shù)及稱量方法

試驗用生菜品種為大速生菜，菜苗來自深圳市農(nóng)科集團，整個試驗過程中共計栽培生菜4批，栽培方式均采用水培方法，其中，第1、第2批次均栽培生菜20株，初始株質量分別為1.7和2.1 g/株；第3、第4批次均栽培生菜40株，初始株質量分別為1.8和2.2 g/株。每批生菜平均株高達到25 cm左右時進行采摘，收獲后清洗菜根晾干水分，稱量每批次所有生菜總質量，并根據(jù)總質量計算平均株質量。

3）微量元素參數(shù)及補給方式

生菜生長所需補充的微量元素類別及所用濃度參照Hoagland's營養(yǎng)液配方[25]，每次按照每株蔬菜補給10 mL微量元素的量進行補給。

4）濾料基本參數(shù)

試驗第一和二階段，BAF單元內(nèi)分別采用重質陶粒和輕質聚苯乙烯濾料，濾料各項基本參數(shù)如表1所示。

表1 濾料參數(shù)

1.3 試驗方法

試驗分為2個階段，第一階段，RAS系統(tǒng)采用簡易BAF凈化工藝，主要包括養(yǎng)殖池、細格柵、一級好氧BAF（BAF I）；第二階段，RAS系統(tǒng)采用BAF耦合工藝，主要包括養(yǎng)殖池，細格柵，一級好氧BAF（BAF I），蔬菜栽培單元，二級BAF（BAF II），以及熱交換單元。RAS系統(tǒng)內(nèi)水質循環(huán)再生的工作原理為，一部分養(yǎng)殖廢水在1#蠕動泵的控制下由養(yǎng)殖池底部流出，首先進入細格柵，經(jīng)過細格柵過濾后，作為60.0 %的水源進入BAF I；另一部分養(yǎng)殖廢水在2#蠕動泵控制下由養(yǎng)殖池上部流出，作為40.0 %水源進入BAF I；廢水經(jīng)過BAF I后，懸浮物和有機物得到大量去除，氨氮轉化為硝酸鹽；在第一階段，BAF I出水將直接回流至養(yǎng)殖池；而第二階段，通過3#和4#蠕動泵的控制，系統(tǒng)BAF I出水40.0 %將經(jīng)過蔬菜栽培單元后，與另外60.0 %的出水繼續(xù)進入BAF II；蔬菜生長吸收廢水中硝酸鹽和磷酸鹽，進入BAF II的廢水，通過低濃度臭氧曝氣，礦化難降解有機物，并進一步去除細小懸浮物；BAF II出水進入熱交換單元后回到養(yǎng)殖池。

系統(tǒng)運行期間，養(yǎng)殖池內(nèi)DO濃度保持在5.0～6.0 mg/L；pH值控制在6.0～7.0之間；溫度控制在25.0～30.0 ℃。BAF濾池每3～4 d反沖洗1次，每次沖洗以氣沖、氣水沖和水沖相結合，沖洗時間10 min。羅非魚養(yǎng)殖過程每天投喂2次，分別為8點和16點，每10 d稱量一次體質量，日投喂量按照每個周期內(nèi)羅非魚總體質量的1 %計算，投喂飼料為以粗蛋白為主要成分的懸浮型混合顆粒飼料[5]。生菜栽培共分為4批，每批的栽培周期為40 d，每10 d補給1次微量元素，并匹配人工紅藍燈光源[26]。第1、2批栽培數(shù)量均為20株；第3、4批栽培數(shù)量均為40株。

1.4 水質檢測

水質分析方法均參照國家環(huán)?？偩志帉懙摹端c廢水分析檢測方法》（第四版）進行。TOC采用TOC儀測量；NH4+-N含量采用納氏試劑光度法測量；NO2--N含量采用N-（1-萘基）-乙二銨光度法測量；NO3--N含量采用納氏試劑分光光度法測量；PO43--P含量采用鉬銻抗分光光度法[27]。

