藤壶壳填充率对对虾养殖尾水处理效果的影响

章 霞，柳敏海，徐志进，傅荣兵，殷小龙，李伟业，油九菊，张 川

（浙江省舟山市水产研究所,浙江舟山 316000）

随着水产养殖的高速发展，养殖废水污染问题日益凸显。为突破以环境换经济的困局，实现水产养殖事业的可持续发展，养殖废水处理技术日益臻进。当前的污水处理模式主要为物理方法[1-2]、化学方法[3-4]和生物方法[5-6]等，而20世纪 90年代，生物滤池作为集3种方法综合效应为一身的新型污水处理技术在欧美和日本等发达国家广为流行[7]。

生物滤池的原理是：在反应器中，投入生物滤料，通过生物滤料形成生物膜以及滤料本身特性，集合物理过滤作用、生物分解作用以及化学作用等综合作用处理污水[8-9]。生物滤池的应用效果主要涉及水处理效果、基建面积，投资、运行费用以及应用管理等因素[10]，其中生物滤料的选择以及填充率是影响整体生物滤池造价工艺、使用寿命、运行效率、占地面积等的重要因素。

藤壶壳是沿海地区常见的废弃物，比表面积大、质地坚固、亲水性好、价格低廉，是一种极有开发潜力的生物滤料。有研究表明，藤壶壳相较于PE、陶瓷环等滤料，处理对虾养殖尾水的效果更好[11]。但纵观现有的滤料选择或应用的相关研究，对滤料的填充率研究甚少，基于降低滤料成本和占地面积的目的，本文设定了不同填充率的藤壶壳对模拟对虾养殖排水处理效果影响的试验，以期获得当前条件下的生物滤料与养殖排水的配比，为今后生物滤料的应用和水产养殖尾水处理技术的发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

2016年9月1日，将约1 200 L藤壶壳放置于浙江华兴水产科技有限公司正在养殖南美白对虾的养殖大棚（1 000 m3）中进行自然挂膜，所用藤壶壳为黑色，中空，似去顶的圆锥小体，藤壶壳上遍布中空小管，个体大小不一（图1）。40 d后，自然海水洗去沉积物，混匀，分装成4组(A、B、C、D组，滤料体积分别为20 L、40 L、80 L和180 L)后，分别置于水处理系统装置上部滤料桶中，盛放A、B、C组滤料的滤桶长、宽、高分别为60 cm、37.5 cm和40 cm，盛放D组滤料的滤桶长、宽、高分别为120 cm、70 cm和80 cm。下部蓄水桶（直径100 cm，高50 cm）盛200 L海水。各实验组生物滤料与水体积比例分别为 1：10，2：10，4：10 和 9：10，通过水泵（流量 2 600 L/h）实现下进水上出水循环，水处理装置如图2所示。

1.2 方法

图1 藤壶壳Fig.1 Barnacle shells

图2 试验运行示意图Fig.2 Trial operation schematic diagram

在2016年上半年对本试验场地内南美白对虾养殖过程中排放的养殖尾水进行检测，检测获得的水质指标氨氮（NH4+-N）浓度为 2.12～9.69 mg/L，亚硝酸盐（NO2--N）浓度为0.54～2.12 mg/L，磷酸盐（PO43--P）浓度为 0.036～0.560 mg/L，硝酸盐（NO3--N）浓度为（0.56～1.00）mg/L。以监测获得的水质指标上限模拟各个水质指标配置人工废水，在200 L洁净海水中各投放硫酸铵10 g、亚硝酸钠10 g、磷酸二氢钾0.5 g、硝酸钾1.4 g，使水体中初始氨氮（NH4+-N）浓度约为 10 mg/L、亚硝酸盐（NO2--N）约为 2 mg/L、磷酸盐（PO43--P）约为 0.6 mg/L、硝酸盐（NO3--N）约为1 mg/L。人工调节养殖尾水的碳氮比，使得总有机碳（TOC）约为232 mg/L。启动水泵，运行装置，水处理时间为48 h。试验过程中，每4 h采用YSI-556多参数水质测定仪测定水体中的盐度、水温、溶氧含量、pH；采用总有机碳分析仪TOC-LCPH CN200测定水体中总有机碳（TOC）含量；0～12 h每2 h测定一次氨氮（NH4+-N）、亚硝酸盐（NO2--N）、硝酸盐（NO3--N）含量；12～24 h每 4 h测定一次，24～48 h每 8 h测定1次，36 h每8 h测定一次，磷酸盐（PO43--P）含量，0～10 h每2 h测定1次，测定方法见表1。

