氣水比對移動床生物濾器凈化海水養殖廢水的影響

馬曉娜, 李 賢, 張延青, 王 博, 李 甍, 劉 鷹

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氣水比對移動床生物濾器凈化海水養殖廢水的影響

馬曉娜1, 2, 李 賢1, 張延青3, 王 博3, 李 甍4, 劉 鷹5

(1. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 青島理工大學, 山東 青島 266033; 4. 中國海洋大學, 山東 青島 266100; 5. 大連海洋大學, 遼寧 大連 116023)

生物濾器是海水養殖廢水凈化的核心處理單元, 而氣水比是影響移動床生物濾器處理效率的關鍵因素。本實驗采用掛膜成熟的移動床生物濾器和人工模擬海水養殖廢水, 研究了不同氣水比(6︰1、10︰1、15︰1、20︰1、30︰1)對移動床生物濾器處理海水養殖廢水效能的影響。結果表明: 隨著氣水比的增大, 氨態氮(TAN)去除率呈現出先降低后增加的趨勢, 亞硝酸鹽(NO2–-N)的積累率呈現出先增加后降低的趨勢, 化學需氧量(COD)去除率呈現降低的趨勢。氣水比為6︰1時TAN和COD平均去除率最大(TAN 12.55%±0.80%, COD 16.63%±1.28%), NO2–-N平均積累率相對較小(109.71%±23.94%), 且出水水質穩定, 波動最小, 對水質的凈化效果明顯好于其他的氣水比條件, 因此氣水比6︰1是實驗條件下的最佳氣水比, 可為實際生產應用提供理論參考。

移動床生物濾器; 海水養殖廢水; 氣水比; 凈化效能

中國是世界水產養殖第一大國, 產量可達世界海水養殖產量的70%[1], 與傳統養殖模式相比, 工廠化循環水養殖模式具有節水、節能、生態效益高、人工可控等優點[2-3], 是未來水產養殖業發展方向之一。海水封閉循環水養殖通過對養殖廢水的凈化處理實現循環回用, 其中水質處理是關鍵。與生活污水和工業廢水相比, 海水養殖廢水鹽度較高、溫度較低、污染濃度較低、水質處理指標要求高[4], 這些特點增加了水處理的難度。生物濾器是循環水養殖水處理系統的核心單元, 也是其中能耗最大的單元, 可以有效轉化和脫除養殖廢水中的氨氮、亞硝酸鹽氮和有機物, 是目前國內外廣泛推廣使用的廢水處理技術[3, 5]。

生物濾器按照填料是否相對固定, 分為固定床(Fixed Bed Reactor)和移動床(Moving Bed Reactor)。與固定床相比, 移動床生物濾器單位體積養殖生物承載量大、不易堵塞、抗沖擊負荷強、處理效率高, 被認為是一種新型高效的廢水處理方法[6-7]。國內外對移動床生物濾器的研究主要集中在污染濃度較高的工業廢水和生活污水處理領域[8], 而對于處理低污染濃度的海水養殖廢水的研究報道較少[9]。因此, 利用移動床生物濾器處理海水循環水養殖廢水亟待進一步的研究。氣水比即氣流量和水流量的比值, 是影響移動床生物濾器處理效率的關鍵因素, 其可通過直接影響濾器內溶氧濃度、污染物傳質速率, 影響相關降解微生物如碳化細菌、硝化細菌等的生長, 進而影響生物膜的生長代謝和附著脫落過程[10-11]。氣水比過小則溶解氧不足, 填料循環移動不暢, 不利于硝化反應; 而氣水比過大不僅能耗增加, 而且填料表面不斷沖刷可能造成生物膜脫落, 使得生物濾器處理效果下降[12]。因此探尋合適的氣水比非常重要。

本研究初步探討了不同氣水比對移動床生物濾器海水養殖廢水處理效能的影響, 旨在探尋能獲得較好凈化效率的最佳氣水比, 為移動床生物濾器在實際工廠化循環水養殖生產中的推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗裝置概述

