章 霞,柳敏海,徐志进,李凌刚,叶剑英,傅荣兵

(浙江省舟山市水产研究所,浙江舟山316000)

藤壶壳应用于对虾养殖尾水处理的初步研究

章 霞,柳敏海,徐志进,李凌刚,叶剑英,傅荣兵

(浙江省舟山市水产研究所,浙江舟山316000)

为研究藤壶壳作为生物滤料应用于对虾养殖尾水处理的可行性,通过比较陶瓷环组、聚乙烯(PE)组、藤壶壳组和藤壶壳+PE组4个不同滤料组合的生物挂膜效果,初步评价藤壶壳作为生物滤料的应用价值;通过设定藤壶壳的不同填充率(滤料体积∶尾水体积),研究填充率对对虾塘养殖尾水处理效果的影响。结果显示:藤壶壳组挂膜成功时间较早,水处理效果好;藤壶壳不同填充率对水处理中悬浮物、氨氮(NH+4-N)、亚硝酸盐氮(NO-2-N)的处理效果有显著影响,A、B、C、D各组悬浮物在6 h时的去除率分别达(68.7±4.3)%、(74.5±7.0)%、(80.9±4.2)%和(82.1±3.8)%,其中B、C、D组去除率显著高于A组(P<0.05);4组的氨氮最终去除率都在92.1%以上,以0.1mg/L为基准,A组氨氮降至此质量浓度以下需要时间5 d,B、C组4 d,D组3 d,降解速率为D组>C组>B组>A组;4组的亚硝酸盐氮最终去除率都在98.0%以上,以0.1 mg/L为基准,A组的亚硝酸盐氮降至此质量浓度以下需要时间为6 d,B、C、D组需要5 d,降解速率为D组>C组>B组>A组。研究表明:藤虎壳作为生物滤料应用于对虾养殖尾水处理,效果良好,且随着填充率的增大,处理效率增强;但考虑到经济成本和应用实际,建议藤壶壳填充率为2∶9。

藤壶壳;对虾;养殖尾水;水处理;工厂化养殖

我国的对虾养殖业发展迅速,现已成为水产养殖业的重要组成部分。目前,对虾养殖普遍存在养殖超负荷、无规划、无标准等现象,其中,养殖废水随意排放、养殖水环境富营养化问题日益严重[1-3]。

研究表明,在对虾养殖过程中,饲料系数一般为1.2～1.5,虾饲料中的氮含量约为4.96%～ 6.56%、磷含量约为 1.0%;投喂饲料中约有78%～79%的氮和92%～95%的磷释放在水中或残留在池底。因此,对虾养殖的环境排污量不容小觑[4-6]。

生物滤料水处理技术的实质是通过物理和生化的综合作用,去除水中悬浮物,降低氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等水质指标,实现水质净化,具有占地面积较少、有机负荷去除力强、管理方便等优点[7-8]。目前主要应用于工业废水处理[9-10]、生活饮用水处理[11-12]和循环水养殖[13-14],而用于对虾养殖尾水大水体处理较为少见。原因可能是由于现有常见滤料价格昂贵、不易反冲洗、资源有限等。藤壶壳作为海产生物的废弃物,遍布于海域的潮间带至潮下带浅水区、船舶下面以及其他水下设施等,资源丰富,价格便宜,且水处理效果较好[15]。

通过研究藤壶壳与养殖废(尾)水的不同填充比例,探究在自然养殖状况下,对虾养殖尾水的最佳藤壶壳填充率,为今后的养殖尾水处理体系设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

挂膜试验滤料选用陶瓷环、聚乙烯、藤壶壳3种滤料,构建陶瓷环、聚乙烯、藤壶壳和藤壶壳+聚乙烯共4个试验组,每组3个平行。3种滤料的相关参数见表1。

表1 3种滤料的相关参数Tab.1 Associated parameters of 3 kinds of filtering media

挂膜试验和水处理试验系统结构(图1)的上部选用白色PVC桶作为滤料桶,下部采用蓝色玻璃钢桶作为蓄水桶,并通过水泵(流量2 600L/h)实现下进水、上出水的水循环。

图1 试验运行示意图Fig.1 Schematic diagram of test run

挂膜试验开始时,在不同的试验组中对应放入陶瓷环(Ceramic ring)、聚乙烯(PE)、藤壶壳(Balanite shells)和藤壶壳+PE滤料体积各80 L,下部蓄水桶中注入洁净海水240 L,并各自在其中养殖南美白对虾150尾,体长(3.450±0.492)cm,体质量(0.445±0.052)g。每天8:00、14:00在水处理系统中各投入水产配合饲料2 g,隔天14:00取水样100mL用于测定氨氮(NH+4-N)和亚硝酸盐氮(NO-2-N)。挂膜周期38 d,期间不换水。