1.3 数据分析

表1 水质检测指标以及检测方法Tab.1 Water qualityindices and test methods

试验数据采用Excel 2007和SPSS19.0软件进行统计分析和差异显著性检验（α＝0.05）。

2 结果

2.1 水体基本环境因子的变化

试验期间，水温22～26℃。本试验在阳光房中遮阴开展，各组间的温度、光照基本一致，pH、溶氧含量等指标也相差无几（表2）。

2.2 不同处理组水中氨氮（NH4+-N）的去除率

表2 试验过程中环境因子的变化。Tab.2 The variation inenvironmental factors during the test

从图3可以看出，4组水中氨氮（NH4+-N）浓度均呈先上升后下降的趋势，其中氨氮（NH4+-N）含量（以小于0.2 mg/L为基准）去除所耗时间由高至低依次为：D组B组>C组>D组；在4 h时，B、C、D三组的氨氮开始降解，且C、D组氨氮去除率显著高于A组（P<0.05）；在6 h内A组氨氮浓度仍呈上升趋势，6～8 h时，A组氨氮浓度开始下降；在10 h时，各组的氨氮去除率为：D组（95.14±1.57）%>C 组（81.98±5.04）%>B 组（66.46±4.99）%>A 组（13.27±1.55）%，各组之间差异显著；在12 h时，D组氨氮去除率（81.98±5.04）%显著高于B组（92.10±50.31）%、C 组（93.99±0.18）%，B、C 组显著高于 A 组（84.51±0.11）%（P<0.05）；16h时，C、D 组氨氮去除率显著高于 A、B 组（P<0.05）；20 h时，B 组（99.38±0.04）%、C 组（99.79±0.06）%、D 组（99.82±0.03）%高于 A 组（96.72±0.38）%，以去除率90%为基准，D组优先B、C组2 h，优先于A组6 h。

图3 4个处理组水中的氨氮（NH4+-N）去除率Fig.3 The NH4+-N removal rates in four treatment groups

2.2 不同处理组水中亚硝酸盐（NO2--N）的去除率

从图4可以看出，4个试验组对亚硝酸盐氮（NO2--N）的去除能力均较强。在前10 h内，各组盐硝酸盐氮去除速率由高至低为：D组＞C组＞B组＞A组；在10 h时，D组亚硝酸盐氮去除率（98.56±0.14）%显著高于 C组（76.27±3.37）%（P＜0.05），C 组显著高于 B 组 （28.18±0.15）%（P＜0.05），B 组显著高于 A 组（9.23±1.10）%（P＜0.05）；12 h时，D 组亚硝酸盐氮去除率（98.30±0.33）%高于 C 组（97.52±0.61）%，但差异不显著（P＞0.05），C、D 组去除率显著高于 B 组（48.35±1.25）%，B 组显著高于A组（12.75±0.48）%（P＜0.05）;20 h时，D组（99.86±0.05）%、C 组（98.33±0.46）%、B 组（99.91±0.01）%亚硝酸盐氮去除率显著高于 A 组（77.98±1.06）%（P＜0.05）；32h时，各组的亚硝酸盐去除率差异不显著（P＞0.05）。以达到亚硝酸盐氮去除率95%为基准，D组优先C组2 h，C组优先B组8 h，B组优先于A组12 h。

图4 4个处理组对NO2--N去除效果Fig.4 The NO2--N removal efficiencyin four treatment groups

2.3 不同处理组水中磷酸盐（PO43--P）的去除率

4个处理组对磷酸盐（PO43--P）的去除效果明显（图5）。在前2 h时，各组对磷酸盐的去除速率为：D组＞C组＞B 组＞A 组；在 4 h 时，A、B、C、D 组磷酸盐（PO43--P）的去除率达 （93.40±1.30）%、（89.46±0.09）%、（95.03±0.61）%和（99.27±0.14）%，D 组去除效果显著高于 A，C组（P＜0.05），A、C 组去除效果显著高于 B 组（P＜0.05）；在10 h时，A、B、C、D 4组的磷酸盐（PO43--P）的去除效果分别达（99.57±0.12）%，（99.51±0.12）%，（99.58±0.11）%和（99.63±1.01）%，无显著差异（P＞0.05）。

