循環水養殖系統中3種生物填料對水質的凈化作用

李倩+胡廷尖+劉士力

摘要：為了研究生物填料在循環水養殖系統中的應用，在室內構建羅氏沼蝦循環水養殖系統，研究3種類型的生物填料對水質的凈化作用。結果表明，3種生物填料（聚乙烯小球M1、陶瓷環M2、彈性毛刷M3）構成的生物濾池對養殖水體總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、亞硝態氮（NO2-N）、化學需氧量（CODMn）均有不同程度的去除效果，其中M3對TN、TP、NH3-N的平均清除率分別為17.81%、17.36%、18.04%，明顯高于其他2種填料，M2對NO2-N的平均清除率為19.28%，明顯高于M1和M3，3種填料對 CODMn的平均清除率差異不明顯。由結果可知，彈性毛刷填料對循環水養殖水質有較好的凈化作用，是較為實用的生物填料。

關鍵詞：循環水系統；生物填料；生物膜；水質凈化

中圖分類號： X52 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）01-0243-03

隨著養殖方式的轉變和養殖模式的升級，循環水養殖以其節能減排、耗水量少、養殖密度高、資源利用率高等優點逐漸成為養殖業的發展趨勢。在循環水養殖系統中，水處理對整個系統的順暢運行和養殖對象的健康生長有重要的保障作用。在水處理方法中，生物處理法日漸受到人們的關注，特別是生物膜法處理養殖尾水。生物膜由微生物附著于載體上而形成，因產生污泥少、抗沖擊、無二次污染、管理方便等特點而廣泛應用于循環水養殖系統水處理單元中[1-4]。填料是生物膜附著生長的載體，其材質、結構、比表面積對生物膜的性能有重要影響，國內外許多學者對生物膜的快速掛膜、污染物去除、硝化性能等方面進行了研究[5-7]。

本研究選取生產實踐中常用的3種生物填料作為研究對象，室內模擬構建循環水養殖系統，對不同材質、不同形狀的3種填料掛膜情況進行研究，評估3種填料對水質的凈化效果，以期為研究不同類型生物填料處理水質效果提供科學依據。同時，也為循環水養殖系統中生物填料的選擇及生物膜培養提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

循環水養殖系統由養殖池、沉淀池、生物濾池3部分構成，在沉淀池和生物濾池內各安裝1個小型水泵構成內循環。養殖池、沉淀池、生物濾池分別由有效體積為150、120、100 L的聚氯乙烯（PVC）水族箱構成，生物濾池內依次放置M1（聚乙烯球）、M2（陶瓷環）、M3（彈性毛刷）不同類型的生物填料，見圖1。養殖池內放網片，養殖對象為羅氏沼蝦，放養密度為40尾/箱，平均體質量（28.4±0.89）g。

試驗水溫（24±1） ℃，將外塘養殖水泵入生物濾池內，初始水質指標如下：pH值7.4，總氮（TN）含量3.62 mg/L，總磷（TP）含量0.084 mg/L，亞硝態氮（NO2-N）含量0.026 mg/L，

氨氮（NH3-N）含量0.03 mg/L，溶解氧（DO）7.55 mg/L， 化學需氧量（CODMn）2.2 mg/L。生物濾池和養殖池連續曝氣，整個試驗期間系統溶解氧維持在8.0 mg/L以上。將生物填料均勻布置在生物濾池中（M3用細繩均勻懸掛在濾池中），掛膜期間水體緩慢循環流動，待生物膜成熟后，將水流速度調整到正常值（7.5 L/min），每天09：00正常投喂。

1.2 樣品采集

生物膜成熟后，分別取生物濾池進出水口水樣，每7 d取樣1次，分別檢測TN[8]、TP[9]、NH3-N[10]、NO2-N[11]、CODMn[12]等指標，所用試劑均購自國藥集團化學試劑有限公司。養殖池和生物濾池連續曝氣，水中溶解氧含量均保持在8 mg/L以上，故不再測定溶解氧指標。

1.3 數據處理

數據和圖表采用Excel軟件處理，SPSS16.0進行t檢驗，當P<0.05時為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 3種填料的掛膜成熟時間

