循环水养殖系统微细悬浮颗粒的分布规律研究

段姗杉，杨 晨，宋协法，黄志涛

(1 中国海洋大学水产学院，山东 青岛 266003；2 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

循环水养殖系统中总悬浮颗粒物(total suspended solids,TSS)的不断积累，会对养殖鱼类的生长产生不利影响，会损害鱼鳃功能、降低养殖鱼类抵御环境中有害物质的能力[1-2]。颗粒物在循环水养殖系统中长时间的停留会导致腐败分解，消耗氧气，同时产生氨氮等有害物质，堵塞鱼鳃和增加物理过滤装置负担，危害系统的稳定运行[3-4]。颗粒物主要来源于饲料残渣、粪便和细菌絮凝体等[5-6]，根据颗粒物粒径大小将养殖水体的固体颗粒物分为：微细颗粒(<30 μm)、小颗粒(30～100 μm)和易沉降颗粒(>100 μm)[7-8]，其中，微细颗粒不易采用弧形筛、微滤机等物理过滤装置从养殖系统中去除[9-11]。了解微细悬浮颗粒的质量浓度及粒径分布(particle size distribution,PSD)状况，对于优化系统的颗粒过滤环节、调控养殖系统的水质具有重要指导作用。

目前，循环水养殖系统悬浮颗粒的研究大部分集中在养殖池单元[12-13]，一般在试验规模的小型循环水系统进行，对微细悬浮颗粒的研究相对较少。本研究以稳定运行的大西洋鲑(Salmo salar)商业循环水养殖系统为例，分析了系统各单元微细悬浮颗粒的总数量、总体积、总表面积的变化以及粒径分布(PSD)规律，以期为优化固液分离技术、提高微细悬浮颗粒物的去除效率提供参考。

1 材料和方法

1.1 系统介绍

本试验所取水样来自丹麦Danish Salmon公司稳定运行的大西洋鲑循环水养殖系统(图1)。该系统共有12个养殖池，试验期间养殖密度约为43.5～45.8 kg/m3，其水处理单元包括转鼓式微滤机(滤网孔径为40 μm)、泡沫分离器(臭氧)、滴滤池(滤料为BIOBLOK)和4级浸没式生物滤池(滤料为BIOBLOK)、溶氧池等环节。系统建成于2013年，运行稳定，日换水量约为3%～5%，循环次数为18次/d。

图1 大西洋鲑循环水养殖系统示意图

1.2 水样采集及微细悬浮颗粒测定

早上8:00，在投喂前，从系统中进行取样，取样点分别位于泡沫分离器进水口、泡沫分离器出水口、溶氧池(也是生物滤池和养殖池的进水口)、生物滤池出水口和养殖池出水口(图1)。各取样点采取混合样品2 L，立即拿回实验室进行分析。取样时间为2019年6月—7月，共8周。

采用库尔特粒度分析仪(型号：Multisizer 4e，Beckman)测定各样品微细悬浮固体颗粒的数量，配备50 μm微孔试管，保证测定粒度上限为30 μm。利用分析仪自带软件(Multisizer 4e)计算悬浮固体颗粒的总体积(V)和总表面积(S)，假设颗粒物质均为球形，其相应的计算公式如下：

V=4/3πr3x

(1)

S=4πr2x

(2)

式中：V—某一粒径范围内颗粒的总体积，mm3；S—某一粒径范围内颗粒的总表面积，mm2；r— 颗粒的半径，mm；x—某一粒径范围内的颗粒总数，个。

1.3 颗粒分布指数(β值)计算

水产养殖系统水体中颗粒的数量、表面积和体积分布与颗粒粒径分布函数有关，且粒径分布的函数遵循幂函数定律[14]。幂函数定律可用式(3)表示，公式左右两边同时取对数可得式(4)，是一条斜率为β的直线，β值的大小可用来评估颗粒均匀性及区分不同的样品[15]。颗粒分布指数(β值)随着水中悬浮微颗粒物含量的变化而变化，其大小反映了水中不同粒径颗粒占总颗粒数量的比例[16]。颗粒分布(PSD)利用库尔特粒度分析仪自带的软件(Multisizer)进行分析。

