微生物菌剂净化鱼塘养殖污水的研究进展

景学武,乔之怡,柏 静,许叶伟,张玟萱

(天津农学院,天津 300384)

1 水体污染物

氨氮是水产养殖水体中最主要的污染物,它能够在生物体内直接转化成氨氮结合态的无机氮,从而降低水体中的氨氮浓度。其降解过程受到环境条件和生物种类等多种因素的影响[1-2]。亚硝酸盐氮是存在于养殖水体中的无机氮化合物,主要来自逐步积累的养殖动物的粪便和残饵以及沉积的生物残骸。亚硝酸盐氮含量的升高会破坏水体的微生态平衡。因此,如何以硝化细菌为代表的微生物对水产养殖业废水进行强化治理从而减少二次污染是目前微生物领域亟待解决的问题[2]。总有机碳是有机物分解和矿化过程中所释放出的碳,其降解主要受底物浓度和代谢速率的影响。池塘养殖污水中有机物被微生物降解后,会释放出氮气或二氧化碳。通过生物膜过滤作用将TOC从水体中去除,并吸附其他污染物[3]。过多的氮磷及其他过量营养物质排入水体中,加剧了水体的富营养化,在适宜的温度和pH值下,水体中的藻类迅速繁殖,会导致蓝藻水华暴发,进而加速水质恶化,因此富营养化水体的治理是当前待解决的水体生态环境问题[4]。

2 污染物净化机制

3 常用的水体净化方法

3.1 化学方法

化学方法一般是通过向水体中添加化学药剂以达到降低水体中的有毒物质含量的目的。目前常见的化学方法主要包括向养殖水体中添加无机肥、活性炭、投加化学药物等方式。向养殖水体中投加无机肥是最常用的方法。向养殖水体中添加活性炭可以降低养殖水体中氨氮含量,但需要注意活性炭和氨氮之间的协同作用。通过向养殖水体中投加活性炭和无机肥来处理水产养殖污水是一种较为安全有效的方式,但是存在投资成本高、成本回收慢等缺点[9-10]。

3.2 物理方法

物理方法主要是根据吸附和过滤的原理去除水体中污染物,这类方法无需任何化学添加剂,对于养殖水体中的污染物具有极好的去除效果。吸附法主要包括物理吸附法、化学吸附法和电化学吸附法等。其中物理吸附法主要包括活性炭吸附和纤维材料吸附等方式[11-13]。在实践应用中,一般来说,对于以养殖池塘为主体的传统水产养殖业,可通过物理方法进行污水处理;对于以工厂化水池为主体的现代水产养殖业,可通过化学方法进行污水处理。

对于传统养殖水体和现代水产养殖水体,采用化学方法和物理方法进行处理时,需要采用不同的化学试剂进行混合处理,以充分发挥各自的优势来达到更好的净化效果。

3.3 生物法

利用微生物来降解水体中的污染物,这是一种利用生物手段对污染水体进行修复的技术,也是目前水产养殖过程中最为普遍采用的方法。微生物对污染物的降解是通过与水体中有机物进行反应实现的,该方法能够有效提高有机物的降解效率。但微生物菌剂处理效果受养殖环境影响较大,同时受温度、养殖品种、投喂饲料种类以及养殖水体环境等因素影响较大[14]。因此,为了保持微生物菌剂的长期稳定净化效果,必须对养殖水质进行综合调控。通过培育高产、高活力以及耐酸碱性强的微生物菌群,提高微生物菌剂处理效果。在养殖过程中需控制好营养水平和投喂饲料种类,降低水质中氨氮和亚硝酸盐含量[15]。

此外,可以通过向养殖水体中添加一些具有吸附性能的物质,以此来提高微生物菌剂对有机物和氨氮的吸附量,从而有效提高其净化效果。任华峰等[16]在研究微生物菌剂对养殖池水体中氨氮吸附效果时发现,当接种微生物菌剂后鱼塘水体中氨氮含量明显降低,且水体中有机质含量也明显下降,说明在水体中接种具有吸附功能的微生物可以有效降低养殖废水中有机污染物含量。

综上所述,微生物菌剂处理水产养殖污水在现阶段应用十分广泛,该方法能够有效修复生态环境。但由于受到菌株作用机制和水质环境等因素影响,实际应用效果存在较大差异。在今后研究中可以通过与化学方法、物理方法相结合来提高微生物菌剂对水质的改善效果,同时建立完善的评价体系,综合考虑水质环境变化以及各种因素对微生物菌剂作用效果的影响。此外需加强对于微生物菌剂作用机理研究以及其与养殖生物之间交互作用机理研究,为提高微生物菌剂净化水质效果提供科学依据。

4 微生物菌剂种类

当水体污染达到一定程度时,土著微生物基本无法维持水体生态平衡,氮、磷以及其他营养物质大量富集,在适宜的外界环境条件下引起蓝藻水华暴发。因此,需要通过投加微生物菌剂提高功能微生物生物量和多样性,进而能够最大程度提高功能微生物去污能力。

