碳源与微生态制剂对水产养殖尾水处理效果

傅 铄，刘建勇，罗东水

(广东海洋大学水产学院，广东湛江 524088)

目前我国海水养殖中常需投加大量人工饲料和肥料确保养殖对象健康生长，这些外源营养物被养殖对象吸收后，大部分以粪便的形式排至养殖水体中[1-2]。这些代谢产物及未被吸收利用的饵料和肥料对养殖水体的污染速度远超水体的自净能力，而未经有效处理的养殖尾水任意排放会对海洋环境造成严重污染[3-6]。微生物处理法是较为常见的一种水处理方法，通过向水体中加入各种有益菌抑制病菌生长，净化水质。常用的有益菌主要包括硝化细菌、光合细菌、芽孢杆菌、乳酸杆菌等[7-9]。其中芽孢杆菌常作为饲料添加剂应用于水产养殖，用来促进水产动物生长[10-12]，光合细菌已在多种废水的处理中广泛应用，例如酒厂废水、糖废水、市政废水等[13]。在水产养殖水质净化中，大量研究表明，芽孢杆菌和光合细菌也发挥了重要作用，如关月[14]利用光合细菌中的沙氏外硫红螺菌P2Ectothiorhodospira shaposhnikovii对养殖尾水进行处理，发现光合细菌具有脱氮除磷的功能，可以有效去除养殖尾水中的氨氮、磷酸盐和硫酸盐，潘亚均等[15]向凡纳滨对虾养殖池中投加枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis，使水体中NH4+-N 浓度降低30.81%，NO2--N 浓度降低13.22%。上述研究表明芽孢杆菌和光合细菌可以对养殖水体及尾水实现净化，减少对环境的污染。但目前在处理养殖尾水的问题上关于同时施用芽孢杆菌和光合细菌尚无相关报道。

生物絮团技术是目前水产养殖业较为热门的技术，通过人为向养殖水体添加有机碳物质（如糖蜜、葡萄糖等），调节水体中的碳氮比(C/N)，提高水体中异养细菌的数量，从而达到净化水体的目的[16-17]。考虑到芽孢杆菌和部分异养光合细菌的生长和发挥作用需要充足的氧气和碳源，一般养殖尾水中的碳含量较少，无法保证异养菌正常发挥作用。因此参考生物絮团净化水质的原理以及周丹等[18]提出的污水脱氮工艺中外部碳源投加量简易计算方法，本研究按照C/N=5：1 的量加入碳源，通过比较生产上常用的芽孢杆菌和光合细菌制剂不同比例混合使用对养殖尾水的处理效果，探究在实际应用中同时采用芽孢杆菌和光合细菌制剂作为水质改良剂，进行养殖尾水净化的可行性。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 养殖尾水

实验在湛江市徐闻县某对虾养殖场进行，实验用水为某对虾养殖场日常排放的尾水。

1.1.2 实验药品

本实验所采用的芽孢杆菌为南华千牧公司生产的芽孢杆菌制剂，主要成分为枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis，浓度为5×1010cfu·g-1，光合细菌为南华千牧公司生产的光合细菌菌液，主要成分为液态沼泽红假单胞菌Rhodopseudomonas palustris，有效活菌数量大于1×1010个·mL-1，碳源为山东西王糖业生产的一水葡萄糖（含C 量为40%）。