取挂膜好的藤壶壳统一混合分装,设立不同填充率(滤料体积 ∶对虾养殖尾水体积)4组:A组(1∶6);B组(2∶9);C组(1∶3);D组(1∶2)分别进行尾水处理。其中,对虾养殖尾水取自浙江华兴水产科技有限公司养虾大棚,混匀分装,体积均为180 L,每组3桶。每天8:00取样200 mL用于测定水体中的悬浮物、氨氮、亚硝酸盐氮。

1.2 方法

滤料外部形态观测:采用场发射扫描电子显微镜(日本Hitachi S4800型),观察陶瓷环、藤壶的横断面,PE的侧切面。水质检测:水体中环境因子盐度、水温、溶氧、pH采用YSI-556多参数水质测定仪测定。其他水质指标依据规范方法[16]测定:悬浮物测定采用重量法;氨氮测定采用次溴酸盐氧化法、亚硝酸盐氮测定采用萘乙二胺分光光度法。

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS19.0和Excel 2007软件进行统计、作图。采用单因素方差分析进行方差分析和差异显著性检验(α=0.05)。

2 结果

2.1 不同滤料表征

图2、图3分别是3种滤料的数码照片和电镜图。由图可见,陶瓷环表面遍布孔隙,材质厚重,内部结构存在孔洞且粗糙,可为微生物提供生存空间;PE材质表面光滑轻薄,中间和表面有棱,可增加生物附着的表面积;藤壶壳表面粗糙,材质较为坚固,中空,壳厚约0.5 cm,壳中布满中空小管,孔隙发达,为生物附着提供足够的生存空间。

2.2 环境因子的变化

图2 滤料外观Fig.2 Appearance of filteringmedia

图3 挂膜前滤料电镜图Fig.3 Electron microscopy(sem)images of filteringmedia before biofilm colonization

试验始末,水温由21℃升至26℃。试验始终在阳光房中遮阴进行,因此各组之间的温度、光照差异不大。试验过程中的pH、溶氧(DO)指标变化不大(表2)。

表2 试验过程中环境因子的变化Tab.2 Variation of environment factors during the test

2.3 不同滤料的生物挂膜效果

在系统运行20 d时,随机取陶瓷环、PE以及藤壶壳组进行电镜扫描(图4)。把陶瓷环放大1×104倍,观察到空隙中有大量细菌;PE放大200倍后可见表面有附着物,这为生物挂膜提供了便利;藤壶壳放大50倍,在空洞中可观察到约有200μm厚的生物絮团层。可见3种材料都在进行生物挂膜。

在为期38 d的挂膜试验中,4个试验组中的氨氮质量浓度变化趋势均为先升后降,且在第12天后均对氨氮有一定的去除能力,其中,藤壶壳去除效率最快,其次是藤壶壳+PE组合、陶瓷环,最后是PE(图5)。藤壶壳在第24天使得氨氮质量浓度降低至最低(0.007 2±0.002 0)mg/L,较藤壶壳+PE组合早4 d,较陶瓷环组早12 d,较PE组早16 d。

2.2 不同填充率的悬浮物浓度变化

在不同填充率(滤料体积 ∶对虾养殖尾水体积)的条件下,A组(1∶6)、B组(2∶9)、C组(1∶3)和 D组(1∶2)的悬浮物初始浓度为(225.0±23.1)～(241.3±14.6)mg/L,水循环6 h后,4个试验组的悬浮物去除率分别为(68.7± 4.3)%、(74.5±7.0)%、(80.9±4.2)%和(82.1± 3.8)%(表3)。其中,B、C、D组去除率显著高于A组(P<0.05),并且3组间没有显著差异。可见,藤壶壳对悬浮物的去除效果良好,且随着填充率的升高,去除效果越好。

图4 滤料挂膜20 d时的电镜图Fig.4 Electron microscopy(sem)images of filteringmedia after 20-day biofilm colonization

4组滤料试验,水中的亚硝酸盐氮在前期皆有上升,其中,藤壶壳+PE的上升最快,在第10天达到峰值,而藤壶壳组在第12天、陶瓷环在第24天、PE组在第28天达到峰值,但以藤壶壳组的消除效率最快,第18天浓度降至(0.012±0.005) mg/L,其次是藤壶壳+PE组,第20天降至(0.028 ±0.014)mg/L,陶瓷环组在第32天降至(0.014± 0.008)mg/L,最后是PE在第38天降至(0.068± 0.018)mg/L。

图5 不同试验组的氨氮变化Fig.5 Change of NH+4-N in different test groups

一般以亚硝酸盐氮浓度的下降速度作为生物滤料挂膜是否成功的评定条件[7]。由此可见,在本试验条件下,藤壶壳的挂膜速度最快,且效果良好。在后续试验中,应用藤壶壳作为生物填料探究填充率对对虾养殖尾水处理的影响。

