基于可持续发展的水产养殖尾水脱氮技术研究进展

杨士超

(河北省生态环境工程评估中心，河北 石家庄 050051)

1 引言

过去20年，水产养殖已成为发展速度最快的生产行业之一。据统计，全世界水产养殖业产值以每年近6%的速度增长，2016年总产值已超过2320亿美元[1]。而且，随着过度捕捞导致的渔业资源量下降，捕捞渔业的全球海产品供应将愈加无法跟上人口增长的步伐，这也使得水产养殖成为了长期提高全球食物蛋白质产量的唯一真正可行的替代方案。

然而，水产养殖业在取得巨大发展的同时，也造成了严重的环境污染和生态破坏。未经利用的饲料及水产品代谢物等导致养殖尾水中含有大量氮磷等营养物质及耗氧有机物。尤其对于含氮类物质，一方面，其有效利用率较低，研究表明，饵料氮素仅13.9%转化为养殖产品，另有13.4%沉积于底泥，其余则以游离氨、离子氨、亚硝酸、硝酸盐、有机氮等形式存在于养殖水体中[2]。另一方面，水生生物对含氮物质积累极为敏感，养殖水体中的游离氨达到0.025 mg/L以上时即可引起养殖产品的应激反应，为了维持养殖水体的生态功能, 必须通过更新水源来保证水产养殖正常进行[3]。这就导致水产养殖的自身污染外扩，造成周边邻近水体缺氧或引起水体富营养化。可见，在水产养殖过程中，加强环境保护，对含氮物质导致的环境污染进行有效的控制和管理，是保障水产养殖业可持续发展的重要措施。

本文在分析国外先进水产养殖尾水脱氮技术的基础上，结合国内水产养殖多为池塘、网箱等封闭水质环境的特点，从含氮水产养殖尾水环境污染的净化与修复角度，分别对现有的养殖尾水原位脱氮修复和异位脱氮修复技术加以综述分析，探讨了生物处理单元与生态处理单元相融合的养殖尾水脱氮处理技术应用现状、工艺特点及处理效果，旨在探索可持续发展的生物生态组合脱氮技术对养殖尾水处理可行性，为进一步提高养殖尾水中有害氮素去除效率和广泛应用提供科学依据和技术借鉴。

2 养殖尾水异位脱氮净化技术

按原理不同，水产养殖尾水异位脱氮净化处理系统分为稳定塘技术和与市政污水处理模式相类似的集成颗粒物去除与硝化作用的处理系统。

2.1 稳定塘技术

稳定塘处理系统包括稳定塘、与养殖池塘相连的处理水进水及回用管路。养殖尾水由养殖池塘排入稳定塘后，经过几小时到几天不等的停留处理，通过稀释、沉淀和絮凝、厌氧微生物的作用、好氧微生物的作用、浮游生物的作用和水生植物的作用，使得有机物得到降解，净化后的水体可回流到养殖池塘内进行回用。

稳定塘处理技术的核心参数包括养殖水体在稳定塘和养殖池塘内的停留时间、塘内尾水均匀混合程度及曝气-沉积周期等。因此传统稳定塘普遍存在占地面积大、水力停留时间较长、处理效率低、产生臭味、处理效果受气候条件影响出现较大波动等缺陷[4]。对此，研究人员对传统稳定塘进行了结构和运行参数上的改良，研发了包括高效藻类塘、水生植物塘和养殖塘、高效复合厌氧塘等塘型。其中，针对养殖尾水，研究者开发了一种贝藻混养吸收的稳定塘处理系统，不仅可对养殖池塘排出的尾水进行有效净化处理，尾水中的悬浮物及营养盐也可经过贝类的滤食和藻类的吸收而转变为提取藻胶、制取沼气或肥料的生物来源，使养殖者在养殖对象外，可通过收获贝类和藻类增加额外的经济收入[5]。

稳定塘处理技术控制得当的话，还可以在稳定塘与养殖池塘见构建起一个平衡的微型生态系统，自养型藻类依靠养殖塘排出的尾水中的营养盐生长，而藻类又可成为养殖对象的饵料、其残体也可为异养微生物提供生长所需碳源，同时藻类的光合作用又能增加水中的溶解氧浓度、调控水体pH值。可见，稳定塘内这种综合生物过滤作用不仅起到了降低水产养殖业环境影响的目的，更派生出了现代集约化鱼、贝、藻同池水产混养系统[6]及结合水产养殖技术和植物栽培技术于一体的[7]鱼菜共生技术等一系列安全健康生态环保的绿色生态养殖新技术。