(3)

(4)

式中：N— 粒径范围Δl内的颗粒数量或者占总数量的百分比，%；l— 粒径范围Δl内的颗粒中值等效体积径(μm)；A—常数，数值为10；β—颗粒分布指数。

1.4 统计分析

2 结果与分析

2.1 微细悬浮固体颗粒的变化趋势

循环水养殖系统各单元微细悬浮固体颗粒数量随时间的变化如图2所示。

图2 颗粒数量变化曲线

系统内微细悬浮颗粒总数量的范围为(0.36～2.11)×106个/mL。泡沫分离器进水口、养殖池出水口的微细悬浮固体颗粒质量浓度较高，平均值分别为(1.74± 0.25)×106个/mL和(1.66± 0.24)×106个/mL，生物滤池出水口的微细悬浮固体颗粒质量浓度较小，为(5.54± 1.70)×105个/mL。溶氧池的颗粒质量浓度处于中间水平，为(1.22±0.27)×106个/mL。泡沫分离器可以明显减少水体中微细悬浮固体颗粒的数量，泡沫分离器出水口的颗粒数量为(8.58± 3.42)×105个/mL，去除率达到51.9%。从不同时间角度来看，泡沫分离器进水口、养殖池出水口和溶氧池微细固体颗粒数量在整个试验过程中基本保持稳定，从第2周开始略有上升的趋势，最后回落至试验初始水平。泡沫分离器出水口的颗粒数量在第6、7周取样中呈现了峰值(1.47×106个/mL和1.38×106个/mL)，而后又恢复到初始水平。生物滤池出水口的颗粒数量在整个试验过程中波动很小，基本稳定在5.50×105个/mL左右。

微细悬浮颗粒总表面积呈现出的变化趋势与颗粒数量相似(图3)，系统内微细悬浮颗粒总表面积的范围为(0.24～1.3)× 107mm2/mL。泡沫分离器进水口、养殖池出水口的颗粒总表面积相对较大，平均值分别达到(1.12 ± 0.15)× 107mm2/mL和(1.08 ± 0.14)× 107mm2/mL，生物滤池出水口的颗粒总表面积最少，仅为(4.39± 1.07)× 106mm2/mL。养殖水体经泡沫分离器处理后，颗粒总表面积下降至(6.17± 2.39)×106mm2/mL。溶氧池的颗粒总表面积处于中间水平，为(8.13± 2.02)×106mm2/mL。泡沫分离器进水口和养殖池出水口的颗粒表面积在第2周时下降至8.70×106mm2/mL左右，后慢慢上升至试验初期水平。溶氧池的颗粒总表面积前4周稳定在6.50×106mm2/mL左右，后逐渐上升，在第7周时达到峰值，为1.07×107mm2/mL，最后一周取样回落至试验初始水平。泡沫分离器出水口的颗粒表面积呈现先上升后下降的趋势，峰值出现在第7周，为1.03×107mm2/mL。生物滤池出水口的颗粒表面积比较稳定，在整个试验过程中维持在4.40×106mm2/mL左右。

图3 颗粒总表面积变化曲线

循环水养殖系统各单位微细悬浮固体体积随时间变化的趋势如图4所示，系统内微细悬浮颗粒总体积的范围为(0.97～6.3)×106mm3/mL。泡沫分离器进水口、养殖池出水口的颗粒总体积相对较大，分别达到(4.76 ± 0.96)×106、(4.88± 0.943)×106mm3/mL，生物滤池出水口的颗粒总体积相对较少，为(2.35±0.75)×106mm3/mL。养殖水体经泡沫分离器处理后，悬浮颗粒总体积下降至(2.78 ± 1.01)×106mm3/mL。溶氧池的颗粒总体积处于中间水平，为(3.58± 1.18)×106mm3/mL。除生物滤池出水口外，其他4个取样点颗粒总体积都呈现出与颗粒数量、总表面积相同的变化趋势。泡沫分离器进水口、泡沫分离器出水口和养殖池出水口颗粒总体积均在第2周下降，后缓慢升至试验初始水平。溶氧池颗粒总体积前4周稳定，后逐渐升高，在第7周达到峰值5.23×106mm3/mL。生物滤池出水口的颗粒总体积在第2周下降，后逐渐上升，在第4周达到峰值，为3.73×106mm3/mL，之后稳定在2.30×106mm3/mL左右。

