利用好氧顆粒污泥處理水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水的研究*

高錦芳 譚洪新,2,3 顧德平 羅國芝,2,3# 陳家捷 劉文暢(.上海海洋大學水產(chǎn)與生命學院，上海 20306；2.上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，上海 20306；3.水產(chǎn)動物遺傳育種中心上海市協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 20306；.上海市奉賢區(qū)農(nóng)業(yè)委員會，上海 2099)

水產(chǎn)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)與傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式相比，具有占地面積少、節(jié)約耗水量、高密度集約化和廢水排放可控等優(yōu)點。RAS的推廣可有效解決養(yǎng)殖廢水的排放問題，但RAS容易積累硝態(tài)氮，一般情況下，硝態(tài)氮的安全質(zhì)量濃度在50 mg/L以下[1]，高濃度硝態(tài)氮將影響?zhàn)B殖對象的生長，使其成活率、免疫力降低，體質(zhì)變?nèi)跎踔了劳鯷2-3]。同時，硝態(tài)氮排放到環(huán)境中將使周圍水體富營養(yǎng)化，因此需要在RAS中添加反硝化處理設備去除硝態(tài)氮。

好氧顆粒污泥具有同時硝化反硝化(SND)的特點，因此可將好氧顆粒污泥應用于RAS的硝態(tài)氮處理[4-5]。目前，好氧顆粒污泥主要應用于生活污水和工業(yè)污水處理，還未有研究將好氧顆粒污泥應用于水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水的處理[6]。為此，本研究嘗試用好氧顆粒污泥處理水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水，為水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水中硝態(tài)氮的去除提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行工況

試驗采用序批式活性污泥反應器(SBR)處理水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水，SBR有效體積為6 L，接種絮體為上海海洋大學循環(huán)水研發(fā)平臺內(nèi)生物絮凝養(yǎng)殖羅非魚的生物絮體，其總懸浮固體(TSS)為3 472.67 mg/L，接種量為3 L。SBR運行周期為180 min，其中曝氣160 min，沉降10 min，出水5 min，進水5 min。每周期出水體積為3 L，每天排泥500 mL，水力停留時間(HRT)為6 h，污泥停留時間(SRT)為15 d。低溶解氧體系不利于好氧顆粒污泥的形成[7]，因此將3個平行運行的SBR連接在一個ACO-008B型空氣泵上，每個SBR的曝氣量為30 L/min，曝氣時SBR內(nèi)溶解氧為6.4～7.1 mg/L。因水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水中缺乏好氧顆粒污泥形成和保持活性的必要條件，為保證水中足夠的碳源，每天從RAS取水后添加葡萄糖，維持碳氮比(溶解性有機碳/(氨氮+硝態(tài)氮))為15。研究表明，在中性偏堿的環(huán)境中，好氧顆粒污泥對有機物及氮素的去除效果較佳[8]，所以在試驗中添加碳酸氫鈉維持進水pH在7.0～8.5。進水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為24.0～50.0 mg/L，亞硝態(tài)氮為0.020～0.475 mg/L，氨氮為0.12～6.03 mg/L，溶解性磷酸鹽為1.8～15.7 mg/L，溶解性有機碳為179.0～605.1 mg/L。

1.2 水質(zhì)測定及絮體形態(tài)觀察

試驗期間每天測定SBR中水質(zhì)指標,每2天測定TSS及揮發(fā)性懸浮固體(VSS)的質(zhì)量濃度，并考察絮體沉降性能。pH、溶解氧、溫度采用Multi3430型多參數(shù)水質(zhì)測量儀測定。水樣經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾后，測定溶解性有機碳、硝態(tài)氮、氨氮、亞硝態(tài)氮和溶解性磷酸鹽的質(zhì)量濃度。其中，硝態(tài)氮采用N-(1-萘基)-紫外分光光度法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；亞硝態(tài)氮采用鹽酸萘乙二胺比色法測定；溶解性磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法測定[9]；溶解性有機碳采用總有機碳分析儀測定；TSS、VSS采用稱重法測定。采用SVI5衡量絮體沉降性能，SVI5指混合液沉降5 min后1 g干絮體所占的體積，SVI5越小，表示絮體沉降性能越好。每隔2天用顯微鏡觀察絮體并拍照，最后用4’,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)染色好氧顆粒污泥[10]，用熒光倒置顯微鏡觀察污泥形態(tài)。

