王 行 江興龍 王澤旭 劉 勇

(集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院 鰻鱺現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)教育部工程研究中心 福建廈門(mén) 361021)

我國(guó)的水產(chǎn)品生產(chǎn)與消費(fèi)在世界居于首位(馮東岳等, 2017)。隨著我國(guó)養(yǎng)殖規(guī)模的日益擴(kuò)大, 大量的養(yǎng)殖尾水直接排放, 不僅浪費(fèi)了水資源, 而且污染了周邊水域生態(tài)環(huán)境, 引發(fā)水生生物病害, 降低了養(yǎng)殖效益。實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖尾水環(huán)保達(dá)標(biāo)排放和可循環(huán)利用, 成為行業(yè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的急需技術(shù)之一。我國(guó)鰻鱺養(yǎng)殖產(chǎn)量約占世界的70%, 主要的鰻鱺養(yǎng)殖模式為土池養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖, 工廠化水泥池精養(yǎng)殖以及循環(huán)水養(yǎng)殖模式(樊海平, 2006)。土池養(yǎng)殖模式具有低耗能、低成本等優(yōu)點(diǎn), 但是伴有較長(zhǎng)養(yǎng)殖周期、高發(fā)病率等缺點(diǎn), 一般混養(yǎng)濾食性魚(yú)類(lèi)以調(diào)節(jié)水質(zhì)和增加養(yǎng)殖效益(薛祥朝, 2009)。工廠化水泥池精養(yǎng)殖具有養(yǎng)殖密度高, 養(yǎng)殖技術(shù)規(guī)范等優(yōu)點(diǎn), 但是每天需要大量排水換水, 對(duì)水資源的依賴性極強(qiáng), 對(duì)環(huán)境影響大(郭少忠, 2009)。循環(huán)水養(yǎng)殖具有低碳綠色、病害少、占地面積小, 養(yǎng)殖效率高且安全可控等優(yōu)點(diǎn), 屬于資源節(jié)約環(huán)境友好型的養(yǎng)殖模式。移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)通過(guò)促進(jìn)微生物在填料上附著生長(zhǎng)形成大量生物膜, 當(dāng)尾水流經(jīng)生物膜表面時(shí)尾水中的污染物被生物膜中的微生物吸附、降解, 從而得到凈化(Rustenet al, 2006)。生物膜凈水柵是一種高效的生物膜載體, 可以為微生物提供大量的生態(tài)位, 形成大面積的生物膜, 養(yǎng)殖水中的污染物可以被生物膜上的微生物分解, 實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化(江興龍等, 2010, 2015;Jianget al, 2019)。本研究通過(guò)集成自主研發(fā)的生物膜凈水柵、三維電極生物膜反應(yīng)器和臭氧紫外線殺菌技術(shù)等, 創(chuàng)新構(gòu)建與研制了養(yǎng)殖尾水水處理系統(tǒng), 主要由一級(jí)三維電極生物膜反應(yīng)池單元, 二級(jí)生物膜反應(yīng)池單元和三級(jí)臭氧紫外線殺滅微生物單元等組成,通過(guò)應(yīng)用于工廠化鰻鱺規(guī)模養(yǎng)殖尾水處理, 研究實(shí)際尾水處理效果和水循環(huán)利用于養(yǎng)殖的效果。

1 材料與方法

1.1 材料

生物膜凈水柵; MBBR 懸浮填料; 直流開(kāi)關(guān)電源;鐵電極; 臭氧發(fā)生器; 紫外線滅菌燈; 美洲鰻鱺(Anguilla rostrata)。