本實驗設計并構建了一套實驗室規模的上流式生物濾器系統, 圖1為實驗移動床生物濾器結構示意圖。實驗用生物濾器構造整體是圓柱形, 上半部分采用不透明的PVC材料, 下半部分采用透明的有機玻璃, 以便查看其內部填料的移動情況; 底部為45°傾角, 直徑為11 cm, 有效高度為70 cm, 有效體積為6.3 L。濾器上部設置帶有旋塞的斜三通作為填料口, 方便填料的放入和取出。濾器出水口高60 cm處設置高位水箱, 蓄水池中的實驗用水由潛水泵提升至高位水箱, 然后由重力作用經連通管由反應器底部進水, 上部出水口出水。下部距出水口約10 cm處布設圓形有孔擋板, 防止填料在運動過程中流失或堵住出水口。曝氣采用微孔曝氣的方式, 氣泡密集, 有利于填料的移動。曝氣頭布設于底部氣箱中, 底部傾角處曝氣, 氣泡上升, 帶走部分水體, 形成空區, 底板上的填料不斷移動循環至傾角底部, 有利于填料在濾器內循環, 使得污水與填料能夠充分接觸。生物濾器的進水由液體流量計控制, 進氣由氣體流量計控制, 以設置不同的氣水比。

實驗裝置設計依據如下:

(1) 濾器高度和直徑

不同的高徑比(/)對生物濾器影響不同:/大的反應器, 液體循環流量大, 速度快, 抗沖擊負荷能力高, 處理效率高;/小的反應器, 結構穩定, 運行管理方便, 基建投資少。一般移動床/范圍為4~15。由2=4/π[13]可知,的較小變化會引起的較大變化, 反之由改變引起的變化較小。所以在設計反應器時, 優先確定高度。綜合考慮,選擇70 cm,選擇11 cm的標準徑。

(2) 填料投加量

填料投加量計算如下[13-14]:

s=s/d×1/(p–m)3–1 (1)

其中,s為填料濃度(g/L);為生物濃度(g/L);s為惰性填料真密度(g/cm3),s=0.634g/cm3;d為生物膜干密度(g/cm3),d=1.4 g/cm3;p為生物填料半徑(mm), 即填料掛膜后半徑,p=10.8 mm;m為惰性填料半徑(mm), 即填料掛膜前半徑,m=10 mm。

=v/s(2)

其中,v為容積負荷, 取v=9 kg/(m3·d);s為污泥負荷, 取s=1.2 kg/(kg·d)。v、s選擇依據: 易降解廢水v可取7~10 kg/(m3·d), 處理低濃度廢水的反應器s可取 1.0~1.5 kg/(kg·d)。

由(1)(2)可得填料濃度s= 66.335 g/L。

=s(3)

其中,為生物濾器有效體積,=6.3 L;為反應區填料投加量, 計算得=417.91 g。

載體投加體積1=/s=417.91/0.634=659.165 cm3(4)

所用填料單個有效體積約為1.75 cm3(表1), 計算得填料投加量約為376個。

圖1 移動床生物濾器示意圖

1.1.2 實驗填料

本實驗選用K3型填料, 其為多孔懸浮的圓環狀填料。其質量輕, 價格低廉, 孔隙率大, 機械強度高, 不僅適合微生物附著生長, 且便于移動循環, 在國內外廢水處理中得到廣泛應用。填料的各項常用物理參數見表1。

表1 填料的物理參數

1.1.3 實驗用水

本實驗采用化學試劑配制人工模擬海水養殖廢水。通過向新鮮海水中投加氯化銨和葡萄糖控制水體中的TAN和COD, 投加量分別為: 氯化銨15.29 g/m3, 葡萄糖25.71 g/m3, 新鮮海水來自中國科學院海洋研究所。進水TAN 5~6 mg/L, COD 23~30 mg/L, NO2–-N 0.001~0.003 mg/L, pH 7.4~7.8, 實驗期間水溫22~26℃,水力停留時間1 h。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計

