硝化細菌凈化養殖水體中氨氮實驗

槐創鋒，陳 華

（華東交通大學機電工程學院，江西 南昌330013）

高密度養殖水體中因餌料及排泄物分解導致氨氯含量增高，是引起魚類和其它水生生物中毒死亡的重要原因［1］，因此去除氨氯對養殖用水、改善水質有很大意義。為應對水產養殖品殘留抗生素的危機，世界范圍內關注水產養殖業的可持續發展，大力推廣健康養殖方式。硝化細菌因具有能利用小分子有機物（如氨氮、有機酸等）而快速生長且本身又無毒無害的特性，因而在凈化水質、改善水環境、減少預防疾病的藥物使用量、保證水產品的安全質量等方面正發揮著重要的作用，近年來被廣泛用于有機污水的處理及資源化過程中，其活菌制劑用于水產養殖也取得了積極效果［2-7］。

眾所周知，NH3/NH4+和NO2-對人和其它生物具有毒害作用，而NO3-則是微毒。對養殖水體調查結果表明，水體中NH3/NH4+和NO2-濃度過高是近年來魚病頻繁發生的不可忽視的原因，當水中NH3/NH4+超過1 mg·L-1時，即會使魚類的血液結合氧能力降低，呼吸機能下降；超過3 mg·L-1時，可在24～96 h內使其死亡。而1 mg·L-1以上的NO2-可使魚類紅細胞數量和血紅蛋白數量逐漸減少，血液載氧能力逐漸喪失，使其生理機能紊亂，嚴重時導致高鐵血紅蛋白癥，使魚類中毒死亡［6］。硝化細菌可通過NH4+→NO2-→NO3-這一過程將NO2-轉化為NO3-。

對養殖水體中NH3/NH4+和NO2-的降解實驗數據進行比較分析，試驗過程中，選取合格養殖水體作為實驗用水，在3組樣本中分別加入模擬污染源，研究不同處理方式下硝化細菌對水體中NH3/NH4+和NO2-的降解能力，并結合水中NO3-的變化作為參考數據。

1 實驗材料和方法

1.1 菌種

硝化細菌菌種培養和固定化技術現在已經比較成熟，實驗直接選取市場中成熟的固定化及濃縮液態硝化細菌菌種。

1.2 水質測定

實驗檢測項目包含NH3/NH4+，NO2-和NO3-3項，實驗采用納氏比色法。

1.3 模擬實驗設計

分別取3份樣本水各2 500 ml，分裝于3個有效容積為4 L 的白色塑料桶中（編號1～3），擺放在陽光充足的實驗室內，使用相同的水妖精進行水循環過濾，第1組為空白對照組，第2組一次性加入一定量的固定化粉末硝化細菌，第3組一次性加入相同量的濃縮液態硝化細菌。將河蝦放置在一個汽水瓶中，加入約1/3的自來水，等待蝦的自然死亡和腐敗，在高溫缺氧情況下，河蝦很快死亡。這些污染水作為本實驗的模擬污染源。搖勻后在每個桶里各加入了5 ml此污染液。3 h后，在未作任何處理的情況下測試了第一次水質狀況。第一天（未加入硝化細菌前）自然溫度25 ℃，3個桶水質測試結果：氨/銨全部為4.0 mg·L-1，NO2-全部為2.0 mg·L-1，NO3-全部為10 mg·L-1。每天取樣，分別測定NH3/NH4+，NO2-和NO3-。

2 結果與分析

由于自然蒸發和每日測試時的水樣抽取，桶內的水位已經有了明顯的下降，實驗分別在第11天、23天完成測試后給每個桶內補充500 ml樣本水。同樣，由于連續數日數據都比較穩定，第19天在每個桶內加入0.5 g相同的普通魚飼料，用來模擬養殖水體內的殘餌，并作為持續的污染源以判斷是否建立了穩定的硝化細菌系統。

在實驗組加入固定化粉末硝化細菌或濃縮液態硝化細菌12 h 后分別測定包括對照組在內的水質參數，作為初始值。其它取樣為每24 h采樣1次，共測定30次，測定結果見表1。

