不同滤料和碳氮比对对虾养殖尾水处理效果的影响

章霞，徐志进，柳敏海，李凌刚，殷小龙，罗海忠，傅荣兵，李伟业，张川，油九菊

(1.浙江省舟山市水产研究所，浙江 舟山 316000；2.舟山市海洋与渔业局，浙江 舟山 316000)

目前，随着中国对虾养殖业的迅速发展，其养殖废水排放问题也越来越受关注[1-3]。在养殖生产过程中，以南美白对虾Penaeusvannamei为例，根据其养殖生产需要，在养殖中后期2个月，每667 m2虾塘平均每天的排放水量约为100 m3，以1 hm2大棚养殖计算，每天需排放1500 m3养殖废水[4]，因此,需要对对虾养殖废水进行处理。

利用生物填料截留水体中的悬浮物，通过固着微生物群体的各种生化反应降低水体中的有机物、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐等是国内外研究较多的水处理方法[5]。生物填料性质[6]、水质条件(酸碱度、水温、盐度等)[7]和运行条件(挂膜方式[8]、碳氮比[9]、水力停留时间[10])等因素会影响废水处理效果。聚乙烯(PE)是一种常见生物滤料，因其造型多样、比表面积大、密度小、易反冲洗、水质处理效果好等特点，被广泛应用于工厂化循环水水处理中，但这一类的生物填料成本较高[11]。藤壶壳遍布于海域的潮间带至潮下带浅水区域，资源量丰富，个体比表面积大，生物附着性好[12]。前期研究结果表明，藤壶壳相较于陶瓷环、PE具有更优异的生物挂膜特性和水处理效果[13]。本研究中选用了藤壶壳、PE两种滤料，通过设定同种滤料不同的碳氮比进行水处理组效果比较，探究了生物滤料性质和碳氮比对水处理效果的影响，旨在为对虾养殖生产过程中的废水处理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

2017年3月15日开始，取藤壶壳和PE各约600 L，放入浙江华兴水产科技有限公司南美白对虾虾塘(28 m×30 m)中自然挂膜40 d，之后取出略加冲洗，分装于自制的循环水水处理运行装置[13]中。该装置上部桶体中放置40 L生物滤料，下部桶体中盛放200 L尾水，通过水泵(流量2600 L/h)实现下进水上出水循环。生物滤料选取藤壶壳和常用滤料PE。藤壶壳形状似去顶圆锥小体，中空，个体大小不一；PE为圆柱体，底半径为0.8 cm，高1.0 cm，侧面有25个棱；具体形态见图1。

图1 滤料的数码照片Fig.1 Digital photo of filtering media

本试验中采用的自制的循环水水处理运行装置和生物滤料(藤壶壳和PE)与实验室前期开展的藤壶壳应用于对虾养殖尾水处理初步研究[13]中的一致。

1.2 方法

1.2.2 水质指标的测定 总有机碳采用葡萄糖调节，每隔6 h取样,使用总有机碳分析仪TOC—LCPH CN200进行测定；总氨氮、亚硝酸盐、磷酸盐间隔5 h取样，采用GB17378.4—2007次溴酸盐氧化法测定总氨氮含量，采用GB17378.4—2007萘乙二胺分光光度法测定亚硝酸盐含量，采用GB17378.4—2007磷钼蓝分光光度法磷酸盐测定磷酸盐含量。

表1 试验组别设计Tab.1 Design of test groups

1.3 数据处理

试验数据均以平均值±标准差(mean±S.D.)表示，采用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行统计分析，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同碳氮比处理组中TOC含量的变化

藤壶壳组和PE组在48 h内TOC去除率呈先增大后下降趋势。从表2可见：在6 h时，不同碳氮比的藤壶壳组和PE组间TOC去除率无显著性差异(P>0.05);12 h时，藤壶组TOC去除率组1显著高于组2、组3、组4(P<0.05)，PE组TOC去除率组A显著高于组B、组C、组D(P<0.05),且组1 TOC去除率显著高于组A(P<0.05)；在30 h时，TOC去除率依次为组B >组1>组A>组2>组D>组C>组3>组4，其中，组B的TOC去除率显著高于其他组(P<0.05)，组1和组A显著高于组3、组4、组C、组D(P<0.05)；48 h时，组1、组2、组3、组A、组B、组C间TOC去除率无显著性差异(P>0.05)，且均显著高于组D、组4(P<0.05)。