本實驗在水力停留時間40 min、氣水比為10︰1、溶解氧充足、進水水溫為15~20℃的條件下進行掛膜, 各反應器在71 d后TAN去除率均達到穩定狀態且出水亞氮濃度變化較小, 視為掛膜基本成熟。此后采用此掛膜成熟的移動床生物濾器進行實驗, 通過氣體流量計和液體流量計改變氣水比, 于改變氣水比后第1, 2, 3, 5, 7, 9, 10 d取樣進行水質監測。共設置6︰1、10︰1、15︰1、20︰1、30︰1等5個氣水比處理, 每組處理設置三個重復。

1.2.2 水質測定

本實驗選取COD、TAN、NO2–-N為主要水質指標, 實驗期間監測pH值、溫度等常規指標, 具體方法參照海洋監測規范[15]及優化方法[16], 其中, COD: 堿性高錳酸鉀法; TAN: 納氏試劑分光光度法; NO2–-N: 萘乙二胺分光光度法; pH值和溫度分別使用YSI便攜式pH計和溫度計進行測定。

1.2.3 數據分析方法

污染物去除率計算公式: 去除率=(o–G)/o×100, 其中,o為進水水質指標平均濃度;G為出水水質指標平均濃度。實驗結果以平均值±標準差表示, 數據分析采用軟件SPSS 19.0進行單因素方差分析(one- way ANOVA), 統計檢驗采用Duncan方法(<0.05)。

2 結果

2.1 氣水比對 TAN去除效果的影響

圖2為不同氣水比條件下生物濾器TAN去除率。圖3為不同氣水比條件下生物濾器TAN平均出水濃度及平均去除率。結果表明, 隨著氣水比的增大, TAN去除率先降低后增加, 氣水比由6︰1增大至20︰1時, TAN去除率持續降低, 當氣水比繼續增加至30︰1時, TAN去除率出現增加的趨勢。在氣水比為6︰1時對氨氮的去除效果最好, 去除率最高且保持穩定, 平均可達12.55%±0.80%, 出水TAN濃度最低, 低于4.5 mg/L, 波動最小。隨著氣水比的增大, 出水TAN濃度波動變大, 濃度增大, 氣水比在20︰1時, TAN去除率最低, 出水TAN濃度最大, 峰值達到6 mg/L,波動也最為劇烈。TAN去除率由大到小排列為6︰1、10︰1、30︰1、15︰1、20︰1。對TAN去除率的單因素方差分析結果表明, 氣水比6︰1時, TAN去除率顯著高于氣水比15︰1和20︰1(<0.05), 與10︰1和 30︰1條件下去除率無顯著性差異(>0.05), 氣水比10︰1與20︰1條件下去除率差異顯著(<0.05), 其他氣水比條件下TAN去除率差異不顯著(>0.05)。

圖2 不同氣水比條件下生物濾器 TAN 去除率

圖3 不同氣水比條件下生物濾器TAN平均出水濃度及平均去除率

2.2 氣水比對NO2–-N積累的影響

圖4為不同氣水比條件下生物濾器NO2–-N的積累率。圖5為不同氣水比條件下生物濾器NO2–-N平均出水濃度及平均積累率。結果表明, 隨著氣水比的增大, NO2–-N的積累率先增加后降低, 氣水比由6︰1增加至10︰1, NO2–-N的積累率出現驟增, 隨著氣水比的繼續增加由10︰1至30︰1, NO2–-N的積累率出現逐漸下降的趨勢。在氣水比為30︰1時對NO2–-N的處理效果最好, 平均積累率最低且保持穩定, 平均可達95.24%±20.44%, 出水NO2–-N波動小, 受進水條件影響較小。在氣水比為6︰1時NO2–-N的平均積累率較高于氣水比30︰1但無明顯差異, 平均積累率可達109.71%±23.94%, 出水NO2–-N波動小。氣水比在10︰1時, NO2–-N積累率最大, 平均積累率高達339.70%±49.77%, 出水NO2–-N波動劇烈, 不穩定。NO2–-N累積率由小到大排列為30︰1、6︰1、20︰1、15︰1、10︰1。對出水NO2–-N積累率的單因素方差分析表明: 氣水比6︰1條件下顯著低于氣水比15︰1(<0.05), 極顯著低于氣水比10︰1 (<0.01), 氣水比10︰1和20︰1顯著差異(<0.05), 其他氣水比條件下NO2–-N去除率差異不顯著(>0.05)。

