玉米芯強化生物反應器對羅非魚

循環養殖廢水脫氮效果研究

邵 留1，2，3 ，蘭燕月 1 ，姬芬1 ，張昊1 ，嚴銘1 ，張飲江 1，2

摘 要: 研究了以玉米芯同時作為反硝化碳源和生物膜載體的人工強化生物反應器對羅非魚(Oreochromisspp． )循環養殖廢水的脫氮效果，并對新型反應器脫氮微生物多樣性進行了分析。結果表明，實驗室條件下，人工強化掛膜方式可明顯縮短裝置的啟動時間，新型脫氮裝置具有良好的脫氮效果，氨氮可從(8． 00 ±2． 22)mg·L－1 降至 3． 50 mg·L －1 ，硝酸鹽可從(31． 50 ± 1． 57)mg·L －1 降至 0． 5 mg·L －1 ，較好地實現了高溶氧養殖廢水的同步硝化反硝化作用，總氮去除率達 85%以上。微生物群落結構分析表明，人工富集培養的硝化菌和反硝化菌均較為成功，隨著裝置運行時間的延長，玉米芯表面生物膜菌群也隨之發生變化，參與脫氮的硝化細菌菌屬主要由亞硝酸螺菌屬 (Nitrosospira)、亞硝酸單胞菌屬 (Nitrosomonas)、亞硝酸球菌屬(Nitrosococcus)3 個屬組成;豐度較大的反硝化菌屬為產堿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬(Paracoccus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)和脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans)。

關鍵詞: 農業廢棄物; 碳源; 同步硝化反硝化; 生物膜載體; 循環養殖系統

循 環 養 殖 系 統 ( Ｒecirculating aquaculturesystems，ＲAS)與傳統養殖模式相比，具有集約化、高產率、節水、節地等優點，是水產養殖行業發展必然趨勢。但是其集約化養殖模式導致投餌增加，殘餌增多，加之魚體生理代謝產生大量氮磷等營養物質，加速水質惡化。大多循環養殖系統中，主要采用生物過濾器的硝化作用將毒性較強的氨氮和亞硝酸鹽轉化為毒性較弱的硝酸鹽，來保證魚類的安全與有效生長，卻忽略了硝酸鹽大量積累對養殖對象的影響。DAVID 等研究表明硝酸鹽濃度的累積明顯抑制蝦類存活率，引發胰腺病變，降低產量;另外，高濃度的硝酸鹽條件下，水生動物組織發育減緩、激素分泌功能下降，生理機能變弱甚至死亡。相關研究表明循環養殖系統中硝酸鹽安全濃度為 50 mg·L－1 以下，但目前循環養殖系統應用反硝化作用來降低硝酸鹽濃度技術尚不成熟 ［8］ ，一般多采用換水來保證系統中硝酸鹽濃度不超標，并不能從根本上解決硝酸鹽積累問題。本研究設計了一種可有效降低養殖廢水中氮濃度的新型脫氮技術工藝，主要針對養殖水體C/N 比偏低，溶氧偏高等特點，采用研究較少的農業廢棄物———玉米芯作為反硝化碳源和生物膜載體，通過人工強化掛膜方式建立同步硝化反硝 化 脫 氮 系 統 ( Simultaneous nitrification anddenitrification，SND)，該系統對節約水資源，減少養殖活動對環境污染，以及發展可持續的生態漁業都具有重要意義與學術價值。本研究試圖在實驗室條件下通過檢測進出水的水質變化，探索新型工藝的脫氮效果，并對新型裝置的脫氮機理進行初步分析，以期為集約化工廠循環養殖系統水質改善提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1． 1 玉米芯脫氮強化反應器

新型反應器設計如圖 1 所示，柱狀反應器材質為有機玻璃，參數為 20 cm(D) × 47 cm(H，有效水深)，養殖廢水由儲水池經蠕動泵進入反應器，控制流速為(20 ± 0． 31)mL·min－1 ，裝置運行前將已人工強化掛膜的玉米芯(干重為 1 kg)投入柱狀反應器內。

1． 2 玉米芯表面掛膜流程

硝化菌富集培養:選取魚塘底泥作為接種物，加入自行配制的培養液后于 25 ℃ 恒溫培養20 d，控制 pH 在 7． 2 ～ 7． 5 之間，充氣使 DO 保持在 4 mg·L－1 以上;硝化菌培養液采用改良的Stephenson 培養液。

反硝化菌富集培養:實驗所用菌種污泥來源于上海市濱海污水處理廠，取回后的活性污泥用反硝化菌富集培養液(KNO 3 2． 0 g·L－1 ;K2 HPO 40． 5 g · L－1 ; MgSO4· 7H 2 O 0．2 g · L－1 ;C 4 H 4 KNaO 6 ·4H 2 O 20 g·L－1 )富集培養7 d。培養期間充氮氣排除水體溶解氧，維持厭氧環境。