图4 颗粒总体积变化曲线

2.2 粒径分布(PSD)特征

整个试验期间各取样点的PSD各自相对稳定，不同采样位置PSD差异明显，以第3周的试验结果为例，养殖系统不同位置的颗粒分布情况如图5～图7所示。数量分布方面，1～30 μm范围内，随着颗粒粒径的减小，颗粒数量迅速增加，粒径为1～3 μm的颗粒占比为98.36%，3～15 μm的占1.63%，15～30 μm的仅占0.01%；泡沫分离器进水口的颗粒数量略高于养殖池出水口的颗粒数量，说明40 μm的转鼓式微滤机对粒径<30 μm的颗粒未起到去除作用；生物滤池出水口和泡沫分离器出水口的悬浮颗粒数量相对较低，明显低于其他取样点(图5)。表面积分布方面，随着粒径的增大，颗粒的总表面呈现先下降后上升的趋势，在1～2 μm之间，颗粒总表面积远远大于其他粒径范围的颗粒总表面积(图6)。体积分布方面，颗粒粒径越大，颗粒总体积越大(图7)。

图5 第3周系统内1～30 μm颗粒PSD(数量)

图6 第3周系统内1～30 μm颗粒PSD(表面积)

图7 第3周系统内1～30 μm颗粒PSD(体积)

2.3 颗粒分布指数(β值)

β值可以反映水中不同粒径颗粒的分布情况，当β值较大时，表示水中粒径小的颗粒数量相对较多；反之当β值较小时，说明水体中大粒径的颗粒所占的比重相对较大。很多研究利用β值分析水体中颗粒的分布状况，一般认为水产养殖水体的β值在2～5之间[17]。而本试验中β值的范围是3.96～6.48(表1)，这是由于粒径范围的设定影响β值的大小，本试验中设置的粒径范围是1～30 μm，而之前的报道粒径设置的范围是1～200 μm。5个取样点的β值随时间波动，但均值相对稳定。泡沫分离器出水的β值显著(P<0.05)低于其他采样点，说明泡沫分离器去除了大量的小颗粒，所剩大颗粒的比例相对较高；充氧池的β值均值数值最高，可能是由于充氧池内的曝气增加了大颗粒破碎为小颗粒的概率，造成小颗粒的占比增加，从而导致β值的增大。

表1 颗粒分布指数(β值)

3 讨论

3.1 微细悬浮颗粒对系统的潜在影响

固体颗粒的去除是循环水养殖系统的重要课题，固体颗粒物在水体中长时间的停留会带来一系列潜在的危害，然而由于技术所限，之前对微细悬浮颗粒(<30 μm)的研究较少，因此其对循环水养殖系统的潜在影响也一直被忽视。本研究发现，大西洋鲑循环水养殖系统中微细悬浮颗粒中1～3 μm的颗粒物达到98%以上，颗粒数量可以达到1.70×106个/mL，远高于传统的流水养殖方式(5.41×104个/mL)[18]，这是由于微滤机等过滤环节很难去除30 μm以下的微细悬浮颗粒，水体中微细悬浮颗粒将循环积累。高质量浓度的微细悬浮颗粒是否会对大西洋鲑带来影响尚不明确，由于其是水体中异养微生物的主要营养来源，具有成为有害细菌“温床”的潜在可能[19-20]。此外，系统中微细悬浮颗的总表面积达(8.4±1.3)×106mm2/mL，且随着粒径的增大呈先下降后上升的趋势(图6)，粒径为1～2 μm的颗粒总表面积远远大于其他粒径范围的颗粒总表面积，由于悬浮小颗粒(<3 μm)数量非常多、比表面积大，在水体中与细菌发生碰撞和接触的概率较高，使得细菌更易附着形成高丰度。微细悬浮颗粒可以作为硝化细菌的载体，起到“滤料”的作用，这也是高密度养殖系统水体中硝化细菌丰度较高的原因。