1.2 方法

1.2.1 系統(tǒng)構(gòu)建 養(yǎng)殖尾水水處理系統(tǒng)見(jiàn)圖1, 主要由一級(jí)組合三維電極生物膜反應(yīng)池單元, 二級(jí)生物膜反應(yīng)池單元和三級(jí)臭氧紫外線殺滅微生物單元等組成。組合三維電極生物膜反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置鐵電極和生物填料, 由直流開(kāi)關(guān)電源向鐵電極提供一定電壓和電流的直流電, 電極電流密度控制在1～3 mA/cm2,池內(nèi)設(shè)置潛水?dāng)嚢铏C(jī)。生物膜反應(yīng)池內(nèi)懸掛生物膜凈水柵, 設(shè)置密度為池內(nèi)水體體積的30%。臭氧紫外線殺滅微生物池, 通過(guò)在池邊安置臭氧發(fā)生器, 向池內(nèi)輸送臭氧, 另外池內(nèi)設(shè)置紫外線滅菌燈。系統(tǒng)日進(jìn)排水流量平均為3 000 m3。

圖1 三維電極生物膜反應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a three-dimensional electrode biofilm reaction circulating water system

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)建設(shè)于福建省南平市延平區(qū)的養(yǎng)鰻場(chǎng)(美洲鰻鱺的養(yǎng)殖存量約300 t), 美洲鰻鱺養(yǎng)殖尾水排放匯總后進(jìn)入系統(tǒng), 經(jīng)組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池、生物膜反應(yīng)池、臭氧紫外線殺滅微生物池等三級(jí)處理后, 水循環(huán)回用于養(yǎng)鰻池。選擇常規(guī)工廠化美洲鰻鱺精養(yǎng)殖的3 口養(yǎng)殖池為對(duì)照組,選擇應(yīng)用本技術(shù)的3 口養(yǎng)殖池為處理組。試驗(yàn)期間,開(kāi)展水質(zhì)跟蹤監(jiān)測(cè)。每7 d 采集系統(tǒng)各處理單元出水口、養(yǎng)殖池的水樣, 檢測(cè)主要水質(zhì)因子, 每天現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)pH、水溫和溶解氧, 試驗(yàn)初始和結(jié)束時(shí)對(duì)對(duì)照組和處理組內(nèi)的鰻鱺養(yǎng)殖數(shù)據(jù)進(jìn)行全池稱重測(cè)定。使用有機(jī)玻璃采水器采集水面下30 cm 的水質(zhì)樣本, 混勻分裝入聚乙烯塑料瓶中。檢測(cè)方法根據(jù)《水和廢水檢測(cè)分析方法(第四版)》, 其中, 總磷(TP)使用鉬銻抗分光光度法, 總氮(TN)使用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法; 氨氮(TAN)使用納氏試劑分光光度法; 高錳酸鹽指數(shù)使用高錳酸鹽指數(shù)法(國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局等, 2002a)。跟蹤監(jiān)測(cè)周期自2022 年7 月1 日～11 月18 日, 共140 d。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用EXCEL 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與制圖, 結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示(M±SD), 應(yīng)用SPSS25.0 軟件進(jìn)行分析, 通過(guò)單因素方差分析(oneway ANOVA)法比較各組數(shù)據(jù), 若差異顯著(P<0.05)則運(yùn)用LSD 法進(jìn)行多重分析比較。主要公式如下:

式中,D表示水質(zhì)因子(例如: 總磷、高錳酸鉀指數(shù)、氨氮等)的降解率;C0表示水質(zhì)因子初始濃度;C1表示水質(zhì)因子終濃度。HRT (hydraulic residence time)表示水力停留時(shí)間;V表示系統(tǒng)處理單元的有效水體;Q表示進(jìn)水流量。Fr表示飼料系數(shù);Tf表示試驗(yàn)階段總攝食量;Wt、W0表示試驗(yàn)?zāi)┖驮囼?yàn)初始鰻鱺的總質(zhì)量;T表示特定生長(zhǎng)率;t表示試驗(yàn)天數(shù)(d);S表示存活率(%);b、a表示試驗(yàn)?zāi)┖驮囼?yàn)初始鰻鱺存活尾數(shù)(ind.)。

