4種填料構建海水養殖系統硝化動力學的比較研究

王琳　孔小蓉　周洋　宋志文

摘要：在四個模擬海水養殖系統中，分別添加白砂、珊瑚砂、陶粒、菲律賓砂填料和硝化細菌制劑，分析其亞硝化和硝化動力學過程 。結果表明，4個模擬系統亞硝化和硝化過程均呈一級反應，亞硝化降解速率由低到高依次為菲律賓砂、白砂、陶粒和珊瑚砂，硝化速率由低到高依次為白砂、菲律賓砂、陶粒和珊瑚砂。系統中生物膜的生長速率與膜成熟后轉化和亞硝酸鹽的能力無直接關系。

關鍵詞：填料；硝化作用；動力學；降解速率

海水工廠化養殖相比于傳統養殖方式，具有產量高、污染小、節約資源的特點。為了實現這種養殖方式，重點是要對水進行有效處理，從而保證水的質量。其中，氨和亞硝酸鹽對于養殖對象的毒害作用最強，因此，控制海水養殖系統中氮的濃度及存在形式變得尤為重要[1-2]。

目前多是采用生物方法，通過硝化作用完成，在該過程中，氨在亞硝酸鹽細菌（AOB）作用下轉化為亞硝酸鹽，后者進一步被硝酸細菌（NOB）轉化硝酸鹽[3-4]。當系統中亞硝酸細菌和硝酸細菌達到一定數量，且比例合適時，則不會出現氨和亞硝酸鹽的積累，表明系統硝化功能建立完成[5-6]。

養殖系統硝化功能建立后，其對氨和亞硝酸鹽的轉化能力受很多因素影響。Zhu等[7]認為水力條件是限制總氨氮去除速率的重要因素，增加流動雷諾數可有效改善生物過濾器性能。何潔等[8]研究表明氨和亞硝酸鹽轉化過程可用零級動力學方程描述。Chen等[9]對影響硝化作用的底物和溶解氧濃度、有機物、溫度、pH、堿度、鹽度和湍流水平管等因素進行分析，闡述了各參數對生物濾池硝化性能的影響。

本研究選用白砂、珊瑚砂、陶粒、菲律賓砂4種不同填料，構建海水養殖系統，分別對亞硝化過程和硝化過程進行動力學解析，從而為海水養殖系統水質調控提供理論依據。

1材料與方法

1.1實驗材料

硝化細菌菌劑：在本實驗室，由亞硝酸細菌和硝酸細菌混合培養而成。

填料：選擇白砂、珊瑚砂、陶粒、菲律賓砂，填料的物理性質及處理見文獻[3]。

人工海水：利用海水素人工配制。

1.2研究方法

1.2.1海水養殖系統硝化功能建立海水養殖系統用50 mg/L碘液浸泡72 h消毒，然后用蒸餾水浸泡24 h，沖洗后，分別加入白砂、珊瑚砂、陶粒、菲律賓砂500 g，添加人工海水20 L和硝化細菌菌劑15 mL。投加NH4Cl使氨氮初始濃度為10 mg/L。實驗期間控制系統溫度25 ℃，DO>5 mg/L，鹽度31‰～32‰，pH 8.0～8.4，避光。定期測定氨氮、亞硝酸鹽氮，直至氨氮和亞硝酸鹽氮檢測不出。

1.2.2亞硝化過程動力學研究方法系統硝化功能建立后，分別加入NH4Cl使氨氮濃度為5 mg/L，混勻后，每隔1 h采集水樣測定氨氮含量。

1.2.3硝化過程動力學研究方法硝化功能建立后，投加NaNO2使亞硝酸鹽氮濃度為3 mg/L，混勻后，每隔1 h采集水樣測定亞硝酸鹽氮含量。

1.3分析方法

氨氮和亞硝酸鹽氮測定方法參見文獻[10-11]。DO和pH分別采用Orion 835A溶解氧儀和pHS-3C型精密酸度計測定。

利用Origin 8.0統計軟件進行數據統計分析。

2結果與分析

2.1亞硝化過程動力學分析

實驗過程中氨氮含量隨時間變化情況見圖1。由圖中可看出，4個養殖系統中，氨氮均隨時間變化不斷下降，在實驗前期降解速度較快，后期變緩，并逐漸趨于穩定，符合指數衰減形式。圖1實驗過程中氨氮含量變化

