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  • 循環水養殖系統中生物掛膜的消氨效果及影響因素分析


    2023-05-12 13:53:49  釣魚人網作者:  來源:漁業科學進展  評論:0  發表評論

    近年來,我國的海水養殖業發展迅速,養殖產量已連續多年位居世界首位,養殖方式已由粗放半精養型慢慢向集約化、高密度和高產出養殖模式轉變,但高密度集約化養殖其水產動物的大量糞便、分泌物以及殘餌的累積,使養殖水體中的NHt-N和NO-N等含氮污染物的濃度增高,導致養殖動物易于發病甚至死亡,從而造成了水產養殖業的總產和單產下降及養殖成本增加,與此同時,養殖本身帶來的能源水資源大量消耗以及廢水排放帶來的問題等已成為限制水產養殖業可持續發展的重要原因之一。

    在工廠化循環水高密度集約化養殖系統中,保持水溫和各種理化指標的穩定,高效在線去除各種水溶性有害污染物質,特別是去除對養殖動物有強烈毒性的氨氮和亞硝氮,是最重要環節。養殖廢水的處理與循環利用是工廠化循環水養殖系統的最主要特點,通過高效的水處理單元保持養殖用水的循環利用,是維持生產正常進行的核心技術。其中,生物濾池對控制整個系統中的NHt-N和NO-N濃度起著關鍵作用。生物濾池對NHt-N和NOi-N的處理效果受諸多因素的影響,如濾料類型水溫水力停留時間底物濃度有機負荷溶氧pH堿度反沖洗時間、生物膜厚度和年齡等,其中溫度水力停留時間和進水氨氮濃度對生物濾池去除氨氮效率有很大的影響。

    本文重點探討了水溫進水氨氮濃度和水力停留時間(HRT)對掛膜成熟的生物濾池去除氨氮的影響,以期確定生物濾池運行的適宜條件,為工廠化循環水養殖系統中最優設計和生物濾池的正常運轉及維護管理提供實驗依據。

    材料與方法

    1.1實驗材料

    采用圓柱形的玻璃鋼水槽作為實驗生物濾池,其直徑為1.0m,高為1.0m,有效體積為600L。生物載體是利用聚乙烯及聚丙烯纖維絲條(直徑為0.5mm,比表面積為360m2/m3)加工成彈性刷狀生物載體,在水中呈均勻輻射狀伸展,具有一定的柔韌性和剛性,使氣水和凈化微生物之間充分接觸,使凈化微生物能均勻地附著在每一根纖維絲條上,從而獲得巨大的比表面積。

    1.2生物濾池掛膜

    利用微生態制劑(含有芽孢桿菌乳酸菌和酵母菌等有益菌,有效活菌含量>25億/g)輔助海水中的自然凈化微生物進行生物掛膜。實驗用水是利用水泵抽取舌養殖池中的水,其水質指標為:氨氨0.14~0.17mg/L,亞硝氮0.015~0.032mg/L,硝氮0.31~036mg/L,磷酸鹽0.046~0.058mg/L,CODMn5.28~5.36mg/L,pH7.96~822,鹽度30。在生物濾池啟動階段,為了保證凈化生物能快速的掛膜,添加營養物質:葡萄糖氯化銨亞硝酸鈉磷酸二氫鉀磷酸二氫鈉和硫酸錳,使氨氮為5mg/L,亞硝氮為0.08mg/L,pH為8.0±0.5,DO≥6mg/L,溫度為20~24℃.每隔1d測定1次濾池中氨氮和亞硝氮濃度的變化。

    1.3影響氨氮去除因素實驗設置

    實驗設置16、20、24、28和32℃5個不同溫度組,通過加熱棒加熱控制生物濾池水溫。生物濾池穩定2d后,設置進水氨氮濃度為1mg/L,通過調節蠕動泵流量使水力停留時間控制在36min,測定24、48、72、96和120h內濾池中氨氮濃度的變化。另外設置不同進水氨氮濃度組(0.250.501.0和2.0mg/L)和不同水力停留時間(18、36和54min)的雙因子實驗,測定氨氮去除率和氨氮特殊去除率。