2 結(jié)果

2.1 水處理效果

系統(tǒng)各處理單元的水質(zhì)因子數(shù)據(jù)見(jiàn)表1, 系統(tǒng)HRT 為6.2 h, 其中, 組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池HRT 為4 h, 生物膜反應(yīng)池為1.5 h, 臭氧紫外線殺滅微生物池為0.7 h。從表1 可知, 系統(tǒng)進(jìn)水口(鰻鱺養(yǎng)殖池出水)、組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池出水口、系統(tǒng)出水口的總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、pH 和細(xì)菌總數(shù)等水質(zhì)因子均存在顯著差異(P<0.05), 隨著系統(tǒng)三維電極移動(dòng)床生物膜處理和臭氧紫外線殺滅微生物處理的進(jìn)行, 尾水中的主要污染物總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)以及細(xì)菌總數(shù)的濃度均有顯著下降, 臭氧紫外線殺滅微生物池的出水口(系統(tǒng)出水口)的總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)和pH 等均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)(國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局等, 2002b) Ⅲ類(lèi)水排放標(biāo)準(zhǔn)。表明, 鰻鱺養(yǎng)殖尾水經(jīng)本系統(tǒng)處理后的出水水質(zhì)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

表1 系統(tǒng)的水質(zhì)因子Tab.1 Water quality parameters of the system

2.1.1 系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果 試驗(yàn)期間三維電極生物膜反應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)各單元總磷濃度的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖2, 系統(tǒng)進(jìn)水口的養(yǎng)殖尾水的總磷濃度在2.88～4.534 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(3.707±0.827) mg/L;組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池出水口總磷濃度在0.359～0.971 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(0.665±0.306) mg/L, 在HRT 為4 h 的條件下, 對(duì)總磷的去除率為82.1%; 再經(jīng)生物膜反應(yīng)池(HRT 1.5 h)、臭氧紫外線殺滅微生物池(HRT 0.7 h)的處理, 系統(tǒng)出水口的出水水質(zhì)總磷濃度在0.120～0.160 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(0.140±0.020) mg/L, 對(duì)總磷的去除率為79%; 總體系統(tǒng)(HRT 6.2 h), 對(duì)總磷的去除率為96.2%。在系統(tǒng)進(jìn)水口、組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池、系統(tǒng)出水口, 水質(zhì)總磷濃度均顯著下降(P<0.05)。試驗(yàn)期間, 系統(tǒng)出水口的出水水質(zhì)總磷濃度均低于0.2 mg/L, 符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002) (國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局等, 2002b) Ⅲ類(lèi)排放水對(duì)總磷的要求。

圖2 系統(tǒng)中總磷濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of total phosphorus concentration in the system

2.1.2 系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果 試驗(yàn)期間三維電極生物膜反應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)各單元總氮濃度的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖3, 系統(tǒng)進(jìn)水口的養(yǎng)殖尾水的總氮濃度在4.186～5.626 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(4.892±0.734) mg/L; 組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池出水口總氮濃度在1.185～2.205 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(1.695±0.510) mg/L, 在HRT 為4 h 的條件下, 對(duì)總氮的去除率為 65.4%; 再經(jīng)生物膜反應(yīng)池(HRT 1.5 h)、臭氧紫外線殺滅微生物池(HRT 0.7h)的處理,系統(tǒng)出水口的出水水質(zhì)總氮濃度在0.557～0.785 mg/L之間波動(dòng), 平均濃度為(0.671±0.114) mg/L, 對(duì)總氮的去除率為60.4%; 總體系統(tǒng)(HRT 6.2 h)對(duì)總氮的去除率為86.3%。在系統(tǒng)進(jìn)水口、組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池、系統(tǒng)出水口, 水質(zhì)總氮濃度均顯著下降(P<0.05)。試驗(yàn)期間, 系統(tǒng)出水口的出水水質(zhì)總氮濃度均低于1.0 mg/L, 符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002) (國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局等, 2002b) Ⅲ類(lèi)排放水對(duì)總氮的要求。

圖3 三維電極生物膜反應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)中總氮濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic variation of total nitrogen concentration in a three-dimensional electrode biofilm reaction circulating water system