1.2 实验方法

1.2.1 碳源与微生态制剂处理尾水方法

实验在容积为100 L 的桶中进行，实验水体为60 L，实验前测量各项初始指标。根据本实验所用复合芽孢杆菌制剂和光合细菌的使用说明，结合邹文娟等[19]、郑亚君等[20]的研究结果，设定了A、B、C、D 共4 个实验组，其中A 组复合芽孢杆菌制剂和光合细菌浓度分别为0.1 g·m-3和1 mL·m-3，B 组复合芽孢杆菌制剂和光合细菌浓度分别为0.1 g·m-3和10 mL·m-3，C 组复合芽孢杆菌制剂和光合细菌浓度分别为1 g·m-3和1 mL·m-3,D 组复合芽孢杆菌制剂和光合细菌浓度分别为1 g·m-3和10 mL·m-3，每组设置3 个重复，实验时24 h 曝气。对照组为未经任何处理的养殖尾水，24 h 曝气。复合芽孢杆菌使用前需进行活化，活化方法为：将菌：红糖：水按照0.5：1.5：25 比例混合活化3 h，光合细菌使用前进行光照3 h。测定初始总无机氮后，以有机碳含量为总无机氮5 倍的原则向水体中加入葡萄糖作为碳源。

1.2.2 指标测定方法

本实验共持续9 d，实验从第1 天起每隔2 d 进行水质测定，测定指标包括氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3--N）、亚硝酸盐氮（NO2--N）和活性磷酸盐（PO43--P）等。各项指标的测定方法均按照中华人民共和国农业部制定的《海水养殖尾水排放要求》（SC/T 9103-2007）中推荐的检测方法进行，即NH4+-N 采用靛酚蓝分光光度法，NO3--N 采用锌-镉还原法，NO2--N 采用萘乙二胺分光光度法，PO43--P 采用磷钼蓝分光光度法[21-22]进行测量。总无机氮为氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮测定结果之和。

1.3 数据处理

采用Excel 2016 对数据进行统计分析并作图，采用SPSS 2019 软件对数据进行单因素方差分析（ANOVA），所得结果均以平均值±标准差（Mean±SD）表示，以P＜0.05 作为差异显著水平。

本研究中各实验指标的去除率均用下列公式计算：

式中：C1 为尾水处理前各项指标的初始测量值，mg·L-1；C2 为尾水经处理后各项指标的终末测量值，mg·L-1。

2 结果与分析

2.1 原水体指标

原水体质量指标如下：亚硝酸盐氮为0.169±0.009 mg·L-1、氨氮为1.107±0.018 mg·L-1、活性磷酸盐为0.256±0.010 mg·L-1、硝酸盐氮为0.508±0.036 mg·L-1、总无机氮为1.783±0.050 mg·L-1。污水富营养化较严重，其中活性磷酸盐含量已经超标，总无机氮浓度也接近超标水平，水体呈黑色且透明度低。

2.2 不同浓度芽孢杆菌和光合细菌处理养殖尾水氮磷效果的比较

2.2.1 活性磷酸盐

活性磷酸盐处理效果如图1 所示，包括对照组在内各组的浓度在实验开始第1 天后出现下降，之后对照组的浓度趋于稳定，去除率达到40%，处理组的浓度显著降低（P＜0.05）。各处理组在实验开始5 d 后去除率均达90%以上。

图1 碳源和微生态制剂对活性磷酸盐处理效果Fig.1 Effects of carbon sources and microecological agents on active phosphate treatment

2.2.2 硝酸盐氮

硝酸盐氮处理效果如图2 所示，各处理组的硝酸盐氮浓度均一直下降，第5 天时去除率达49%～60%。第7 天后处理组硝酸盐氮浓度趋于平稳，去除率达60%左右，而对照组硝酸盐氮浓度呈先升高后下降的趋势，第9 天时去除率达到80%，处理效果优于处理组。

图2 碳源和微生态制剂对硝酸盐氮处理效果Fig.2 Effects of carbon sources and microecological agents on nitrate nitrogen treatment

2.2.3 亚硝酸盐氮

亚硝酸盐氮处理效果如图2 所示，随着时间增加，对照组的亚硝酸氮浓度逐渐升高，各处理组的浓度在实验1 d 后先升高，之后显著降低，各处理组在处理5 d 后去除率达90%以上。除浓度最低的A 组（芽孢杆菌和光合细菌添加浓度为0.1 g·m-3和1 mL·m-3）外，各处理组之间处理效果无显著差异。