圖4　不同氣水比條件下生物濾器NO2–-N積累率

圖5　不同氣水比條件下生物濾器NO2–-N平均出水濃度及平均積累率

2.3 氣水比對COD去除效果的影響分析

圖6為不同氣水比條件下生物濾器對COD的去除率。圖7為不同氣水比條件下生物濾器COD平均出水濃度及平均去除率。由圖可以看出, 當氣水比為6︰1時, 生物濾器對COD的處理效果最好, 出水COD濃度最低, 去除率顯著高于其他氣水比條件(>0.05), 最高去除率達22.58%±6.72%, 平均去除率達16.63%±1.28%, 出水較為穩定, 波動小。隨著氣水比的增大, COD去除率出現降低的趨勢。COD平均去除率由大到小排列為6︰1、15︰1、10︰1、20︰1、30︰1。對生物濾器COD去除率進行單因素方差分析結果表明, 氣水比6︰1條件下顯著高于其他氣水比10︰1、15︰1、20︰1、30︰1(<0.05), 10︰1、15︰1、20︰1、30︰1氣水比條件下, 兩兩之間差異不顯著(>0.05)。

圖6 不同氣水比條件下生物濾器COD去除率

圖7 不同氣水比條件下生物濾器COD 平均出水濃度及平均去除率

3 討論

氣水比不僅為生物濾器微生物的呼吸提供必須的“臨界氧濃度”, 還是生物反應器內反應動力學參數的重要指標[17]。氣水比越大, 與溶氧濃度相關的功能微生物如碳化細菌、硝化細菌、亞硝化細菌等的活性相對越強, 但當氣水比過大時, 反而會降低處理效能[18-19]。合適的氣水比是影響移動床生物濾器處理效能和工程投資經濟性的重要控制因素[20], 可以有效提高生物濾器的生物硝化速率和有機物分解速率。因此, 本研究在實驗室條件下設計構建移動床生物濾器, 并利用掛膜成熟后的生物濾器探尋不同氣水比對移動床生物濾器去除效果的影響。

循環水系統中主要的代謝廢物為殘餌、糞便產生的TAN、NO2–-N和有機物[21]。TAN是魚類排泄物的主要成分, 非離子氨會毒害養殖生物。TAN的積累會影響養殖生物的生理生化指標進而影響其生長繁殖, 甚至嚴重時致使生物死亡, 導致嚴重的經濟損失[22]。有研究發現, NO2–-N是誘發魚病的環境因子之一[23]。NO2–-N積累會引起魚類中毒甚至窒息死亡[24]。COD是表征水體中有機物相對含量的指標之一, 反映的是能被氧化的有機物污染狀況, 包括溶解態 COD 及顆粒態COD 兩部分。生物濾器的主要作用是創造培養微生物菌群的條件, 利用微生物降解廢水中的TAN、NO2–-N及部分有機物, 減小對養殖對象的毒害作用, 脫除水體中的氮元素, 從而實現對水質的凈化[5]。生物濾器對水體污染物的凈化主要依靠附著在其內部填料上的生物膜特別是相應功能微生物來實現。TAN的去除主要依靠硝化反應來完成, 硝化反應是硝化細菌在好氧條件下將TAN轉化為NO2–-N、硝酸鹽氮的過程, 這個過程中會造成NO2–-N的積累, 但是部分微生物可以將產生的NO2–-N進一步轉化為對養殖生物毒害性較弱的硝酸鹽氮[25]。COD的凈化主要依靠生物膜上降解有機物的微生物的活性及氣體的氣浮作用。

