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曝气比和NH4-N浓度影响生物滤池净化海水养殖外排水效果研究

李悦悦 赵倩 吴俊泽 祝佳玄 曲克明 崔正国

引用本文:
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曝气比和NH4-N浓度影响生物滤池净化海水养殖外排水效果研究

    作者简介: 李悦悦(1992-), 女, 山东临沂人, 硕士研究生, 研究方向为海水养殖外排水人工湿地循环利用技术, E-mail:oucliyueyue@163.com;
    通讯作者: 崔正国, cuizg@ysfri.ac.cn
  • 基金项目: 青岛市博士后研究人员应用研究项目 Q51201610
    中国水产科学研究院基本科研业务费专项 2016HY-ZD0401
    山东省重点研发计划 2016ZDJS06A07
    国家科技支撑计划课题 2011BAD13B04

  • 中图分类号: X703

Effects of aeration ratio and NH4-N concentration on capacity of biological filter in purifying mariculture drainage

    Corresponding author: Zheng-guo CUI, cuizg@ysfri.ac.cn
  • CLC number: X703

  • 摘要: 采用4组不同NH4-N浓度的曝气生物滤池,分析滤池在7个曝气比条件下对海水养殖外排水的净化效果。结果表明:生物滤池启动阶段,生物膜成熟期随NH4-N浓度的升高而缩短,高NH4-N浓度滤池的生物膜成熟期较其它三组滤池缩短了10 d左右。滤池启动成功后,在相同曝气比条件下,随NH4-N浓度的升高,4组滤池对出水NH4-N的平均去除率由81.1%降至73.3%;高NH4-N浓度滤池的出水NO2-N浓度与其它三组相比增加了10倍,最终达到2.6 mg/L。随着曝气比的逐步增大,4组滤池对出水NH4-N的平均去除率先升高后降低,在曝气比为10:1时平均去除率达到最大值(88.2%)。本研究表明,选取4 mg/L的NH4-N浓度,维持曝气比10:1是生物滤池运行的理想条件:生物滤池启动周期较短,出水NH4-N去除效果达到最佳且NO2-N浓度较低,从而实现对海水养殖外排水的最佳净化效果。
  • 图 1  曝气生物滤池装置[15]

    Figure 1.  Aerated biological filter device

    图 2  NH4-N浓度分别为1.0 mg/L、2.0 mg/L、4.0 mg/L和8.0 mg/L时滤池启动阶段微生物数量的变化

    Figure 2.  Microbial biomasses during the start-up stage of filter when NH4-N concentrations were 1.0 mg/L、2.0 mg/L、4.0 mg/L and 8.0 mg/L, respectively

    图 3  NH4-N浓度分别为1.0 mg/L、2.0 mg/L、4.0 mg/L和8.0 mg/L时滤池启动阶段各无机氮浓度占比变化情况(红色箭头指示生物滤池启动时间)

    Figure 3.  Concentration proportions of NO3-N, NO2-N and NH4-N during the start-up stage of filter when NH4-N concentrations were 1.0 mg/L、2.0 mg/L、4.0 mg/L and 8.0 mg/L, respectively (The red arrow indicates the biological filter start time)

    图 4  不同曝气比条件下各生物滤池72 h内对出水NH4-N的平均去除率

    Figure 4.  The average removal rates of effluent NH4-N under different gas-water ratios and different biological filters

    图 5  不同曝气比条件下各生物滤池出水NO2-N浓度的变化

    Figure 5.  The changes of effluent NO2-N concentrations under different gas-water ratios and different biological filters