情況及動力學表達式

利用Origin 8.0對亞硝化動力學過程進行指數衰減回歸分析，參數及擬合動力學表達式見表1。

3討論

研究表明，4種濾料構建海水養殖系統的亞硝化和硝化過程均呈一級反應，氨和亞硝酸鹽濃度是其轉化過程的限制性因素，這與張俊新[12]等研究結論一致。現有文獻[13-15]報道的硝化反應一級速率常數K范圍為0.001 1～3 /d，對照表1和表2的數據可知，本研究得到的速率常數高于這一數值。

在亞硝化和硝化過程中，反應速率常數最大的均為珊瑚砂，說明珊瑚砂比較適合亞硝酸鹽細菌和硝酸細菌附著生長，形成的生物膜對氨氮和亞硝酸鹽氮轉化效率最高。生物膜在基質上附著與填料的理化性質有重要關系，較小孔隙具有毛細孔保水作用，微生物在其上持留期最長[16]。珊瑚砂為天然材質，粗糙程度最大，孔隙多，有利于微生物生長代謝。陶粒材質非天然材質，相對比較粗糙，效果次之。白砂和菲律賓砂表面光滑，不利于生物膜的保持。

陶粒、菲律賓砂、珊瑚砂的亞硝化過程反應速率常數均小于硝化過程，原因為氨氧化細菌的比增長速度（0.4～0.5/d）小于亞硝酸鹽氧化細菌的比增長速度（1/d），在穩態條件下，氨氧化細菌將氨氧化為亞硝酸的過程是氨轉化為硝酸鹽反應過程中的限速步驟[17]。白砂亞硝化過程反應速率常數略大于硝化過程，說明其可能更適合氨氧化細菌生長。

在實驗過程中發現，4種濾料構建海水養殖系統硝化功能建立的時間存在差異，但硝化功能建立后對氨氮和亞硝酸鹽氮的轉化速率卻較低；珊瑚砂雖然對氨氮和亞硝酸鹽氮轉化速率最高，但其硝化功能建立所用時間（31 d）卻較長。由此可見，硝化細菌在濾料上生物膜的生長速率與生物膜成熟后的硝化能力無直接聯系。

4結論

白砂、珊瑚砂、陶粒、菲律賓砂構建海水養殖系統的亞硝化過程呈一級反應，亞硝化速率由低到高的依次為菲律賓砂、白砂、陶粒和珊瑚砂。

白砂、珊瑚砂、陶粒、菲律賓砂構建海水養殖系統的硝化過程呈一級反應，對硝化速率由低到高的依次為白砂、菲律賓砂、陶粒和珊瑚砂。

系統中硝化細菌生物膜的生長速率與生物膜成熟后的硝化能力無直接關系。

參考文獻：

[1] 吳偉，宋志文，于弘路，等.氨負荷對水族箱硝化功能建立過程的影響[J].河北漁業，2010（11）：4-7

[2] 劉冉，周洋，宋志文，等.硝化細菌對海參養殖系統水質的凈化效果[J].河北漁業，2012（2）：15-18

[3] 孔小蓉，宋志文，周洋，等.不同基質構建海水水族箱硝化功能建立過程的比較研究[J].河北漁業，2009（12）：11-14

[4] 周洋，孔小蓉，宋志文，等.硝化細菌對海水水族箱硝化功能建立過程的影響[J].河北漁業，2009（3）：4-6

[5] Nijhof M.Bacterial stratification and hydraulic loading effects in a plug-flow model for nitrifying trickling filters applied in recirculation fish culture systems [J].Aquaculture，1995（134）：9-64

[6] 張俊新，魏海峰，何潔，等，用煤渣和沸石處理海水養殖廢水的掛膜動力學研究[J].大連水產學院學報，2008，23（3）： 205-209

[7] Zhu S.， Chen S.Impacts of Reynolds number on nitrification biofilm kinetics [J].Aquacultural Engineering，2001（24）：213-229

[8] 何潔，劉長發，吳鈺.三種載體上生物膜硝化作用動力學初步研究[J].應用與環境生物學報，2003，9（5）： 546-548

[9] Chen S.， Ling J.， Blancheton， et al.Nitrification kinetics of biofilm as affected by water quality factors [J].Aquacultural Engineering，2006（34）：179-197

[10] 國家海洋局《海洋監測規范》編輯委員會.海洋監測規范，第一版[M].北京：海洋出版社，1991

[11] 國家環保局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法（第四版）[M].北京：中國環境科學出版社，2002