本研究通過氣水比的聯合作用使填料在移動床內循環移動, 加強生物膜與養殖廢水的接觸與傳質作用。在氣水比6︰1的條件下填料能夠循環移動, 而低于6︰1時填料則不能正常循環移動。氣水比30︰1時水體呈現翻滾狀態, 由于海水養殖廢水是微污染水, 其生物濾器填料掛膜本來就比較困難[26], 若繼續增大氣水比, 會造成生物膜的脫落, 處理效率反而會下降, 并且能耗過大, 提高了生物濾器運行成本, 因此本實驗設置6︰1為最低氣水比, 30︰1為最高氣水比。結果表明隨著氣水比的增大, TAN去除率呈現先降低后增加的趨勢, NO2–-N的積累率呈現先增加后降低的趨勢, COD去除率呈現降低的趨勢。氣水比在6︰1時, TAN和COD去除率最高, NO2–-N積累率最小, 且出水水質最為穩定, 波動最小。這可能是因為海水養殖廢水營養少, 且水體鹽度高, 不利于微生物的生長[27]。如果是傳統的生物濾器, 隨著時間的推移, 其上的生物膜會越來越厚, 污染物的去除率會隨著氣水比的增大而增大; 但在移動床生物濾器中, 當氣水比達到一定程度時, 反應器中的溶氧已足夠滿足硝化細菌的需要, 不再是硝化細菌的代謝活性的限制因素, 此時, 當氣水比繼續增加, 生物濾器中的氣泡增多, 氣泡對水體的擾動增強, 又會導致填料之間碰撞加劇, 過量沖刷填料表面, 加速了生物膜的脫落, 這樣有效功能微生物數量及活性降低, 影響去除效果[26]。因此在氣水比較小為6︰1時, 污染物去除率最大, NO2–-N積累率最小, 隨著氣水比的增大, 其對污染物的去除效率反而下降, 但是在氣水比為30︰1的時候TAN去除率上升, NO2–-N積累率減小, 這是因為30︰1的氣水比已經相當大, 根據雙膜理論, 氣液膜之間的阻力決定了氧氣傳遞速率的大小, 氣水比越大, 氣液膜間的傳質阻力越小, 其他條件相近時, 生物膜內溶氧濃度越高[28], 雖然填料上的生物膜微生物數量減少, 但是好氧異養菌及硝化細菌的活性增強, 并且水體中的氣泡數量增加很多, 通過氣浮作用對水體中的污染物也有一定的凈化作用。侯沙沙[27]等研究發現使用竹環填料的生物濾器, 隨著氣水比增大, 出水TAN濃度逐漸降低, 出水COD波動減小, 且趨于平緩, 在氣水比為30︰1 時其去除率最大, 這是因為竹環填料質量較重需要較大的氣水比而本實驗K3填料質輕便于移動, 6︰1的氣水比即可達到較好的去除率。黃濱等[26]通過封閉式循環水半滑舌鰨(Gunthe)養殖試驗, 隨著氣水比由 0.75 : 1~1.25︰1 的增加, 生物濾池氨氮的去除率由35.0%增加至52.0%, 但對化學需氧量COD的去除率影響并不顯著, 其平均去除率為10.14%, 氣水比高于1.25︰1 時, TAN和 NO2–-N去除率增速明顯減緩, 如果氣水比再繼續增大, 對TAN去除作用不明顯, 還會浪費能耗。宋奔奔[11]等的實驗研究發現當氣水比為6︰1時, 移動床濾料達到流化狀態, TAN去除率顯著高于其他處理。這些研究結果與本研究的研究結果相似。

4 結論

本文主要研究了不同氣水比條件下移動床生物濾器處理海水養殖廢水污染物的去除效果, 包括對COD、TAN、NO2–-N的處理效率。結果顯示: 不同氣水比條件下移動床生物濾器凈化污染物的效果不同, 且去除率波動較大。氣水比為6︰1時, 生物濾器對TAN和COD的去除率均為最佳, 對NO2–-N的積累率相對較低, 能夠滿足魚類養殖對亞硝酸鹽氮濃度的安全要求, 且此時移動床生物濾器能耗最低。如果增大氣水比, 不但能耗增加, 濾器的去除率也會下降; 如果減小氣水比, 則濾器中的填料不能正常循環移動, 失去了移動床生物濾器的意義。因此選擇氣水比為6︰1可獲得較好的凈化效率。

[1] FAO (Food and Agriculture Organisation of the United Nations).The State of World Fisheries and Aquaculture[R]. Rome: FAO, 2012, 209.