3.2 各处理单元对微细悬浮颗粒分布的影响

本试验中水体流经泡沫分离器后，微细悬浮颗粒物的数量、总体积和总表面积均下降约50%，这也验证了泡沫分离器对微小悬浮颗粒物和溶解有机物有很好的去除效果[21-22]。本试验系统在泡沫分离器中通入了臭氧，去除悬浮颗粒的同时起到杀菌消毒作用，目前关于臭氧是提高还是降低颗粒物的稳定性，导致颗粒物粒径变大还是变小还有争论[23]。Guilherme等[24]研究发现采用臭氧可以显著提升泡沫分离器对微细悬浮固体颗粒的去除率，Rueter等[25]也发现，通入臭氧可降低水体中微细悬浮颗粒物的丰度，增大大粒径颗粒物的比例。根据本试验泡沫分离器进、出水口，1～5 μm微细颗粒数量PSD和总表面积PSD分布降低的趋势(图5、图6)，说明通入臭氧杀死了水体中的细菌和微藻(0.5～5 μm)，而细菌和微藻都是水体中微细悬浮颗粒组成部分，死细菌和微藻更加容易被泡沫吸附去除，因此从结果上呈现了大颗粒比例升高，小颗粒降低的趋势，即β值显著(P<0.05)降低(表1)。

由于样品保存问题，本试验未能获取微滤机进、出水口水样，可以近似认为养殖池出水为微滤机进水，泡沫分离器的进水为微滤机的出水，可以看出两者的颗粒数量、表面积、总体积基本没有差异(图2～图4)，β值也没有显著性变化(P>0.05)，说明微滤机(滤网尺寸为40 μm)很难起到去除微细颗粒的作用，且微滤过程大颗粒破碎还可能导致微细颗粒数量的增加[20]，从控制循环水养殖系统微细颗粒的角度考虑，不建议把微滤机筛网尺寸设置过小(如40 μm)。

浸没式固定床生物滤池过滤/截留微细颗粒的作用明显，水体流经浸没式生物滤池后，水体中的微细颗粒数量、体积和表面积都显著(P<0.05)降低，β值显著(P<0.05)降低，微细颗粒被滤料截留、吸附、聚集在生物滤池[26-27]，同时，截留的颗粒可作为微生物附着的载体，其表面生物膜的自然生长，从而产生一个生物膜屏障，将颗粒困在生物滤池的内部[28-29]。当截留在生物滤池内的颗粒达到饱和时，生物滤池截留颗粒的能力会大大下降，导致生物滤池出水的颗粒数量大幅度增加时，则需进行反冲洗[30]。目前各循环水养殖系统的生物滤池排污的周期主要是凭经验，很少有明确的依据，监测出水口固体颗粒变化可能为生物滤池的排污周期的确定提供有力的依据。

4 结论

分析了大西洋鲑(Salmo salar)循环水养殖系统各处理单元的微细颗粒的数量、体积、表面积及其粒径分布(PSD)的规律。颗粒数量分布方面，随着粒径的减小，各样品颗粒数量迅速增加；体积分布方面，颗粒粒径越大，颗粒总体积越大；表面积分布方面，随着粒径的增大，总表面积呈现先减小后增大的趋势。微滤机(滤网尺寸为40 μm)未能起到去除微细颗粒的作用，泡沫分离器和浸没式生物滤池都具有一定的微细悬浮颗粒截留能力，但仍不足以将整个系统的微细颗粒控制在低数量级。由于技术所限，目前对循环水养殖系统微细悬浮颗粒的研究相对较少，未来还应该在微细悬浮颗粒对养殖鱼类的影响，微细悬浮颗粒与悬浮微生物(free-living bacteria)之间的量级关系，以及各类型过滤装置对微细悬浮颗粒的去除能力等方面开展研究，逐步实现微细悬浮颗粒的精准调控。

□