2.1.3 系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果 試驗(yàn)期間三維電極生物膜反應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)各單元氨氮濃度的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖4, 系統(tǒng)進(jìn)水口的養(yǎng)殖尾水氨氮濃度在1.751～2.929 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(2.340±0.589) mg/L;組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池出水口氨氮濃度在0.357～1.003 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(0.680±0.323) mg/L, 在HRT 為4 h 的條件下, 對(duì)氨氮的去除率為71%; 再經(jīng)生物膜反應(yīng)池(HRT 1.5 h)、臭氧紫外線殺滅微生物池(HRT 0.7 h)的處理, 系統(tǒng)出水口的出水水質(zhì)氨氮濃度在0.054～0.154 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(0.104±0.050) mg/L, 對(duì)氨氮的去除率為84.7%;總體系統(tǒng)(HRT 6.2 h)對(duì)氨氮的去除率為95.6%。在系統(tǒng)進(jìn)水口、組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池、系統(tǒng)出水口, 水質(zhì)氨氮濃度均顯著下降(P<0.05)。試驗(yàn)期間, 系統(tǒng)出水口的出水水質(zhì)氨氮濃度均低于0.2 mg/L,符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002) (國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局等, 2002b) Ⅲ類(lèi)排放水對(duì)氨氮的要求。

圖4 系統(tǒng)中氨氮濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic variation of ammonia nitrogen concentration in the system

2.1.4 對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除效果 試驗(yàn)期間,三維電極生物膜反應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)各處理單元水質(zhì)中高錳酸鹽指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖5, 系統(tǒng)進(jìn)水口的高錳酸鹽指數(shù)在4.77～5.55 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(5.16±0.39) mg/L; 組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池出水口高錳酸鹽指數(shù)在2.77～3.59 mg/L 之間波動(dòng),平均濃度為(3.18±0.41) mg/L; 再經(jīng)生物膜反應(yīng)池(HRT 1.5h)、臭氧紫外線殺滅微生物池(HRT 0.7h)的處理, 系統(tǒng)出水口高錳酸鹽指數(shù)在2.37～3.25 mg/L 之間波動(dòng), 平均濃度為(2.81±0.44) mg/L。在系統(tǒng)進(jìn)水口、組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池、系統(tǒng)出水口的出水口, 水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的濃度均顯著下降(P<0.05)。試驗(yàn)期間, 系統(tǒng)出水水質(zhì)中高錳酸鹽指數(shù)低于 3.5 mg/L, 符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002) (國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局等, 2002b) Ⅲ類(lèi)排放水對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的要求。

圖5 系統(tǒng)高錳酸鹽指數(shù)動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic variation of permanganate index in the system

2.1.5 pH 的動(dòng)態(tài)變化 試驗(yàn)期間, 三維電極生物膜反應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)各處理單元水質(zhì)pH 的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖6, 系統(tǒng)進(jìn)水口的pH 在6.41～7.05 之間波動(dòng),平均值為 6.73±0.32; 組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池出水口pH 在6.18～6.58 之間波動(dòng), 平均值為6.38±0.20; 系統(tǒng)出水口的pH 在6.04～6.40 之間波動(dòng),平均值為6.22±0.18。試驗(yàn)期間, 系統(tǒng)的pH 在6.0～7.5范圍內(nèi), 符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)(國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局等, 2002b) Ⅲ類(lèi)排放水對(duì)pH 的要求。

圖6 系統(tǒng)pH 動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic pH changes in the system

2.1.6 臭氧紫外線殺滅微生物池對(duì)細(xì)菌總數(shù)的去除效果 試驗(yàn)期間, 組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池出水口細(xì)菌總數(shù)濃度在 1.24×106～1.96×106CFU/mL 之間波動(dòng), 平均濃度為(1.6×106±0.36) CFU/mL;系統(tǒng)出水口的細(xì)菌總數(shù)濃度在7×102～1.5×103CFU/mL之間波動(dòng), 平均濃度為(1.1×103±0.40) CFU/mL。試驗(yàn)期間, 臭氧紫外線殺滅微生物池對(duì)尾水水質(zhì)中的細(xì)菌總數(shù)去除率達(dá)99.9%。