2 結果與分析

整個試驗共持續(xù)200 d，期間分為兩個階段：第一階段（1～60 d）僅采用細格柵+好氧BAF單元（陶粒）+紫外消毒工藝單元進行，通過前期運行60 d后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行期間存在如下問題：1）出水細小懸浮物（total suspended solid，TSS）含量較高，TOC和氨氮含量持續(xù)累積；2）缺少脫氮除磷單元，導致硝酸鹽和磷酸鹽大量累積；3）帶有色官能團TOC難以生物降解，TOC不斷累積。針對上述問題，在第二階段（61～200 d）進行工藝調(diào)整，將1）BAF由重質陶粒填料更換為輕質聚苯乙烯濾料；2）增加蔬菜栽培單元，控制硝酸鹽和磷酸鹽；3）增加以臭氧曝氣的BAF II，控制出水TSS含量及礦化難降解TOC，并取代紫外消毒單元。

2.1 TOC去除效果

不同BAF凈化工藝運行階段，系統(tǒng)對TOC的去除效果如圖2所示。

圖2 養(yǎng)殖周期內(nèi)系統(tǒng)中TOC變化情況

由圖2可以看出，第一階段，BAF對循環(huán)系統(tǒng)中TOC的控制效果較差，60 d運行時間內(nèi)，隨著運行時間的延長，TOC逐步增加，最高累計濃度達到60.3 mg/L。導致這一現(xiàn)象的原因有2方面：一是由于養(yǎng)殖池內(nèi)產(chǎn)生的懸浮物粒徑較小，粒徑＜1.0m[28]，而第一階段BAF內(nèi)所采用的陶粒濾料孔隙率較大，且氣流沖刷作用明顯，導致TSS去除效果差，從而使TOC逐步累積[23]；二是魚類排泄物中存在難以生物降解的有機物，傳統(tǒng)的好氧生物單元難以去除，隨著養(yǎng)殖時間延長，此部分有機物逐步累積[29]。為避免有機物大量累積，抑制魚類生長，第二階段進行工藝調(diào)整，即1）更換濾料；2）增加BAF II，并改用低濃度臭氧曝氣[18,21]。

系統(tǒng)運行的第二階段（60 d后），由于魚類生長排泄物及餌料殘留物增加，理論上系統(tǒng)TOC濃度將顯著增加，但BAF工藝改良后，系統(tǒng)內(nèi)TOC濃度逐步下降并趨于穩(wěn)定。在61～80 d，TOC濃度由59.4 mg/L迅速降低至31.7 mg/L，80 d后TOC小幅降低，并在100 d后持續(xù)穩(wěn)定在11.2 mg/L左右。上述結果說明，改良后的BAF工藝，新增的臭氧BAF II和改良的懸浮聚苯乙烯濾料對顆粒物和難降解有機物具有極好的截留和控制效果。

2.2 NH4+-N及NOx-N去除效果

不同BAF凈化工藝運行階段，系統(tǒng)對氨氮的去除效果如圖3所示。

由圖3可以看出，第一階段初期（1～30 d）系統(tǒng)對氨氮的控制效果較好，循環(huán)水氨氮穩(wěn)定在1.0 mg/L內(nèi)，但系統(tǒng)運行至40 d后，氨氮濃度顯著增加，60 d時累積高達2.9 mg/L，嚴重影響魚類生長[5,11-13]。氨氮顯著累積的原因主要有2方面：一是隨著魚類生長，排泄物和餌料量增加，導致氨氮來源大幅增加[5,29]；二是由于系統(tǒng)內(nèi)TOC大量累積，導致BAF濾池內(nèi)異養(yǎng)菌抑制硝化菌生長，硝化能力有限[11,12,29]。為控制氨氮累積，系統(tǒng)運行的第二階段，對BAF凈化工藝進行改良。

