pH对海水生物滤器启动阶段构建硝化功能的影响

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(1中国科学院海洋研究所，中科院实验海洋生物学重点实验室，山东 青岛 266071；2 中国科学院大学，北京 100049；3 青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033；4 大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁 大连116023)

循环水养殖可通过工业化手段调整、控制水质环境和供给营养，具有节省水资源、环保、可控等诸多优点，是陆基水产养殖发展的重要方向之一[1]。生物滤器作为循环水养殖系统(RAS)核心的水处理单元，其稳定高效的运行是循环水养殖成功的前提之一[2]。流化床(MBBR)是一种新型的生物滤器，在挪威、美国等发达国家早已被应用于循环水养殖系统中[3]，国外许多养殖企业的成功应用表明，流化床生物滤器具有极佳的硝化性能[4]，而国内学者对其开展的研究相对较少[5]。张海耿等[6]对流化床的结构和工艺参数进行优化，并研究新型流化床生物滤器的水处理能力。柳瑶等[7-9]通过数值模拟的方法对流化床的流化状态进行研究，并探讨膨胀率和C/N对流化床水处理效果的影响。流化床生物滤器滤料表面附着微生物的生长、繁殖与周围环境的pH密切相关[10]。另外，pH变化会引起水环境中游离氨(FA)质量浓度的变化，一定质量浓度范围内的FA会对氨氧化细菌(AOB)或者亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的活性产生抑制作用，FA对AOB和NOB的抑制质量浓度分别为10～100 mg/L和0.1～10 mg/L[11]。要保证生物滤器稳定高效的运行，就要为AOB和NOB等微生物创造适宜的pH环境。目前，关于pH对生物滤器硝化性能的影响报道较多，但是进水pH对流化床生物滤器启动阶段构建硝化功能的影响研究未见。

1 材料和方法

1.1 试验装置

本试验设计了实验室规模的简易流化床生物滤器循环水系统，图1为试验装置示意图。试验装置整体材质为有机玻璃，主要分为储水箱和生物滤器两部分。储水箱分为高位水箱和低位水箱，高位水箱高40 cm，低位水箱高60 cm，内径均为11 cm，总有效体积约8.0 L。生物滤器高50 cm，内径10 cm，有效体积约3.5 L。系统运行时，低位水箱中的水由潜水泵提升至高位水箱，再由高位水箱流入流化床生物滤器，经生物滤器处理后流回低位水箱，完成一次循环。生物滤器使用直径2.5 cm、厚度0.4 cm的64孔环形塑料悬浮填料，填料有效表面积约1 200 m2/m3。生物滤器填料填充率为30%。

图1 试验装置示意图

1.2 试验用水

1.3 试验设计

1.3.1 进水pH对流化床生物滤器挂膜启动的影响

1.3.2 pH对稳定运行的流化床生物滤器硝化性能的影响

1.4 水质指标测定和数据分析

1.4.1 水质指标测定

1.4.2 数据分析

η=(c进-c出) /c进×100%

(1)

R=(r1+r2+r3+r4)/4

(2)

R—TAN平均降解速率；r1、r2、r3、r4分别为TAN在前1、2、3、4 h内的平均降解速率，mg/(L·h)。

数据分析采用SPSS18.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，采用 Duncan 进行统计检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 进水pH对流化床生物滤器挂膜启动的影响

