固定化生物硅藻土強化CAST工藝處理海水養(yǎng)殖廢水研究

陳進斌 曹軍瑞 苗英霞

摘要：將3株從天津市某海水養(yǎng)殖場底泥中分離到的好氧反硝化菌按照3∶2∶1的比例組合成好氧反硝化復(fù)合菌劑，并采用5%聚乙烯醇、2%海藻酸鈉和3%硅藻土將好氧反硝化復(fù)合菌劑包埋形成固定化生物硅藻土小球。將其投加到循環(huán)式活性污泥（CAST）反應(yīng)器中，考察固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝對海水養(yǎng)殖廢水化學(xué)需氧量（COD）、無機氮和磷酸鹽的去除效果。結(jié)果表明，在相同運行條件下，投加固定化生物硅藻土小球的CAST工藝對海水養(yǎng)殖廢水中COD、無機氮和磷酸鹽的去除率維持在83%、99%和96%以上，與傳統(tǒng)CAST工藝相比分別提高了30、28和55個百分點左右。

關(guān)鍵詞：固定化生物硅藻土;循環(huán)式活性污泥法;海水養(yǎng)殖廢水

Abstract： The three aerobic denitrifier isolated from sediment of one marine aquaculture farm in Tianjin city were made into aerobic denitrification microbial agent in a ratio of 3∶2∶1， and 5% polyvinyl alcohol， 2% sodium alginate and 3% diatomite was used to embed the aerobic denitrification microbial agent to form immobilized bio-diatomite. The immobilized bio-diatomite was added to the cyclic activated sludge technology （CAST） reactor to investigate the treatment capability of COD， inorganic nitrogen and phosphate in marine aquaculture wastewater by the cyclic activated sludge technology reactor with immobilized bio-diatomite. The results showed that under the same operation condition， the reduction rate of COD， inorganic nitrogen and phosphate by the cyclic activated sludge technology reactor with immobilized bio-diatomite can keep above 83%， 99% and 96%， respectively. It was 30 pecentage points， 28 pecentage points and 55 pecentage points higher than that of the traditional cyclic activated sludge technology reactor， respectively.

Key words： immobilized bio-diatomite; cyclic activated sludge technology; marine aquaculture wastewater

海水養(yǎng)殖對象產(chǎn)生的排泄物以及殘余餌料等不僅會對海洋環(huán)境造成一定的污染，同時也會反作用于海水養(yǎng)殖業(yè)，影響海水養(yǎng)殖對象的生長。隨著海水養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，這個問題越來越嚴重并逐漸引起人們的重視[1-3]。為實現(xiàn)海水養(yǎng)殖業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，亟需一種廉價、高效且安全的海水養(yǎng)殖廢水處理方法，解決海水養(yǎng)殖廢水中鹽度對處理效果的影響，將海水養(yǎng)殖廢水凈化后達標排放，從而實現(xiàn)海水養(yǎng)殖與海洋環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展[4-6]。

硅藻土具有孔隙度高、滲透性強、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，具有較強的吸附能力及過濾性能，再加上其成本較低，因而在水處理中得到了廣泛的應(yīng)用[7，8]。本研究將高效好氧反硝化復(fù)合菌劑、硅藻土及固定化技術(shù)結(jié)合起來，制成固定化生物硅藻土小球，并將其與傳統(tǒng)CAST工藝結(jié)合起來用于處理海水養(yǎng)殖廢水，以期得到一種安全高效且廉價的海水養(yǎng)殖廢水處理工藝[9-13]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1）菌株。從天津某海水養(yǎng)殖場底泥中分離得到。

2）水樣。將海水晶添加到實驗室錦鯉養(yǎng)殖廢水中制得，其化學(xué)需氧量（CODMn）約33 mg/L，無機氮含量約50 mg/L，磷酸鹽（以P計）含量約1 mg/L。

3）硅藻土。取自云南騰沖某選礦廠。

4）活性污泥。取自天津某污水處理廠污泥回流池，并在實驗室進行耐鹽馴化。

1.2 方法

1.2.1 固定化生物硅藻土小球的制備 將實驗室篩選到的3株菌MCW148、MCW151和MCW154液體培養(yǎng)24 h后按照3∶2∶1的體積比混合得到高效好氧反硝化復(fù)合菌劑。將硅藻土按照3%的比例加入高效好氧反硝化復(fù)合菌劑中制成菌懸液。取質(zhì)量分數(shù)為5%的聚乙烯醇和質(zhì)量分數(shù)為2%的海藻酸鈉混合后與制得的菌懸液按照8∶1的體積比混合，然后用注射器將載體混合液注入4%的CaCl2溶液中制作成直徑約3 mm菌球;4 ℃交聯(lián)20 h后用去離子水洗滌形成固定化生物硅藻土小球[14]。

1.2.2 固定化生物硅藻土強化CAST工藝 CAST裝置如圖1所示，裝置總?cè)莘e20 L，每次排水10 L。運行周期：進水+反應(yīng)8 h（其中進水約0.5 h），靜置沉淀2.0 h，排水0.5 h，閑置1.5 h，合計12 h[15]。

將活性污泥投入主反應(yīng)區(qū)，采用添加海水晶的市政生活污水對活性污泥進行馴化，逐步提高進水中海水晶的濃度直至進水中的鹽度與海水相近，然后采用試驗用海水養(yǎng)殖廢水作為進水，待系統(tǒng)出水指標穩(wěn)定后進行后續(xù)試驗。

1）傳統(tǒng)CAST工藝對海水養(yǎng)殖廢水的處理效果。裝置置于室內(nèi)，將室內(nèi)溫度穩(wěn)定在28 ℃，穩(wěn)定運行后連續(xù)運行20 d，每天測定CAST裝置進出水中的COD、無機氮和磷酸鹽含量。