圖3 養(yǎng)殖周期內(nèi)系統(tǒng)中NH4+-N變化情況

第二階段運行初期（61～80 d），氨氮濃度由2.9 mg/L顯著降低至1.2 mg/L；中后期（80～200 d），系統(tǒng)循環(huán)水中的氨氮濃度持續(xù)穩(wěn)定在1.5 mg/L以下，滿足魚類生長需求[11,23]。氨氮較好的控制效果，一是由于改良的BAF I和BAF II對懸浮物有極好的截留作用，使以固態(tài)存在于排泄物和餌料中的氨類污染物及時固液分離，控制水體中氨氮來源[13,20]；二是由于第二階段TOC濃度持續(xù)控制在10.0 mg/L以內(nèi)，硝化菌得以有效生長，提高了BAF柱內(nèi)的硝化效率[13,17,20]；三是第二階段增加生菜水培種植單元，通過生菜根系對氨態(tài)氮的吸收作用，輔助控制氨氮累積[24,25]。上述結果說明，改良后的BAF凈化工藝可穩(wěn)定控制密閉循環(huán)養(yǎng)殖水系統(tǒng)中的氨氮，以保障循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)的長效運行。

不同BAF凈化工藝運行階段，系統(tǒng)對NOx--N的去除效果如圖4所示。

圖4 養(yǎng)殖周期內(nèi)系統(tǒng)中NOx--N變化情況

由圖4可以看出，在整個運行周期內(nèi)，系統(tǒng)對NO2--N均有良好的控制效果，無論在第一階段還是第二工藝階段，NO2--N濃度持續(xù)穩(wěn)定在0.2 mg/L以下，這說明BAF工藝通過極好的溶解氧傳質效果，可有效控制系統(tǒng)內(nèi)的NO2--N濃度[20,21]。但就NO3--N而言，在系統(tǒng)運行第一階段，NO3--N逐步累積，運行至60 d時，累積濃度達到114.2 mg/L。盡管有研究表明，即使在400～500.0 mg/L硝酸鹽環(huán)境下，魚類仍可生長[12]。但硝酸鹽的大量累積將導致水體富營養(yǎng)化，大量降低水體DO濃度，從而抑制魚類生長，因此需控制硝酸鹽累積[7,8,13]。在CELSS內(nèi)，如直接通過反硝化單元，將循環(huán)水中的NO3--N轉換為N2，將增加N元素的物質迭代周期，不利于N的循環(huán)利用。因此，在第二階段通過增加蔬菜栽培單元，利用蔬菜生長對NO3--N的吸收改善其累積狀況。

從第二階段系統(tǒng)的運行效果可知，耦合蔬菜栽培單元的BAF凈化工藝對循環(huán)水中NO3--N具有較好的控制效果。在種植第一批生菜期間（61～100 d），NO3--N濃度由114.2 mg/L顯著降低至86.9 mg/L；在第二批生菜期間（100～140 d），NO3--N濃度略有降低，且穩(wěn)定在80.0～85.0 mg/L之間。此后，種植第三批（140～180 d）和第四批（180～200 d）蔬菜期間，盡管理論上因排泄物和餌料殘渣增加，NO3--N累積濃度應增加，但NO3--N濃度卻由82.6 mg/L顯著降低至54.7 mg/L，并在180 d后穩(wěn)定在60.0 mg/L左右。NO3--N控制效果顯著的主要原因在于，在NH4+-N，NO3--N和NO2--N同時存在的情況下，蔬菜根系優(yōu)先吸收硝態(tài)氮，其次是氨態(tài)氮[11,12,30]，本階段生菜種植面積增加1倍，通過耦合蔬菜栽培單元可顯著控制循環(huán)水中硝酸鹽累積，且隨著栽培面積增加，控制效果提高。

2.3 磷酸鹽去除效果

不同BAF凈化工藝運行階段，系統(tǒng)對磷酸鹽的去除效果如圖5所示。

圖5 養(yǎng)殖周期內(nèi)系統(tǒng)PO43--P變化情況

由圖5可知，在第一階段（1～60 d）運行過程中，因簡易BAF凈化工藝單元沒有生物或化學除磷單元，使系統(tǒng)內(nèi)磷酸鹽呈逐步增加趨勢，并在60 d時達到最大值43.1 mg/L。盡管磷酸鹽不是循環(huán)水養(yǎng)殖的主要控制參數(shù)，但磷酸鹽的大量累積同樣會導致水體富營養(yǎng)化，使魚類無法正常生長[31]?？刂屏姿猁}的方法一般包括：一是通過生物單元的吸磷和釋磷作用；二是通過BAF前置或后置耦合的化學除磷單元；三是通過植物生長吸收磷酸鹽。因CELSS系統(tǒng)對處理效率和二次污染都具有較高要求，前2種方法均不可行，故在第二階段通過增加蔬菜栽培單元，利用蔬菜生長對磷酸鹽的吸收改善其累積狀況[32]。