2.1.1 pH对TAN处理能力的影响

生物滤器挂膜启动阶段，不同pH条件下生物滤器对TAN的去除情况如图2所示。

图2 生物滤器挂膜阶段氨氮的去除情况

图2整体趋势可见，流化床生物滤器在挂膜启动阶段对TAN的处理能力主要分为3个时期：上升期(0～40 d)、下降期(40～57 d)和稳定期(57～99 d)。上升期，生物滤器对TAN的去除效率快速升高；下降期，去除效率出现下降现象；稳定期，去除效率基本保持稳定。上升期，除第1、19、26、40天外，其他时间点pH 7.5处理组对TAN的去除效率显著高于其他3个处理组(P<0.05)；下降期，在第43、57天时pH 7.5处理组对TAN的处理效率显著高于pH 7.0、pH 8.5处理组(P<0.05)，其他时间点各处理组对TAN的处理效率无显著差异(P>0.05)；稳定期，4个处理组生物滤器对TAN的去除效率均稳定在80%以上，pH 7.5和pH 8.0处理组生物滤器对TAN的平均去除效率高于pH 7.0和pH 8.5处理组，但差异不显著(P>0.05)。pH 7.5处理组第29天时对TAN的日处理效率达到80%以上，启动50 d左右处理效率基本稳定；pH 8.0处理组对TAN的日处理能力仅次于pH 7.5处理组，在第36 天时对TAN的处理效率达到80%以上，启动61 d左右处理效率基本稳定。pH 7.0和pH8.5处理组在第71天后对TAN的日处理效率基本稳定。

图3 生物滤器挂膜阶段亚硝酸盐氮的去除情况

2.2 pH对稳定运行的流化床生物滤器硝化性能的影响

2.2.1 pH对处理TAN的影响

图4为生物填料挂膜成熟稳定后不同pH条件下流化床生物滤器中TAN质量浓度随时间变化的趋势图。从图中可以看出，各处理组的生物滤器对TAN都有较好的处理效果，pH 7.5、pH 7.7和pH 8.0处理组相对pH 7.0和pH 8.5处理组生物滤器TAN的去除能力更强。其中，pH 7.7处理组对TAN的去除效果在30～240 min，显著优于pH 7.0和pH 8.5处理组(P<0.05)，而pH 7.5、pH 7.7和pH 8.0处理组之间，pH 7.0、pH 8.5处理组之间，生物滤器对TAN的去除能力没有显著差异(P>0.05)。各处理组对TAN的平均去除速率如图5所示。pH 7.7处理组TAN去除速率为(0.58±0.020) mg/(L·h)，pH 7.0、pH 7.5、pH 8.0和pH 8.5处理组TAN的去除速率分别为(0.48±0.018) mg/(L·h)、(0.53±0.019) mg/(L·h)、(0.51±0.028) mg/(L·h)和(0.49±0.019) mg/(L·h)。pH 7.7处理组TAN的去除速率比pH 7.0和pH 8.5处理组分别提高14.53%和12.90%，比pH 7.5和pH 8.0处理组提高4.91%、9.87%。

图4 成熟膜系统中氨氮质量浓度变化情况

图5 不同pH条件下成熟膜系统中氨氮的平均降解速率

图6 成熟膜系统中亚硝酸盐氮质量浓度变化情况

3 讨论

3.1 进水pH对流化床生物滤器挂膜启动的影响

3.2 pH对流化床生物滤器硝化能力的影响

3.2.1 pH对TAN处理能力的影响

养殖系统水环境中的无机氮主要为氨氮[19]，氨氮质量浓度超标会影响养殖生物的正常生长，甚至会导致死亡，造成经济损失[20]。降低并有效控制养殖水体中的氨氮质量浓度是循环水养殖产业健康发展的保障。从生物滤器挂膜启动阶段以及成熟稳定运行阶段可以看出，随着pH的增大，TAN的处理效率先增大后减小[21]，其中生物滤器在pH 7.5～pH 8.0条件下对TAN有较高的处理效率，这与徐婷等[22]得到的结论(pH 7.3～pH 8.0的TAN降解率最大)十分相近。有研究发现，AOB在pH 7.4～pH 7.8时活性最强[23]。通过研究不同pH对生物滤器稳定后硝化能力的影响发现，在pH 7.7时TAN的处理效率最高。本研究结论与姜体胜等[24]的研究结果(pH 7.74时活性污泥的硝化能力最强)十分相近。本试验还发现，pH 7.7处理组TAN的降解速率比pH 7.5、pH 8.0处理组分别提高4.91%、9.87%，由此证明，相较于pH 7.7～ pH 8.0，pH 7.5～ pH 7.7时生物滤器运行更加稳定，更有利于氨氮的降解。

4 结论

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