1.3 粗蛋白和粗脂肪的測定

采用元素分析儀對生物絮體中的碳、氮含量進行分析，粗蛋白采用杜馬斯燃燒定氮法測定[11]；粗脂肪采用Floch法測定[12]，方法如下：將接種生物絮體或好氧顆粒污泥于65 ℃干燥，稱取一定干燥物質(zhì)用氯仿-甲醇混合溶液浸提24 h，抽濾混合液，將得到的濾液放置于50 mL已稱重的燒杯中真空干燥12 h，稱量燒杯質(zhì)量，粗脂肪質(zhì)量分數(shù)計算如下：

M=(W3-W2)/W1×100%

(1)

式中：M為生物絮體或好氧顆粒污泥中粗脂肪的質(zhì)量分數(shù)，%；W3為加入濾液并真空干燥12 h后的燒杯質(zhì)量，g；W2為燒杯自身質(zhì)量，g；W1為生物絮體或好氧顆粒污泥的質(zhì)量，g。

1.4 胞外聚合物(EPS)的提取及測定

好氧顆粒污泥的形成機制為EPS假說，認為EPS將微生物細胞與顆粒態(tài)物質(zhì)連接形成好氧顆粒污泥[13-14]。EPS采用超聲波法提取：取40 mL泥水混合液于5 578 r/min下離心5 min，倒去上清液，取出固體加入20 mL純水，用漩渦振蕩器重懸浮1 min，再將混合液于6 831 r/min下離心10 min，將上清液經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾，得到松散結(jié)合胞外聚合物(LB-EPS)。將剩余固體用20 mL超純水重懸浮，將得到的混合液放置在冰浴中用SCIENTZ-ⅡD型細胞破碎儀(400 W)超聲10 min，8 818 r/min下離心10 min，上清液經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾，得到緊密結(jié)合胞外聚合物(TB-EPS)[15]。EPS中的多糖含量采用硫酸-蒽酮法測定(基準物質(zhì)為葡萄糖)；蛋白質(zhì)含量采用修正的Folin-酚法測定(基準物質(zhì)為牛血清蛋白)；DNA采用二苯胺法測定(基準物質(zhì)為2-脫氧-D-核糖)[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮體變化

圖1、圖2分別為200倍顯微鏡和高倍電子顯微鏡下接種生物絮體和培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥圖片。由圖1(a)、圖2(a)可見，接種生物絮體結(jié)構(gòu)松散、邊緣模糊，而從圖1(b)、圖2(b)可見，培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥邊緣整齊，顆粒結(jié)構(gòu)緊密，平均粒徑約為150 μm，外觀呈橙黃色顆粒狀。可將好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過程分解為絮體優(yōu)勢期、競爭共存期、顆粒優(yōu)勢期[17]。競爭共存期時，SBR通過沉降出水將沉降性能較差的絮體排出，使顆粒污泥形成生長優(yōu)勢。對好氧顆粒污泥進行DAPI染色，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，好氧顆粒污泥是由微生物形成的結(jié)構(gòu)緊湊、外形規(guī)則的密集聚合體。由于好氧顆粒污泥緊密的結(jié)構(gòu)和較大的粒徑使其具有好氧區(qū)域、缺氧區(qū)域和厭氧區(qū)域，保持了良好的生物多樣性。通過異養(yǎng)細菌、硝化細菌和反硝化細菌的協(xié)同作用，好氧顆粒污泥可以較好地實現(xiàn)碳氮的同步去除[18]。

SBR運行期間，混合液TSS、VSS、SVI5的變化情況見圖3。由圖3(a)可見，混合液SVI5從最初的126.73 mL/g升高到236.55 mL/g，再持續(xù)降低至28.94 mL/g，運行后期，SBR內(nèi)成功培養(yǎng)出大量好氧顆粒污泥，這些好養(yǎng)顆粒污泥具有較好的沉降性能。由圖3(b)可見，SBR運行過程中VSS變化趨勢與TSS變化趨勢相同，兩者質(zhì)量濃度在波動中持續(xù)增加，在39～51 d基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，好氧顆粒污泥培養(yǎng)結(jié)束后，SBR內(nèi)VSS穩(wěn)定在16.33～17.47 g/L，TSS穩(wěn)定在17.25～18.57 g/L。

圖1 200倍顯微鏡下的生物絮體和好氧顆粒污泥Fig.1 The photos of the bioflocs and aerobic granule sludge under 200 magnified visual field

