紅糖添加對循環水養殖系統水質指標的影響 及相關性分析

章海鑫 張燕萍 吳子君 張桂芳 余建芳 闕祥堯 侯明勇

摘要： 為探討添加紅糖對循環水養殖系統中水體水質指標的影響，分析水體水質指標的相關性。以C/N比為15的模式每星期向循環水養殖系統生物濾池中添加紅糖。結果表明水體總氮、總溶解性氮、亞硝酸氮和硝酸鹽氮均出現一個明顯的下降過程，但總氮、總溶解性氮和硝酸氮在后期出現緩慢的上升過程。水體氨氮是波動變化的過程，高錳酸鹽指數、總磷和磷酸鹽是上升的過程。水體溶解氧是持續下降的過程，并且與總氮、硝酸鹽氮和亞硝酸氮呈正相關性，與總磷和磷酸鹽呈負相關性。pH值與氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸氮、總氮和總溶解性氮是負相關性。表明添加紅糖能夠促進濾池中微生物的生長同化水體氮元素和建立硝化作用細菌體系，但本實驗未發現對磷酸鹽的作用效果。

關鍵詞： 循環水；紅糖；水質指標；相關性

中圖分類號： S969 ????文獻標識碼： A

我國漁業發展是以提高漁業產品質量和產量，保護資源環境為主要目標。經過幾十年的發展，傳統漁業因為需要占用大量土地資源及水資源，特別是近年來養殖尾水排放問題持續受到關注 ?［1］ 。因此，我國漁業目前迫切需要持續的推動漁業產業結構轉型升級，發展高產、高效、低能耗、資源占用率低的漁業養殖模式是水產人奮斗的目標。在較為成熟的養殖模式中，工廠化循環水養殖模式（Recirculating Aquaculture System，RAS）的優勢最為明顯，他能夠減小占地面積、水資源使用少、廢水排放可控 ??［2］ 。現在許多地方均在大力發展，其中近兩年江西地區也在陸續新建工廠化的循環水養殖系統。循環水養殖系統主要是通過水處理系統將循環水體中的殘餌、排泄物、分泌物和可溶性物質（化學需氧量、氨氮、亞硝酸鹽氮等）） ?［3-5］ 去除，達到水體的循環利用和低污染排放的目的。

目前，循環水系統中固體廢棄物主要通過固液分離機進行分離，而可溶性有害物質則主要通過生物過濾器、生物絮凝等技術進行處理。生物過濾器是使用最廣泛的方式。主要是生物過濾器中的微生物通過同化作物、硝化作用、反硝化，或者聚磷等作用對水體氮、磷元素進行脫氮除磷。生物過濾器中的微生物的生長和其主要反應體系的作用受到很多因素的影響，如溫度、光照、溶解氧和水體營養平衡（碳氮比）等。因此本研究主要探討循環水系統中定時添加碳源（紅糖）對以生物過濾器為主要處理手段的循環水系統水體水質指標的影響，并分析水體溶解氧水平與其他水體水體水質指標的相關性。

1 材料與方法

1.1 循環水養殖系統

循環水養殖系統建設于江西省水產科學研究所養殖基地，系統由一套固液分離系統、水質處理系統（消化系統）、充氣系統和養殖桶組成。系統總水體體積為5m 3，其中養殖桶約3.6m 3（12個養殖桶，每個桶0.3m 3），水質處理系統1.4m 3。

1.2 養殖品種

2022年5月1日加水，開啟系統。于2022年5月3日開始養殖彭澤鯽。平均每個養殖桶放養彭澤鯽26尾，規格為每尾20±1.5g。2022年5月4日開始，每天分兩次投喂顆粒飼料（蛋白含量為33%），投喂量為體重的3%。

1.3 試驗設計

根據每次測定水體TN的結果以C：N為15：1的比例添加紅糖。

每7d定時測定養殖系統的水溫、溶解氧和pH。并取12個養殖桶中的水樣帶到實驗室測定水體氨氮（NH 4 +-N）、亞硝態氮（NO 2 --N）、硝態氮（NO 3 --N）、總氮（TN）、總氨氮（TAN）總磷（TP）、磷酸鹽（AP）和高錳酸鉀鹽指數（COD ?Mn ）。水質指標測定方法見表1。

1.4 統計方法

采Excel 2019軟件對數據進行統計分析與做圖，每次數據取12個重復的平均值。使用Spass 13.0軟件進行相關性分析。

2 結果

2.1 循環水水體pH、水溫和溶解氧的變化

從圖1可以看到，pH值在養殖初期低于7.0，但隨著養殖進程pH上升到最高7.6，之后則出現緩慢的下降過程，但總體保持在7.0以上；水體T一直處于上升的趨勢。從圖2可以看到，DO在養殖初期初期最高，但隨著養殖的進程，水體DO水平處于一種波動下降的過程。 ??表1 水體水質指標測定方法

2.2 循環水水體氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和高錳酸鉀指數的變化情況

從圖3可以看到，水體NH 4 +-N處于一種波動變化情況。總體上是先下降，然后再上升的趨勢。而NO 2 --N則是在養殖初期最高（2.7±0.06mg/L），之后則開始下降，并一直保持在低于0.5mg/L的水平上。NO 3 --N則是在養殖初期處于高位，之后下降，之后又上升。COD ?Mn 則與其他的不同，在養殖過程中是一種波動上升的過程，最終濃度為28.94±0.34mg/L。