2.2 不同碳氮比处理组中总氨氮含量的变化

8个试验组中的总氨氮浓度的变化规律不一。从表3可见：藤壶壳组和PE组在前15 h各组总氨氮去除率逐渐上升，且组2、组3、组4出现峰值，各组总氨氮去除率依次为组4=组3>组D>组2>组C>组1>组A>组B，组2、组3、组4总氨氮去除率显著高于组C、组1、组A、组B(P<0.05)；在30 h时，组3、组4、组C、组D总氨氮去除率趋于稳定，去除率高于98%，在30 h后，组1、组2、组A、组B出现波动；在40～50 h时，组3、组4、组C、组D间总氨氮去除率无显著性差异(P>0.05)，且显著高于组2、组1、组B、组A(P<0.05)。

表2 藤壶壳组和PE组不同时间段TOC的去除率Tab.2 TOC removal rate in barnacle and PE groups at different periods(h) %

注：同列中标有不同小写字母者表示组间有显著性差异(P<0.05)，标有相同小写字母者表示组间无显著性差异(P>0.05)，下同

Note：The means with different letters within the same column are significantly different in different groups at the 0.05 probability level, and the means with the same letters within the same column are not significant differences, et sequentia

表3 藤壶壳组和PE组不同时间段总氨氮(TAN)的去除率Tab.3 TAN removal rate in barnacle and PE groups at different periods(h) %

2.3 不同碳氮比处理组中亚硝酸盐含量的变化

从表4可见：在10 h时，各组亚硝酸盐去除率依次为组4>组D>组C>组2>组B>组1>组3>组A，10 h时相同碳氮比的藤壶组亚硝酸盐去除率均高于PE组(组C除外)；在15 h时，各组的亚硝酸盐去除率均在99%以上(组A除外)，组间无显著性差异(P>0.05)；15 h后，组1、组A、组2、组B的亚硝酸盐去除率开始下降，组A下降趋势比组1大；在50 h时，组3、组4、组C、组D的亚硝酸盐去除率稳定在99%以上，且组3、组4、组C的亚硝酸盐去除率显著高于其他各组(P<0.05)。

表4 藤壶壳组和PE组不同时间段亚硝酸盐的去除率Tab.4 Nitrite nitrogen removal rate in barnacle and PE groups at different periods (h) %

3 讨论

3.1 不同滤料对水处理效果的影响

3.2 不同碳氮比对水质处理效果的影响

近年来，调节水体中碳氮比已成为调控养殖水质和优化尾水处理效果的常用方法[17]。其原理在于添加碳源以促进优化异养细菌的生长，进而起到改善水质的作用[18-20]，有研究证实，通过添加葡萄糖来提高环境中碳氮比可明显促进海水细菌总体生长水平[21-22]，而本研究中采用葡萄糖调节污水碳氮比后，各组在30 h时TOC的去除率均在78%以上，碳氮比为5和10的组TOC去除率在92%以上，显著高于碳氮比为20和30的组，在30～50 h阶段，碳氮比为5、10、20的组，TOC去除率趋于稳定；藤壶壳组和PE组碳氮比为10、20、30的组在15 h时总氨氮和亚硝酸盐去除率迅速上升，显著高于同种滤料的对照组，在30 h后，碳氮比为20、30的组总氨氮去除率显著高于同种滤料碳氮比为5、10的组，且去除率高于98%，同时，藤壶壳组和PE组碳氮比为10、20、30的组在30 h后亚硝酸盐去除率显著高于同种滤料碳氮比为5的组，且去除率高于95%。可见，提高碳氮比可提高污水的水处理效果，且碳氮比>10时，水体中的总氨氮和亚硝酸盐的去除效果较为稳定。这一结果与Goldman等[23]、高磊等[24]的研究结果相似。海水环境中的细菌一般在碳氮比>10的情况下生长水平较高，但过高的碳氮比易引起细菌的过量繁殖，会导致水质恶化，DO 含量下降，影响鱼类的生长繁殖和出水水质，同时增加不必要的经济成本[25-26]。

综上所述，本研究中采用藤壶壳和常用滤料PE作为生物滤料，并进行了不同碳氮比(5、10、20、30)的水处理效果比较研究，试验结果表明，碳氮比分别为5、10、20时，藤壶壳组的氨氮、亚硝酸盐去除率高于PE组；藤壶组和PE组在碳氮比为20和30时，氨氮去除率在30 h后均显著高于碳氮比为5和10组，且去除率维持在98%以上。结合藤壶壳和PE的经济成本，建议尾水处理中碳氮比取20∶1，滤料取藤壶壳较为适宜。但由于藤壶壳是自然资源，产量和地域限制，因此，可根据尾水工程的大小、工程管理难易程度及经济成本等综合因素，因地制宜选取适宜的生物滤料应用于水处理工程中。