循环水养殖系统中3种生物填料对水质的净化作用

李倩+胡廷尖+刘士力

摘要：为了研究生物填料在循环水养殖系统中的应用，在室内构建罗氏沼虾循环水养殖系统，研究3种类型的生物填料对水质的净化作用。结果表明，3种生物填料（聚乙烯小球M1、陶瓷环M2、弹性毛刷M3）构成的生物滤池对养殖水体总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、亚硝态氮（NO2-N）、化学需氧量（CODMn）均有不同程度的去除效果，其中M3对TN、TP、NH3-N的平均清除率分别为17.81%、17.36%、18.04%，明显高于其他2种填料，M2对NO2-N的平均清除率为19.28%，明显高于M1和M3，3种填料对 CODMn的平均清除率差异不明显。由结果可知，弹性毛刷填料对循环水养殖水质有较好的净化作用，是较为实用的生物填料。

关键词：循环水系统；生物填料；生物膜；水质净化

中图分类号： X52 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）01-0243-03

随着养殖方式的转变和养殖模式的升级，循环水养殖以其节能减排、耗水量少、养殖密度高、资源利用率高等优点逐渐成为养殖业的发展趋势。在循环水养殖系统中，水处理对整个系统的顺畅运行和养殖对象的健康生长有重要的保障作用。在水处理方法中，生物处理法日渐受到人们的关注，特别是生物膜法处理养殖尾水。生物膜由微生物附着于载体上而形成，因产生污泥少、抗冲击、无二次污染、管理方便等特点而广泛应用于循环水养殖系统水处理单元中[1-4]。填料是生物膜附着生长的载体，其材质、结构、比表面积对生物膜的性能有重要影响，国内外许多学者对生物膜的快速挂膜、污染物去除、硝化性能等方面进行了研究[5-7]。

本研究选取生产实践中常用的3种生物填料作为研究对象，室内模拟构建循环水养殖系统，对不同材质、不同形状的3种填料挂膜情况进行研究，评估3种填料对水质的净化效果，以期为研究不同类型生物填料处理水质效果提供科学依据。同时，也为循环水养殖系统中生物填料的选择及生物膜培养提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

循环水养殖系统由养殖池、沉淀池、生物滤池3部分构成，在沉淀池和生物滤池内各安装1个小型水泵构成内循环。养殖池、沉淀池、生物滤池分别由有效体积为150、120、100 L的聚氯乙烯（PVC）水族箱构成，生物滤池内依次放置M1（聚乙烯球）、M2（陶瓷环）、M3（弹性毛刷）不同类型的生物填料，见图1。养殖池内放网片，养殖对象为罗氏沼虾，放养密度为40尾/箱，平均体质量（28.4±0.89）g。

试验水温（24±1） ℃，将外塘养殖水泵入生物滤池内，初始水质指标如下：pH值7.4，总氮（TN）含量3.62 mg/L，总磷（TP）含量0.084 mg/L，亚硝态氮（NO2-N）含量0.026 mg/L，

氨氮（NH3-N）含量0.03 mg/L，溶解氧（DO）7.55 mg/L， 化学需氧量（CODMn）2.2 mg/L。生物滤池和养殖池连续曝气，整个试验期间系统溶解氧维持在8.0 mg/L以上。将生物填料均匀布置在生物滤池中（M3用细绳均匀悬挂在滤池中），挂膜期间水体缓慢循环流动，待生物膜成熟后，将水流速度调整到正常值（7.5 L/min），每天09：00正常投喂。

1.2 样品采集

生物膜成熟后，分别取生物滤池进出水口水样，每7 d取样1次，分别检测TN[8]、TP[9]、NH3-N[10]、NO2-N[11]、CODMn[12]等指标，所用试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。养殖池和生物滤池连续曝气，水中溶解氧含量均保持在8 mg/L以上，故不再测定溶解氧指标。