需要注意的是，为了增加处理设施的使用效率、提高处理系统内生物量的稳定性，不宜在稳定塘内构建过于复杂的生态系统，如有必要，应将沉淀塘、滤食性动物净化塘、微生物净化塘、海藻净化塘等不同稳定塘形式按处理流程分设，来维持稳定塘处理系统较好的出水水质。

2.2 以生物滤池工艺为核心的工程化尾水处理技术

与市政污水类似，养殖尾水的工程化处理技术手段也可分为三类：物理处理、化学处理和生物处理。其中，物理处理的主要目的是去除水中悬浮物，可通过沉降(大于75 μm的可沉降悬浮物)或机械过滤完成(小于75 μm的不可沉降悬浮物)。对于养殖尾水中。其中，机械过滤中最常见的为微网过滤技术和介质过滤技术，对于30 μm以上的悬浮物可起到较好的去除效果，但更小的悬浮颗粒(30 μm以下)则需要借助蛋白质除沫器或泡沫分馏器来去除。化学处理主要是絮凝法和臭氧氧化法，一般作为物理处理和生物处理的补充工艺，起到深度净化水质、杀毒灭菌的作用。但化学处理往往会向水中引入一些持续性有毒污染物，例如，絮凝剂可起到降低水中悬浮物和磷的作用，但也会向水中引入过量的铁或铝离子，如回用可能对养殖对象的健康产生影响；养殖尾水采用臭氧消毒后，可能产生致癌消毒副产物等。对此，可采用紫外线消毒来代替臭氧消毒。

养殖尾水的核心处理工艺为生物处理工艺，而生物处理过程中最重要的环节即为硝化作用，它是利用微生物的吸收、代谢作用，降解养殖尾水中的氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐等有害物质。养殖尾水中常见的生物硝化工艺均为生物膜工艺，具体可分为淹没式生物膜工艺(生物接触氧化法、曝气生物滤池)、半淹没式生物膜工艺(生物转盘)和非淹没式生物膜工艺(生物滴滤池)。硝化工艺的处理效能受多种因素影响，包括填料材质、溶解氧浓度、有机物种类及浓度、温度、pH值、碱度、盐度及布水均匀性等[3]。硝化菌对环境条件较为敏感，较高的氨氮及亚硝酸盐浓度、溶解氧浓度不足1 mg/L以及pH值超过7.5～8.6的范围，均可对其造成抑制作用。沉积物及底泥积累产生的硫化物也对硝化过程也有严重影响。 此外，因为硝化菌属于好氧自养菌，而当养殖尾水中C/N较高时，异养菌在反应池内对生态位的竞争更具优势，因此，在养殖尾水中维持较低的C/N更有利于硝化作用的进行[8]。

2.2.1 生物转盘工艺处理养殖尾水

生物转盘工艺核心为一组固定在水平轴上的圆形聚苯乙烯或聚氯乙烯圆盘，硝化菌可在圆盘表面附着生长并逐渐形成一层生物膜。圆盘上部暴露于空气中，下部浸没在待处理尾水中。随着圆盘转动，生物膜与空气及尾水轮流交替接触，带出硝化菌产生的CO2，并引入O2，并通过旋转扰动使溶解氧在硝化池内均匀分布。

一方面，每片生物转盘的转动使得池内水体呈现完全混合的流态，使波动的进水水质得到均化；另一方面，整个转盘不断转动又使硝化池内的养殖尾水呈现较好的推流流态，使得微生物所得到的营养及其生长特性沿池长变化，可获得较高的硝化处理效率。而且，生物转盘不需要额外设置曝气设施和回流设施，因此动力消耗更低。