[2] Timmons M B, Ebeling J M. The role for recirculating aquaculture systems [J]. AES News, 2007, 10(1): 2-9.

[3] 劉鷹. 海水工業化循環水養殖技術研究進展[J]. 中國農業科技導報, 2011, 13(5): 50-53.Liu Ying. Research progress on marine industrial recirculating aquaculture technology[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2011, 13(5): 50-53.

[4] 沈加正. 膜生物反應器應用于海水養殖廢水處理的基礎研究[D]. 北京: 中國科學院大學, 2011.Shen Jiazheng. Fundamental research on application of membrane bioreactor in marine aquaculture wastewater treatment[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2011.

[5] 王峰, 雷霽霖, 高淳仁, 等. 國內外工廠化循環水養殖模式水質處理研究進展[J]. 中國工程科學, 2013, 15(10): 16-23. Wang Feng, Lei Jilin, Gao Chunren, et al. Research progress of water conditioning in industry recirculating aquaculture mode at home and abroad[J]. Engineering Science, 2013, 15(10): 16-23.

[6] 李景賢, 羅麟, 楊慧霞, 等. MBBR法工藝的應用現狀及其研究進展[J]. 四川環境, 2007, 26(5): 97-101. Li Jingxian, Luo Lin, Yang Huixia, et al. Status quo of application and research progress of MBBR process [J]. Sichuan Environment, 2007, 26(5): 97-101.

[7] 陳淑吟, 孫國銘, 吉紅九. 臭氧水處理在水產養殖中的應用研究[J]. 水產養殖, 2001, 2: 28-30. Chen Shuying, Sun Guoming, Ji Hongjiu. The study on application of O3treatment in aquaculture[J]. Journal of Aquaculture, 2001, 2: 28-30.

[8] 王學江, 夏四清, 陳玲, 等. DO對MBBR同步硝化反硝化生物脫氮影響研究[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2006, 34(4): 514-517, 538. Wang Xuejiang, Xia Siqing, Chen Ling, et al. Effect of DO on smiultaneous nitrification and denitrification in MBBR[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2006, 34(4): 514-517, 538.

[9] Zhu S, Chen S. Impacts of Reynolds number on nitrification biofilm kinetics[J]. Aquacult Eng, 2001, 24: 213-229.

[10] 高喜燕, 傅松哲, 劉纓, 等. 循環海水養殖中生物濾器生物膜研究現狀與分析[J]. 漁業現代化, 2009, 36(3): 16-20. Gao Xiyan, Fu Songzhe, Liu Ying, et al. Advances and analysis on the research of biofilm in biofilter in recirculating marine aquaculture system[J]. Fishery Modernization, 2009, 36( 3) : 16-20.

[11] 仇付國, 郝曉地, 陳新華. 曝氣生物濾池處理效果影響因素試驗研究[J]. 環境科學與管理, 2008, 33(12): 81-84.Qiu Fuguo, Hao Xiaodi, Chen Xinhua. Experimental study on influencing factor of biological aerated filter[J]. Environmental Science and Management, 2008, 33(12): 81-84.

[12] 宋奔奔, 宿墨, 單建軍, 等. 水力負荷對移動床生物濾器硝化功能的影響[J]. 漁業現代化, 2012, 39(5): 1-6.Song Benben, SU Mo, Shan Jianjun, et al. Effect of hydraulic loading on nitrification efficiency in moving bed biofilm reactor[J]. Fishery Modernization, 2012, 39(5): 1-6.

[13] 施漢昌, 溫泌雪, 白雪. 污水處理好氧生物流化床的原理與應用[M]. 北京: 科學出版社, 2012, 270-272. Shi Hanchang, Wen Mixue, Bai Xue. The principle and application of aerobic biological fluidized bed in waste--water treatment[M]. Beijing: Science Press, 2012, 270-272.