图3 亚硝酸盐氮处理效果Fig.3 Effects of carbon sources and microecological agents on nitrate nitrogen treatment

2.2.4 氨氮

氨氮处理效果如图4 所示，包括对照组在内各组浓度在实验开始逐渐下降。处理1 d 后对照组的去除率为17.63%，各处理组去除率均在56%左右。处理5 d 后，除浓度最低的A 组（芽孢杆菌和光合细菌添加浓度分别为0.1 g·m-3和1 mL·m-3）外，其余各处理组的去除率均达90%以上，对比对照组去除率为39.00%，处理效果显著。

图4 芽孢杆菌和光合细菌处理养殖尾水氨氮效果图Fig.4 Effects of carbon sources and microecological agents on ammonia nitrogen treatment

2.2.5 总无机氮

对于总无机氮，对照组的浓度无明显变化，各处理组浓度随处理时间增加逐渐下降，第3 天开始，除最低浓度处理组A 组（芽孢杆菌和光合细菌添加浓度分别为0.1 g·m-3和1 mL·m-3）效果较差外，其余处理组之间并无显著差异。处理5 d 后，各处理组总无机氮去除率达70%以上。处理7 d 后各处理组总无机氮浓度趋于平稳，去除率均达到80%以上。

图5 芽孢杆菌和光合细菌处理养殖尾水总无机氮效果图Fig.5 Effects of carbon sources and microecological agents on total inorganic nitrogen treatment

2.3 最优处理成本计算

本研究对光合细菌和芽孢杆菌添加碳源的状态下进行养殖尾水氮磷处理效果的最优成本进行了计算。综合考虑处理成本和各指标处理效果，最终选择C 组（复合芽孢杆菌制剂和光合细菌浓度分别设置为1 g·m-3和1 mL·m-3）作为最佳处理组，最优处理时间为5 d。在此处理条件下，活性磷酸盐、亚硝酸盐氮、氨氮去除率均达85%以上，总无机氮去除率达80%以上，硝酸盐氮去除率达50%以上，除硝酸盐氮外，其余指标相较于对照组均显著下降。

按照本实验所用尾水总无机氮浓度1.783 mg·L-3进行计算，养殖池塘深度以1.5 m 计，则处理面积为1 hm2的养殖池塘尾水所需葡萄糖、芽孢杆菌和光合细菌量分别为22.31 kg、1 kg 和1 L。葡萄糖价格以3 元·kg-1计，则总价为66.93 元·hm-2，芽孢杆菌价格以13 元·kg-1进行计算，为13 元·hm-2，光合细菌价格以5 元·kg-1计，为5 元·hm-2，所需总价为84.93 元·hm-2。

3 讨论与结论

3.1 对照组指标变化情况

在本实验中，与以往研究结果不同的是，不仅添加微生态制剂和碳源的实验组中各项指标有所下降，对照组的指标也发生了较大的变化[9,19]。这可能是因为本实验中所采用的海水为从养殖池塘日常排放尾水中收集得到的，并且实验过程中对照组也一直处于充氧状态，从而导致了实验结果中对照组出现显著变化的现象。在对虾的养殖过程中，通常会使用大量微生态制剂，使得排放的尾水中含有大量的菌[23-24]，自然条件下的水体本身也会存在许多微生物，导致本实验所用尾水中含有某些细菌[25-26]。在正常情况下这些细菌由于缺少氧气而无法发挥其本身的作用，而在本实验中，对照组和实验组均处于曝气状态，因此在大量充氧的情况下，此类细菌活力增强，导致本实验中对照组的各项指标发生了明显的变化。