表1 不同實驗組別氨氮的變化Tab.1 Change of ammonia nitrogen in different samples mg·L-1

續表1mg·L-1

2.1 NH3/NH4+的去除

如圖1所示，第1組（對照組）的NH3/NH4+濃度一直保持在4.0 mg·L-1，從第10天開始有所下降，到第20天有大幅下降。但由于在第19天加投了有機物，從第21天開始大幅升高，并在第25天再次下降。說明自第20天（約3周）起，在未添加任何硝化細菌的情況下，自然建立了初步的硝化系統，并發揮了一定作用（亞硝化），但仍不穩定，添加有機物后波動劇烈，直到第30天仍沒有達到最佳效果。基本驗證了相關文獻中自然硝化系統完全建立需要4～6周的研究結果。第2組（固定化粉末硝化細菌）和第3組（濃縮液態硝化細菌）的NH3/NH4+濃度均在第4天開始大幅下降，并從第5天開始一直維持在較低的水平，即使中途添加有機物后波動也不大，說明這兩組在第5天左右即已建立了穩定的硝化系統并能夠持續發揮作用。使用硝化細菌后，第2組NH3/NH4+在1周的模擬試驗中下降了95%，第3組平均氨氮去除率達75%，而在自然條件下只下降了25%。通過以上數據可以看出，硝化細菌尤其是固定化粉末硝化細菌具有明顯的去除氨氮、有機質的作用，其在凈化水質方面具有非常明顯的優越性。

圖1 不同實驗組別NH3/NH4+的去除效果Fig.1 Removing of NH3/NH4+in different samples

2.2 NO2-的降解

如圖2和圖3所示，第1組的NO2-一直維持在較高水平，直到第23天才降到2.0以下，說明此時自然產生的硝化系統已初步發揮硝化作用。第2組和第3組能將NO2-控制在較低水平，并保持穩定，在第12天就降到最低，基本檢測不出來，即使在第19天加投了有機物，NO2-的濃度也波動很小，說明硝化系統已經建立并起到了明顯作用。第1組NO2-一直處于較低水平，說明試驗期間沒有更多的NO2-被降解為NO3-。第2組和第3組的NO3-一直呈現緩慢上升的趨勢，說明水體中的NO2-被降解為NO3-。

圖2 不同實驗組別的NO2-去除效果Fig.2 Removing of NO2-in different samples

圖3 不同實驗組別NO3-的變化Fig.3 Changes of NO3-ammonia nitrogen in different samples

3 結果和討論

通過實驗，發現第1組在不人工添加任何硝化細菌的情況下，在第20天才有了初步的硝化系統功能，并處于不穩定狀態，直到第30天仍未完全建立。而第2，3組在第5天開始硝化系統即完全發揮了作用，并一直較為穩定，即使中途添加有機物也未造成任何波動。因此，實驗證明了人工添加硝化細菌確實能夠起到提前建立穩定硝化系統的作用。第2，3組實驗結果表明這兩種硝化菌制劑經過一定時間的活化（5天左右），硝化系統可以穩定運行。但有幾個現象仍值得關注，液態硝化細菌并不是入水即生效，而是仍然需要幾天以后才開始發揮作用。

硝化細菌對養殖水質的凈化和生態調控作用已得到充分肯定［8］，然而在使用游離硝化細菌時，必須定期、定量地加入養殖池中才能穩定地發揮功用。固定硝化細菌則不同，它不僅能在魚池中長期保留而且還可以在固定化過程中人為地調控顆粒的含菌量，并能篩選高效微生物，優化包埋條件，使硝化細菌始終處于優勢地位，穩定地發揮凈化水質作用。

[1] 周娟,李君文,鄭金來.亞硝酸細菌研究進展[J].環境科學與技術,2001(S2):8-10.

[2] 黃正,范瑋,李谷,等.固定化硝化細菌去除養殖水體中氨氮的研究[J].華中科技大學學報:醫學版,2002,30(1):18-21.

[3] 楊春燕,劉麗,馮曉昕,等.固定化硝化細菌去除廢水中氨氮的效果觀察[J].解放軍預防醫學雜志,2006,24(3):192-193.

[4] 楊波,楊志恒,胡文容,等.亞硝化細菌處理氨氮廢水的研究[J].武漢理工大學學報,2007,29(3):63-66.

[5] 高金偉,張海紅,陳瑞楠,等.硝化細菌與枯草芽孢桿菌對養殖水質調控作用研究[J].天津農學院學報,2014,21(1):5-8.

[6] 高金偉,張海紅,陳瑞楠,等.硝化細菌對淡水水族箱水質和異養細菌數量的影響[J].江蘇農業科學,2013,41(6):346-349.

[7] 聶發輝,劉榮榮,劉占孟.富營養化景觀水體的處理技術及相關研究進展[J].華東交通大學學報,2014,31(2):72-78.

[8] 孔娜,薛泉宏,朱留偉,等.磚質固定化硝化細菌對氨氣及銨態氮的轉化效果[J].西北農業學報,2011,20(7):196-200.