[14] Hirata A, Nakamura Y, Tsuneda S. Nitrogen removal from industrial wastewater discharged from metal recovery process[J]. Water Science and Technology, 2001, 44(2-3): 171-179.

[15] 中國國家標準化管理委員會. GB17378.4-2007海洋監測規范第4部分: 海水分析[S]. 北京: 中國標準出版社, 2007. Standardization Administration of the People’s Republic of China. GB 17378.4 -2007 Marine monitoring norms part 4: Seawater analysis[S]. Beijing: Standards Press of China, 2007.

[16] 閆修花, 王桂珍, 陳迪軍. 納氏試劑比色法測定海水中的氨氮[J]. 環境監測管理與技術, 2003, 15(3): 21-23. Yan Xiuhua, Wang Guizhen, Chen Dijun. To determine NH4+-N directly in sea-water using nessler’s reagent- colorimetry[J]. Environmental Monitoring in China, 2003, 15(3): 21-23.

[17] 孔小松, 干愛華, 劉瑞軒, 等. 氣水比對生物膜法處理廢水各階段的影響[J]. 工業水處理, 2005, 25(7): 50-52. Kong Xiaosong, Gan Aihua, Liu Ruixuan, et al.The effect of gas-water ratio on the biofilm wastewater treatment technology in different stages[J]. Industrial Water Treatment, 2005, 25(7): 50-52.

[18] 趙靜野, 鄭曉萌, 高軍. 曝氣充氧中氧總傳質系數的探討[J]. 北京建筑工程學院學報, 2006 (1): 32-37. Zhao Jingye, Zheng Xiaomeng, Gao Jun. Research on transfer coefficient of oxygenic aeration[J]. Journal of Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture, 2006(1): 32-37.

[19] 張闖, 陶濤, 李爾, 等. 兩種曝氣設備的清水曝氣充氧實驗研究[J]. 環境污染與防治, 2006(1): 42-45. Zhang Chuang, Tao Tao, Li Er, et al. Evaluation of two aerators based on results of clean water oxygenation experiment[J]. Environmental Pollution & Control, 2006(1): 42-45.

[20] 徐斌, 夏四清, 胡晨燕, 等. MBBR 工藝預處理黃浦江微污染原水[J]. 中國給水排水, 2004, 20(8): 5-9. Xu Bing, Xia Siqing, Hu Chenyan, et al. MBBR technology for pretreatment of micro-polluted raw water[J]. Chinawater&Wastewater, 2004, 20(8): 5-9.

[21] Martins C I M, Eding E H, Verdegem M C J, et al. New developments in recirculating aquaculture systems in Europe: A perspective on environmental sustainability[J]. Aquacultural Engineering, 2010, 43(3): 83-93.

[22] 張衛強, 朱英. 養殖水體中氨氮的危害及其檢測方法研究進展[J]. 環境衛生學雜志, 2012, 2(6): 324-327. Zhang Weiqiang, Zhu Ying. Advances on the research of the hazard of ammonia nitrogen in aquaculture water and its determination method[J]. Journal of Environmental Hygiene, 2012, 2(6): 324-327.

[23] 余瑞蘭, 聶湘平, 魏泰莉, 等. 分子氨和亞硝酸鹽對魚類的危害及其對策[J]. 中國水產科學, 1999, 6(3): 73-77. Yu Ruilan, Nie Xiangping, Wei Taili, et al. Toxicity of molecular ammonia & nitrite to fishes and the control measures[J]. Journal of Fishery Sciences of China, 1999, 6(3): 73-77.

[24] Krous S R, Blazer V S, Meade T L. Effect of Acclimation time on nitrite movement across the gill epithelia of rainbow trout: The role of “chloride cells”[J]. The Progressive Fish-Culturist, 1982, 44(3): 126-130.