從第二階段的運行效果可知，在種植第一批蔬菜期間（60～100 d），系統(tǒng)磷酸鹽濃度由43.1 mg/L顯著降低至22.6 mg/L；并在第二批蔬菜栽培期間（100～140 d）期間，磷酸鹽濃度穩(wěn)定在15.0～20.0 mg/L范圍內(nèi)。后期因磷酸鹽排放量增加，在第三批（140～180 d）和第四批（180～200 d）將蔬菜栽培面積增加一倍，磷酸鹽濃度持續(xù)下降，由24.7 mg/L顯著降低至10.2 mg/L，并在第四批蔬菜種植期間，穩(wěn)定在10.0～15.0 mg/L。上述結果說明，耦合蔬菜栽培單元可有效抑制磷酸鹽累積，且隨著栽培面積增加，控制效果增強。

2.4 蔬菜及魚類生長狀況

系統(tǒng)運行期間，生菜生長狀況如表2所示。

表2 生菜生長情況

由表2可知，BAF耦合工藝系統(tǒng)內(nèi)利用循環(huán)養(yǎng)殖廢水栽培的生菜，具有較好的生長效果，整個試驗期間生菜總收獲質量達23 420 g，第1～4批生菜總質量分別達到4 348、4 232、8 164和6 676 g，各批次平均收獲株質量達到195.17 g/株。此外，第1～3批生菜，在收獲期的平均株質量均達到了209.30 g/株；第4批生菜，因生長周期較短，平均株質量略低，但也達到166.90 g/株。基于不同批次生菜的生長狀況，并結合第二階段系統(tǒng)對硝酸鹽、磷酸鹽的控制效果可知，耦合的蔬菜栽培單元不僅可以通過蔬菜生長對N、P元素的吸收，較好的控制系統(tǒng)內(nèi)的磷酸鹽和硝酸鹽，防止水體富營養(yǎng)化；同時還將水體中的污染物變廢為寶，完成資源回用，將魚類生長于蔬菜栽培有機結合，為CELSS系統(tǒng)的物質循環(huán)提供了新方向。

系統(tǒng)運行期間，羅非魚生長狀況如表3所示。

表3 羅非魚生長狀況

由表3可知，系統(tǒng)運行第一階段（1～60d）魚類持續(xù)死亡5尾，死亡率達到8.33%；且生長速度較為緩慢，平均體質量增長率為0.64 g/d。導致該現(xiàn)象的原因主要包括：一是魚苗初期生長速度較慢且對水環(huán)境適應能力較差；二是第一階段系統(tǒng)內(nèi)水環(huán)境較差，氨氮含量最高達到2.9 mg/L，不利于魚類存活。BAF凈化工藝改良后，系統(tǒng)運行第二階段，因水質控制效果良好，羅非魚養(yǎng)殖數(shù)量保持在55尾，死亡率為0；且生長速度也穩(wěn)步提高，在200 d左右時，平均體質量達到228.7 g/尾，最大養(yǎng)殖密度達到41.9 kg/m3。上述結果說明，魚類生長與水質環(huán)境緊密相關，改良后的BAF耦合蔬菜栽培凈化工藝可為密閉循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)提供可靠的養(yǎng)殖水環(huán)境。

3 結 論

通過考察BAF耦合工藝對密閉循環(huán)養(yǎng)殖水系統(tǒng)中有機物、氮和磷類污染物的去除效果，以及系統(tǒng)內(nèi)魚類和蔬菜的生長情況，得到以下結論：

1）耦合凈化工藝對有機物去除效果顯著，可使循環(huán)水中TOC濃度由第一階段的60.3 mg/L持續(xù)降低至11.2 mg/L，并在后續(xù)120 d的運行時間內(nèi)，穩(wěn)定在10.0 mg/L左右；