    TANi~TAN:分別指進、出水總氨氮濃度(mg/L),為水體經過生物濾池的速度(L/h),A為懸掛在生物濾池中載體總表面積(m*)(Kuo-Fengetal.2004)。

    1.4數據處理及水質指標檢測方法

    數據處理采用Origin7.5軟件。水質指標的檢測依據《海洋監測規范》(GB12763.4-2007):氨氮采用次溴酸鹽氧化法,亞硝酸鹽采用萘乙二胺分光光度法,pH用復合電極法,溶氧采用RSS-5100型溶氧儀,溫度采用溫度計。

    結果與分析

    2.1凈化微生物掛膜階段氨氮和亞硝氮濃度變化

    生物膜培養過程中,隨著凈化微生物不斷的擴繁與生長,對氨氮的去除能力不斷增強,氨氮濃度發生顯著變化。在初始氨氮濃度為5mg/L時,經過2d的時間,凈化微生物將氨氮濃度降低到0.63mg/L,掛膜第2~20天氨氮濃度緩慢變化,降低到0.41mg/L,隨后氨氮濃度下降速度加快,第40天其濃度低于0.05mg/L,最終氨氮濃度穩定在0.025mg/L左右·亞硝氮濃度變化先經過快速升高然后緩慢下降過程,第12天后出現高峰值,然后在峰值上穩定7d左右,即亞硝氮的積累,這與邱立平等(2004)報道過高的氨氮濃度易于亞硝氮的積累現象相符,這說明亞硝化作用造成亞硝酸氮的積累大于硝化作用對亞硝酸氮的消耗,最終濃度穩定在0.025mg/L,表明硝化細菌群已建立成熟,硝化作用顯著。生物膜將氨氮氧化為亞硝氮最終氧化為石氮需要45d的時間(圖1),這與Harayama(1974)和Forste(1974)研究結果相符,最終生物濾池硝化功能建立成熟。

    2.2 氨氮去除影響因素實驗

    2.2.1 溫度對氨氮去除的影響

    溫度的變化對生物膜的增長及其活性生化反應速率以及水體中氧氣濃度有很大影響,當溫度低于一定值時,凈化微生物細胞膜呈凝膠狀態,營養物質的運輸受阻,細胞會因缺乏營養而停止生長;但是當溫度高于一定值時,細胞的某些組分,如蛋白質和核酸開始變性,細胞也就難以生長甚至導致死亡。一般而言,硝化細菌的繁殖速率較低,在低溫條件下繁殖速率更低,適合硝化細菌生長繁殖的溫度平均在25~35℃范圍內。

    從圖2可看出,相同的進水氨氮濃度(1mg/L),隨著水溫的升高和時間的延長,氨氮濃度下降速度加快,28℃水溫其氨氮濃度降低最快,經過生物膜120h的凈化處理,最終氨氮濃度為0.055mg/L,而16、20、24和32℃水溫其最終氨氮濃度分別為0.41、0.35、0.20和0.12mg/L,不同水溫之間氨氮濃度變化呈顯著性差異(P<0.05),生物膜在28℃水溫去除氨氮效果最顯著。這與大多數人認為硝化細菌在16~32℃范圍內對氨氮的去除效果最好相一致,該凈化微生物生長環境的最適溫度在28℃左右。

    2.2.2 不同進水氨氮濃度和不同水力停留時間對氨氮的去除效果

    氨氮濃度變化對其去除率及特殊去除率產生顯著影響。有研究表明,在海水浸沒式生物濾池中,當氨氮濃度>2mg/L和DO>5mg/L時,硝化反應僅受其自身反應速率的限制,本實驗設置進水氨氮濃度<2mg/L,生物濾池曝氣充分,DO保持在5mg/L以上,氨氮去除率及其特殊去除率如圖3和圖4所示。

