生物濾池處理水產養殖廢水研究進展

朱聰沛 陳賀涵 李澤龍 尹立鵬 謝春生

摘 要 水產養殖廢水的有效處理及循環利用已經成為水產養殖業綠色發展的關鍵制約因素之一。分析水產養殖廢水污染現狀，介紹目前常用的養殖廢水生物處理方法，尤其是其中的生物濾池法，具有操作簡單、占地面積少、抗沖擊負荷強、處理效果穩定等優點，在水產養殖廢水處理中應用普遍?？偨Y生物濾池處理水產養殖廢水的效果，綜述生物濾池在水產養殖廢水處理中的應用研究進展，分析了影響生物濾池處理效能的因素（濾料、溶解氧、氣水比、水力負荷、水力停留時間），最后對生物濾池處理養殖廢水的應用前景進行了展望。

關鍵詞 水產養殖廢水;生物濾池;處理效果;影響因素

中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.09.042

收稿日期：2022-02-13

基金項目：肇慶市科技計劃項目（2021N001）;肇慶學院大學生創新項目（X202010580124）。

作者簡介：朱聰沛（2001—），男，廣東潮州人，肇慶學院環境與化學工程學院環境工程專業2019級在讀本科生。

*為通信作者，E-mail： xiechsh@126.com。

水產養殖在我國農業生產中占有重要地位，近年來水產養殖規模不斷擴大，產業發展良好。然而，由于落后的養殖模式和養殖技術，以及不恰當的養殖方法，養殖水體極易受到污染，導致養殖基地附近的水資源和生態環境受到嚴重破壞。因此，加深對水產養殖廢水污染的了解，研究水產養殖廢水高效處理技術，有助于減輕養殖廢水造成的環境污染，是我國水產養殖企業綠色可持續發展的重要舉措[1]。

前人研究表明，養殖廢水的水質會受到養殖水產品的種類及飼料使用、投放是否規范等因素的影響[2]。目前，水產養殖方式逐步趨向集約型，這樣會導致水產養殖密度過高，從而造成水體中的代謝物積累嚴重，若不能及時處理，很可能會造成水體污染，嚴重損害生態環境。由于水產養殖過程中水消耗很大，循環水利用已成為水產養殖污水治理中必須重視的問題[3]。利用生物法處理養殖廢水比物理、化學方法能節省更多成本，目前常用的生物處理方法有生態處理法、間歇式活性污泥法[4]、生物膜法[5]等。在生物膜法中，較常用的是生物濾池法，其具有操作簡單、占地面積少、抗沖擊負荷強、處理效果穩定等特點，在生活污水治理、工業廢水處理及水產養殖廢水處理中都能見到這種工藝的存在[6]。由于具有工藝簡單、管理方便等特點，生物濾池法已廣泛應用于水產養殖廢水處理中[7-8]。

1? 生物濾池處理水產養殖廢水的效果

1.1? 在傳統養殖模式中的處理效果

喬衛龍開展了曝氣生物濾池（組合填料）對水產養殖廢水（含抗生素）的研究。在綜合了濾池系統的研究結果后，認為該組合填料濾池能夠較好地去除常規污染物和魚用藥物，通過優化濾池參數實現養殖廢水達標排放[9]。李紅麗等人對前置反硝化濾池進行改進，研究其對低碳氮比水產養殖廢水中NH4+-N、CODMn等典型污染物的去除效率。結果表明：采用此工藝，在水力負荷q=18 m3·m-2·d-1，A/O體積比為1.8，硝化液回流比為100%，氣水比為6∶1時，出水水質較好，上述工藝中典型污染物的去除效率均能達到標準，且在夏秋兩季對磺胺甲噁唑的去除效果十分顯著[10]。

1.2? 在循環水養殖系統中的處理效果

循環水養殖法是20世紀80年代后期出現的一種養殖方式，在中國沿海的不同養殖區域得到了廣泛應用和重視[11]，是一種環境友好型養殖模式，發展十分迅速。在我國環境與資源嚴峻的形勢下，具有良好生態效益和可持續發展優勢的循環水養殖勢必會取代傳統養殖模式，成為主流[12]。循環水養殖的單位產量高于其他養殖模式，可節能70%以上，能實現高密度養殖和節能減排的養殖目標[6，13]。循環水養殖模式控制水質環境和營養供給的方法比傳統養殖模式更為合理[14]，具有生物生長快、密度高、管理簡單、對環境污染較小等優勢。在循環水養殖系統中，生物過濾凈化是整個系統的關鍵點[15]，因此循環水養殖系統的研究主要集中在如何高效去除危害水產生物的NH4+-N和NO2--N等方面[16]。