生物转盘工艺最先被用于市政污水处理，后被广泛用于养殖尾水硝化过程。Miller等人最先将生物转盘工艺用于养殖尾水总氨氮的去除处理，其研究结果表明，在相同处理负荷条件下，生物转盘对总氨氮的去除能力显著高于生物滴滤塔或生物流化床工艺。Brazil等人[10]研究了生物转盘对罗非鱼养殖尾水的处理效能，发现该工艺对总氨氮的去除率可达到0.42 g/(m2·d)，尽管研究人员并未发现进水氨氮负荷与氨氧化效能见有显著关联，但进水COD负荷、水力负荷、圆盘转速和盘片数量均对生物转盘氨氧化效能有影响。

2.2.2 生物滴滤池工艺处理养殖尾水

生物滴滤池以塑料等轻质滤料作为微生物附着生长介质，养殖尾水通过布水系统呈滴滤状态洒在滤料上，其中的氨氮逐渐被滤料所吸附，而尾水中的微生物则逐渐在滤料上形成生物膜。尾水滴落过程中与空气持续接触而被充氧，尾水、氧气、生物膜接触传质，进而实现了氨氮的硝化作用。目前，已有Finturf人造草、Norton环、Kaldnes环和Leca柱制作的生物滴滤池填料对养殖尾水的处理研究[10]。

Kamstra等人[12]研究了工业规模化的生物滴滤池对鳗鱼养殖尾水的处理效能，结果表明，总氨氮去除速率为0.24～0.55 g/(m2·d)。另有研究者考察了不同填料材质对生物滴滤池硝化作用的影响，最高总氨氮去除速率为1.1 g/(m2·d)，平均总氨氮去除速率为0.16 g/(m2·d)[13]。Lyssenko等人[14]发现生物滴滤池处理工厂化养殖尾水时，总氨氮去除速率约为0.64 g/(m2·d)，且生物流化床与生物滴滤池的处理效率接近。

2.2.3 生物接触氧化工艺处理养殖尾水

生物接触氧化法结合了滴滤池与粒装填料生物滤池的特点。在向下流的池型构造中使用悬浮填料，因不易堵塞，故可使用尺寸更小的填料，从而可提供更大的比表面积供微生物附着挂膜，而且对细颗粒悬浮物的截留效果也更好。此外，这种向下流也能承受更大的水力冲击负荷，而无须担心滤料被冲出池外。例如，Timmons等[15]人所采用的填料为直径1～3 mm、孔隙度36%～40%的聚苯乙烯小球，这种填料比表面积可达1150～3936 m2/m3，利用该种填料制作的工业规模化生物接触氧化池总氨氮去除速率约为0.30 g/(m2·d)，但也有研究者发现生物接触氧化池的总氨氮去除率可高达0.45～0.60 g/(m2·d)[16]。

2.2.4 生物流化床工艺处理养殖尾水

生物流化床以砂、活性炭、塑胶等密度大于水的细小、惰性颗粒为载体，随着表面微生物挂膜，其密度有所降低。当养殖尾水从下向上流动时，即使载体处于流化状态，尾水与生物膜充分接触，也会发生硝化作用。

尽管该工艺须另外敷设曝气设施使得投资有所升高，但由于生物流化床内填料比表面积高达4000～20000 m2/m3，传质效率极高，因此运行费用增加并不明显。但进水流速须控制在一定范围内才能维持填料始终处于流化状态，因此对布水要求较高。

Miller等人[9]的研究结果表明，生物流化床对养殖尾水中总氨氮的去除速率约为0.24 g/(m2·d)，Timmons等人[9]的研究也与上述结果基本一致。

综上所述，根据前人研究成果，在用于养殖尾水中的硝化作用时，生物转盘的总氨氮去除能力最高，其次为生物接触氧化法和生物滴滤池，生物流化床的去除效能最低。但研究结果也表明，当用于罗非鱼养殖尾水处理时，生物转盘和生物滴滤池的运行费用较其他生物处理技术更高，生物流化床的运行成本最低[18]。

3 养殖尾水原位脱氮净化技术

众多研究报道证实，水产养殖过程中利用人工基质固着微生物或促进致密的微生物絮团形成，不仅能改善水质，同时也能提高养殖对象的生产力[18]。一方面，固着微生物及微生物絮团可通过微生物的吸收、分解和同化等作用，去除氮磷等富营养物质；另一方面，这些丰富的生物群体本身就是一种优质的高蛋白质生物饵料，可被养殖对象摄食，从而降低饲料系数。可见，在养殖水体内设置人工基质或促进致密微生物絮团形成对提高水产养殖的经济与生态效益具有积极的作用。