2.5 藤壶壳不同填充率对氨氮的处理效果

图6 不同试验组的亚硝酸盐氮变化Fig.6 Change of NO-2-N in different test groups

表3 不同试验组循环前后的悬浮物浓度变化Tab.3 Change of suspended matter concentration before and after circulation in different test groups

A、B、C、D组氨氮初始浓度约为(0.653± 0.035)～(0.705±0.016)mg/L,4组的氨氮降解速率不一(图7)。

前4 d的降解速率为:D组>C组>B组>A组,其中D组显著快于B、C组(P<0.05),B、C组显著快于A组(P<0.05),而各组的氨氮浓度降到最低值的时间也不同。A组在第7天达到最低值(0.04±0.011)mg/L,B组在第8天达到最低值(0.056±0.013mg/L),C组在第7天达到最低值(0.035±0.006)mg/L,D组在第7天达到最低值(0.030±0.008)mg/L。试验期间,A、B、C、D组的氨氮去除率最高分别达(94.2±1.4)%、(92.1± 1.9)%、(94.9±0.9)%和(95.5±1.5)%。D、C组的去除效果显著优于A、B组(P<0.05)。在本实验条件下,氨氮的最优去除效果需要7～8 d。

图7 不同试验组的氨氮变化Fig.7 Change of NH+4-N in different test groups

2.6 藤壶壳不同填充率对亚硝酸盐氮的处理效果

4个试验组尾水的亚硝酸盐氮初始浓度为(0.563 0±0.011 5)～(0.585 0±0.002 2)mg/L,不同比例的藤壶壳填充率对水处理的效果影响见图8。4组的亚硝酸盐氮去除时间为5～6 d,降解速率为:D组>C组>B组>A组。第5天时,A、B、C和 D组的亚硝酸盐氮浓度分别为(0.071± 1.630)mg/L、(0.017 0±0.002 3)mg/L、(0.010 0 ±0.000 9)mg/L和(0.008 0±0.000 3)mg/L;第6天时,4组的亚硝酸盐氮浓度分别为(0.010 0± 0.001 4)mg/L、(0.011 0±0.001 0)mg/L、(0.006 0±0.000 4)mg/L和(0.006 0±0.000 2) mg/L,去除率分别为(98.2±0.23)%、(98.0± 0.22)%、(99.0±0.1)%和(99.0±0.1)%。第5天的去除率,B、C、D组显著优于A组(P<0.05);第6天的C、D组显著优于A、B组(P<0.05)。

3.1 生物滤料藤壶壳的选择

图8 不同试验组组的亚硝酸盐氮变化Fig.8 Change ofin different test groups

生物滤池在尾水处理中的应用主要考虑水处理效果、基建面积、投资和运行费用以及应用管理等因素[17],其中生物滤料的选择是影响整体生物滤池造价工艺、使用寿命、运行效率和占地面积的重要成因。目前,应用广泛的生物填料主要有:天然生物滤料(如珊瑚石、贝壳、沸石、麦饭石),有机高分子滤料(如PE,HDPE,PP,PVF),无机滤料(如活性炭、陶瓷环、陶粒)以及纳米材料等[18-21]。

本试验采用陶瓷环、PE、藤壶壳3种滤料进行挂膜效果比较,由结果可知,试验12 d后各个试验组逐渐对水中积累的氨氮有去除效果,达到最低浓度所需时间:藤壶壳组18 d,藤壶壳+PE组合22 d,陶瓷环组30 d,PE组38 d。其原因可能是因为藤壶壳属于天然矿物,自身生物群落丰富且比表面积大,生物附着性好,形成菌膜容易;而PE属于塑料填料,表面光滑,形成生物膜时间长;陶瓷环属于无机滤料,部分材料亲水性不好,挂膜不易[22]。PE之类的塑料以及陶瓷环、活性炭等滤料,制造工艺复杂,造价昂贵,均不能低成本应用于大容量生物滤池构建。而藤壶壳作为食用藤壶的废弃物在沿海省市资源量较为丰富,藤壶壳材质天然、多空隙、表面粗糙、生物附着性好、结构较为坚固等特性,使其极有潜力成为一种经济高效生态的生物滤料。