周洪玉等運用不同過濾系統的填料反應器模擬處理循環水養殖系統，研究分析該反應器的硝化速率等特征。結果表明，與移動生物膜反應器相比，掛簾式生物濾池的掛膜速度更快，掛膜生物量更多，而且生物量更穩定，NH4+-N、NO2--N的去除率也更高[17]。呂劍等研制出一種生物濾池反應器，以彌補傳統的循環水養殖體系的不足。該反應器對養殖廢水中的NH4+-N、COD、NO2--N的去除率較高，出水水質可以滿足魚類生長，具有成本低、管理方便等優點，對循環水養殖系統改善、環境保護有著重要作用[18]。

2? 生物濾池處理養殖廢水的影響因素

2.1? 濾料

生物濾池利用濾料將懸浮物攔截下來，從而使其濃度下降。同時，濾池內的微生物也會依附于過濾材料進行生長繁殖，對污染物進行吸附、降解。填料是濾池最為核心的部分，它直接決定污染物的去除效果，同時也關系到濾池的建造和運行成本。因此，對具有優良特性的生物濾池過濾材料的研制已成為人們關注的焦點[19]。Shitu等人利用一種新型的海綿載體，在流動床生物反應器中對循環水養殖系統的污水進行處理，分析其處理效果。結果表明，采用新型海綿填料的移動床生物反應器能夠達到較高的硝化性能，并提高生物活性[20]。Lindholm-Lehto等人在循環水養殖系統中，使用裝滿樺木的木片生物反應器中進行脫氮，再用砂子過濾，并對過濾后的水質進行分析。結果顯示，利用木材碎片作填料，能獲得較高的脫氮率，而砂過濾能有效去除水中的溶解物質和微粒[21]。Watari等人利用懸浮式海綿反應器與上層污泥毯式反應器相結合，對循環水產養殖系統進行脫氮，并對反應后的水質進行了分析，結果證明這種混合反應器對總銨態氮的脫除效果很好[22]。

2.2? 溶解氧

好氧微生物對氨氮、有機物的氧化分解效率與溶解氧關系密切，隨著溶解氧濃度下降而下降，因此生物濾池的處理效果與溶解氧關系密切[23]。Deng等人探究了在循環養殖系統污水處理中，聚丁二酸丁二醇酯生物反硝化反應器中的鹽濃度和溶解氧對脫硝微生物群落的影響，結果表明溶解氧對水體中的微生物群落影響不大[24]。宋偉龍研究了MBR工藝對海水養殖污水中氨氮、TOC等的影響。結果表明，隨著溶氧量的降低，濾池中的氨氮含量也相應升高，但是過高的溶氧也會降低脫氮效果[25]。任紀龍以溶解氧為變量，馴化培養海水循環水生物濾池中的生物填料30 d，探究不同溶解氧梯度對微生物群落的影響。結果表明，當DO濃度為0～2 mg·L-1時，濾池對NH4+-N的去除率最低;當DO濃度為10～12 mg·L-1時，濾池對NH4+-N的去除率最高;在不同DO濃度處理組中，NO2--N的積累量均隨著溶解氧濃度升高而升高[26]。

2.3? 氣水比

氣水比會影響曝氣生物濾池的工作性能，在低濃度時對好氧生物的生長繁殖有明顯抑制作用，高濃度則會對過濾材料產生強烈的氣流沖刷作用，從而影響有機物的溶解[27]。因此，合理的氣水比是保證曝氣生物過濾系統穩定運行的關鍵。趙思使用曝氣生物濾池處理水產養殖廢水，分析試驗結果發現，CODMn和NH4+-N的去除率隨著曝氣量增多而逐漸上升。當氣水比由1∶1升至2∶1時，曝氣量增多會使TP、TN的去除率上升;而當氣水比由2∶1升至3∶1時，曝氣量增多反而會使TP、TN的去除率下降[28]。馬曉娜等人使用移動床生物濾池處理海水養殖廢水，研究不同氣水比對其處理效能的影響。結果表明，COD的去除率隨著氣水比增大而呈現下降趨勢，氨態氮的去除率呈現先下降后上升的趨勢;當氣水比為6∶1時，氨態氮和COD的平均去除率最大，NO2--N的平均積累率相對較小，比其他氣水比擁有更好的水質凈化效果[29]?；綮o對魚塘養殖廢水治理工藝進行了優化設計，討論了該技術的應用效果，結果發現，隨著氣水比增大，濾池中CODMn的去除速率逐漸增大，但當氣水比為（12～16）∶1時，水中的溶解氧接近飽和，CODMn的去除速率幾乎沒有提高[30]。