3.1 构建固定化微生物膜对养殖水体的原位修复

通过向养殖水体中投入人工基质，可在基质表面逐步形成由细菌、藻类、原生动物和后生动物等多生物种类组成的动态变化的固定化微生物膜。固定化微生物膜可捕获并吸附水中有机颗粒物(如残饵、粪便等)，降解去除养殖水体中的氮磷等营养物质，并通过光合作用调节水体中的溶解氧及pH值。此外，由于固定化微生物膜上具有丰富的水生生物，食植动物、掘食碎屑的底栖生物、及捕食底栖生物的鱼类均可直接或间接依靠人工基质上的固定化微生物膜生存。

总体来讲，固定化微生物膜对养殖水体的原位修复作用主要体现在以下3个方面。

3.1.1 促进藻类及细菌的生长，净化水质

3.1.2 营养增益，降低饲料系数

固定化微生物膜内含有多种残饵、粪便等有机碎屑，以及藻类、浮游动物和浮游植物、原生动物等多生物种类出现，可作为虾、贝类等底栖生物的天然饵料。事实上，前人研究结果表明，固定化微生物膜中蛋白质含量约占23%～30%可为养殖对象提供超过1/3的氮源和1/2的碳源[23]。因此可减少养殖过程中饵料投喂量和频次，达到营养增益的同时，也可起到降低水产养殖环境负荷的作用。

3.1.3 免疫强化，抑制病原菌数量

致病菌通常适宜在厌氧、有机物含量丰富的养殖池塘底部生长繁殖。固定化微生物膜对有机物的截留和降解作用，增加了水体中的溶解氧、减少了塘底沉降的有机物，使养殖水体中的厌氧层减少，扩展了有益菌的生长、繁殖的空间。从而达到减少抗生素使用量，降低抗生素引发环境污染问题的风险，养殖水体中抗性细菌数量下降的目的。多位研究者发现，固定化微生物膜可使养殖水体中的致病弧菌数量显著降低[24]。另有研究发现，尽管产生机制尚不明确，但固定化微生物膜上的细菌和微藻可产生特定的抗生素类化合物质，并有效地抑制致病菌的生长繁殖速度[25]。

3.2 生物絮团技术对养殖水体的原位修复

20世纪70年代中期，以色列养殖专家Avnimelech首先将微生物絮凝技术引入水产养殖领域，并将其命名为“生物絮团技术”(Bio-flocs technology)。2005 年，Avnimelech在印度尼西亚应用生物絮团技术净化养殖废水试验成功，随后，该技术在以色列、美国、泰国、印度及巴西等国家的对虾及罗非鱼养殖上被大规模商业化应用，结果表明，该技术具有净化水质、减少换水量、提高饲料利用率可明显增强养殖对象的抗病能力，并提高存活率等作用。

生物絮团是由细菌群落、原生动物、后生动物、微藻、有机碎屑等经经细菌胞外聚合物(EPS)粘附或表面电荷吸附而形成的微生物群落的聚合体，絮团的大小可从几微米到几百微米，甚至达数千微米。生物絮团技术类似市政污水处理工艺中的活性污泥法，依靠内部含有丰富的微生物菌群，生物絮团不仅具有自我繁殖的能力，而且可在养殖水体中建立一个复杂的食物链结构，通过氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用等，降解水中的含氮有害物质和残留的有机碳等，从而起到对养殖水体进行原位修复的作用，而絮团本身又能够作为养殖对象的饵料，完成对饲料营养的再利用。

3.2.1 生物絮团的形成与影响因素

生物絮团技术类似于市政污水处理工艺中的活性污泥法，其核心在于通过添加碳源或提高饲料中碳含量，提高养殖水体中的碳氮比、使养殖水体形成以异养微生物为主的生物絮团，利用絮团中异养微生物吸收转化各类污染物以达到实现养殖水体中有害氮素的转化去除的目的。

