玉米芯強(qiáng)化生物反應(yīng)器對(duì)羅非魚(yú)

循環(huán)養(yǎng)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(yán)銘1 ，張飲江 1，2

摘 要: 研究了以玉米芯同時(shí)作為反硝化碳源和生物膜載體的人工強(qiáng)化生物反應(yīng)器對(duì)羅非魚(yú)(Oreochromisspp． )循環(huán)養(yǎng)殖廢水的脫氮效果，并對(duì)新型反應(yīng)器脫氮微生物多樣性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室條件下，人工強(qiáng)化掛膜方式可明顯縮短裝置的啟動(dòng)時(shí)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(shí)現(xiàn)了高溶氧養(yǎng)殖廢水的同步硝化反硝化作用，總氮去除率達(dá) 85%以上。微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明，人工富集培養(yǎng)的硝化菌和反硝化菌均較為成功，隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，玉米芯表面生物膜菌群也隨之發(fā)生變化，參與脫氮的硝化細(xì)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(gè)屬組成;豐度較大的反硝化菌屬為產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬(Paracoccus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)和脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans)。

關(guān)鍵詞: 農(nóng)業(yè)廢棄物; 碳源; 同步硝化反硝化; 生物膜載體; 循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)

循 環(huán) 養(yǎng) 殖 系 統(tǒng) ( Ｒecirculating aquaculturesystems，ＲAS)與傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式相比，具有集約化、高產(chǎn)率、節(jié)水、節(jié)地等優(yōu)點(diǎn)，是水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展必然趨勢(shì)。但是其集約化養(yǎng)殖模式導(dǎo)致投餌增加，殘餌增多，加之魚(yú)體生理代謝產(chǎn)生大量氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加速水質(zhì)惡化。大多循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，主要采用生物過(guò)濾器的硝化作用將毒性較強(qiáng)的氨氮和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為毒性較弱的硝酸鹽，來(lái)保證魚(yú)類(lèi)的安全與有效生長(zhǎng)，卻忽略了硝酸鹽大量積累對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的影響。DAVID 等研究表明硝酸鹽濃度的累積明顯抑制蝦類(lèi)存活率，引發(fā)胰腺病變，降低產(chǎn)量;另外，高濃度的硝酸鹽條件下，水生動(dòng)物組織發(fā)育減緩、激素分泌功能下降，生理機(jī)能變?nèi)跎踔了劳觥Ｏ嚓P(guān)研究表明循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中硝酸鹽安全濃度為 50 mg·L－1 以下，但目前循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)應(yīng)用反硝化作用來(lái)降低硝酸鹽濃度技術(shù)尚不成熟 ［8］ ，一般多采用換水來(lái)保證系統(tǒng)中硝酸鹽濃度不超標(biāo)，并不能從根本上解決硝酸鹽積累問(wèn)題。本研究設(shè)計(jì)了一種可有效降低養(yǎng)殖廢水中氮濃度的新型脫氮技術(shù)工藝，主要針對(duì)養(yǎng)殖水體C/N 比偏低，溶氧偏高等特點(diǎn)，采用研究較少的農(nóng)業(yè)廢棄物———玉米芯作為反硝化碳源和生物膜載體，通過(guò)人工強(qiáng)化掛膜方式建立同步硝化反硝 化 脫 氮 系 統(tǒng) ( Simultaneous nitrification anddenitrification，SND)，該系統(tǒng)對(duì)節(jié)約水資源，減少養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)環(huán)境污染，以及發(fā)展可持續(xù)的生態(tài)漁業(yè)都具有重要意義與學(xué)術(shù)價(jià)值。本研究試圖在實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)檢測(cè)進(jìn)出水的水質(zhì)變化，探索新型工藝的脫氮效果，并對(duì)新型裝置的脫氮機(jī)理進(jìn)行初步分析，以期為集約化工廠循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)改善提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1． 1 玉米芯脫氮強(qiáng)化反應(yīng)器

新型反應(yīng)器設(shè)計(jì)如圖 1 所示，柱狀反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，參數(shù)為 20 cm(D) × 47 cm(H，有效水深)，養(yǎng)殖廢水由儲(chǔ)水池經(jīng)蠕動(dòng)泵進(jìn)入反應(yīng)器，控制流速為(20 ± 0． 31)mL·min－1 ，裝置運(yùn)行前將已人工強(qiáng)化掛膜的玉米芯(干重為 1 kg)投入柱狀反應(yīng)器內(nèi)。