[12] 張俊新，魏海峰，何潔，等.用煤渣和沸石處理海水養殖廢水的掛膜動力學研究[J].大連水產學院學報，2008，23（3）： 205-209

[13] Yamaguchi T.，Moldrup P.，Rolston D E，et al .Nitrification in porous media during rapid unsaturated water flow[J] .Wat Res，1996，30 （3）：531-540

[14] Kors L J ，Moorman H N ，Wind A P M，et al .Nitrification and low temperature in a raw water reservoir and rapid sand filters[J] .Wat Sci Technol，1998，37（2）：169-176

[15] Delgado S.，Elmaleh S.，Dlaz F.，et al .Ammonia removal in a deep reclaimed wastewater reservoir before agricultural reuse[J].Wat Sci Technol，2001，43（10）：125-132

[16] 宋奔奔，劉鷹.海水封閉循環水養殖系統中生物濾器填料的選擇與應用[J].農業技術與裝備，2008，156 （12）： 04-06

[17] 葉劍鋒.廢水生物脫氮處理新技術[M].北京： 化學工業出版社，2006

Abstract：In this study， 4 kinds of substrates， i.e.white sand， coral sand， Philippines sand and Ceramsite were chosen as substrates in mariculture systems and their nitrification kinetics were comparatively analyzed.The results showed that the ammonia oxidation process and nitrite oxidation process of mariculture systems that were established by four kinds of substrates are all in first order reaction.The degradation rate of ammonia nitrogen is in the sequence of coral sand>ceramsite>white sand>philippines sand.And the degradation rate of nitrite nitrogen is in the sequence of coral sand>ceramsite>philippines sand>white sand.There is no direct relationship between the biofilm formation speed and the transformation ability after its mature.

Key words：substrate；nitrification；kinetics；degradation rate

參考文獻：

[1] 吳偉，宋志文，于弘路，等.氨負荷對水族箱硝化功能建立過程的影響[J].河北漁業，2010（11）：4-7

[2] 劉冉，周洋，宋志文，等.硝化細菌對海參養殖系統水質的凈化效果[J].河北漁業，2012（2）：15-18

[3] 孔小蓉，宋志文，周洋，等.不同基質構建海水水族箱硝化功能建立過程的比較研究[J].河北漁業，2009（12）：11-14

[4] 周洋，孔小蓉，宋志文，等.硝化細菌對海水水族箱硝化功能建立過程的影響[J].河北漁業，2009（3）：4-6

[5] Nijhof M.Bacterial stratification and hydraulic loading effects in a plug-flow model for nitrifying trickling filters applied in recirculation fish culture systems [J].Aquaculture，1995（134）：9-64

[6] 張俊新，魏海峰，何潔，等，用煤渣和沸石處理海水養殖廢水的掛膜動力學研究[J].大連水產學院學報，2008，23（3）： 205-209

[7] Zhu S.， Chen S.Impacts of Reynolds number on nitrification biofilm kinetics [J].Aquacultural Engineering，2001（24）：213-229

[8] 何潔，劉長發，吳鈺.三種載體上生物膜硝化作用動力學初步研究[J].應用與環境生物學報，2003，9（5）： 546-548

[9] Chen S.， Ling J.， Blancheton， et al.Nitrification kinetics of biofilm as affected by water quality factors [J].Aquacultural Engineering，2006（34）：179-197

[10] 國家海洋局《海洋監測規范》編輯委員會.海洋監測規范，第一版[M].北京：海洋出版社，1991

[11] 國家環保局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法（第四版）[M].北京：中國環境科學出版社，2002

[12] 張俊新，魏海峰，何潔，等.用煤渣和沸石處理海水養殖廢水的掛膜動力學研究[J].大連水產學院學報，2008，23（3）： 205-209

[13] Yamaguchi T.，Moldrup P.，Rolston D E，et al .Nitrification in porous media during rapid unsaturated water flow[J] .Wat Res，1996，30 （3）：531-540

[14] Kors L J ，Moorman H N ，Wind A P M，et al .Nitrification and low temperature in a raw water reservoir and rapid sand filters[J] .Wat Sci Technol，1998，37（2）：169-176

[15] Delgado S.，Elmaleh S.，Dlaz F.，et al .Ammonia removal in a deep reclaimed wastewater reservoir before agricultural reuse[J].Wat Sci Technol，2001，43（10）：125-132