生物絮团技术主要受C/N、溶解氧和混合强度的影响。有研究表明，有机碳源充足的情况下，异养微生物大量增殖并成为优势菌种；否则，菌群中自养硝化菌生长占优势。因此，可向养殖水体中添加廉价碳源或使用低蛋白高C/N的饲料来提高水体的C/N。研究表明，当C/N提高到20以上时，10 mg/L的总氨氮可在2 h内被生物絮团完全转化，且硝酸盐氮和亚硝酸盐氮未产生累积现象[26]。朱锦裕等[27]采用糖蜜作为碳源在罗氏沼虾池塘中构建生物絮团养殖系统，发现降低蛋白含量，不会影响罗氏沼虾的生长，加入碳源后池塘内氨氮浓度降低了54%。另有研究者发现，停止加入碳源虽然不会使的池塘内氨氮浓度显著升高，但会导致硝酸盐氮的快速积累[28]。

溶解氧和混合强度均受曝气方式的影响，生物絮团技术的开创者Avnimelech认为，持续曝气、保持养殖池塘内较高的溶解氧浓度，可以增强微生物活性，促使生物絮团形成，并维持絮团在养殖水体中呈悬浮状态，达到絮团与污染物充分混合、快速传质的目的。有研究者考察了对虾养殖池塘中不同曝气方式对生物絮团水体原位修复效能的影响，结果表明，相较于曝气立式泵和自吸式螺旋曝气机，鼓风曝气方式形成的生物絮团更高，并使得养殖水体中的氨氮浓度低于1.0 mg/L[29]。

3.2.2 生物絮团对养殖水体的原位修复作用

生物絮团不仅能利用藻类的光合作用吸收、自养微生物的硝化作用、异养微生物的氨化和同化作用降低养殖水体中的含氮有机物浓度，进行养殖环境的修复。与固定化微生物膜作用类似，生物絮团也可作为饵料被养殖对象直接或间接摄食，从而带动整个养殖生态系统的营养流动和物质循环，达到降低饲料系数，节省养殖生产的成本的目的。Burford等人[30]借由同位素示踪法研究了对虾对生物絮团的利用情况，发现虾类日常摄食中18%～29%的N素可由生物絮团提供。类似结果也在针对罗非鱼养殖系统的研究中发现，即两次投喂间罗非鱼的消化道内充满了生物絮团，且饵料利用率高20%以上。Hari等也发现，养殖对象摄取生物絮团后，饵料的蛋白质利用率提高了7%～13%[31]。

此外，生物絮团技术能够实现高位池养殖系统的零换水，从而阻断外来病原体的入侵途径，降低养殖养殖对象的患病机率。生物絮团中的某些有效成分(免疫促进剂和免疫活性因子等物质)可以起到刺激动物的先天免疫系统、增强养殖对象免疫力的作用。有研究发现生物絮团能显著提高海参的成活率，其机理可能是生物絮团提高了幼参体内主要消化酶的活性，即生物絮团不仅可以净化水质，更可以促进仿刺参幼参的生长[31]。

值得注意的是，生物絮团技术虽然在降低换水率与减少饵料投加方面提供了更经济、可持续的养殖新思路，但也存在一些应用缺陷：①投加碳源将对养殖产生额外成本；②因缺乏某些必要氨基酸，生物絮团尚不能完全作为养殖对象的替代饵料；③由于养殖品种和养殖系统的复杂性、有害污染物的多样性以及养殖环境的多变性等因素影响，生物絮团处理技术的运行调控难度较大，运行不当易导致硝酸盐氮积累，对养殖对象产生慢性毒性作用。

4 结论与展望

排泄氮、粪便氮和其它氮在养殖水体中不断积累，不仅增加了养殖对象病害发生的风险，还导致养殖水域周边富营养化趋势加剧，严重破坏养殖水域生态环境。因此，利用微生物等水生生物的新陈代谢作用对养殖过程产生的含氮废物进行原位或异位处理，实现养殖尾水资源化利用或达标排放是有效破解水产养殖的环境制约、减少水产动植物病害频繁发生的有限途径。在选择养殖尾水脱氮技术时，还应具体考虑养殖模式、养殖品种、占地面积、投资成本等多方面因素，因地制宜。随着现代分子生物学技术、纳米材料技术的进一步发展，以生物-生态修复技术为核心的养殖尾水脱氮处理技术必将具有极大的研究价值和广泛的开发利用前景。