3.2 藤壶壳填充率对尾水处理的影响

在养殖水体中,氨氮过高会导致水生动物的代谢功能失调[23]、内分泌紊乱[24]以及各种疾病的爆发,从而影响鱼类生长[25-26]。可见氨氮浓度是一个重要的水质控制指标。研究表明,对虾养殖水体中氨氮浓度>0.1 mg/L就会对对虾产生毒害作用[27]。本试验中,采用不同填充率对对虾尾水进行处理的结果表明4个试验组的氨氮浓度低于0.1mg/L至少需要3 d,并随着填充率的增大,处理时间有所延长,同样,一般认为养殖水体中亚硝酸盐的浓度应当≤0.1mg/L,过高会引发出血病,是诱发暴发性疾病的重要因子,高于0.5 mg/L时会引起患病或死亡[28-29]。 因此控制水体中的亚硝酸盐浓度同样重要,以亚硝酸盐氮浓度0.1 mg/L为基准,4个试验组最短的处理时间为5 d,A组需要6 d。若以此模拟结果进行实际应用,将对养殖尾水处理工程的土地使用和资金投入提出严峻挑战。由此可见,缩小填充率或采取其他措施来提高水处理效率,是生态水处理技术的必然要求。

3.3 增强生物滤池应用效果的其他措施

在水处理过程中,影响生物滤池水处理效果的因素众多如水力负荷、水力停留时间、填料性质、碳氮比等。试验结果显示,提高填充率对水体中的氨氮、亚硝酸盐氮的去除效果和去除率一般呈正向显著影响,但水处理时间较长(需5 d左右)。说明填充率是影响水处理效果的重要因素,但在今后的实际应用中,需结合水力停留时间[30]、水力负荷[31]、曝气方式[32]等因素进一步优化设计生物滤池,以缩短水处理时间,另还可采用调节碳氮比[33]、添加有益菌[34]、改进水处理反应元件[35]等有效途径以提高生物滤池运行效率,增强水处理效果。

4 结论

藤壶壳相较于陶瓷环、PE这两种应用较广的生物滤料,具有挂膜快、效果好、材质坚固、价格低等优势,可作为一种生态环保的生物滤料应用于养殖尾水处理工程。研究表明,藤壶壳填充率对水处理效果影响显著,随着填充率的增高,悬浮物、氨氮、亚硝酸盐氮的去除效果随之增强。但考虑到处理效率和成本,认为B组(2∶9)较为适宜应用于养殖尾水处理。实际应用中应当继续优化水处理工艺,提高水处理效率,提高土地利用率。

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Preliminary study on application of balanite shells to treatment of shrimp aquaculture water

ZHANG Xia,LIU M inhai,XU Zhijin,LI Linggang,YE Jianying,FU Rongbing
(Zhoushan Fisheries Research Institute of Zhejiang Province,Zhoushan 316000)

In order to explore the feasibility of using balanite shells as a biological filter for the treatment of shrimp aquaculture water,the effects of biofilm colonization in 4 different filtering medium groups-ceramic ring,PE,barnacles shell,balanite shells and balanite shells+PE were compared to preliminarily evaluate the application value of balanite shells as a biological filter;different fill rates of balanite shellswere set(volume of filtering media:volume of aquaculture water)to study the influences of fill rate on treatment effectof shrimp aquaculture water.Results showed that in balanite shells group,the biofilm colonization was successful earlier and the water treatment effect was good;different fill rates of balanite shells had remarkable influences on treatment effect of suspended matter,in water,and after 6 h,the removal rate of suspended matter in groups A,B,C and D respectively reached (68.7±4.3)%,(74.5±7.0)%,(80.9± 4.2)%and(82.1±3.8)%,which showed the removal rate in groups B,C and D was significantly higher than Group A(P<0.05);final removal rate ofin 4 groupswas above 92.1%,and with 0.1mg/L as the base,5 d were required byin Group A to decrease below suchmass concentration,4 d in groups B and C and 3 d in Group D,with degradation rate in Group D>Group C>Group B>Group A;final removal rate ofin 4 groups was above 98.0%.With 0.1 mg/L as the base,6 d were required byin Group A to decrease below such mass concentration,and 5 d in groups B,C and D,with degradation rate in Group D>Group C>Group B>Group A.The study showed that balanite shells had a good effect in application to treatment of shrimp aquaculture water,and such effect was enhanced with increase of fill rate; however,in consideration of the economic costs and practical application,2∶9 was recommended as the fill rate of balanite shells.

balanite shells;shrimp;aquaculture water;water treatment;industrial aquaculture

S966.12

A

1007-9580(2017)03-052-07

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.009

2016-10-30

浙江省公益技术研究农业项目(2015C32111);海洋经济创新发展区域示范项目(浙海渔计〔2015〕29号);舟山市公益类科技项目(2015C31009);南美白对虾循环水养殖新技术研究与示范(2016C31058);舟山市海洋经济创新发展示范工作专项资金(国海科字〔2016〕496号)

章霞(1989—),女,工程师,研究方向:水生动物增养殖。E-mail:yufan414515@163.com

徐志进(1979—),男,高级工程师,研究方向:水生动物增养殖。E-mail:853966748@qq.com