2.3 循環水水體總氮、總溶解性氮，總磷和磷酸鹽的變化情況

從圖4可以看到，養殖水體TN和DTN的變化趨勢比較一致，均是隨著養殖的深入均出現一個下降后又緩慢上升的過程。但DTN總體濃度均低于TN濃度。從圖5可以看到，TP和AP則是處于上升的趨勢，至養殖實驗結束，TP和AP的濃度分別達到2.93±0.05mg/L和2.82±0.04mg/L。

2.4 水體各水質指標相關性分析

從表2可以看到NH 4 +-N與NO 2 --N和DTN存在一定的正相關性，與pH存在一定的負相關性（R 2>0.6或<-0.6），與其他指標則沒有明顯的相關性。NO 3 --N和NO 2 --N與TN、DTN和DO存在一定的正相關性，與pH和T負相關，NO 3 --N與NO 2 --N也顯著正相關（R 2>0.6或<-0.6）。TN與DTN、DO呈正相關性，與pH呈負相關性（R 2>0.6或<-0.6）。DTN與與pH呈負相關性（R 2>0.6或<-0.6）。TP與AP、COD ?Mn 和T呈正相關性，與DO呈負相關性（R 2>0.6或<-0.6）。AP與COD ?Mn 和T呈正相關性，與DO呈負相關性（R 2>0.6或<-0.6）。COD ?Mn 與T呈正相關性（R 2>0.6或<-0.6）。其中DO與TN、NO 3 --N和NO 2 --N呈正相關性，與TP、AP呈負相關性（R 2>0.6或<-0.6）。

3 討論

循環水養殖系統中，由于水體是循環利用的，但養殖系統又會持續的產生污染物質。因此，一個成熟的循環水養殖系統必須能夠有效的對系統中的水進行處理，這直接絕對循環水養殖的產量與成敗 ?［6］ 。實驗中循環水養殖系統水質處理采用的是生物濾池的方法，其中生物濾池和固液分離的方法。其中固液分離機主要負責將固體廢棄物從養殖水體分離出來，而溶解性的廢棄物物質則主要是通過生物濾池進行處理。而生物濾池對水體處理的效果又受到其他環境條件的影響，如水溫、溶解氧水平、pH、C：N比等 ?［7］ 。研究表明水體C：N為10～20能夠較好的維持生物濾池的處理效果 ?［8］ ，而向養殖水體添加紅糖主要是維持水體穩定的碳氮比，同時紅糖還含有其他利于生物濾微生物生長的營養成分，因此本實驗主要討論添加紅糖維持水體C：N為15：1的情況下循環水水體水質變化的情況和其相關性。

3.1循環水養殖水體添加碳對水體環境指標的影響

實驗開始投喂餌料后，因為前三天沒有添加紅糖，濾池中微生物數量有限，導致水體TN、DTN、NH 4 +-N等積累。然后開始添加碳源，能夠促進濾池中微生物的生長，進而產生同化作用去除水體氮元素 ?［9］ ，同時也能促進一定的硝化作用。這些從結果同樣可以看到，試驗中添加紅糖后水體COD ?Mn 一直是上升的趨勢，但TN、DTN和NO 2 --N則同時出現下降的趨勢。說明添加紅糖后濾池中的微生物持續的生長，將水體氮元素進行同化。大量碳源促進異養微生物生長，使得微生物從水體中吸收氮來合成微生物蛋白質，或者通過在系統中建立硝化功能，將TAN轉化為NO 3 --N ?［10］ 。高碳氮比會主要通過細菌同化作用去除氮，低碳氮比則容易建立消化體系 ?［11］ 。本實驗是每星期添加一次紅糖，因此，在后期出現NO 3 --N上升的情況，同時NH 4 +-N也是上升的情況，異養細菌一直處于利用碳源生長和促進硝化作用作用的過程中反復進行。最后因為異養細菌數量足夠，碳源相對量降低，異養細菌對硝化細菌的抑制作用逐漸減小 ?［12］ ，所以TN和DTN又緩慢上升。雖然有研究表明 ?［13］ 碳源添加越多，生物除磷效果越好，但從本實驗過程中，添加紅糖后水體磷酸鹽和總磷濃度均是持續的升高。可能原因因為實驗時間較多，過濾池中微生物除磷機制還沒有完全建立，同時，每天投喂飼料同樣是向水體輸送磷元素。

3.2溶解氧與循環水養殖水體相關性分析

DO不但是水體養殖動物呼吸作用必不可少的。同時在循環水養殖系統中，水處理系統中的微生物濾池中微生物的活動同樣受到水體DO的影響。從實驗結果來看，在使用同樣充氣裝備的條件下，循環水系統中的DO水平持續的出現下降，只有在后期才出現一定的上升，表明水體微生物在大量的生長而消耗了氧氣。同時通過相關性分析同樣可以看到，DO與TN、NO 3 --N和NO 2 --N呈正相關性，表明水體DO能夠促進濾池中的微生物進行硝化作用，促使氮元素從NH 4 +-N向NO 2 --N和NO 3 --N的持續轉化。而這一點同樣可以從pH與水體水質指標相關性分析結果可以看到。pH值與NH 4 +-N、NO 3 --N、NO 2 --N、TN和DTN均是顯著的負相關性，表明濾池中微生物進行同化作用和硝化作用時均需要消耗水體堿度。

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