清洗频率对固定床生物滤器水处理性能的影响

李 叶 , 杜以帅 , 徐建平 , 邱天龙 , 周 利 , 孙建明

(1. 中国科学院 海洋研究所 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. 中国科学院 海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071)

循环水养殖系统(recirculating aquaculture system, RAS)利用一系列的水处理设备去除养殖水体中的有害物质, 实现水体的重复利用[1], 具有高效节水、环保、可控等诸多优点, 是水产养殖业发展的重要方向之一[2-3]。RAS中养殖生物产生的代谢废物以及残饵是养殖水体的主要污染源[4]。总固体悬浮物(total suspended solids, TSS)在RAS中的积累和分解矿化, 会导致养殖水体中氨氮、亚硝酸盐氮和化学需氧量浓度升高[5-6], 从而影响养殖系统的负载及生物滤器的硝化功能[7]。因此, 快速去除RAS中的固体悬浮物, 对维持系统净化效果, 避免水质下降, 保证养殖生物健康生长至关重要。生物滤器是RAS成功运行的关键, 对于养殖水体的净化和循环再利用起到关键作用[8]。

固定床生物滤器比悬浮式生物滤器更稳定, 应用更加广泛[9-11]。传统的固定床生物滤器类型多样,其中浸没式生物滤器具有截留悬浮物、高效可控的优点, 但由于易堵塞、水流分布不均匀、老化菌膜不易排除等缺点, 限制了其广泛应用[12-13]。本实验研究的固定床生物滤器是一种改进设计的具有自洁功能的固定床生物滤器, 其不仅具有悬浮物截留功能,还可通过自清洗功能克服上述缺点, 但不同清洗频率对自洁生物滤器的水处理能力影响尚未明确, 因此本实验设计不同的清洗频率, 探讨清洗频率对生物滤器水处理性能的影响。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置为三套挂膜成熟的循环水养殖系统,结构示意图如图1所示, 装置由微滤机过滤装置、蓄水池、自洁生物滤器、清洗装置和养殖池组成。

图1 实验装置示意图Fig. 1 Experimental device diagram

微滤机过滤装置为转鼓式微滤机, 网目250目。蓄水池为圆柱形, 直径80 cm, 高80 cm, 容积为400 L。生物滤器为圆柱形, 直径为40 cm, 高180 cm, 由PVC材料制成, 在底部安装筛板以支撑生物填料。生物填料为纤维球, 其具有截污能力强、过滤精度高等特性[14], 填料比表面积为3 000 m2/m3, 填充率为100%。清洗装置由PVC材料制成, 下方连接筛板,上方连接电机, 中间支柱部分直径为10 cm, 高为160 cm, 中间支柱周围制成螺旋形状, 并采用上流式旋转搅动填料, 转速控制在0.5 r/s。自洁生物滤器清洗时, 清洗装置由生物滤器顶部电机带动, 采用上流水方式搅动填料, 同时电动阀开启, 生物滤器出水流向微滤机, 利用微滤机滤除生物滤器中经生物膜絮凝的固体颗粒物。养殖池的直径为100 cm, 水位高为50 cm, 容积为300 L, 每组设3个平行。系统利用液体流量计以精确控制流量, 确保每个养殖池水力负荷相同。

1.2 实验负载

养殖过程中的主要负载是未被摄食的残饵和养殖生物的粪便。为了真实还原实际生产养殖过程, 本实验所用养殖负载是养殖场中所收集的凡纳滨对虾的残饵、粪便, 每日将养殖负载定时、定量向养殖池添加, 每个养殖池每天大约添加干重100 g, 每套系统每天共加入干重300 g。

1.3 实验设计

实验采用三组挂膜成熟的自洁生物滤器装置,自清洗频率分别设置为0.5次/d (S1)、1次/d (S2)、2次/d (S3), 每组进水流量为900 L/h, 养殖系统循环次数为1.5次/h。每天在添加实验负载前, 分别在生物滤器的进水口、出水口取水样, 自清洗10 s后在生物滤器出水口取水样, 进行各项水质指标的检测,包括氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总固体悬浮物、化学需氧量。实验为循环水系统, 由于同一时间点生物滤器进出水口的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度差异小, 因此实验取生物滤器的进水口水质指标进行分析。实验期间溶氧(DO)保持在7.0~9.0 mg/L,温度为15~19 , ℃ 盐度为20, pH为7.7~8.1。