1． 2 玉米芯表面掛膜流程

硝化菌富集培養(yǎng):選取魚(yú)塘底泥作為接種物，加入自行配制的培養(yǎng)液后于 25 ℃ 恒溫培養(yǎng)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(yǎng)液采用改良的Stephenson 培養(yǎng)液。

反硝化菌富集培養(yǎng):實(shí)驗(yàn)所用菌種污泥來(lái)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(yǎng)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(yǎng)7 d。培養(yǎng)期間充氮?dú)馀懦w溶解氧，維持厭氧環(huán)境。

微生物富集培養(yǎng)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(yǎng)好的硝化菌用噴壺均勻噴灑在已浸泡過(guò)反硝化菌的玉米芯外層。

1． 3 實(shí)驗(yàn)用水

根據(jù)前期監(jiān)測(cè)羅非魚(yú)(Oreochromis spp． )ＲAS系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)，取上海海洋大學(xué)校內(nèi)湖水經(jīng) 0． 45μm 膜過(guò)濾后，添加適量 KNO 3 、NH 4 Cl、KH 2 PO 4配置實(shí)驗(yàn)污水，具體進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)如表 1 所示。

1． 4 實(shí)驗(yàn)分析方法及數(shù)據(jù)處理

裝置進(jìn)出水水樣每 2 d 取一次，采用國(guó)標(biāo)法測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。其中，TN:過(guò)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(jī)碳分析儀測(cè)(TOC-V．CPH，島津)測(cè)定;水溫、DO、pH 采用多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x(YSI556MPS，美國(guó)維賽公司)測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)共選取 6 個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)，采集菌液及玉米芯表面生物膜樣品，具體采樣時(shí)間見(jiàn)表 2。采集后的樣品經(jīng) DNA 提取及 PCＲ 擴(kuò)增后送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，采用高通量分子測(cè)序技術(shù)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)分析(表 3)。技術(shù)方法為:提取樣品總 DNA → PCＲ 擴(kuò)增和產(chǎn)物純化→PCＲ 產(chǎn)物定量和均一化→ Miseq PE 文庫(kù)制備→Miseq 高通量測(cè)序→生物信息分析實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均記錄為“算術(shù)平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差”(Mean ± SD)，利用 SPSS 17． 0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2． 1 裝置對(duì)氮的去除效果

實(shí)驗(yàn)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(jīng)人工強(qiáng)化掛膜后，新型脫氮裝置啟動(dòng)迅速，運(yùn)行第 1 d 裝置氨氮、硝 酸 鹽 和 總 氮 的 去 除 率 分 別 達(dá) 到 了56． 50%、97． 63%和 86． 08%。實(shí)驗(yàn)前期(1 ～ 35 d)，系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，該階段水溫一直穩(wěn)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(shí)驗(yàn)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(dá) 98． 80%，較低為 95． 25 %，出水濃度保持在 0． 89 mg·L－1 左右，這說(shuō)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(shí)為 76． 61 %;綜上所述，實(shí)驗(yàn)前期新型裝置啟動(dòng)迅速，且具有良好的同時(shí)硝化反硝化脫氮能力。實(shí)驗(yàn)中期(37 ～ 43 d)，水溫降至 15 ℃左右，出水水質(zhì)波動(dòng)較為劇烈，裝置 TN、NO -3 -N 及NH+4-N 去除率均出現(xiàn)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(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。后續(xù)的微生物分析結(jié)果驗(yàn)證了這一猜想(圖 4)。

實(shí)驗(yàn)后期(≥65 d)，NO -3 -N、TN 去除率出現(xiàn)逐步下降趨勢(shì)，系統(tǒng) NH+4-N 去除率維持在(20 ～30)%之間。結(jié)合圖 3 可以看出，運(yùn)行時(shí)間超過(guò)65 d 后，出水 TOC 濃度下降明顯，含量普遍低于20 mg·L－1 ，這說(shuō)明碳源玉米芯中易被分解的有機(jī)物已消耗殆盡，導(dǎo)致反硝化碳源不足，從而使得裝置對(duì)總氮的去除率出現(xiàn)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(dòng)態(tài)分析