2.2 循環(huán)水養(yǎng)殖鰻鱺效果

由表2 可以看出, 利用系統(tǒng)的出水回用于循環(huán)水養(yǎng)殖鰻鱺, 處理組平均養(yǎng)殖單產(chǎn)55.5 kg/m3, 較對(duì)照組提高52.5%; 處理組的結(jié)束尾重、存活率、增重倍數(shù)和特定生長(zhǎng)率均分別高于對(duì)照組44.9%、5%、64.8%和37.5%, 飼料系數(shù)低于對(duì)照組15.7%, 由此可見(jiàn),處理組的養(yǎng)殖效果顯著優(yōu)于對(duì)照組。

表2 試驗(yàn)期間對(duì)照組與處理組的鰻鱺養(yǎng)殖結(jié)果Tab.2 The eel culture results in the control and the treatment during the trial

3 討論

3.1 尾水處理效果

3.1.1 系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果 在組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池中, 三維電極產(chǎn)生Fe2+、Fe3+以及它們的水解化合物, 可以對(duì)水體中的磷進(jìn)行絮凝和沉淀, 這個(gè)體系中同時(shí)存在著物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和微生物反硝化聚磷耦合的反應(yīng)來(lái)去除磷, 因此可以達(dá)到一個(gè)持續(xù)、穩(wěn)定及高效的除磷效果(張立東,2016)。生物膜可以過(guò)量吸收自身合成和代謝需求后的磷酸鹽并儲(chǔ)存在體內(nèi), 形成富磷污泥后再以剩余污泥的方式排除出反應(yīng)系統(tǒng)(趙丹等, 2004)。對(duì)新型三維電極生物膜工藝去除氮磷試驗(yàn)中, 在電流為300 mA、HRT 為6 h 的條件下, 對(duì)總磷的去除率為70%左右(馬生軍, 2016)。本研究中組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池, 在HRT 為4 h 的條件下, 對(duì)總磷的去除率為82.1%, 本研究對(duì)總磷的去除率更高, 認(rèn)為是三維電極、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和氣水比更合理, 提供了更優(yōu)的水動(dòng)力條件, 可更有效地絮凝和沉降水中的磷, 并通過(guò)對(duì)反應(yīng)池的定期底排污,及時(shí)將沉淀的磷酸鹽與老化脫落的生物膜等淤泥排除出系統(tǒng)外。

養(yǎng)殖尾水中游離的磷酸鹽可以被生物膜反應(yīng)池中的聚磷菌等微生物進(jìn)行吸收, 最后通過(guò)排污方式將系統(tǒng)中的磷排出(孫源等, 2007)。在研究富鐵填料/錳砂對(duì)厭氧反應(yīng)器的凈水效果中, 反應(yīng)器在富鐵填料和陶粒的投放體積比例為 1︰6、水力負(fù)荷為0.1 m3/(m2·h)的條件下, 對(duì)總磷的去除率為24.2% (吳大冰, 2020)。本研究中經(jīng)生物膜反應(yīng)池(HRT 1.5h)、臭氧紫外線殺滅微生物池(HRT 0.7 h)的處理, 對(duì)總磷的去除率為79%, 除磷效果更好, 原因主要是采用生物膜凈水柵, 并通過(guò)施用聚磷菌使其成為優(yōu)勢(shì)菌群,強(qiáng)化了對(duì)磷的過(guò)飽和吸收, 同時(shí)又有效攔截了上一級(jí)處理池水中所帶入的含磷絮凝物, 進(jìn)一步降低了水體中的磷濃度。