1.4 水质指标测定与数据分析

1.4.1 水质指标测定

水质指标的测定参照海洋监测规范(GB 17378.4—2007)及其优化方法, 氨氮采用纳氏试剂比色法[15],亚硝酸盐氮采用萘乙二胺分光光度法[16], 硝酸盐氮采用紫外分光光度法[17], 总固体悬浮物采用重量法,化学需氧量采用碱性高锰酸钾法[16], DO、温度、pH采用YSI—556(美国)多参数水质分析仪检测。

1.4.2 数据分析

生物滤器污染物的去除量R和去除率η的计算公式如下:

式中,R为污染物去除量, mg/L;η为污染物去除率, %,c1为生物滤器进水中污染物的平均质量浓度, mg/L;c2为生物滤器出水中污染物的平均质量浓度, mg/L。

采用SPSS 18.0软件进行统计分析, 采用单因素方差分析(One-way ANOVA)评价相关水质指标显著性差异水平。实验结果表示为平均值±标准差(mean±S.D.), 显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 清洗频率对生物滤器硝化性能的影响

清洗频率对生物滤器氨氮变化的影响如图2a所示。图中显示三个处理组中的氨氮浓度变化趋势基本一致, 均是先升高后降低最后趋于稳定。S2处理组和S1处理组均在实验第8 d达到了氨氮浓度的最大值, 第8 d之后S2处理组和S1处理组的氨氮浓度迅速下降, 且S2处理组比S1处理组氨氮浓度降低的速度快。S3处理组在实验第6 d氨氮浓度达到最高, 且达到的最高氨氮浓度比S2处理组和S1处理组低, 第6 d之后S3处理组氨氮浓度开始下降, 实验最后两天三个处理组的氨氮浓度降为0.04 mg/L左右, 差异性不显著(P<0.05)。S3处理组的氨氮下降时间比S2处理组和S1处理组提前两天。

图2 不同清洗频率实验组氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮变化Fig. 2 Changes of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen and nitrate nitrogen in different cleaning frequency test groups

清洗频率对生物滤器亚硝酸盐氮变化的影响如图2b所示。图中显示三个处理组的亚硝酸盐氮浓度变化趋势均先升高后降低最后趋于稳定。S2处理组和S1处理组的亚硝酸盐氮浓度达到的最大值分别为0.34 mg/L和0.67 mg/L, 而S3处理组的亚硝酸盐氮的浓度最大值达到了2.4 mg/L。在整个实验期间S3处理组亚硝酸盐氮浓度最高, S1处理组次之, S2处理组最低。S2、S1和S3处理组的亚硝酸盐氮浓度下降时间分别为实验开展的第6 d、第7 d和第8 d。在实验开展的第5 d至第10 d, S3处理组中亚硝酸盐氮浓度均显著高于S2处理组和S1处理组(P<0.05), 在实验开展的第6 d至第9 d, S1处理组中亚硝酸盐氮的浓度显著高于S2处理组(P<0.05)。而S2、S1和S3处理组的亚硝酸盐氮浓度在实验第11 d之后分别稳定在0.13 mg/L、0.21 mg/L和0.26 mg/L, 差异性不显著(P<0.05)。

清洗频率对生物滤器硝酸盐氮变化的影响如图2c所示, 图中显示在实验期间三个处理组的硝酸盐氮的浓度上下波动, 但三个处理组的硝酸盐氮浓度总体是增加的趋势。实验第1 d, 三个处理组的硝酸盐氮无明显差异(P>0.05), 实验第7 d和实验第14 d, S3处理组的硝酸盐氮含量低于S1和S2处理组, 且差异性显著(P<0.05)。实验到第14 d S3处理组硝酸盐氮含量分别比S1和S2处理组低了16.04%和23.01%。

2.2 清洗频率对生物滤器截污能力的影响

2.2.1 清洗频率对CODMn的影响

自清洗频率对生物滤器中CODMn的影响如图3所示。从图中可以看出三个处理组生物滤器进出水口的CODMn含量均随着残饵粪便量的增加而逐渐升高。清洗频率不同, 三个处理组生物滤器中CODMn的含量也不同, S2处理组比S1处理组和S3处理组的CODMn含量高, 而S1处理组的CODMn含量在整个试验期间最低。但三个处理组生物滤器的进水口和出水口CODMn含量均比较低, 能够保证水体较好的清洁度。S1处理组(图3a)对CODMn的去除率在试验前5 d处于波动状态, 波动范围在5%~25%左右, 但在试验开展的第6 d至第14 d内基本稳定在12%左右。S2处理组(图3b)中CODMn的去除率在试验前4 d不断升高, 试验第4 d后除第11 d外, 去除率在9%左右波动。S3处理组(图3c)中CODMn去除率不稳定且波动范围比较大, 其中S3处理组对CODMn的去除率在试验前5 d在13%~26%之间波动,试验开展第6 d后对CODMn的去除率在8%~25%之间波动。