    表 1  模拟海水养殖外排水的化学成分添加量

    Table 1.  Chemical composition of simulated marine water drainager

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    表 2  水质指标测定方法

    Table 2.  Determination of water quality indicators

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  • [1] 陈一波, 宋国宝, 赵文星, 等.中国海水养殖污染负荷估算[J].海洋环境科学, 2016, 35(1):1-6, 12.
    [2] LIU D Y, KEESING J K, HE P M, et al.The world's largest macroalgal bloom in the Yellow Sea, China:formation and implications[J].Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2013, 129:2-10. doi: 10.1016/j.ecss.2013.05.021
    [3] 李晓莉, 刘付永忠, 石太宏.曝气生物滤池应用于封闭循环海水养殖系统的试验研究[J].环境科技, 2009, 22(2):9-12. doi: 10.3969/j.issn.1674-4829.2009.02.003
    [4] 宋奔奔, 刘鹰.海水封闭循环水养殖系统中生物滤器填料的选择与应用[J].农业技术与装备, 2008(12):4-6. doi: 10.3969/j.issn.1673-887X.2008.12.002
    [5] 齐泽宁.核桃壳-陶粒填料曝气生物滤池处理氨氮废水的研究[D].西安: 陕西科技大学, 2016.
    [6] LI E, ZENG X Y, FAN Y H.Air-water ratio as a characteristic criterion for fine bubble diffused aeration systems[J].Chemical Engineering Journal, 2008, 137(2):214-224.
    [7] 刘鹰, 曲克明.封闭循环水养殖-新理念·新技术·新方法[M].北京:现代教育出版社, 2009:42.
    [8] 刘芳芳, 陈洪波, 李小明, 等.进水氨氮浓度对好氧/缺氧/延长闲置SBR脱氮除磷性能的影响[J].环境工程学报, 2015, 9(12):5775-5782. doi: 10.12030/j.cjee.20151221
    [9] 刘飞, 胡光安, 韩舞鹰.水力停留时间、水温与氨氮浓度对浸没式生物滤池氨氮去除速率的效应[J].淡水渔业, 2004, 34(1):3-5. doi: 10.3969/j.issn.1000-6907.2004.01.001
    [10] IM J, GIL K.Effects of the influent ammonium nitrogen concentration on nitrite accumulation in a biological nitritation process[J].Environmental Earth Sciences, 2015, 73(8):4399-4404. doi: 10.1007/s12665-014-3724-5
    [11] ZHU S M, CHEN S L.An experimental study on nitrification biofilm performances using a series reactor system[J].Aquacultural Engineering, 1999, 20(4):245-259. doi: 10.1016/S0144-8609(99)00019-9
    [12] 周童, 张刚, 邓海华.污染物负荷对曝气生物滤池处理效果的影响研究[J].环境污染与防治, 2009, 31(5):57-60, 64. doi: 10.3969/j.issn.1001-3865.2009.05.016
    [13] 曲春风.曝气生物滤池性能及动力学研究[D].合肥: 合肥工业大学, 2006.
    [14] 蔡云龙, 臧维玲, 姚庆祯, 等.四种滤料去除氨氮的效果[J].上海水产大学学报, 2005, 14(2):138-142.
    [15] 王威.海水循环水养殖系统中生物滤料的微生物挂膜与水处理效果研究[D].青岛: 中国海洋大学, 2012.
    [16] 徐洋, 高喜燕, 张延青, 等.竹环填料生物滤器在两种海水鱼养殖废水处理中的运行效果及微生物群落分析[J].海洋科学, 2010, 34(3):26-31.
    [17] 傅雪军, 马绍赛, 曲克明, 等.循环水养殖系统中自然微生物生物膜形成过程实验[J].海洋环境科学, 2010, 29(5):713-717. doi: 10.3969/j.issn.1007-6336.2010.05.022
    [18] MA Y J, DOMINGO-FÉLEZ C, PLÓSZ B G, et al.Intermittent aeration suppresses nitrite-oxidizing bacteria in membrane-aerated biofilms:a model-based explanation[J].Environmental Science & Technology, 2017, 51(11):6146-6155.
    [19] 罗国芝, 孙大川, 冯是良, 等.闭合循环水产养殖系统生产过程中生物过滤器功能的形成[J].水产学报, 2005, 29(4):574-577.
    [20] 宋奔奔.四种填料的生物滤器对模拟海水养殖废水处理效率比较研究[D].青岛: 中国科学院研究生院(海洋研究所), 2009.
    [21] 傅雪军, 马绍赛, 曲克明, 等.循环水养殖系统生物挂膜的消氨效果及影响因素分析[J].渔业科学进展, 2010, 31(1):95-99. doi: 10.3969/j.issn.1000-7075.2010.01.015
    [22] GUIMARÃES L B, MEZZARI M P, DAUDT G C, et al.Microbial pathways of nitrogen removal in aerobic granular sludge treating domestic wastewater[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2017, 92(7):1756-1765. doi: 10.1002/jctb.5176
    [23] 赵倩.水质调控对生物滤器生物膜培养的影响研究[D].青岛: 中国海洋大学, 2013.
    [24] WHEATON F W, HOCHHEIMER J N, KAISER G E, et al.Nitrification principles[M]//TIMMONS M B, LOSORDO T M.Aquaculture Water Reuse Systems: Engineering Design and Management.Amsterdam, Netherlands: Elsevier Science, 1994.