目前国内外对微生物菌剂的研究主要集中在复合微生物菌剂上,复合微生物菌剂中的各种有益微生物在其净化过程中发挥了重要作用。不同种类的微生物能够有效地净化水体,如芽孢杆菌可以有效地降解池塘养殖水中的氨氮等有害物[17];枯草芽孢杆菌可以有效地降解水体中亚硝酸盐等有害物质[18];光合细菌和好氧型芽孢杆菌具有降解有机物和氮的功能;枯草芽孢杆菌和光合细菌的复合菌在最佳浓度配比下对淡水养殖水体中化学需氧量CODMn去除率达44.98%,可有效增加溶解氧[19]。我国已有多家公司生产应用于鱼塘养殖污水净化处理的微生物菌剂。其中,以好氧型芽孢杆菌为主,且公司均拥有自己的专利技术。另外,复合微生物菌剂也已经获得了国家发明专利,其具有高效、优质、多功能等特点。富丽静等[20]对复合微生物菌剂在鱼塘中进行了试验研究,结果表明,复合微生物菌剂在鱼塘中的净化效果显著,对氨氮有较好的去除效果;与化学消毒剂相比,复合微生物菌剂可有效去除水体中亚硝酸盐及氨氮,降低了水体中的氨氮和亚硝酸盐含量。陈翠雪等[21]对复合微生物菌剂在水产养殖污水净化处理中的效果进行了研究,结果表明使用复合微生物菌剂可以改善鱼塘水质情况,净化污水,且复合微生物菌剂对水中有害物质及养殖污染物都有较好的去除效果。

5 影响鱼塘污水净化效果的主要因素

水体环境条件对微生物菌剂净化效果的影响:一是水体环境理化条件,如水温、盐度、 pH值、溶解氧以及氨氮浓度等,这些理化指标直接影响着微生物的生长和代谢活动[22];二是水体中氮、磷等营养物质浓度,越高,水体中微生物的生物量也就越高[23];三是养殖用水的质量和类型,养殖用水的质量对水质影响很大,如pH值、氨氮等影响着微生物的活性。微生物自身因素对其净化效果的影响:一是微生物菌剂中的有益细菌具有较强的生长繁殖能力和代谢活动能力,可以有效地降解水质中污染物质;二是不同种类的微生物对环境中氮、磷等营养物质有不同程度的降解能力;三是微生物菌剂中含有大量的蛋白质、酶类以及多种微量元素,可以促进微生物生长和繁殖,提高其净化效果[24-25]。此外,外部因素对鱼塘养殖污水净化效果影响也很大。一是养殖池塘中投喂饲料时,由于饲料本身含有较多杂质,会产生氨氮和有机物质;二是放养密度过大、水温过高或者阴雨天气会导致水体缺氧,从而导致水质恶化。

5.1 饲料投喂

在一定范围内,投喂量与鱼塘养殖污水的净化效果呈正相关。由于鱼塘养殖污水中的氨氮是有机氮,而微生物菌剂中含有大量蛋白质,因此通过投喂量来调节鱼塘养殖污水净化效果对微生物菌剂的推广应用有一定的限制。任华峰等[16]通过试验表明,微生物菌剂具有降解氨氮和有机氮的能力。试验结果表明,使用微生物菌剂后,氨氮下降73%,亚硝态氮下降39%。严正凛等[26]在鱼塘中投喂自制微生态制剂后,采用微生物制剂、增加碳、氮比、氧气等技术,可以稳定池塘内的 pH值,防止“倒藻”的发生,从而达到对鱼塘内物质、能量的良好转化、有效使用的目的,使鱼塘内的非离子氨含量小于0.02 mg/L,无机氮含量小于0.5 mg/L。以上结果表明,使用微生物菌剂能有效地改善养殖水质环境。

5.2 养殖水质调控

6 微生物菌剂的应用前景

微生物菌剂对水产养殖污水的处理效果受多种因素的影响,包括养殖水体水质、微生物菌种种类、菌种本身特性等。目前,国内微生物菌剂主要用于处理生活污水或养殖废水。由于我国水产养殖技术水平较低、生态环境保护意识薄弱等原因,导致水产养殖污染问题日益严峻。水产养殖污水中含有大量有机物,特别是水产养殖业在快速发展的同时,大量的污染物被排放到环境中,对水体造成严重污染。由于水产养殖业对水资源的需求量较大、污水处理率低以及生态环境问题的日益严重,使得微生物菌剂在水产养殖业污水处理中发挥越来越重要的作用。有研究表明,在水产养殖污水处理方面,微生物菌剂具有成本低、净化效果好以及绿色环保等特点,对环境和人类健康都有积极影响。此外,随着人们环境保护意识的不断增强,生物絮凝剂、微生物杀虫剂等生物制剂的广泛应用必将促进微生物菌剂在我国水产养殖业污水处理中发挥更大作用。

当前仍然有待探寻高效的功能多样性的新型微生物菌剂,从分子水平明确其净化富营养化水体的作用机理,探索微生物群落的演替和进化过程中优势种与污染物的关系。此外,组合生物法在净化富营养化水体中被广泛应用,但是自然水体环境复杂,外界影响因素多变,今后我们需要着重探究最优的生物法组合方式,需考虑到来自流域、气候和水文等多方面的影响因素,为有效控制被污染水质提供科学的建议。