红糖添加对循环水养殖系统水质指标的影响 及相关性分析

章海鑫 张燕萍 吴子君 张桂芳 余建芳 阙祥尧 侯明勇

摘要： 为探讨添加红糖对循环水养殖系统中水体水质指标的影响，分析水体水质指标的相关性。以C/N比为15的模式每星期向循环水养殖系统生物滤池中添加红糖。结果表明水体总氮、总溶解性氮、亚硝酸氮和硝酸盐氮均出现一个明显的下降过程，但总氮、总溶解性氮和硝酸氮在后期出现缓慢的上升过程。水体氨氮是波动变化的过程，高锰酸盐指数、总磷和磷酸盐是上升的过程。水体溶解氧是持续下降的过程，并且与总氮、硝酸盐氮和亚硝酸氮呈正相关性，与总磷和磷酸盐呈负相关性。pH值与氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸氮、总氮和总溶解性氮是负相关性。表明添加红糖能够促进滤池中微生物的生长同化水体氮元素和建立硝化作用细菌体系，但本实验未发现对磷酸盐的作用效果。

关键词： 循环水；红糖；水质指标；相关性

中图分类号： S969     文献标识码： A

我国渔业发展是以提高渔业产品质量和产量，保护资源环境为主要目标。经过几十年的发展，传统渔业因为需要占用大量土地资源及水资源，特别是近年来养殖尾水排放问题持续受到关注  ［1］ 。因此，我国渔业目前迫切需要持续的推动渔业产业结构转型升级，发展高产、高效、低能耗、资源占用率低的渔业养殖模式是水产人奋斗的目标。在较为成熟的养殖模式中，工厂化循环水养殖模式（Recirculating Aquaculture System，RAS）的优势最为明显，他能够减小占地面积、水资源使用少、废水排放可控   ［2］ 。现在许多地方均在大力发展，其中近两年江西地区也在陆续新建工厂化的循环水养殖系统。循环水养殖系统主要是通过水处理系统将循环水体中的残饵、排泄物、分泌物和可溶性物质（化学需氧量、氨氮、亚硝酸盐氮等））  ［3-5］ 去除，达到水体的循环利用和低污染排放的目的。

目前，循环水系统中固体废弃物主要通过固液分离机进行分离，而可溶性有害物质则主要通过生物过滤器、生物絮凝等技术进行处理。生物过滤器是使用最广泛的方式。主要是生物过滤器中的微生物通过同化作物、硝化作用、反硝化，或者聚磷等作用对水体氮、磷元素进行脱氮除磷。生物过滤器中的微生物的生长和其主要反应体系的作用受到很多因素的影响，如温度、光照、溶解氧和水体营养平衡（碳氮比）等。因此本研究主要探讨循环水系统中定时添加碳源（红糖）对以生物过滤器为主要处理手段的循环水系统水体水质指标的影响，并分析水体溶解氧水平与其他水体水体水质指标的相关性。

1 材料与方法

1.1 循环水养殖系统

循环水养殖系统建设于江西省水产科学研究所养殖基地，系统由一套固液分离系统、水质处理系统（消化系统）、充气系统和养殖桶组成。系统总水体体积为5m 3，其中养殖桶约3.6m 3（12个养殖桶，每个桶0.3m 3），水质处理系统1.4m 3。

1.2 养殖品种

2022年5月1日加水，开启系统。于2022年5月3日开始养殖彭泽鲫。平均每个养殖桶放养彭泽鲫26尾，规格为每尾20±1.5g。2022年5月4日开始，每天分两次投喂颗粒饲料（蛋白含量为33%），投喂量为体重的3%。

1.3 试验设计

根据每次测定水体TN的结果以C：N为15：1的比例添加红糖。

每7d定时测定养殖系统的水温、溶解氧和pH。并取12个养殖桶中的水样带到实验室测定水体氨氮（NH 4 +-N）、亚硝态氮（NO 2 --N）、硝态氮（NO 3 --N）、总氮（TN）、总氨氮（TAN）总磷（TP）、磷酸盐（AP）和高锰酸钾盐指数（COD  Mn ）。水质指标测定方法见表1。

1.4 统计方法

采Excel 2019软件对数据进行统计分析与做图，每次数据取12个重复的平均值。使用Spass 13.0软件进行相关性分析。

2 结果

2.1 循环水水体pH、水温和溶解氧的变化

从图1可以看到，pH值在养殖初期低于7.0，但随着养殖进程pH上升到最高7.6，之后则出现缓慢的下降过程，但总体保持在7.0以上；水体T一直处于上升的趋势。从图2可以看到，DO在养殖初期初期最高，但随着养殖的进程，水体DO水平处于一种波动下降的过程。   表1 水体水质指标测定方法

2.2 循环水水体氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和高锰酸钾指数的变化情况

从图3可以看到，水体NH 4 +-N处于一种波动变化情况。总体上是先下降，然后再上升的趋势。而NO 2 --N则是在养殖初期最高（2.7±0.06mg/L），之后则开始下降，并一直保持在低于0.5mg/L的水平上。NO 3 --N则是在养殖初期处于高位，之后下降，之后又上升。COD  Mn 则与其他的不同，在养殖过程中是一种波动上升的过程，最终浓度为28.94±0.34mg/L。