3.1.2 系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果 在三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池中, 電流是影響系統(tǒng)脫氮除磷效果的重要因素。研究表明(Floraet al, 1994; 任曉克等,2015), 一定范圍內(nèi)隨著電流的增大, 系統(tǒng)中產(chǎn)生更多的H2, 脫氮效率也逐漸升高; 但如果電流過(guò)大時(shí),會(huì)同時(shí)對(duì)反硝化細(xì)菌產(chǎn)生氫抑制效應(yīng)。另外, 電流作用能促進(jìn)鐵電極的腐蝕, 刺激反硝化細(xì)菌、聚磷菌等微生物的生長(zhǎng); 電場(chǎng)對(duì) NO-3、 H2P O-4等物質(zhì)遷移、擴(kuò)散速度有一定程度的影響, 進(jìn)而影響系統(tǒng)的脫氮除磷效果(馮玉杰等, 2008; 胡傳俠等, 2008; 任曉克等, 2015)。在3DBER-S-FE 深度脫氮除磷的研究中,在ρ(C)/ρ(N)=2、I=150 mA 和HRT=4 h 的條件下, 對(duì)總氮的去除率為85.59%, 但是隨著電流的增加, 會(huì)抑制其脫氮效率(郝瑞霞等, 2016)。在新型三維電極生物膜工藝強(qiáng)化脫氮除磷的研究中, 通過(guò)添加海綿鐵和硫磺以此改變?nèi)S電極生物膜反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu),對(duì)總氮的去除率為80% (張立東, 2016)。本研究通過(guò)組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池、生物膜反應(yīng)池和臭氧紫外線殺滅微生物池, 并配套施用硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌和聚磷菌, 使其成為生物膜上的優(yōu)勢(shì)菌群, 在系統(tǒng)HRT 為6.2 h, 電流密度為1～3 mA/cm2的條件下, 對(duì)總氮的去除率達(dá)86.3%, 獲得了更高的總氮去除率。

3.1.3 系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果 在鰻鱺養(yǎng)殖過(guò)程中, 餌料中的 20%～25%的蛋白質(zhì)被鰻鱺攝食吸收,剩下的以氨氮、殘餌和糞便的形式排出于養(yǎng)殖水體中,養(yǎng)殖尾水具有較高的氨氮濃度。在同步硝化反硝化處理氨氮廢水的研究中, 在DO 濃度為0.5～1.0 mg/L,進(jìn)水COD/NH3在12, MLSS 在5 g/L 左右, 進(jìn)水pH 8.0～8.5, 連續(xù)6 h 的反應(yīng)條件下, 對(duì)氨氮的去除率為85% (潘伯寧, 2012)。在低濃度暗淡廢水處理實(shí)驗(yàn)研究中, 化學(xué)沉淀法在pH 為10.5, 反應(yīng)時(shí)間在30 min左右,n(NH4+):n(Mg2+):n(PO34-) = 1︰1.2︰1.2; 折點(diǎn)氯化法(break point chlorination)在pH 為7, 反應(yīng)時(shí)間10～15 min, m(Cl–):m(NH4+)在6～7 之間的條件下, 對(duì)氨氮的去除率均可達(dá)80%以上(魯璐等, 2013)。本研究中, 養(yǎng)殖尾水經(jīng)過(guò)三級(jí)處理池的處理后, 系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率達(dá)95.6%, 氨氮去除率更高, 原因是通過(guò)在組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池、生物膜反應(yīng)池中, 配套施用硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌, 使其成為生物膜上的優(yōu)勢(shì)菌群, 通過(guò)大量細(xì)菌的同化吸收氮磷作用、硝化作用、反硝化作用等, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)氨氮的高效降解。硝化反應(yīng)是在好氧條件下, 由亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌將NH+4轉(zhuǎn)化為NO-2和NO-3的過(guò)程, 而反硝化反應(yīng)是在缺氧或厭氧條件下, 由反硝化細(xì)菌將NO-2和NO-3轉(zhuǎn)化為N2的過(guò)程(洪萬(wàn)樹(shù), 1998)。