圖2 5 000倍電子顯微鏡下的生物絮體和好氧顆粒污泥Fig.2 The photos of the bioflocs and aerobic granule sludge under electron microscope of 5 000 times

2.2 反應器出水水質(zhì)

SBR運行期間水質(zhì)變化情況如圖4所示。由圖4可見，SBR運行初期，出水亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、溶解性有機碳及溶解性磷酸鹽的濃度均明顯降低，氨氮濃度波動較大。第1天出水亞硝態(tài)氮、溶解性磷酸鹽的濃度高于進水，說明SBR中存在反硝化反應及有機質(zhì)的降解。隨著SBR中好氧顆粒污泥的逐漸形成，硝態(tài)氮、溶解性有機碳、溶解性磷酸鹽都達到較好的去除效果，去除率在90%以上。反應器出水亞硝態(tài)氮不穩(wěn)定，多次出現(xiàn)出水亞硝態(tài)氮濃度高于進水的情況，這是因為好氧顆粒污泥內(nèi)部存在厭氧區(qū)，具有反硝化作用，而亞硝態(tài)氮作為反硝化的中間產(chǎn)物，出水濃度受進水氨氮影響較大。總體看來，出水亞硝態(tài)氮的濃度較低，在羅非魚的耐受范圍內(nèi)，不會對水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生影響。受進水氨氮濃度影響，SBR出水氨氮波動較大，氨氮去除率總體在50%左右，較硝態(tài)氮去除率低，這是緣于好氧顆粒污泥主要以硝態(tài)氮為氮源，對硝態(tài)氮的適應濃度較高，因此SBR對硝態(tài)氮的處理效果更好。

2.3 典型周期內(nèi)SBR的水質(zhì)變化

圖5為一個典型周期內(nèi)SBR中3種形態(tài)氮和溶解性有機碳的變化。由圖5可見，SBR內(nèi)硝態(tài)氮在5 min內(nèi)被迅速利用，從27.7 mg/L降到5.1 mg/L，運行到10 min后，硝態(tài)氮已下降到1.0 mg/L以下，在隨后的170 min內(nèi)，硝態(tài)氮穩(wěn)定在0.6 mg/L以下。亞硝態(tài)氮、氨氮在運行前期均呈先升高再降低的趨勢，其中亞硝態(tài)氮在運行90 min后達到穩(wěn)定，氨氮在運行30 min后達到穩(wěn)定，兩者在運行后期均維持較低的濃度水平。SBR中溶解性有機碳在30 min內(nèi)迅速降低，說明反應器內(nèi)發(fā)生硝化—反硝化反應，SBR內(nèi)的好氧顆粒污泥能快速吸附并利用水體中的氮素和溶解性有機碳。王昌穩(wěn)等[19]研究發(fā)現(xiàn)，由于好氧顆粒污泥由大量微生物細胞和EPS構(gòu)成，具有負表面電位和很高的吸附活性，同時好氧顆粒污泥具有多孔表面，因此能夠快速吸附利用水中的氨氮，通過硝化作用將其氧化為硝態(tài)氮。此外，好氧顆粒污泥內(nèi)部存在缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，有助于硝態(tài)氮被快速反硝化利用，最終以氮氣的形式排出實現(xiàn)氮素去除。

圖3 SBR運行過程中SVI5、TSS、VSS變化Fig.3 The changes of SVI5，TSS,VSS during the operation of SBR

圖4 運行過程中SBR內(nèi)水質(zhì)變化Fig.4 The changes of water quatily during the operation of SBR

2.4 粗蛋白和粗脂肪含量變化

隨著SBR的運行，生物絮體逐漸培養(yǎng)成好氧顆粒污泥，期間粗蛋白及粗脂肪的變化情況見圖6。由圖6可見，SBR內(nèi)生物絮體粗蛋白的質(zhì)量分數(shù)從最初的29.9%最高增加到46.6%，運行結(jié)束后，好氧顆粒污泥的粗蛋白質(zhì)量分數(shù)為34.6%，說明生物絮體經(jīng)馴化后可以利用水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水中的硝態(tài)氮合成細胞內(nèi)物質(zhì)。生物絮體中粗脂肪的質(zhì)量分數(shù)總體呈上升趨勢，從最初的1.2%增加到2.0%以上。生物絮凝養(yǎng)殖目前已成功應用到濾食性水產(chǎn)品如羅非魚、對蝦的養(yǎng)殖中，且有研究表明，羅非魚和蝦類會主動攝食生物絮體，提高對絮體蛋白的利用率[20-21]。本研究培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥粗蛋白含量已達到羅非魚的生長需求，但粗脂肪含量與羅非魚的生長需求(7.67%～9.34%)相差較大[22-23]。因此，好氧顆粒污泥是否能在處理水質(zhì)的同時以飼料或補充蛋白的形式應用到實際養(yǎng)殖中，還有待進一步的研究。