2.4  水力負荷

在生物濾池中，水力負荷會影響生物膜與污水的接觸時間，同時也會對生物膜的強度、厚度、微生物的生長和新陳代謝造成一定影響[31]。水力負荷的增加，可以促進生物量和基質的均勻分配，促使硝化細菌對基質的進一步利用，從而縮短掛膜時間;水力負荷的減少，微生物無法充分吸收養分，造成養分短缺。因此，合理的水力負荷對于污染物的去除具有十分重要的作用。

唐智洋等人采用生物接觸氧化組合工藝對水產養殖廢水進行處理，對接觸氧化池中滴濾的水力負荷、停留時間等因素進行研究，通過分析氨氮、TN、CODMn等參數，明確該工藝的處理效果。研究表明，隨著水力負荷的增加，水中TN的去除率出現先升后降的趨勢，反應器中DO濃度呈現降低趨勢，其他指標均隨著DO濃度降低而降低[32]。朱歷等人采用上流式生物濾池模擬處理水產養殖廢水，優化濾池中水力負荷、消化液回流比、氣水體積比3個因素，通過分析出水水質，確定濾池的最佳運行參數。研究表明，系統對總氮、總磷、氨氮和COD去除率隨著水力負荷升高而呈現下降的趨勢[33]。Godoy-Olmos等人研究了循環水產養殖系統中硝化生物滴濾器的溫度、氨負荷和水力負荷對處理效果的影響。結果顯示，氮負荷、溫度、水力負荷均會影響到氨去除效果，增大水力負荷能提高硝化速率[34]。

2.5? 水力停留時間

水力停留時間（HRT）會對生物濾池中污染物與填料、生物膜的接觸反應時間產生影響，COD負荷會隨著水力停留時間減少而升高，使生物濾池的硝化性受到抑制。因此確定合適的水力停留時間，對生物濾池性能提高有著重要意義。Song等人研究了在循環海水養殖系統污水處理過程中，水力停留時間和入水硝酸鹽氮含量對好氧反硝化反應器的脫氮率和微生物群落構成的影響。研究表明，在硝酸鹽氮濃度小于150 mg·L-1、HRT 5 h的情況下，氮氣去除率可達98%以上，氨氮和亞硝酸鹽氮含量降至1 mg·L-1以下;在硝酸鹽氮濃度為150 mg·L-1，HRT為6 h或7 h時，有最大的脫氮速率和脫氮率[35]。Ding等人研究了缺氧過濾器與膜生物反應器組合系統在不同水力停留時間、進水堿度和進水氨氮負荷下海水養殖廢水的處理性能。研究發現，在HRT 8 h條件下，TOC和全氮的脫除效果稍好于其他HRT，隨著HRT的增大，磷酸鹽的去除效率逐漸下降[36]。Mathis等人研究了循環水養殖系統中，不同的碳氮比和水力停留時間對固定床脫硫設備性能的影響，并對出水水質進行分析。研究發現，在無限制碳氮比的條件下，隨著HRT的降低，硝酸鹽的去除率持續增加，硝酸鹽的去除效率則有所降低[37]。

3? 結論與展望

與以氧化塘為代表的傳統水產養殖廢水處理工藝相比，生物濾池具有處理效率高、占地面積小、工藝運行穩定等優點。研究表明，生物濾池對水產養殖廢水中的有機物、氨氮和磷等有機物有良好的去除效果，在循環水養殖系統中有著較高的應用價值。生物濾池在實際研究應用中仍有許多問題需要關注，例如，生物濾池的濾料要根據水質等具體情況來選擇，需要進一步探索耐腐蝕性好、性價比高、適用于大多數水產養殖水質特點的新型填料;生物濾池池體越大，處理量也越大，但是其布水、布氣的均勻性就越難保證，因此必須針對生物脫氮的需要，研制出具有創新性的布氣、布水設備;恰當的運行參數對提高生物濾池處理養殖廢水的效率，尤其是脫氮效率至關重要。改善生物濾池的不足，增強其處理性能，有助于其在養殖廢水處理中的廣泛應用，對推動我國水產養殖業綠色發展具有重要作用。

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（責任編輯：易? 婧）