图3 实验期间各处理组生物滤器进、出口CODMn去除率、平均去除量及清洗后CODMn的变化Fig. 3 Changes in the inlet and outlet CODMn removal rate, average removal volume, and CODMn after cleaning of the biofilter of each treatment group during the test

图3d表示整个实验周期三个处理组的生物滤器在14 d的实验周期内进水口CODMn总量与出水口CODMn总量差的平均量。结果显示, S1处理组的平均去除量最低, 且与另外两组差异性显著(P<0.05),S3处理组平均去除量最高, 但与S2处理组之间差异性不显著(P>0.05)。图3e表示每两天三个处理组清洗之后生物滤器出水口的CODMn含量, 均随着残饵粪便量的增加而逐渐升高。清洗后生物滤器出水口中S3处理组CODMn浓度最高, S2处理组次之, S1处理组最低, 且三个处理组之间CODMn含量差异性显著(P<0.05)。

2.2.2 清洗频率对TSS的影响

清洗频率对生物滤器的TSS的影响如图4所示。从图4a中可以看出三个处理组生物滤器进水口的TSS含量均随着残饵粪便量的增加而逐渐升高, 且S1处理组含量最高, 与另外两组相比差异性显著(P<0.05), S2处理组次之, S3处理组最低。图4b显示三个处理组生物滤器出水口的TSS含量趋势和进水口一致, 且S1处理组含量最高, S2处理组次之, S3处理组最低。图4c表示整个实验周期三个处理组的生物滤器进、出水口TSS平均去除量。结果显示, S1处理组的平均去除量最高, 且与另外两组差异性显著(P<0.05), S3处理组平均去除量最低, 与S2处理组之间差异性不显著(P>0.05)。图4d表示每两天三个处理组清洗之后生物滤器出水口的TSS含量, 均随着残饵粪便量的增加而逐渐升高。清洗后生物滤器出水口中S3处理组TSS浓度最高, S2处理组次之, S1处理组最低, 且三个处理组之间TSS含量差异性显著(P<0.05)。

图4 实验期间各处理组生物滤器进、出口TSS、平均去除量及清洗后TSS的变化Fig. 4 Changes in the inlet and outlet TSS, average removal volume, and TSS after cleaning the biofilter of each treatment group during the test

3 讨论

3.1 清洗频率对生物滤器硝化性能的影响

氨氮和亚硝酸盐氮逐步积累并达到一定的程度后会对养殖生物产生明显的毒害作用, 因此控制水体中氨氮和亚硝酸盐氮的浓度尤为重要[18]。水体中绝大部分的氮是通过养殖生物的新陈代谢作用产生的[19]。本实验中氨氮主要来源于残饵粪便在微生物作用下的分解释放。随着残饵粪便量的不断增加, 不同的清洗频率导致三个处理组具有不同的颗粒物含量, 经过微生物的分解释放使三个处理组的氨氮浓度产生差异, 这与王华等[20]关于工厂化不同密度下养殖生物对养殖水体的水质影响的研究结果一致。随着氨氮浓度的升高, 生物膜上微生物活性、数量和优势菌也增多[21], 后经氨氧化细菌(AOB)转化为亚硝酸盐氮使氨氮浓度逐步下降。清洗频率次数多去除的颗粒物量多, 减少了氨氮的释放, 从而使S3处理组氨氮浓度比S2、S1处理组提前下降。

水体中的氨氮经过AOB作用转化为亚硝酸盐氮,随着残饵粪便量的增加, 亚硝酸盐氮的浓度逐渐升高, 后经过亚硝酸盐氧化菌(NOB)的作用转化为硝酸盐氮。AOB相比NOB对环境的适应性更强, 世代周期短, 生长速度快, 即当AOB的活性高于NOB时,氨氮转化为亚硝酸盐氮的速率大于亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮的速率时, 会造成亚硝酸盐氮的积累现象[22]。实验结果表明, S3处理组的亚硝酸盐氮含量在实验中期阶段远大于S2、S1处理组。因为生物膜上的微生物时刻在更新换代, 老化的生物膜脱落,而生物滤器中微生物的生长代谢及活性受环境因子的影响, 进而影响生物滤器的水处理能力[23]。S3处理组亚硝酸盐氮中期浓度高, 分析原因认为一方面由于NOB对环境的适应性不强[24], 频繁的搅拌会破坏NOB适宜的生长环境, 使附着在生物填料上面的NOB的繁殖代谢变慢, 无法及时补充生物膜上脱落的NOB; 另一方面, 频繁的搅拌使附着不牢固的微生物脱落。但随着实验的进行, 最后S3处理组的亚硝酸盐氮浓度降低到低水平, 与S1、S2处理组无明显差异, 说明S3处理组中微生物逐渐适应其环境变化, 使S3处理组的微生物菌膜附着更牢固, 生物滤器的水处理能力更稳定。