    [25] HANAKI K, WANTAWIN C, OHGAKI S.Nitrification at low levels of dissolved oxygen with and without organic loading in a suspended-growth reactor[J].Water Research, 1990, 24(3):297-302. doi: 10.1016/0043-1354(90)90004-P
    [26] HELLINGA C, SCHELLEN A A J C, MULDER J W, et al.The SHARON process:an innovative method for nitrogen removal from ammonium-rich waste water[J].Water Science and Technology, 1998, 37(9):135-142. doi: 10.2166/wst.1998.0350
  • [1] 冷晓飞张喜昌张卫许淑芬 . 繁茂膜海绵对海参养殖水体中病原菌净化作用. 海洋环境科学, 2015, 34(2): 166-170,189. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150202
    [2] 陈一波宋国宝赵文星陈景文 . 中国海水养殖污染负荷估算. 海洋环境科学, 2016, 35(1): 1-6,12. doi: 10.13634/j.cnki.mes20160101
    [3] 纪建悦王萍萍 . 我国海水养殖业碳汇能力测度及其影响因素分解研究. 海洋环境科学, 2015, 34(6): 871-878. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150612
    [4] 李壹曲凌云朱鹏飞田欣欣王琛 . 山东地区海水养殖区常见抗生素耐药菌及耐药基因分布特征. 海洋环境科学, 2016, 35(1): 55-62. doi: 10.13634/j.cnki.mes20160109
    [5] 邓旭梁彩柳尹志炜刘冰王鹏亭 . 海洋环境重金属污染生物修复研究进展. 海洋环境科学, 2015, 34(6): 954-960. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150625
    [6] 王聪聪颜天周名江 . 剧毒卡尔藻对海洋生物毒性及机制的初步研究. 海洋环境科学, 2015, 34(6): 801-805,818. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150601
    [7] 张锦峰高学鲁周凤霞李培苗庄文 . 海洋生物及生态系统对海洋酸化的响应. 海洋环境科学, 2015, 34(4): 630-640. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150428
    [8] 李明淦李燕张帆朱建航 . 固体表面改性用于防治生物污损研究进展. 海洋环境科学, 2015, 34(1): 156-160. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150127
    [9] 宋洪军张朝晖刘萍张学雷王宗灵 . 莱州湾海洋浮游和底栖生物多样性分析. 海洋环境科学, 2015, 34(6): 844-851. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150608
    [10] 丁蕾马毅 . 基于现场光谱的黄河口湿地芦苇生物量估算模型研究. 海洋环境科学, 2015, 34(5): 718-722,728. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150513
    [11] 何桐杨文丰谢健余汉生 . 大亚湾柱状沉积物中C、N、P的分布特征及其环境意义. 海洋环境科学, 2015, 34(4): 524-529. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150409
    [12] 郭建丽陈佳莹明红霞袁秀堂樊景凤 . 文蛤对环境中TN、TP的影响及其指示微生物活性指标的确定. 海洋环境科学, 2015, 34(6): 909-915. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150618
    [13] 李真苗晶晶潘鲁青 . 6种重金属的发光菌毒性效应及其海洋生物物种敏感度分析. 海洋环境科学, 2015, 34(2): 176-183. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150204
    [14] 刘修泽李轶平王爱勇于旭光王彬郭栋董婧 . 基于GIS和专家评估法的海洋生物资源损害评估数据标准化方法. 海洋环境科学, 2015, 34(1): 101-106. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150118
    [15] 李磊蒋玫沈新强王云龙吴庆元牛俊翔许高鹏 . 苯并[a]芘对脊尾白虾(Exopalaemon carinicauda)肝脏生物标志物指标的影响. 海洋环境科学, 2015, 34(4): 513-518. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150407
    [16] 李景喜高丽洁尹晓斐曹为郑立王江涛王小如 . 海藻中多肽(PC2~PC4)的测定及对Zn2+诱导响应. 海洋环境科学, 2015, 34(5): 754-758. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150519
    [17] 刘瑀李颖王晓琦王海霞韩俊松 . 原油分散液对小新月菱形藻C、N稳定同位素组成的影响. 海洋环境科学, 2015, 34(4): 503-507. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150405
    [18] 孙妮黄蔚霞于红兵 . 湛江港海区沉积物和海洋生物中重金属的富集特征分析与评价. 海洋环境科学, 2015, 34(5): 669-672. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150505
    [19] 李诗逸孙继鹏洪专陈发河 . Zn2+、Cd2+、Cu2+、Cr6+和Se4+对褶牡蛎急性毒性效应研究. 海洋环境科学, 2015, 34(6): 813-818. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150603
    [20] 刘瑀王海霞李晓琳李颖 . 赤潮过程中塔玛亚历山大藻(Alexandrium tamareme)C、N稳定同位素组成的变化规律. 海洋环境科学, 2015, 34(5): 783-787. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150524
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-07-24
  • 录用日期:  2017-10-13
  • 刊出日期:  2019-02-20