2.3 循环水水体总氮、总溶解性氮，总磷和磷酸盐的变化情况

从图4可以看到，养殖水体TN和DTN的变化趋势比较一致，均是随着养殖的深入均出现一个下降后又缓慢上升的过程。但DTN总体浓度均低于TN浓度。从图5可以看到，TP和AP则是处于上升的趋势，至养殖实验结束，TP和AP的浓度分别达到2.93±0.05mg/L和2.82±0.04mg/L。

2.4 水体各水质指标相关性分析

从表2可以看到NH 4 +-N与NO 2 --N和DTN存在一定的正相关性，与pH存在一定的负相关性（R 2>0.6或<-0.6），与其他指标则没有明显的相关性。NO 3 --N和NO 2 --N与TN、DTN和DO存在一定的正相关性，与pH和T负相关，NO 3 --N与NO 2 --N也显著正相关（R 2>0.6或<-0.6）。TN与DTN、DO呈正相关性，与pH呈负相关性（R 2>0.6或<-0.6）。DTN与与pH呈负相关性（R 2>0.6或<-0.6）。TP與AP、COD  Mn 和T呈正相关性，与DO呈负相关性（R 2>0.6或<-0.6）。AP与COD  Mn 和T呈正相关性，与DO呈负相关性（R 2>0.6或<-0.6）。COD  Mn 与T呈正相关性（R 2>0.6或<-0.6）。其中DO与TN、NO 3 --N和NO 2 --N呈正相关性，与TP、AP呈负相关性（R 2>0.6或<-0.6）。

3 讨论

循环水养殖系统中，由于水体是循环利用的，但养殖系统又会持续的产生污染物质。因此，一个成熟的循环水养殖系统必须能够有效的对系统中的水进行处理，这直接绝对循环水养殖的产量与成败  ［6］ 。实验中循环水养殖系统水质处理采用的是生物滤池的方法，其中生物滤池和固液分离的方法。其中固液分离机主要负责将固体废弃物从养殖水体分离出来，而溶解性的废弃物物质则主要是通过生物滤池进行处理。而生物滤池对水体处理的效果又受到其他环境条件的影响，如水温、溶解氧水平、pH、C：N比等  ［7］ 。研究表明水体C：N为10～20能够较好的维持生物滤池的处理效果  ［8］ ，而向养殖水体添加红糖主要是维持水体稳定的碳氮比，同时红糖还含有其他利于生物滤微生物生长的营养成分，因此本实验主要讨论添加红糖维持水体C：N为15：1的情况下循环水水体水质变化的情况和其相关性。

3.1循环水养殖水体添加碳对水体环境指标的影响

实验开始投喂饵料后，因为前三天没有添加红糖，滤池中微生物数量有限，导致水体TN、DTN、NH 4 +-N等积累。然后开始添加碳源，能够促进滤池中微生物的生长，进而产生同化作用去除水体氮元素  ［9］ ，同时也能促进一定的硝化作用。这些从结果同样可以看到，试验中添加红糖后水体COD  Mn 一直是上升的趋势，但TN、DTN和NO 2 --N则同时出现下降的趋势。说明添加红糖后滤池中的微生物持续的生长，将水体氮元素进行同化。大量碳源促进异养微生物生长，使得微生物從水体中吸收氮来合成微生物蛋白质，或者通过在系统中建立硝化功能，将TAN转化为NO 3 --N  ［10］ 。高碳氮比会主要通过细菌同化作用去除氮，低碳氮比则容易建立消化体系  ［11］ 。本实验是每星期添加一次红糖，因此，在后期出现NO 3 --N上升的情况，同时NH 4 +-N也是上升的情况，异养细菌一直处于利用碳源生长和促进硝化作用作用的过程中反复进行。最后因为异养细菌数量足够，碳源相对量降低，异养细菌对硝化细菌的抑制作用逐渐减小  ［12］ ，所以TN和DTN又缓慢上升。虽然有研究表明  ［13］ 碳源添加越多，生物除磷效果越好，但从本实验过程中，添加红糖后水体磷酸盐和总磷浓度均是持续的升高。可能原因因为实验时间较多，过滤池中微生物除磷机制还没有完全建立，同时，每天投喂饲料同样是向水体输送磷元素。

3.2溶解氧与循环水养殖水体相关性分析

DO不但是水体养殖动物呼吸作用必不可少的。同时在循环水养殖系统中，水处理系统中的微生物滤池中微生物的活动同样受到水体DO的影响。从实验结果来看，在使用同样充气装备的条件下，循环水系统中的DO水平持续的出现下降，只有在后期才出现一定的上升，表明水体微生物在大量的生长而消耗了氧气。同时通过相关性分析同样可以看到，DO与TN、NO 3 --N和NO 2 --N呈正相关性，表明水体DO能够促进滤池中的微生物进行硝化作用，促使氮元素从NH 4 +-N向NO 2 --N和NO 3 --N的持续转化。而这一点同样可以从pH与水体水质指标相关性分析结果可以看到。pH值与NH 4 +-N、NO 3 --N、NO 2 --N、TN和DTN均是显著的负相关性，表明滤池中微生物进行同化作用和硝化作用时均需要消耗水体碱度。

参考文献

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［13］彭艺艺，孟宪翚，刘广钊，等．影响生物除磷效果的几点因素探讨．中国给水排水，2013，29（1）：84-87.