5種生物濾料掛膜期間氨氮去除效果的比較

鄭 興,崔云亮,姚 瑤,孟凡同,顧志峰

(海南大學 a.熱帶生物資源教育部重點實驗室; b.海洋學院/海南省熱帶水生生物技術重點實驗室,海南 海口 570228)

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5種生物濾料掛膜期間氨氮去除效果的比較

鄭 興a,b,崔云亮a,b,姚 瑤a,b,孟凡同a,b,顧志峰a,b

(海南大學 a.熱帶生物資源教育部重點實驗室; b.海洋學院/海南省熱帶水生生物技術重點實驗室,海南 海口 570228)

采用自然掛膜法,研究了封閉循環水養殖系統中5種生物濾料掛膜期氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮含量的變化趨勢和相互關系,結果表明：在生物膜掛膜期間,5種不同生物濾料的氨氮質量濃度均隨著系統運行時間的延長而逐漸下降,亞硝酸鹽氮質量濃度先升后降,硝酸鹽氮質量濃度則是逐漸上升. 5種生物濾料中,珊瑚砂和紅色呼吸環的效果最優,約23 d完成掛膜,氨氮去除率為93.0%和92.5%.

生物濾料;循環水養殖系統;掛膜;氨氮;水處理

高密度封閉式工廠化循環水養殖過程中,氨氮降解是實驗海水循環水養殖高效成敗的關鍵[1].循環水養殖系統基本是利用生物濾料附著各種微生物的代謝活動分解養殖過程中所產廢物,即生物膜法,其處理效果好壞取決于濾料上生物膜的附著量和活性,故濾料的選擇與生物過濾處理效果關系十分密切. 理想的生物濾料應具比表面積大、價格低廉、微生物易于附著、密度較小、易反沖洗等特性. 微生物在生物濾料上的附著過程稱為掛膜,掛膜時間長短及掛膜期間水體凈化效果等都是評價生物濾料的指標[2, 3].

關于生物濾料材料的研究興于上世紀30年代,Bower在用生物球及軟性生物填料構建海水濾池研究中發現其硝化功能的建立一般需要40-80d,且生物球效果優于軟性生物填料[4];Hira等對階梯環和空心球進行了研究,發現階梯環氨氮去除效果優于空心球[5];何潔等對沙子、活性炭、沸石進行了研究, 發現沸石氨氧化作用和硝化作用性能均好于活性炭、沙子[6];吳凡等在關于聚苯乙烯泡沫粒子新型懸浮濾料的研究中發現其具有較高的氨氮去除率[7];王際英等在活化爐渣研究中發現活化爐渣與常規生物濾料相比具有較好的氨氮處理效果[8].

筆者以養殖廢水為處理對象, 在室內循環養殖系統中初步探索了珊瑚石、紅色呼吸環、白色玻璃環、火山巖、細菌球5種生物濾料生物掛膜階段的啟動時間長短及氨氮去除效果,并進行橫向比較,以期對不同材質濾料處理海水養殖廢水提供基礎數據和理論參考.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置為上、中、下3層互通的封閉式循環水養殖缸,其中下層用于生物濾料填充. 整個實驗裝置的總有效水體為600 L,采用潮汐式循環封閉系統,室內溫度為25 ℃.潮汐式循環封閉系統的構建原理見文獻[9].

1.2 實驗材料

生物濾料中珊瑚砂于2014年07月3日采自海南省儋州市橋頭港,紅色呼吸環、白色玻璃環、天然火山巖、細菌球等4種濾料均購自臺灣no.1濾料公司. 5種生物濾材具體見圖1.

圖1 各生物濾料外觀圖a.白色玻璃環;b.細菌球;c.紅色呼吸環;d.火山巖;e.珊瑚砂

1.3 實驗方法

1.3.1 氨氮去除檢測方法

1.3.2 數據處理

采用DPS14.5統計軟件處理實驗數據,分析掛膜期間氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮含量變化以及彼此間的變化關系.

2 實驗結果

圖2 掛膜過程中-N質量濃度的變化

圖3 掛膜過程中-N質量濃度的變化

圖4 掛膜過程中-N質量濃度的變化

3 討論

19世紀20-30年代,英國人最早以碎石、爐渣作為生物濾料處理廢水,隨后國內外大量學者對生物濾料的高生物濃度、高氧氣傳質效率、高降解能力等方面進行研究. Hiraz對比研究了階梯環和空心球生物濾料的特性,發現階梯環氨氮去除效果優于空心球[5];Moore對尺寸范圍分別為1.5 mm-3.5 mm和2.5 mm-4.5 mm的濾料處理效果影響進行了研究,發現粒徑在1.5-3.5 mm的濾料對氨氮的處理效果較優[10];宋協法發現懸浮球形濾料氨氮去除效果優于軟性濾料、彈性濾料、半彈性濾料[11];趙倩發現珊瑚石及火山巖硝化速率大于生物濾球[12].