3.1.4 系統(tǒng)對(duì)其他水質(zhì)因子的去除效果 高錳酸鹽指數(shù)是水體中有機(jī)和無(wú)機(jī)氧化物污染的常用指標(biāo)(國(guó)家環(huán)境保護(hù)局, 1989)。組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池的有機(jī)污染物去除能力更有一定的提升,其原因可能是有毒難降解的有機(jī)物經(jīng)三維電極電解處理后, 轉(zhuǎn)化成了毒性低、易被生物降解的物質(zhì), 也為微生物提供了更佳的環(huán)境和基質(zhì)(程金蘋(píng), 2017),為后續(xù)生物法處理提供了有效幫助。生物膜處理池中微生物對(duì)有機(jī)物的降解一般分為水解反應(yīng)和氧化反應(yīng), 一部分被微生物產(chǎn)生的酶催化分解, 另一部分是被微生物同化, 為其提供能量, 轉(zhuǎn)化成微生物代謝物質(zhì)(周海紅等, 2006), 在微孔曝氣與生物膜法處理農(nóng)村污染水體中, 懸浮球與纖維球填料對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率為47.2%～55.5%, 組合填料對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率為40.7%～51.0%, Aquamats 填料對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率為39.4%～50.1% (胡鵬, 2015), 本系統(tǒng)對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率為45.5%。本系統(tǒng)出水口的pH 在6.04～6.40 之間波動(dòng), 平均濃度為6.22±0.18,與系統(tǒng)進(jìn)水的pH 降低了0.5, 在正常的水質(zhì)波動(dòng)范圍內(nèi), 因?yàn)樾柩跷⑸锇l(fā)生三羧酸循環(huán), 致使糖類(lèi)物質(zhì)在有氧條件下被徹底氧化, 產(chǎn)生水和CO2, pH 降低(石云萍等, 1999), 或者是因?yàn)閰捬跷⑸锱c缺氧微生物進(jìn)入水解酸化階段與產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段, 生成各種有機(jī)酸類(lèi)致使pH 下降(郝晉偉, 2019)。

3.1.5 臭氧紫外線殺滅微生物池對(duì)細(xì)菌總數(shù)的去除效果 臭氧是一種強(qiáng)氧化劑和消毒劑, 已被證實(shí)能快速有效的殺死養(yǎng)殖水體中病毒、細(xì)菌和原生動(dòng)物,而且還可氧化生物難以降解的有機(jī)物和硝酸鹽, 有助于循環(huán)系統(tǒng)固體顆粒去除, 增強(qiáng)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性(Kruminset al, 2001; 章亞芳等, 2010;Gon?alveset al, 2011; Schroederet al, 2011; 周煊亦等,2012)。但是臭氧穩(wěn)定性差, 高濃度臭氧水處理成本高,且過(guò)高殘留濃度對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象有毒害作用(姜國(guó)良等,2001; Silvaet al, 2011), 這些因素限制了臭氧技術(shù)在水產(chǎn)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。紫外線殺菌消毒的原理(周偉良, 2002)是水及其中的溶解氧在紫外線的照射下,產(chǎn)生超氧負(fù)離子( O2-)、激發(fā)基態(tài)氧分子(O2*)、過(guò)氧化氫(H2O2), 羥基自由基(·OH)等氧化性極強(qiáng)的激發(fā)態(tài)物質(zhì), 這些物質(zhì)對(duì)水中微生物病原體有毀滅性的破壞作用, 通過(guò)改變微生物體DNA 活性, 破壞復(fù)制過(guò)程, 造成細(xì)胞代謝發(fā)生紊亂從而導(dǎo)致死亡, 達(dá)到消毒目的。紫外/臭氧組合工藝(UV/O3)是將臭氧(O3)和紫外(UV)相結(jié)合的一種高級(jí)氧化技術(shù)。該組合工藝具有強(qiáng)氧化性, 不需要加入任何催化劑, 已經(jīng)被證明可以用于水中有機(jī)污染物的去除, 微生物的滅活等(范太興等, 2010); Sharrer 等(2007)和Summerfelt 等(2009)采用O3/UV 組合分別對(duì)紅點(diǎn)鮭循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)和虹鱒循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行滅菌試驗(yàn), 均取得較好效果。隨著時(shí)間的不斷推移, UV 的去除效果會(huì)漸漸下降,主要是因?yàn)樗写嬖诘念w粒物容易吸收紫外線, 影響了反應(yīng)的順利進(jìn)行, 從而使殺菌效果降低, 而O3的存在可以避免這一問(wèn)題的出現(xiàn)(范太興等, 2010)。本研究中采用臭氧紫外線組合, 有效殺滅了水中微生物和細(xì)菌等, 對(duì)細(xì)菌總數(shù)的去除率達(dá)99.9%。在紫外線和臭氧的雙重作用下, 可以實(shí)現(xiàn)很好的細(xì)菌去除率。