[16] 宋奔奔，劉鷹.海水封閉循環水養殖系統中生物濾器填料的選擇與應用[J].農業技術與裝備，2008，156 （12）： 04-06

[17] 葉劍鋒.廢水生物脫氮處理新技術[M].北京： 化學工業出版社，2006

Abstract：In this study， 4 kinds of substrates， i.e.white sand， coral sand， Philippines sand and Ceramsite were chosen as substrates in mariculture systems and their nitrification kinetics were comparatively analyzed.The results showed that the ammonia oxidation process and nitrite oxidation process of mariculture systems that were established by four kinds of substrates are all in first order reaction.The degradation rate of ammonia nitrogen is in the sequence of coral sand>ceramsite>white sand>philippines sand.And the degradation rate of nitrite nitrogen is in the sequence of coral sand>ceramsite>philippines sand>white sand.There is no direct relationship between the biofilm formation speed and the transformation ability after its mature.

Key words：substrate；nitrification；kinetics；degradation rate

參考文獻：

[1] 吳偉，宋志文，于弘路，等.氨負荷對水族箱硝化功能建立過程的影響[J].河北漁業，2010（11）：4-7

[2] 劉冉，周洋，宋志文，等.硝化細菌對海參養殖系統水質的凈化效果[J].河北漁業，2012（2）：15-18

[3] 孔小蓉，宋志文，周洋，等.不同基質構建海水水族箱硝化功能建立過程的比較研究[J].河北漁業，2009（12）：11-14

[4] 周洋，孔小蓉，宋志文，等.硝化細菌對海水水族箱硝化功能建立過程的影響[J].河北漁業，2009（3）：4-6

[5] Nijhof M.Bacterial stratification and hydraulic loading effects in a plug-flow model for nitrifying trickling filters applied in recirculation fish culture systems [J].Aquaculture，1995（134）：9-64

[6] 張俊新，魏海峰，何潔，等，用煤渣和沸石處理海水養殖廢水的掛膜動力學研究[J].大連水產學院學報，2008，23（3）： 205-209

[7] Zhu S.， Chen S.Impacts of Reynolds number on nitrification biofilm kinetics [J].Aquacultural Engineering，2001（24）：213-229

[8] 何潔，劉長發，吳鈺.三種載體上生物膜硝化作用動力學初步研究[J].應用與環境生物學報，2003，9（5）： 546-548

[9] Chen S.， Ling J.， Blancheton， et al.Nitrification kinetics of biofilm as affected by water quality factors [J].Aquacultural Engineering，2006（34）：179-197

[10] 國家海洋局《海洋監測規范》編輯委員會.海洋監測規范，第一版[M].北京：海洋出版社，1991

[11] 國家環保局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法（第四版）[M].北京：中國環境科學出版社，2002

[12] 張俊新，魏海峰，何潔，等.用煤渣和沸石處理海水養殖廢水的掛膜動力學研究[J].大連水產學院學報，2008，23（3）： 205-209

[13] Yamaguchi T.，Moldrup P.，Rolston D E，et al .Nitrification in porous media during rapid unsaturated water flow[J] .Wat Res，1996，30 （3）：531-540

[14] Kors L J ，Moorman H N ，Wind A P M，et al .Nitrification and low temperature in a raw water reservoir and rapid sand filters[J] .Wat Sci Technol，1998，37（2）：169-176

[15] Delgado S.，Elmaleh S.，Dlaz F.，et al .Ammonia removal in a deep reclaimed wastewater reservoir before agricultural reuse[J].Wat Sci Technol，2001，43（10）：125-132

[16] 宋奔奔，劉鷹.海水封閉循環水養殖系統中生物濾器填料的選擇與應用[J].農業技術與裝備，2008，156 （12）： 04-06

[17] 葉劍鋒.廢水生物脫氮處理新技術[M].北京： 化學工業出版社，2006

Abstract：In this study， 4 kinds of substrates， i.e.white sand， coral sand， Philippines sand and Ceramsite were chosen as substrates in mariculture systems and their nitrification kinetics were comparatively analyzed.The results showed that the ammonia oxidation process and nitrite oxidation process of mariculture systems that were established by four kinds of substrates are all in first order reaction.The degradation rate of ammonia nitrogen is in the sequence of coral sand>ceramsite>white sand>philippines sand.And the degradation rate of nitrite nitrogen is in the sequence of coral sand>ceramsite>philippines sand>white sand.There is no direct relationship between the biofilm formation speed and the transformation ability after its mature.

Key words：substrate；nitrification；kinetics；degradation rate