曝气比和NH4-N浓度影响生物滤池净化海水养殖外排水效果研究

    作者简介:李悦悦(1992-), 女, 山东临沂人, 硕士研究生, 研究方向为海水养殖外排水人工湿地循环利用技术, E-mail:oucliyueyue@163.com
    通讯作者: 崔正国, cuizg@ysfri.ac.cn
  • 1. 中国海洋大学 化学化工学院, 山东 青岛 266100
  • 2. 农业部海洋渔业可持续发展重点实验室, 海洋渔业科学与食物产出过程功能实验室, 中国水产科学研究院黄海水产研究所, 山东 青岛 266071
  • 3. 上海海洋大学 水产与生命学院, 上海 201306
  • 4. 南京农业大学 渔业学院, 江苏 无锡 214081
基金项目:  青岛市博士后研究人员应用研究项目 Q51201610中国水产科学研究院基本科研业务费专项 2016HY-ZD0401山东省重点研发计划 2016ZDJS06A07国家科技支撑计划课题 2011BAD13B04

摘要: 采用4组不同NH4-N浓度的曝气生物滤池,分析滤池在7个曝气比条件下对海水养殖外排水的净化效果。结果表明:生物滤池启动阶段,生物膜成熟期随NH4-N浓度的升高而缩短,高NH4-N浓度滤池的生物膜成熟期较其它三组滤池缩短了10 d左右。滤池启动成功后,在相同曝气比条件下,随NH4-N浓度的升高,4组滤池对出水NH4-N的平均去除率由81.1%降至73.3%;高NH4-N浓度滤池的出水NO2-N浓度与其它三组相比增加了10倍,最终达到2.6 mg/L。随着曝气比的逐步增大,4组滤池对出水NH4-N的平均去除率先升高后降低,在曝气比为10:1时平均去除率达到最大值(88.2%)。本研究表明,选取4 mg/L的NH4-N浓度,维持曝气比10:1是生物滤池运行的理想条件:生物滤池启动周期较短,出水NH4-N去除效果达到最佳且NO2-N浓度较低,从而实现对海水养殖外排水的最佳净化效果。

English Abstract

  • 随着我国海水养殖业迅猛发展,未被利用的饵料、动物代谢产物以及死亡个体等大量排放到养殖环境中;海水养殖的自身污染导致近海水体严重富营养化,而富营养化是我国赤潮、绿潮等爆发的主要原因之一,威胁着近海生态系统[1-2]。曝气生物滤池作为循环海水养殖系统的核心处理装置,以生物填料及附着生长的生物膜为介质净化海水养殖外排水,具有负荷变化适应性强、生态友好及运行维护方便等优点[3-4]

    生物滤池去除污染物的过程犹如“黑箱”,其影响因素多而复杂,如pH、温度、水力负荷、曝气比、底物浓度、碳氮比和CODMn[5]。其中,NH4-N浓度和曝气比(曝气量与进水量在单位时间内的体积比)作为主要因素,分别通过对生物膜结构和功能以及滤池的抗氨负荷能力产生调控作用,进而影响生物滤池净化养殖外排水的效果[6]