本文針對珊瑚石、紅色呼吸環、白色玻璃環、天然火山巖、細菌球這5種生物濾材進行了關于生物膜形成時間長短,及在形成過程水體氨氮含量、亞硝酸鹽含量及硝酸鹽含量變化,即生物濾料在掛膜期間的凈水效果.

硝酸鹽氮質量濃度達最大值所需時間與亞硝酸鹽氮質量濃度降至最低值所需時間基本吻合,即在系統運行23 d后. 該現象與張延青等人的研究結果較為相似[18].

本實驗所用的5種生物濾料(細菌球、白色玻璃環、火山巖、紅色呼吸環、珊瑚砂)在生物掛膜階段中,珊瑚砂及紅色呼吸環性能優于細菌球、白色玻璃環、火山巖,主要表現為其啟動時間較快、氨氮去除率較高.

[1]曲克明,杜守恩.海水工廠化高效養殖體系構建工程技術[M].北京:海洋出版社,2010:369.

[2]Qiu G, Xiang L, Song Y, et al. Comparison and modeling of two biofilm processes applied to decentralized wastewater treatment[J].Frontiers of Environmental Science & Engineering in China. 2009,3(4):412-420.

[3]Zhu M, Wang W. Engineering Test of Biological Aerated Filter to Treat Wastewater[M].Information and Management Engineering, Zhu M, Springer Berlin Heidelberg, 2011,544-550.

[4]Bower C E, Turner D T. Effects of seven chemotherapeutic agents on nitrification in closed seawater culture systems[J].Aquaculture. 1982, 29(3-4): 331-345.

[5]Hirai M K M Y M. Comparison of the biological NH3 removal characteristics among four inorganic packing materials[J].Journal of Bioscience and Bioengineering. 2001,91(4):428-430.

[6]何潔,劉長發,張紅霞.3種載體上生物膜的硝化性能[J].中國水產科學. 2003,10(1): 65-68.

[7]吳凡,鮑越鼎,劉晃,等.一種新型懸浮濾料在循環水養殖系統中的生物過濾效果[J].水產科技情報,2008,35(6):293-296.

[8]王際英,喬洪金,李寶山,等.活化爐渣作為生物濾料在循環式海水工廠化養殖中的應用[J].漁業現代化,2014(3):1-4；10.

[9]黃濱,田景波,孫修濤.海水池塘養殖污水減排系統的設計和工程化技術[Z].2008.

[10]Moore R Q J S T. The effects of media size on the performance of biological aerated filters[J].Water Research,2001,35(10):2514-2522.

[11]宋協法,柳瑤,黃志濤.不同濾料及掛膜方式對養殖污水處理效果的研究[J].環境工程學報，2010(8):687-1691.

[12]趙倩,曲克明,崔正國,等.碳氮比對濾料除氨氮能力的影響試驗研究[J].海洋環境科學，2013(2):243-248.

[13]山形陽一,梅志平譯. 循環過濾裝置的維護和管理[J].水產科技情報,1991,18(2):58-60.

[14]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(3):205-209.

[15]劉雨等. 生物膜法污水處理技術[M].2000:215.

[16]王威,曲克明,王海增,等.水力負荷對3種濾料生物掛膜和溶解無機氮去除效果的初步研究[J].安全與環境學報,2012(1):66-71.

[17]李冬梅,龍倩雯,周志寧,等.生物-氧化鐵改性砂對氨氮的強化過濾性能[J].中國給水排水,2014(3):5-9.

[18]張延青,劉鷹,石芳永,等.海水生物濾器除氮性能及硝化動力學研究[J].環境工程學報,2010(8):1697-1703.

Comparison of The Aammonia-removing Eefficiency of Five Biofilters in Rrecirculating Aquaculture System During Biofilm Cultivation

ZHENG Xinga,b,CUI Yun-lianga,b,YAO Yaoa,b, MENG Fan-tonga,b, GU Zhi-fenga,b

(a. Ministry of Education Key Laboratory of Tropical Bio-resources, Hainan University, Haikou Hainan 570228, China; b. Ocean College/Hainan Key Laboratory of Tropical Hydrobiological Technology, Hainan University, Haikou Hainan 570228, China)

2015-03-23

國際科技合作專項(2012DFG32200，2013DFA31780);國家科技支撐計劃(2012BAC18B04);海南省科技興海項目(XH201314)

鄭興(1990- ),男,浙江湖州人,海南大學海洋學院水產養殖專業2014級碩士研究生,研究方向為海洋生物遺傳育種及生態養殖.

顧志峰(1975-),男,江蘇常州人,海南大學海洋學院教授,博士,研究方向為貝類養殖與海洋生態.

S668． 4

A

1008-6722(2015) 02-0080-05

10.13307/j.issn.1008-6722．2015．02．18