3.2 循環(huán)水養(yǎng)殖鰻鱺效果

高效的循環(huán)水養(yǎng)殖模式能夠有效提高魚(yú)苗養(yǎng)殖存活率、飼料消化率、養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)量及質(zhì)量, 有效降低單位產(chǎn)量能耗、病害發(fā)生、管理成本以及養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn), 對(duì)進(jìn)一步保障水產(chǎn)品質(zhì)量安全、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、提升綜合效益、保護(hù)生態(tài)環(huán)境有積極的推動(dòng)作用(張哲, 2011)。本研究中處理組的鰻鱺養(yǎng)殖增重倍數(shù)比對(duì)照組提高64.8%, 魚(yú)體的平均起捕尾重比對(duì)照組提高44.9%。在花鰻鱺工廠化循環(huán)水高密度養(yǎng)殖模式的研究中, 通過(guò)集成臭氧消毒殺菌、機(jī)械過(guò)濾、生物過(guò)濾、液氧增氧技術(shù), 平均規(guī)格29.97 g 的花鰻鱺經(jīng)過(guò)260 d 養(yǎng)殖, 平均尾重達(dá)到 716.20 g, 成活率達(dá)到86.5% (曲煥韜等, 2009)。本研究的養(yǎng)殖效果更優(yōu), 原因是系統(tǒng)高效且穩(wěn)定地對(duì)尾水水質(zhì)實(shí)現(xiàn)了脫氮除磷,確保了經(jīng)系統(tǒng)處理后的出水水質(zhì)能始終符合養(yǎng)殖用水水質(zhì)要求, 從而達(dá)到了良好的循環(huán)水養(yǎng)殖效果。

4 結(jié)論

通過(guò)構(gòu)建由組合三維電極移動(dòng)床生物膜反應(yīng)池、生物膜反應(yīng)池、臭氧紫外線殺滅微生物池組成的系統(tǒng),應(yīng)用于工廠化鰻鱺養(yǎng)殖尾水集中式處理以及水循環(huán)養(yǎng)殖。在日均處理鰻鱺養(yǎng)殖尾水水量3 000 m3和HRT為6.2 h 條件下, 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)出水水質(zhì)的總磷濃度為(0.140±0.020) mg/L (濃度范圍0.120～0.160 mg/L), 系統(tǒng)對(duì)尾水總磷的去除率為96.2%; 系統(tǒng)出水水質(zhì)的總氮濃度為(0.671±0.114) mg/L (濃度范圍 0.557～ 0.785 mg/L), 系統(tǒng)對(duì)尾水總氮的去除率為86.3%; 系統(tǒng)出水水質(zhì)的氨氮濃度為(0.104±0.050) mg/L (濃度范圍0.054～0.154 mg/L), 系統(tǒng)對(duì)尾水氨氮的去除率為95.6%; 系統(tǒng)出水水質(zhì)的高錳酸鹽指數(shù)為(2.81± 0.44)mg/L (濃度范圍2.37～3.25 mg/L), pH 為(6.22± 0.18)(范圍6.04～6.40)。系統(tǒng)出水水質(zhì)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002) Ⅲ類(lèi)水。系統(tǒng)出水回用于循環(huán)水養(yǎng)殖鰻鱺, 處理組平均養(yǎng)殖單產(chǎn)55.5 kg/m3, 較對(duì)照組提高52.5%; 處理組的結(jié)束尾重、存活率、增重倍數(shù)和特定生長(zhǎng)率均分別高于對(duì)照組44.9%、5%、64.8%和37.5%, 飼料系數(shù)低于對(duì)照組15.7%, 獲得了更優(yōu)的養(yǎng)殖效果。該系統(tǒng)具有水處理效率高, 出水水質(zhì)良好且穩(wěn)定, 投資成本和運(yùn)行成本低, 可操作性強(qiáng),環(huán)保安全和容易推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn), 可為我國(guó)當(dāng)前的水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理與循環(huán)水養(yǎng)殖提供技術(shù)參考。