    研究发现,曝气生物滤池主要依靠富集于生物膜上的氨氧化细菌、硝化细菌对海水养殖外排水中的污染物进行去除[7]。NH4-N通过作用于生物膜上微生物的代谢机制净化污染物,在一定范围内,提高NH4-N浓度有助于促进微生物的新陈代谢,从而加快滤池内微生物对养殖水体中污染物的净化,而过高的NH4-N浓度则抑制系统中微生物的好氧代谢过程,不利于提高滤池的水质净化效果[8]。目前,NH4-N浓度和曝气比在城市和工业污水处理领域研究颇多,刘飞等[9]研究发现在浸没式生物滤池内,淡水养殖水体中污染物的去除效果随NH4-N浓度的升高而下降。Im等[10]研究表明污水处理厂处理城市污水过程中,NO2-N的转化速率受NH4-N浓度影响,合理控制NH4-N浓度能有效提高污水净化效果。

    在滤池运行阶段,合理的曝气比不仅有利于养殖水体中生物膜的更新,使其保持较高活性[11],而且还可以加快氧在膜内的传递速率,从而促进有益细菌的新陈代谢及污染物的去除[12]。但是,过高曝气比并不能使养殖水体中的溶氧浓度持续升高,反而加快动力消耗,导致运行成本增加[13-14]。因此,NH4-N浓度和曝气比的合理选定对提高滤池净化水质效果及进一步优化设计工艺具有深远的指导意义。

    本文通过建立4组不同NH4-N浓度的曝气生物滤池,以模拟海水养殖外排水为处理对象,探讨在滤池启动阶段,NH4-N浓度对滤池内生物膜上微生物组成及成熟期变化的影响;滤池启动成功后,进一步分析7个曝气比条件对稳定运行的4组滤池净化海水养殖外排水水质效果的差异,由此确定适宜培养生物膜上有益细菌的NH4-N浓度及滤池运行需要的理想曝气比。

    • 曝气生物滤池装置如图 1所示,滤器尺寸Φ1.4 dm × 6 dm,有效体积为20.4 dm3,蓄水桶有效容积为200 dm3。实验选定爆炸棉为滤池填料,其材质为聚乙烯(PVA),密度为40 g/dm3,高度为5.8 dm,填料清洗干净、浸泡消毒后使用。

      图  1  曝气生物滤池装置[15]

      Figure 1.  Aerated biological filter device

    • 实验共运行4组NH4-N浓度的生物滤池—A滤池(1.0 mg/L)、B滤池(2.0 mg/L)、C滤池(4.0 mg/L)、D滤池(8.0 mg/L),每组设置7个曝气比,分别为3: 1、4: 1、5: 1、6: 1、8: 1、10: 1、12: 1(在恒定的进水流量基础上,此实验通过调节滤池内气石改变曝气量来控制不同曝气比),系统运行条件:pH 7.4~8.0,盐度为28.0~29.5,DO大于6 mg/L,水量200 L,水温23~25℃,水力停留时间为22 min。采用鳌山卫近海的新鲜海水配制模拟海水养殖外排水,方法参照Zhu等[11],各生物滤池化学成分添加量见表 1

      表 1  模拟海水养殖外排水的化学成分添加量

      Table 1.  Chemical composition of simulated marine water drainager

      滤池启动阶段,分别在各组滤池内加入微生态净水剂(5 g),其富含硝化细菌、氨氧化细菌、芽孢杆菌及乳酸菌等益生菌,菌含量为104.0 CFU/g,以进行生物膜上有益细菌的培养。实验期间,取样时间为早上9:00~9:30,每隔10 d取样,分别在第19 d和第40 d进行换水,以加快生物膜成熟。在滤池启动成功后第72 h时,分别进行各组滤池水样的采集,以监测各水质参数。