當水體中NO2-N濃度降至最低時，表明生物膜培養成熟，硝化系統完全建立[13]。在生物膜培養期間，3種填料構建的生物濾池水體中，亞硝態氮的濃度變化趨勢相同，都經歷了先上升后降低，最后保持較低水平的趨勢。由圖2可知，不同生物填料構建的生物濾池中，M1（聚乙烯小球填料）的亞硝態氮濃度在8月14日檢測值最低，為0.007 mg/L，其成熟時間為29 d；M2（陶瓷環填料）的亞硝態氮濃度在8月11日降到最低值，為0.008 mg/L，成熟時間為26 d；M3（彈性毛刷）的亞硝態氮濃度在8月19日最低，為0.013 mg/L，成熟時間為34 d。因此，在相同的培養條件下，3種生物填料的成熟時間依次為陶瓷環<聚乙烯小球<彈性毛刷。

2.2 3種生物填料對TN的凈化效果

由圖3可知，在采樣周期內，M1、M2、M3對TN的平均清除率分別為8.87%、11.10%、17.81%，最高清除率依次為10.17%、13.02%、17.81%，養殖后期的清除效果優于前期；從平均清除率分析，經t檢驗，M3對TN的清除率明顯高于其他2種填料。

2.3 3種生物填料對TP的凈化效果

由圖4可知，待生物膜成熟后，在處理前期（8月26日），3種填料對TP的清除率差異并不明顯，隨著養殖時間的延長，不同的生物濾池對水體TP的清除效果出現差異。從最高清除率分析，M1、M3的最高清除率出現在采樣后期，分別為11.40%、20.06%，而M2對TP的最高清除率出現在養殖中期，為13.27%，在整個采樣周期內，M2的清除率變化不大。在平均清除率方面，M3（17.36%）>M2（11.73%）>M1（10.39%），M3對TP的平均清除率明顯高于其他2種填料。

2.4 3種生物填料對NH3-N的凈化效果

由圖5可知，M1、M2、M3 3種填料對NH3-N的平均清除率分別為9.45%、10.20%、18.04%，M3平均清除率最高，M1最低；在養殖后期，M3對NH3-N的清除率達到最高值，為24.53%。經t檢驗，M3對NH3-N的平均清除率明顯高于其他2種生物填料。

2.5 3種生物填料對NO2-N的凈化效果

由圖6可知，在采樣期間各填料對NO2-N凈化趨勢相同，呈先升高后降低的趨勢。最高清除率出現在9月9日，M2對NO2-N的清除率達24.00%，最低值出現在試驗初期，M1對NO2-N的清除率最低（7.41%）。從平均清除率分析，M2最高（19.28%），其次為M3（12.17%），最低為M1，其平均清除率為11.20%，M2對NO2-N的平均清除率明顯高于其他2種填料。

2.6 3種生物填料對CODMn的凈化效果

CODMn反映水體中有機物污染的程度，是衡量有機質含量的重要指標[14]。由于初始水質指標較好，在整個養殖試驗期間，CODMn維持在較低水平，生物膜處理前后水體中的CODMn含量差異不大。M1、M2、M3 3種填料對CODMn的平均清除率分別為8.57%、7.26%、11.19%，無明顯差異（圖7）。

3 結論

填料的物理性質、水體初始污染物濃度、水流速度等因素對填料凈化水體的效果有重要影響。比表面積越大、掛膜越容易、細菌組成越豐富的填料凈化水體效果越好。本試驗選擇的3種生物填料中，彈性毛刷比表面積最大，最有利于細菌的生長，結合細菌16S rRNA基因擴增結果（結果未列出），彈性毛刷生物膜上細菌種類最多，由變形菌門26個屬細菌組成。而硝化螺旋菌是陶瓷環填料中可鑒別細菌中的優勢菌，這與陶瓷環填料對水體中NO2-N的清除率最高的結果一致。

本試驗選取生產中常用的3種生物填料作為研究對象，對其水質凈化能力進行了分析，其中彈性毛刷填料在本試驗條件下對水體中TN、TP、NH3-N的平均清除率明顯高于其他2種填料，而陶瓷環填料對水體中NO2-N的清除率最高。在自然掛膜條件下，雖然彈性毛刷填料對水體中大部分污染物有較高的清除率，但從掛膜時間分析，彈性毛刷需要的時間最長，這對其生產實踐中的應用有一定的限制，如何優化掛膜方法，縮短掛膜時間，實現其快速穩定掛膜是今后值得研究的方向。

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