本实验中，对照组除亚硝酸盐氮和总无机氮外其余各项指标均出现一定下降，其中处理9 d 后硝酸盐氮去除率显著高于处理组，但活性磷酸盐和氨氮的去除率自实验开始后均显著低于对照组。肖炜等[27]、王博等[28]研究发现，在水体中，亚硝酸盐氮的毒性较大，浓度过高时会导致养殖对象患病甚至死亡，而硝酸盐氮的毒性较弱。这表明仅采用曝气的方式虽然可以降低部分污染物的浓度，但处理效果远低于添加微生态制剂和碳源进行处理的方法。并且曝气使得在水体中毒性更大的亚硝酸盐氮的含量显著增加，可能对水体造成更为严重的污染。

3.2 添加碳源情况下光合细菌和芽孢杆菌协同处理养殖尾水效果

有研究表明在养殖过程中添加芽孢杆菌和光合细菌可对养殖水体实现净化，增加养殖产量，减少对环境的污染。但光合细菌不能分解大分子有机物，只能分解小分子有机物，而芽孢杆菌不能分解小分子有机物，但能将大分子有机物分解成小分子有机物和氨基酸等[29]，因此如果同时使用芽孢杆菌和光合细菌，效果更加明显。

邹文娟等[19]对光合细菌和枯草芽孢杆菌在污水处理效果进行研究，发现混合菌对氨氮、亚硝酸盐氮和化学需氧量的处理效果优于单菌组。罗勇胜等[30]对光合细菌与芽孢杆菌协同净化模拟养殖水体的效果进行研究，发现光合细菌与芽孢杆菌协同效果明显，混合菌组降解氨氮和亚硝酸盐氮的能力都强于单菌组，处理7 d 时对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别达到了35.38%和81.05%。本研究采用光合细菌与芽孢杆菌对养殖尾水进行处理，发现混合菌可有效去除尾水中的氨氮、亚硝酸盐氮、总无机氮和活性磷酸盐，与前人研究结果相似。且由于本研究所用材料为日常养殖排放的尾水，组成成分较为复杂，因此还通过添加碳源和曝气的方式保证光合细菌与芽孢杆菌的处理效果，发现处理5 d 时，各处理组对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率均达90%以上。

3.3 养殖尾水处理方法的选择

目前养殖尾水的处理方法主要是物理处理法、化学处理法和生物处理法[31]。物理处理法可以快速去除悬浮物，但其过程一般较复杂，主要包括曝气、过滤、沉淀、吸附以及泡沫分离技术等。其中机械过滤技术和泡沫分离技术广泛应用于工厂化养殖尾水处理中[32]。通常情况下，采用物理处理法进行尾水处理需要购置和建设相应的设施设备，前期成本较高，如常用的泡沫分离器和蛋白分离器价格达上万元，普通中小规模养殖户难以承担。

化学处理方法是在水体中添加各种化学试剂进行消毒，主要有高锰酸钾、甲醛、生石灰、漂白粉、臭氧以及电化学方法等[32]。使用化学制剂作为水质改良剂，虽然可以凝絮、中和微小的悬浮胶粒等污染物及有效杀死水体中的致病菌，但也会杀死水中的有益菌，易对环境造成二次污染[33]。并且化学制剂的价格和用量均较高，目前普通养殖户多选用生石灰和漂白粉进行养殖水质的净化。对于养殖尾水，根据先前的研究结果[34-36]，处理同样指标的养殖池塘尾水需要生石灰和漂白粉的量分别为0.3 g·L-1和0.2 g·L-1左右，生石灰按800 元·t-1计算，处理费用为240 元·hm-2，漂白粉按照计算2 200 元·t-1计算，处理费用为440 元·hm-2，均远超本研究同时使用碳源和微生态法处理费用。若普通养殖户长期使用生石灰和漂白粉会增加养殖成本，降低养殖收益。

对比化学处理法的高成本以及对环境可能造成的二次污染，物理成本过程复杂，前期成本大的缺点，采用微生态制剂与添加碳源的方法处理养殖尾水的成本较低，有利于在各级养殖户中进行推广。