2）耦合凈化工藝對低濃度NH4+-N有極好控制效果，可使循環(huán)水中NH4+-N濃度由第一階段的2.9 mg/L迅速降低至1.2 mg/L，并在后續(xù)120 d內(nèi)，穩(wěn)定在1.5 mg/L以下；

3）蔬菜栽培單元對NO3--N和PO43--P均有較好吸收，使NO3--N由第一階段的114.2 mg/L持續(xù)降低并穩(wěn)定在50.0～60.0 mg/L范圍內(nèi)，使PO43--P由第一階段的43.1 mg/L持續(xù)降低并穩(wěn)定在10.0～15.0 mg/L范圍內(nèi)；

4）密閉循環(huán)養(yǎng)殖水系統(tǒng)中魚類及蔬菜生長狀態(tài)良好，死亡率為0，羅非魚最大養(yǎng)殖密度達到41.9 kg/m3，平均體質量達228.7 g/尾；并同步收獲4批次蔬菜，總質量達23 420 g，平均收獲株質量達到195.17 g/株。

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Analysis on purification effect of closed circulating aquaculture water by planting and aquaculture combined with BAF process

Li Ting1,2, Li Jialian1, Ai Weidang1,3※, Zhang Qian2, Xing Dingyu2, Cao Tengfei1

(1.,518117,; 2.,,518055,; 3.,, 100094,)

For achieving the requirement of fish production and water sustained regeneration in controlled ecological life support system, a pilot-scale modified biological aerated filter (BAF) coupled with vegetable cultivation system was constructed as a purification plant for the closed recirculating aquaculture system (RAS). The performance of the modified purification process on RAS was investigated, and its principle was also discussed in this research. At initial stage, 300 L municipal water as well as 60were inset in the freshwater pond of RAS. In the followed experimental 200 days, the variation of water quality and fish growth was tracked and investigated, and then the navigability of purification process for RAS was analyzed and discussed. The experimental results showed that in the first research period (1-60 days), the single BAF process showed poor performance on the pollutant removal, and there were a mount of TOC, N and P accumulation after 60 days raising period. For resolving this problem, a modified BAF process coupled with vegetable cultivation system was constructed and carried out in the following 140 days. The followed experimental results exhibited that the modified BAF process coupled with vegetable cultivation showed significant good performance on the pollutant control, where the concentration of TOC and NH4+-N decreased form 60.3 and 2.9 mg/L to 11.2 and 1.2 mg/L, respectively, and the concentration of NO3--N and PO43--P obviously decreased form 114.2 and 43.1 mg/L to around 54.7 and 15.6 mg/L, respectively. Besides, the concentration of NO2--N remained below 0.1 mg/L. Modified purification process could provide health-safety environment for thegrowth and vegetable cultivation in closed RAS, more than 95% water was regenerated, and the maximum aquiculture density was 41.3 kg/m3and without fish death. At the same time, four batches of vegetables were harvested. The total weight of vegetables was 23 420 g, and the individual weight was 195.17 g, respectively. The results showed that the modified BAF process coupled with vegetable cultivation could ensure the sustainable and stable operation of RAS and provide technical reference for fish culture in the controlled ecological life security system.

water quality; purification; aquaculture; vegetable cultivation; biological aerated filter（BAF）

2019-03-11

2019-04-11

深圳市龍崗區(qū)區(qū)級重點實驗室認定扶持項目（ZSYS2017001）；國家人因工程重點實驗室項目（SYFD170051808K）

李 婷，博士，助理研究員，主要從事污水處理及深度凈化研究，Email：litinghit@foxmail.com

艾為黨，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)資源回用及再生研究，Email：aiwd@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.026

S964.9；S959

A

1002-6819(2019)-12-0217-07

李 婷，李家練，艾為黨，張 岍，邢丁予，曹騰飛. 種養(yǎng)結合BAF工藝對密閉循環(huán)養(yǎng)殖水凈化效果分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(12)：217－223. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.026 http://www.tcsae.org

Li Ting, Li Jialian, Ai Weidang, Zhang Qian, Xing Dingyu, Cao Tengfei. Analysis on purification effect of closed circulating aquaculturewater by planting and aquaculture combined with BAF process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 217－223. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.026 http://www.tcsae.org