硝酸盐氮的毒性与氨氮和亚硝酸盐氮相比较小,有研究表明高浓度的硝酸盐氮对养殖生物的生长有抑制作用, 认为应将硝酸盐氮的浓度控制在50 mg/L以下的安全范围内[25]。本实验三个处理组硝酸盐氮的浓度均在安全范围以内。研究表明, 当DO<0.2 mg/L时会发生厌氧反硝化[26], 本实验中生物滤器的底部有可能会由于氧气不足, 发生反硝化反应, 去除少部分的硝酸盐氮。三个处理组初始硝酸盐氮浓度差异不明显, 但实验结束后S3处理组硝酸盐氮含量明显低于S1、S2处理组, 说明频繁的清洗减少了系统内的有机物含量, 从而减少了硝酸盐氮的积累。硝酸盐氮作为氮的最终产物, 其含量减少会降低系统中的氮含量, 保证生物滤器的水处理功能, 从而使水质保持稳定, 也为后续的尾水处理环节减轻了负担。

3.2 清洗频率对生物滤器截污能力的影响

CODMn反映了水体中有机物的污染程度, 含量越高, 水体受到的有机物污染越重[27]。CODMn氧化分解会消耗大量的氧气, 加快水质恶化进程, 增大病害风险[28], 因此控制养殖水体中的有机物含量是十分必要的。实验期间, S1、S2和S3处理组的生物滤器进出水口的CODMn含量均是S1处理组最高, S2处理组次之, S3处理组最低, 说明实验期间循环水系统中CODMn含量S1处理组最高, S2处理组次之,S3处理组最低。这是因为S1处理组清洗频率低, 清洗之后去除的CODMn量少, 而S3处理组清洗频率高,能将更多的CODMn量去除系统, 从而降低系统中CODMn含量。生物膜属于一个微生态系统, 前期硝化菌和异养菌存在着竞争关系[21], 而随着有机物和氮含量的升高, 异养菌和硝化菌维持动态平衡, 系统运行稳定[27]。S3处理组因为频繁的清洗搅拌破坏了异养菌和硝化菌的平衡, 硝化菌对环境的适应能力差[24], 异养菌占优势时其降解有机物的量高, 从而导致实验期间生物滤器进出水口的CODMn含量波动大, 使S3处理组的CODMn的去除率较高且平均去除量高, 而S1处理组清洗次数少, 异养菌和硝化菌维持动态平衡, 生物滤器进出水口的CODMn含量差异小, 因此S1处理组平均去除量低。

循环水系统是复杂的生态系统, 残饵粪便不及时清理, 会在水中形成悬浮颗粒, 造成填料表面阻塞、降低硝化效率, 使养殖水体腐殖质积累, 易使细菌大量繁殖[29]。实验期间, 由于S1处理组清洗频率低, 排出系统的TSS量少; S3处理组清洗频率高, 排出系统的TSS量高, 导致循环水系统中TSS含量S1处理组最高, S2处理组次之, S3处理组最低, 解决了传统浸没式生物滤器易堵塞, 老化菌膜不易清除[12]的缺点。TSS的高效去除可以保证循环水系统的水质稳定, 缩小生物滤器的规模, 节省投资和占地面积。生物滤器出水均经过纤维球过滤, 三个处理组填料填充率相同, S1处理组清洗频率低导致生物滤器截留的颗粒物含量高, 会造成一定的堵塞, 因此导致S1处理组生物滤器进出水口TSS平均去除量最高,而S2处理组次之, S3处理组最低。

4 结论

(1) 系统建立初期自洁生物滤器的硝化性能受清洗频率的影响, 长期看影响较小, 差异不显著。但由于S3处理组清洗频率高, 减少了氮的释放, 最终与S1、S2处理组相比硝酸盐氮含量低, 降低了系统中的氮含量。

(2) 由于S3处理组清洗频率高, 与S1、S2处理组相比能去除较多的TSS量和CODMn量, 从而使S3处理组系统中TSS和CODMn含量低于S1和S2处理组, 减少生物滤器的水处理负荷, 保持水质稳定。

(3) 综合清洗频率对自洁生物滤器的硝化性能和截污能力的影响, 应适当增加生物滤器的清洗频率, 在本实验条件下自洁生物滤器自清洗频率2次/d效果较好。