    • 采用YSI多参数水质分析仪分别测定温度、盐度、pH和DO,按照《海洋监测规范》(GB17378.4-2007)测定其他水质指标,见表 2

      表 2  水质指标测定方法

      Table 2.  Determination of water quality indicators

    • 实验数据通过SPSS19.0软件进行单因素方差分析,P < 0.05即认为有显著性差异,P < 0.01即认为差异极显著,采用Origin8.5软件作图。

    • 微生物数量在滤池启动阶段(即生物膜成熟时期)变化情况如图 2所示。A、B、C、D 4组滤池生物膜上总异养细菌数量均随时间增加,最终在40 d左右时稳定在106.0 CFU/mL。各滤池氨氧化细菌数量变化趋势与异养细菌相同,A、B、C滤池氨氧化细菌数量达到相对稳定至少需要50 d,D滤池则需要40 d左右,最终维持在105.6~105.9 CFU/mL范围内。硝化细菌数量随NH4-N浓度的增大及氨氧化细菌的繁殖而增多,最后稳定在105.0~105.9 CFU/mL范围内。异养细菌是生物膜上三种细菌中最先达到稳定的,其次是氨氧化细菌,最后是硝化细菌,这可能是由于在生物膜形成初期,海水养殖外排水中已含有少量异养细菌,优先其他两种细菌附着在滤池填料上。氨氧化细菌繁殖速率随NH4-N浓度的升高而加快,且大于硝化细菌,因此氨氧化细菌达到相对稳定的时间相对于硝化细菌较短[16]

      图  2  NH4-N浓度分别为1.0 mg/L、2.0 mg/L、4.0 mg/L和8.0 mg/L时滤池启动阶段微生物数量的变化

      Figure 2.  Microbial biomasses during the start-up stage of filter when NH4-N concentrations were 1.0 mg/L、2.0 mg/L、4.0 mg/L and 8.0 mg/L, respectively

    • 出水无机氮浓度在滤池启动阶段变化情况如图 3所示。A、B、C、D 4组滤池均存在类似的变化趋势:滤池启动至第5 d,出水NH4-N浓度占无机氮比例较高,均超过80.0%,第9 d起,出水NH4-N浓度占比开始稳定下降,至第18 d均降至10.0%左右;出水NO2-N浓度占比起初较低,均不足2.0%,在滤池启动第9 d起有所升高,至第18 d均超过30.0%。这是由于在异养细菌和氨氧化细菌作用下,循环海水养殖系统中出水NH4-N与NO2-N间的转化。

      图  3  NH4-N浓度分别为1.0 mg/L、2.0 mg/L、4.0 mg/L和8.0 mg/L时滤池启动阶段各无机氮浓度占比变化情况(红色箭头指示生物滤池启动时间)

      Figure 3.  Concentration proportions of NO3-N, NO2-N and NH4-N during the start-up stage of filter when NH4-N concentrations were 1.0 mg/L、2.0 mg/L、4.0 mg/L and 8.0 mg/L, respectively (The red arrow indicates the biological filter start time)

      傅雪军等[17]研究表明当生物滤池中NO2-N浓度迅速下降时标志着滤池启动成功。滤池启动第20 d起,4组滤池中出水NO2-N浓度占比逐渐降低,达到迅速下降至不足10.0%(即滤池启动成功)的时间依次为第39、35、30和25 d。生物滤池启动时间随NH4-N浓度升高而缩短,高NH4-N浓度滤池(D滤池)较三组低NH4-N浓度滤池(A、B、C滤池)生物膜成熟期缩短了10 d左右。主要原因是滤池内NH4-N浓度不断升高,为硝化细菌的生长繁殖提供了适宜的营养环境,利于其充分发挥净化水质作用,有助于出水NO2-N被进一步氧化[18]。处理海水养殖外排水的生物滤池启动时间相对较长,至少需要25 d,与罗国芝等[19]报道一致,这说明与淡水相比,微生物的生长繁殖周期在海水养殖外排水的高盐度环境下较长[20]

    • 滤池启动成功后,在不同曝气比条件下,各滤池对出水NH4-N的平均去除率如图 4所示。4组滤池对出水NH4-N的平均去除率在同一曝气比条件下无显著性差异,各滤池对出水NH4-N的平均去除率在曝气比分别为3: 1、4: 1、5: 1、6: 1、8: 1、10: 1、12: 1时依次是58.5%、75.0%、77.8%、81.3%、85.1%、88.2%、84.7%。可见随曝气比增大,各生物滤池对出水NH4-N的平均去除率呈先升高后降低趋势,在曝气比为10: 1时平均去除率达到最大值(88.2%),在12: 1的曝气比有所下降。这可能是因为在一定程度上,增大曝气对水体的扰动利于生物膜的加速更新,提高生物膜活性[21]。不仅如此,曝气比的增大还有助于加快氧在养殖水体与生物膜间的传递速率,保证微生物将NH4-N在有氧条件下转化为NO2-N,进而提高污染物的净化效果[22],而过高曝气比可能导致养殖水体湍动程度过大造成生物膜脱落,不利于滤池充分发挥净化养殖外排水的作用[23]