[25] Díaz V, Ibá?ez R, Gómez P, et al. Kinetics of nitrogen compounds in a commercial marine Recirculating Aqua----cu-lture System[J]. Aquacultural Engineering, 2012, 50: 20-27.

[26] 黃濱, 雷霽霖, 翟介明, 等. 封閉循環水系統生物濾池氣水比對水質凈化效能的影響[J]. 中國水產科學, 2013, 20(6): 1266-1273. Huang Bin, Lei Jilin, Zhai Jieming, et al., Effect of the air-to-liquid ratio on treatment efficiency of wastewater in multistage BAF in a recirculating aquaculture system[J]. Journal of Fishery Sciences of China, 2013, 20(6): 1266-1273.

[27] 侯沙沙. 海水循環水養殖系統中氣水比對生物濾器去除效率的影響[D]. 青島: 青島理工大學, 2011. Hou Shasha. Dissertation for the Master Degree in Enginee-ring[D]. Qingdao: Qingdao Technological University, 2011.

[28] 劉春, 張安龍. 氣水比對曝氣生物濾池處理堿法草漿中段廢水的影響[J]. 上海造紙. 2009, 40(3), 52-56. Liu Chun, Zhang Anlong. The Effect of Ratio of Gas and Water on Treating Soda Straw Pulping Ef?uent using Biological Aerated Filter[J]. Shanghai Paper Making, 2009, 40(3), 52-56.

(本文編輯: 康亦兼)

Effect of gas–water ratio on removal efficiency of marine aquaculture wastewater in moving bed biofilm reactor

MA Xiao-na1, 2, LI Xian1, ZHANG Yan-qing3, WANG Bo3, LI Meng4, LIU Ying5

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China; 4. Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 5. Dalian Ocean University, Dalian 116023, China)

The biological filter is the central unit in recirculating aquaculture systems (RAS) and the gas–water ratio is the key factor that influences the treatment efficiency of moving bed biofilm reactors. To determine the best gas–water ratio, in this paper, we evaluated the effect of the gas–water ratio on the purification efficiency in a mature moving bed biofilm reactor. We investigated the removal rates of total nitrogen (TAN), accumulation rates of nitrite (NO2–-N), and chemical oxygen demand (COD) at different gas–water ratios (6︰1, 10︰1, 15︰1, 20︰1, 30︰1). The results showed that as the gas–water ratio increased from 6︰1 to 30︰1, the TAN removal rate first increased and then decreased, whereas the accumulation rate of NO2–-N first decreased and then increased. The gas–water ratio of 6︰1 was associated with a better treatment efficiency than other gas–water ratios, with the best removal rates for TAN (12.55% ± 0.80%), COD (16.63% ± 1.28%), and the relatively lowest NO2–-N (109.71% ± 23.94%) accumulation rate. Our results provide a reference for the optimization of moving bed biofilm reactors in industrialized production.

aquaculture wastewater; moving bed biofilm reactor; gas–water ratio; treatment effect

[National Natural Science Foundation of China, No31472312, No. 41306152, No. 31402283; the National Key Technologies R&D Program (2014BAD08B09); the JIANGSU Province key R&D Project (BE2015325); the key Program of Qingdao Innovation and Demonstration in Marine Economy Development (Construction of the Innovative Industry Chain for Efficient and Intelligent Equipment in Recirculating Aquaculture System)]

Dec. 29, 2016

X703

A

1000-3096(2017)08-0046-07

10.11759/hykx20161229002

2016-12-29;

2017-04-19

國家自然科學基金(31472312, 41306152, 31402283); 國家科技支撐計劃(2014BAD08B09); 江蘇省重點研發計劃(BE2015325); 青島市海洋經濟創新發展示范城市重點項目-工業化循環水高效智能養殖裝備產業鏈協同創新與構建項目

馬曉娜(1991-), 女, 山東青島人, 博士研究生, 主要從事養殖環境工程研究, E-mail: Marianna_IOCAS@163.com, 電話: 15610480956; 劉鷹, 通信作者, 男, 研究員, 主要從事水產工程學研究與應用, E-mail: yinliu@qdio.ac.cn