2.4 不同处理组水中总有机碳（TOC）的去除率

4个实验组中的TOC去除率呈波动上升趋势，最终去除率趋于一致（图6）。各组TOC去除率达到最高所需时间不同，其中D组在16 h的TOC去除率达（98.02±2.28）%，显著高于C组（78.56±4.06）%、B 组（49.29±2.22）%和A 组（56.30±4.10）%（P＜0.05）；在 40 h，C 组去除率达（97.53±1.19）%，B 组在 48 h时，TOC 去除率达（95.76±1.51）%，A组为（91.30±2.30）%。4试验组在48 h时，生物滤料对TOC的去除率排序为：D组＞C组＞B组＞A组。可见TOC的去除率随藤壶填充率的增加而增加。

图5 不同填充率下水中磷酸盐（PO43--P）的去除率Fig.5 The phosphate(PO43--P)removal rates atdifferent filling rates

图6 不同填充率下水中TOC的去除率Fig.6 The influence of different filling rate on the TOC removal effect

3 讨论

3.1 藤壶壳填充率对水体中氨氮去除效果的影响

水产养殖水域中氨氮过高是诱发水产动物暴发性疾病的重要环境因素之一。当非离子态氨浓度为0.05～0.2 mg/L时，水生动物的生长受抑制，功能失调，甚至急性中毒而死亡[12]。本试验中，氨氮以0.1 mg/L为基准，不同试验组氨氮浓度降解达到此基准的时间随着填充率的增大而缩短，填充率为2：10的B组，4：10的C组和9：10的D组最终的氨氮去除效果显著优于A组（1：10）（P＜0.05），去除率均在98.75%以上，B、C、D三组最高去除率之间无显著性差异，且藤壶壳填充率2：10氨氮水处理效果优于当前报道的其他滤料的水处理效果例如红色呼吸环、白色玻璃环、天然火山岩和细菌球等4种滤料[13]和SVA滤料制成3～6 mm球形颗粒滤料[14]等。可见藤壶壳填充率2：10可为今后的养殖尾水生物滤池氨氮去除的设计作参考。

3.2 藤壶壳填充率对水体中亚硝酸盐氮去除效果的影响

有研究表明在水产养殖中，水体中的亚硝酸盐一般需控制在0.1 mg/L以下，高浓度的亚硝酸盐会诱发水生动物的出血病，引发其他疾病[15-16]。本试验中，以控制亚硝酸盐浓度低于0.1 mg/L为基准，不同试验组亚硝酸盐氮的去除速率与藤壶壳填充率呈正相关。B（填充率为2：10）、C（填充率为4：10）、D（填充率为9：10）组亚硝酸盐氮的最终去除效果也显著优于A组（P＜0.05），去除率均在97.09%以上。B、C、D三组之间无显著性差异，且B、C、D 3组的亚硝酸盐氮浓度均能在24 h内有效降解，可见藤壶壳填充率（2：10）在综合亚硝酸盐去除效果、经济成本和资源利用方面可作为适宜的配比，进行后续的研究。

3.3 藤壶壳填充率对水体中磷酸盐去除效果的影响

磷酸盐是构成水体富营养化污染的重要原因[17]，而磷酸盐的去除也是评估水处理效果的重要标准。本试验中，A、B、C、D 4组在前4h，磷酸盐（PO43--P）去除速率为：D组＞C 组＞B 组＞A 组，但在 10 h时，磷酸盐（PO43--P）的去除率均可达99.51%以上,可见填充率对水体中（PO43--P）的最终去除效果影响不大。究其原因，有研究表明水体中磷酸盐（PO43--P）的去除主要依靠植物[18-19]和微生物的吸收[20-21]，而本试验磷酸盐去除率高的可能与试验前的源水体中添加了葡萄糖有关，因为磷酸盐的去除主要依靠水体中细菌的吸收作用，而连子如等[22]、赵晨红等[23]和SUTTLE C A,et al[24]的研究表明添加碳源有助于水处理系统中的细菌快速增长[24-26]，从而可提高磷酸盐的去除效率。