微生物富集培養成功后，先將玉米芯投入反硝化菌液中充分浸泡 1 d，再將富集培養好的硝化菌用噴壺均勻噴灑在已浸泡過反硝化菌的玉米芯外層。

1． 3 實驗用水

根據前期監測羅非魚(Oreochromis spp． )ＲAS系統水質指標，取上海海洋大學校內湖水經 0． 45μm 膜過濾后，添加適量 KNO 3 、NH 4 Cl、KH 2 PO 4配置實驗污水，具體進水水質指標如表 1 所示。

1． 4 實驗分析方法及數據處理

裝置進出水水樣每 2 d 取一次，采用國標法測定相關指標。其中，TN:過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，NO－2-N:N-(1 － 萘基)-乙二胺光度法，NO－3-N:紫外分光光度法，NH+4-N:納氏試劑光度法;TOC:采用總有機碳分析儀測(TOC-V．CPH，島津)測定;水溫、DO、pH 采用多參數水質測量儀(YSI556MPS，美國維賽公司)測定。

實驗共選取 6 個不同時間點，采集菌液及玉米芯表面生物膜樣品，具體采樣時間見表 2。采集后的樣品經 DNA 提取及 PCＲ 擴增后送至上海美吉生物醫藥科技有限公司，采用高通量分子測序技術對微生物群落結構分析(表 3)。技術方法為:提取樣品總 DNA → PCＲ 擴增和產物純化→PCＲ 產物定量和均一化→ Miseq PE 文庫制備→Miseq 高通量測序→生物信息分析實驗所得數據均記錄為“算術平均值 ± 標準差”(Mean ± SD)，利用 SPSS 17． 0 軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2． 1 裝置對氮的去除效果

實驗期間裝置出水 NH+4-N、NO -3 -N、TN 濃度及去除率變化如圖 2(A，B，C)所示，經人工強化掛膜后，新型脫氮裝置啟動迅速，運行第 1 d 裝置氨氮、硝 酸 鹽 和 總 氮 的 去 除 率 分 別 達 到 了56． 50%、97． 63%和 86． 08%。實驗前期(1 ～ 35 d)，系統保持穩定運行狀態，該階段水溫一直穩定在 20 ℃以上，TN、NO -3 -N、NH+4-N 去除率均保持較高水平。由圖 2-A 可以看出，實驗前期裝置 NH+4-N 較高去除率為64． 64%，較低為 46． 38%，出水 NH+4-N 濃度平均為 3． 50 mg·L－1 ，裝置具備一定的硝化效果。出水 NO -3 -N 濃度及去除率變化如圖 2-B 所示，NO-3 -N 去除率高達 98． 80%，較低為 95． 25 %，出水濃度保持在 0． 89 mg·L－1 左右，這說明即使在高DO(平均 DO ＞ 4 mg·L－1 )條件下，裝置依舊獲得了良好的反硝化效果;裝置出水 TN 濃度及去除率變化如圖 2 － C 所示，出水 TN 平均濃度為7． 88 mg·L－1 ，TN 較高去除率為 86． 61 %，較低時為 76． 61 %;綜上所述，實驗前期新型裝置啟動迅速，且具有良好的同時硝化反硝化脫氮能力。實驗中期(37 ～ 43 d)，水溫降至 15 ℃左右，出水水質波動較為劇烈，裝置 TN、NO -3 -N 及NH+4-N 去除率均出現明顯下降。第 43 天，TN、NO -3 -N 及 NH+4-N 去除率均降至較低，分別僅為43． 12 %、49． 68 %和13． 35 %。第44 天，水溫回升后 NH+4-N、NO -3 -N、TN 去除率均出現不同程度上升，其中 NO -3 -N 和 TN 去除率較高分別回升至78．79 %和 63． 94 %。但去除率依然低于實驗前期，這可能是由于生物膜上微生物受溫度突降影響較大，微生物群落結構發生了顯著變化。后續的微生物分析結果驗證了這一猜想(圖 4)。

實驗后期(≥65 d)，NO -3 -N、TN 去除率出現逐步下降趨勢，系統 NH+4-N 去除率維持在(20 ～30)%之間。結合圖 3 可以看出，運行時間超過65 d 后，出水 TOC 濃度下降明顯，含量普遍低于20 mg·L－1 ，這說明碳源玉米芯中易被分解的有機物已消耗殆盡，導致反硝化碳源不足，從而使得裝置對總氮的去除率出現下降。

圖 3 水溫及出水 TOC 濃度

Fig． 3 Changes of water temperature and TOC

2． 2 生物膜微生物群落動態分析