2）固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝處理海水養(yǎng)殖廢水的效果。將2 000 g固定化生物硅藻土小球投入到裝置主反應(yīng)區(qū)，在28 ℃下穩(wěn)定運行后連續(xù)運行20 d，每天測定CAST裝置進出水中的COD、無機氮和磷酸鹽含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝對COD的去除效果

固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝對海水養(yǎng)殖廢水中COD具有良好的去除效果，CAST生物處理裝置穩(wěn)定運行后，12 h運行周期條件下對COD的去除率維持在83%以上，出水COD的濃度低于6 mg/L（圖2）。相比傳統(tǒng)CAST工藝，采用固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝使得海水養(yǎng)殖廢水在菌劑和硅藻土的雙重作用下被微生物利用轉(zhuǎn)化為自身物質(zhì)或被硅藻土吸附后隨污泥排出，從而導(dǎo)致裝置對海水養(yǎng)殖廢水中COD的去除率得到大幅提高。

2.2 固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝對無機氮的去除效果

固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝對海水養(yǎng)殖廢水中無機氮具有良好的去除效果，CAST生物處理裝置穩(wěn)定運行后，12 h運行周期條件下對無機氮的去除率維持在99%以上，出水無機氮的濃度低于0.5 mg/L（圖3）。相比傳統(tǒng)CAST工藝，采用固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝使得海水養(yǎng)殖廢水中的硝基氮在好氧反硝化菌劑的作用下被轉(zhuǎn)化為氮氣或一氧化二氮而逸出，從而導(dǎo)致裝置對海水養(yǎng)殖廢水中無機氮的去除率得到大幅度提高。

2.3 固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝對磷酸鹽的去除效果

固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝對海水養(yǎng)殖廢水中磷酸鹽具有良好的去除效果，CAST生物處理裝置穩(wěn)定運行后，12 h運行周期條件下對磷酸鹽的去除率維持在96%以上，出水磷酸鹽（以P計）的濃度低于0.05 mg/L（圖4）。相比傳統(tǒng)CAST工藝，采用固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝使得海水養(yǎng)殖廢水中的大部分磷酸鹽被硅藻土吸附后隨污泥排出，從而導(dǎo)致裝置對海水養(yǎng)殖廢水中磷酸鹽的去除率得到大幅度提高。

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)CAST工藝相比，采用固定化生物硅藻土小球強化CAST工藝處理海水養(yǎng)殖廢水，在固定化生物硅藻土小球添加比例為10%時，CAST裝置對海水養(yǎng)殖廢水中COD、無機氮和磷酸鹽的去除效率分別提高了30、28和55個百分點左右，且裝置出水中COD、無機氮和磷酸鹽等指標能夠滿足《海水養(yǎng)殖水排放要求》（SC/T 9103—2007）一級標準的要求。

參考文獻：

[1] 宋志文，王 瑋，趙 丙. 海水養(yǎng)殖廢水的生物處理技術(shù)研究進展[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報， 2006， 27（1）：13-17.

[2] ZHENG W， SHI H H， CHEN S， et al. Benefit and cost analysis of mariculture based on ecosystem services[J].? Ecological economics， 2009， 68（6）：1626-1632.

[3] 陳進斌，苗英霞，任華峰，等. 好氧反硝化復(fù)合菌劑的研制及其在海水養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2017，56（11）：2049-2052.

[4] BURFORD M A， COSTANZO S D， DENNISON W C， et al. Asynthesis of dominant ecological processes in intensive shrimp ponds and adjacent coastal environments in NE Australia[J].? Marine pollution bulletin， 2003， 46（1）：1456-1469.

[5] YAO S， NI J R， CHEN Q， et al. Enrichment and characterization of a bacteria consortium capable of heterotrophic nitrification and aerobic denitrification at low temperature[J]. Bioresource technology， 2013， 127：151-157.

[6] 姜天翔，任華峰，陳進斌，等. 一株耐鹽耐氧反硝化菌MCW148的分離鑒定及其脫氮特性[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，56（13）：2442-2445.

[7] 馬 翠， 何爭光， 張碧晰. 改性硅藻土的多級A/O工藝除磷優(yōu)化及尾水深度除磷[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2015，36（1）：55-59.

[8] 肖少丹. 改性硅藻土對水中典型有機污染物去除特性研究[D]. 杭州： 浙江工業(yè)大學(xué)， 2015.

[9] 陳坦林，趙 薇，朱學(xué)琴，等. CMC-硅藻土復(fù)合固定硝化細菌降解養(yǎng)殖水體中的氨氮[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2018，46（7）：258-262.

[10] DONG Y W， ZHANG Y Q， TU B J， et al. Immobilization of ammonia-oxidizing bacteria by calcium alginate[J].? Ecological engineering， 2014，73：809-814.

[11] 楊旭俊，蔡冠竟，鄭 偉，等. 固定化微生物技術(shù)在受污養(yǎng)殖水體和水華水浴生物修復(fù)中的應(yīng)用[J]. 微生物學(xué)通報， 2015，42（4）：712-720.

[12] 喬 楠，高明星， 聶 剛，等. 改性硅藻土負載異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌對生活污水的處理研究[J]. 硅酸鹽通報， 2015，34（11）：3090-3094.

[13] 徐 明，吳慧芳，陸繼來，等. 投加硅藻土對A/O-MBR運行性能的影響[J]. 污染防治技術(shù)， 2018，31（5）：46-49.

[14] 嚴 清，馮國忠. 固定化藻球的強化研究[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2011， 50（11）：2204-2206.