      图  4  不同曝气比条件下各生物滤池72 h内对出水NH4-N的平均去除率

      Figure 4.  The average removal rates of effluent NH4-N under different gas-water ratios and different biological filters

      适合各生物滤池运行的曝气比条件为5: 1~12: 1,在此曝气比范围内,各滤池对出水NH4-N的平均去除率均超过80.0%。SPSS统计分析表明:曝气比为3: 1和4: 1时滤池对出水NH4-N的平均去除率均与曝气比为10: 1时存在显著性差异(P < 0.05),而其他曝气比梯度(5: 1、6: 1、8: 1、10: 1、12: 1)间无显著性差异。在本实验条件下,为保证滤池对海水养殖外排水的最佳净化效果且避免增加不必要能耗,维持曝气比在10: 1为生物滤池运行的理想条件。

      在7个曝气比条件下,4组滤池对出水NH4-N的平均去除率依次为81.1%、80.4%、79.7%、73.3%,可见各滤池对出水NH4-N的去除效果随NH4-N浓度的升高而降低。这是由于当NH4-N负荷增大时,膜上细菌没有充足时间对养殖外排水中的NH4-N和NO2-N进行降解[21],故生物滤池对污染物的净化效果也随之降低。

    • 滤池启动成功后,各生物滤池出水NO2-N浓度在不同曝气比条件下变化情况如图 5所示。在相同曝气比条件下,各滤池中出水NO2-N浓度随NH4-N浓度的升高而增加,与三组低NH4-N浓度滤池的出水NO2-N平均浓度相比,高NH4-N浓度滤池增加了10倍,最终达到2.6 mg/L。这是由于与生物膜上附着的硝化细菌相比,氨氧化细菌更易摄取溶氧利用,当NH4-N负荷升高时,硝化细菌的代谢活性受到一定限制,从而使滤池内在氨氧化细菌作用下产生的NO2-N不能及时去除[24]

      图  5  不同曝气比条件下各生物滤池出水NO2-N浓度的变化

      Figure 5.  The changes of effluent NO2-N concentrations under different gas-water ratios and different biological filters

      4组滤池在曝气比为3: 1时出水NO2-N浓度分别为4.8×10-2 mg/L、3.3×10-1 mg/L、1.1 mg/L、3.2 mg/L,均为最高值,这与Hanaki等[25]研究结果一致。A、B滤池中出水NO2-N浓度在不同曝气比条件下无显著性差异,而C、D滤池则不同,其中C滤池的出水NO2-N浓度随曝气比的升高呈现先升后降再升的趋势,在曝气比为10: 1时出水NO2-N浓度达到最低,为3.1×10-1 mg/L,与Hellinga等[26]研究结果一致。这说明当曝气比较低时,曝气量存在不足导致硝化作用不完全,从而导致NO2-N浓度明显升高。综合以上分析,考虑到滤池内过高的出水NO2-N浓度,影响对海水养殖外排水的净化效果,因此,选取4 mg/L的NH4-N浓度,维持曝气比在10: 1为曝气生物滤池运行的理想条件。

    • (1) 滤池启动成功后,4组滤池在相同曝气比条件下对出水NH4-N的平均去除率随NH4-N浓度的升高而下降,由81.1%降至73.3%;与三组低NH4-N浓度滤池出水NO2-N平均浓度相比,高NH4-N浓度滤池增加了10倍,最终达到2.6 mg/L。

      (2) 滤池启动成功后,滤池对出水NH4-N的平均去除率随曝气比的逐步增大呈先升后降趋势,在曝气比为10: 1时,出水NH4-N的平均去除率达到最大值(88.2%)。

      (3) 选取4 mg/L的NH4-N浓度,维持曝气比在10: 1为曝气生物滤池运行的理想条件,从而实现对海水养殖外排水的最佳净化效果。

参考文献 (26)

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