圖5 典型周期內(nèi)SBR的水質(zhì)變化Fig.5 The changes of water quatily in a typical cycle of SBR

圖6 粗蛋白和粗脂肪的變化Fig.6 The change of crude protein and crude fat

2.5 生物絮體與好氧顆粒污泥EPS比較

EPS是在一定環(huán)境條件下細菌和其他微生物用于自我保護和互相黏連而分泌于細胞外的一種具有黏性的聚合物[24]，EPS對好氧顆粒污泥的形成、穩(wěn)定起著重要的作用。EPS由LB-EPS及TB-EPS共同構(gòu)成，其中LB-EPS位于細胞外層，主要靠氫鍵和離子鍵結(jié)合，有較高的負電性和較強結(jié)合水能力，使絮體外層具有空間位阻和靜電斥力，其特點是結(jié)構(gòu)松散，能夠溶解營養(yǎng)物質(zhì)和氧。TB-EPS位于細胞內(nèi)層，通過疏水結(jié)合位相互結(jié)合在一起，使絮體具有緊密的結(jié)構(gòu)[25-26]。

利用超聲波法分別提取接種生物絮體及好氧顆粒污泥的TB-EPS和LB-EPS，研究發(fā)現(xiàn)，生物絮體內(nèi)TB-EPS和LB-EPS的質(zhì)量濃度(以單位質(zhì)量VSS中總有機碳(TOC)質(zhì)量計，下同)分別為(12.70±1.92)、(0.79±0.39) mg/g，好氧顆粒污泥中TB-EPS和LB-EPS的質(zhì)量濃度分別為(55.97±8.62)、(0.64±0.02) mg/g。可見，生物絮體中LB-EPS含量較好氧顆粒污泥高，而TB-EPS含量較好氧顆粒污泥低，進一步證明了LB-EPS使絮體變得松散，TB-EPS使絮體變得緊密的結(jié)論。

生物絮體與好氧顆粒污泥的LB-EPS、TB-EPS物質(zhì)組成見圖7。由圖7可見，生物絮體LB-EPS中的多糖顯著高于好氧顆粒污泥(P<0.05)，而蛋白質(zhì)、腐殖酸、DNA、TOC含量與好氧顆粒污泥無顯著差異(P>0.05)。好氧顆粒污泥TB-EPS中的多糖、TOC含量顯著高于生物絮體(P<0.05)，而蛋白質(zhì)、腐殖酸和DNA無顯著性差異(P>0.05)。可見生物絮體與好氧顆粒污泥中EPS的主要區(qū)別成分是多糖。

圖7 生物絮體和好氧顆粒污泥EPS中蛋白質(zhì)、腐殖酸、多糖、DNA、TOC質(zhì)量濃度Fig.7 The content of protein,humic acid,polysaccharide,DNA,TOC in EPS of bioflocs and aerobic granule sludge

3 結(jié) 論

(1) 在SBR內(nèi)接種生物絮體，用水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)好氧顆粒污泥，在溶解氧為6.4～7.1 mg/L的條件下，培養(yǎng)出的好氧顆粒平均粒徑在150 μm，SBR內(nèi)VSS在16.33～17.47 g/L，TSS在17.25～18.57 g/L，好氧顆粒污泥對水產(chǎn)循環(huán)養(yǎng)殖廢水具有較好的處理效果，硝態(tài)氮、溶解性有機碳、溶解性磷酸鹽去除率均在90%以上。運行結(jié)束后，好氧顆粒污泥粗蛋白和粗脂肪含量均高于接種生物絮體。

(2) 生物絮體內(nèi)LB-EPS含量比好氧顆粒污泥高，而TB-EPS含量比好氧顆粒污泥低，這與生物絮體結(jié)構(gòu)松散，而好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實有關(guān)。生物絮體與好氧顆粒污泥中EPS的主要區(qū)別成分是多糖。

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