    在一定的HRT條件下,隨著進水氨氮濃度的增大,其去除率和特殊去除率也不斷增大。同時在一定的進水氨氮濃度下,氨氮去除率隨著水力停留時間的延長而不斷增大,但其特殊去除率隨著HRT的延長而減小。進水氨氮濃度為2mg/LHRT為54min,其去除率最大,為69.49%,特殊去除率為53.38mgTAN/m’·day·而在相同的進水氨氮濃度,HRT為18min,其氨氮特殊去除率顯著高于HRT為54min時的特殊去除率,為127.19mgTAN/m’·day·表明進水氨氮濃度和HRT對其去除率和特殊去除率影響顯著(P<0.05),氨氮去除率最大時的HRT并不是特殊去除率最大時的HRT·在循環水養殖系統中,氨氨特殊去除率代表著生物膜的凈化能力。

    較短的HRT對氨氮特殊去除率較大,但水流速率過大情況下,對生物膜沖刷較大,影響生物膜的活性且能耗大.較長的HRT對氨氮去除率較大,但會使生物濾池中氨氮濃度處在一個不必要的低濃度狀態,影響生物膜的穩定性,這將從總體上影響硝化作用速率。有研究指出,水力停留時間對氨氮去除影響呈雙曲線關系,即存在一個使氨氮去除最大的水力停留時間(HRT),當水力停留時間小于HRT(最佳停留時間)時,氨氮去除效率受到氨氮濃度的擴散和接觸的限制,當水力停留時間大于HRT(最佳停留時間)時,氨氮去除率受到氨氨濃度降低過快的限制,使生物濾池氨氮濃度處在一個低濃度下,從而影響硝化反應的速率,即過長的水力停留時間可能使生物膜反應器在一段時間內“空轉”。因此,調節水力停留時間對生物濾池的正常運轉具有十分重要的意義。

    2.3生物膜運行條件分析

    養殖廢水屬于低濃度廢水,適宜的水力負荷不但會提高生物膜與底物接觸的幾率,使溶解氧和營養物質及時到達生物膜表面以及擴散傳遞到生物膜內,且可保持附著的具有降解活性的生物膜不被沖刷脫落。而生物膜濃度主要由廢水中的有機底物濃度決定,這個濃度又由水力負荷載體類型和微生物性質等控制。因此,循環水養殖系統中生物膜運行應主要考慮到水溫水力停留時間和進水氨氮濃度因素影響。

    本實驗在不同水溫進水氨氮濃度和水力停留時間影響因素條件下,測定了氨氮濃度變化及其去除率和特殊去除率.結果表明,隨著進水氨氮濃度和HRT的增加,氨氮去除率也不斷的增加,但在同一氨氨濃度下,HRT越長,其氨氮特殊去除率反而降低,即HRT越短,氨氮特殊去除率越高。但在越短的HRT條件下,系統循環量大,能耗高,且對濾池中的生物膜有很大的沖刷磨損作用,影響生物膜處理氨氫效果的穩定性,不利于循環水養殖系統的運行,隨著水溫的升高,進水氨氮濃度顯著降低,且28℃水溫氨氮濃度降低最快,但實際系統生產運行時不可能達到如此高的水溫,所以考慮一個適宜的水溫對生物膜運行很有必要.綜合考慮上述因素,根據所做的模擬循環水系統實驗,認為循環水養殖系統生物膜運行的HRT為36min,系統運行水溫在20℃以上時具有很好的氨氮去除效果。當然,生物膜運行條件的確定還需根據系統運行條件的具體情況來定。

    小結

    在實驗條件下,設置5個溫度,隨著溫度的升高,對氨氮的去除率不斷升高,表明溫度對生物膜去除氨氮產生顯著影響(P<0.05),得出了凈化微生物生長的最適溫度為28℃。一般在水溫>20℃時,可以滿足凈化微生物的生長要求,能較好的降低氨氮濃度。

    水力停留時間對氨氮的去除有顯著影響(P<0.05),總氨氮濃度一定情況下,水力停留對氨的去除影響呈雙曲線關系,即存在一個對氨氮去除率最大的HRT°。本實驗過程中,在不同進水氨氮濃度下,隨著水力停留時間的增大,氨氮去除率不斷增大,但氨氮特殊去除率卻降低,得出生物膜運行的適宜HRT為36min

    (原標題:循環水養殖系統中生物掛膜的消氨效果及影響因素分析)

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