1.3 数据处理

数据和图表采用Excel软件处理，SPSS16.0进行t检验，当P<0.05时为差异显著。

2 结果与分析

2.1 3种填料的挂膜成熟时间

当水体中NO2-N浓度降至最低时，表明生物膜培养成熟，硝化系统完全建立[13]。在生物膜培养期间，3种填料构建的生物滤池水体中，亚硝态氮的浓度变化趋势相同，都经历了先上升后降低，最后保持较低水平的趋势。由图2可知，不同生物填料构建的生物滤池中，M1（聚乙烯小球填料）的亚硝态氮浓度在8月14日检测值最低，为0.007 mg/L，其成熟时间为29 d；M2（陶瓷环填料）的亚硝态氮浓度在8月11日降到最低值，為0.008 mg/L，成熟时间为26 d；M3（弹性毛刷）的亚硝态氮浓度在8月19日最低，为0.013 mg/L，成熟时间为34 d。因此，在相同的培养条件下，3种生物填料的成熟时间依次为陶瓷环<聚乙烯小球<弹性毛刷。

2.2 3种生物填料对TN的净化效果

由图3可知，在采样周期内，M1、M2、M3对TN的平均清除率分别为8.87%、11.10%、17.81%，最高清除率依次为10.17%、13.02%、17.81%，养殖后期的清除效果优于前期；从平均清除率分析，经t检验，M3对TN的清除率明显高于其他2种填料。

2.3 3种生物填料对TP的净化效果

由图4可知，待生物膜成熟后，在处理前期（8月26日），3种填料对TP的清除率差异并不明显，随着养殖时间的延长，不同的生物滤池对水体TP的清除效果出现差异。从最高清除率分析，M1、M3的最高清除率出现在采样后期，分别为11.40%、20.06%，而M2对TP的最高清除率出现在养殖中期，为13.27%，在整个采样周期内，M2的清除率变化不大。在平均清除率方面，M3（17.36%）>M2（11.73%）>M1（10.39%），M3对TP的平均清除率明显高于其他2种填料。

2.4 3种生物填料对NH3-N的净化效果

由图5可知，M1、M2、M3 3种填料对NH3-N的平均清除率分别为9.45%、10.20%、18.04%，M3平均清除率最高，M1最低；在养殖后期，M3对NH3-N的清除率达到最高值，为24.53%。经t检验，M3对NH3-N的平均清除率明显高于其他2种生物填料。

2.5 3种生物填料对NO2-N的净化效果

由图6可知，在采样期间各填料对NO2-N净化趋势相同，呈先升高后降低的趋势。最高清除率出现在9月9日，M2对NO2-N的清除率达24.00%，最低值出现在试验初期，M1对NO2-N的清除率最低（7.41%）。从平均清除率分析，M2最高（19.28%），其次为M3（12.17%），最低为M1，其平均清除率为11.20%，M2对NO2-N的平均清除率明显高于其他2种填料。

2.6 3种生物填料对CODMn的净化效果

CODMn反映水体中有机物污染的程度，是衡量有机质含量的重要指标[14]。由于初始水质指标较好，在整个养殖试验期间，CODMn维持在较低水平，生物膜处理前后水体中的CODMn含量差异不大。M1、M2、M3 3种填料对CODMn的平均清除率分别为8.57%、7.26%、11.19%，无明显差异（图7）。

3 结论

填料的物理性质、水体初始污染物浓度、水流速度等因素对填料净化水体的效果有重要影响。比表面积越大、挂膜越容易、细菌组成越丰富的填料净化水体效果越好。本试验选择的3种生物填料中，弹性毛刷比表面积最大，最有利于细菌的生长，结合细菌16S rRNA基因扩增结果（结果未列出），弹性毛刷生物膜上细菌种类最多，由变形菌门26个属细菌组成。而硝化螺旋菌是陶瓷环填料中可鉴别细菌中的优势菌，这与陶瓷环填料对水体中NO2-N的清除率最高的结果一致。

本试验选取生产中常用的3种生物填料作为研究对象，对其水质净化能力进行了分析，其中弹性毛刷填料在本试验条件下对水体中TN、TP、NH3-N的平均清除率明显高于其他2种填料，而陶瓷环填料对水体中NO2-N的清除率最高。在自然挂膜条件下，虽然弹性毛刷填料对水体中大部分污染物有较高的清除率，但从挂膜时间分析，弹性毛刷需要的时间最长，这对其生产实践中的应用有一定的限制，如何优化挂膜方法，缩短挂膜时间，实现其快速稳定挂膜是今后值得研究的方向。

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