基于不同投喂模式的循环水养殖系统中三级生物滤池运行效率研究❋

2022-05-17孙雪倩董双林侯润川

中国海洋大学学报（自然科学版） 2022年5期

孙雪倩，李丽,2❋❋，董双林,2，侯润川，赵鑫

(1. 海水养殖教育部重点实验(中国海洋大学)，山东青岛 266003；2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋渔业科学与食物产出过程功能实验室，山东青岛 266237)

循环水养殖系统(Recirculating aquaculture systems, RAS)又称封闭式养殖系统，是通过一系列物理、化学和生物手段，去除养殖池中的残饵及养殖动物的代谢产物等，从而实现水体的循环利用[1]，其对水资源的循环利用率能够达到90%以上[2]，可实现水产动物高密度养殖，是我国水产养殖业实现工业化、现代化生产的有效生产方式，具有广阔的发展前景[3]。

在RAS的水处理单元中，生物滤池在氨氮的去除方面起主要作用[11]，其对养殖废水中氨氮有害物质的去除效果决定整个RAS的最大养殖承载量[12]。废水中某些水质指标可能会影响生物滤池的去除效果，例如化学需氧量(COD)、温度和pH等。有研究表明，在高氨氮废水条件下，COD/N的比率从0升到6时，污泥絮体硝化细菌的繁殖被抑制[13]。且在实际生产过程中，养殖池的水质会受投饵策略的影响，呈现一定的变化趋势，可能对生物滤池的去除效果产生影响。研究表明，不同投饵策略会改变养殖生物的氮磷废物的排泄量[14]，但目前关于投饵策略影响RAS水质及生物滤池去除效果的研究还较少，因此，探究投喂方式和水体中各水质指标对生物滤池去除效果的影响十分必要。

多级生物滤池具有处理能力强、运行成本低廉和抗冲击能力强等特点，在RAS中得到广泛应用[15]。但多级生物滤池可能会因其前几级对水体中废物去除较为彻底，导致其后几级对废物的去除效果较差，产生浪费。因此，分析多级生物滤池中各级滤池的废物去除率对优化生物滤池结构具有重要的理论指导意义。

斑石鲷(Oplegnathuspunctatus)属于高端水产品，在国内具有很大的消费市场，而循环水养殖是其主要养殖模式之一[16]。本文以斑石鲷RAS中的三级生物滤池为研究对象，通过对整个RAS中各单元水质指标进行长期监测，探究三级生物滤池TAN的去除效果，查明影响该三级生物滤池水处理效果的主要环境因子，为斑石鲷RAS养殖的调控优化和高效运作提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 循环水养殖系统

斑石鲷RAS建于山东省莱州明波水产有限公司“循五”养殖车间，系统由养殖池、弧形筛、生物滤池、水泵、紫外消毒池和液氮罐等单元组成(见图1)。系统运行稳定，共7个养殖池，每个养殖池体积为30 m3。系统总水量约为460 m3，日换水量占总水量的5%，循环频率为16次/d。2019年1月开始养殖斑石鲷，养殖过程中投喂斑石鲷配合饲料(赛格林鱼类膨化全价配合饲料，粗蛋白≥50%、粗脂肪≥10%、粗纤维≤8%、粗灰分≤17%、赖氨酸≥2.4%、水分≤12%、总磷≥0.8%)。

生物过滤单元为三级浸没式生物滤池(非曝气)，第一级与第二级生物滤池侧面相通，水流可直接流过(见图1)。各级生物滤池横截面积均为26 m2，水位高度2.8 m，各级有效体积均为72.8 m3。该生物滤池总水量约为220 m3，采用自然挂膜，滤料均采用弹性生物滤料(直径为0.5 mm，比表面积296 m2/m3，俗称“毛刷”)，滤料填充率为262 m/m3，水力停留时间为1 h。

(箭头为水流方向。The arrow: the direction of water flow.)图1 循环水养殖系统示意图Fig.1 Diagram of recirculating aquaculture system

1.2 系统养殖管理

实验于2020年7月24日至10月9日进行，实验周期为77 d。斑石鲷初始平均体长为18.77 cm，平均体质量为308 g，养殖密度为17.29 kg/m3。实验初期共放养11 788条斑石鲷，于9月8日分池，转移出2 764条幼鱼，剩余数量为9 024条。实验期间，鱼体生长情况良好，系统内无鱼类死亡。实验结束时，鱼体平均体长为22.13 cm，平均体质量为411 g，养殖密度为17.66 kg/m3。

实验期间采用两种投喂模式，2020年7月24日到8月21日采用人工投喂模式，每日07：30和16：30各投喂1次；8月22日至10月9日，使用自动化投喂机投喂饲料，从早上7：30开始，每隔1 h投喂一次，一日7次。系统日投喂量为29.4 kg，实验期间投喂量保持不变。每日8：00和17：00定点将养殖池底含有残饵粪便的污水排放至系统外(见图1)。

1.3 水质监测

RAS系统各单元分别设置6个采样点(见图1)。①养殖池出口Y；②弧形筛出口H；③第一级生物滤池出口S1；④第二级生物滤池出口S2；⑤第三级生物滤池出口S3；⑥紫外消毒池出口Z。各采样点取5个不同部位不同深度水样混合均匀。

RTAN1= (YTAN0-STAN1) /YTAN0×100%。

(1)

式中：RTAN1为TAN每小时去除率(%)；YTAN0为1 h时长初始时养殖池出口水体TAN浓度(mg/L)；STAN1为1 h时长结束时第三级生物滤池出口水体TAN浓度(mg/L)。

1.4 数据处理分析

数据以平均值±标准差(X±SD)形式表示。采用Kolmogorov-Smirnov检验和Levene检验方法分别进行数据的正态分布检验、方差齐性检验。若符合正态分布且方差齐，用ANOVA单因素方差分析，组间差异用Turkey进行多重比较，以P<0.05作为差异显著标准。采用典型判别分析(Canonical discriminant analysis, CDA)可视化水质数据。相关性分析采用Pearson分析方法，显著水平P<0.05。所有分析均由SPSS 25.0和R语言软件实现。

2 结果

2.1 RAS各单元水质及生物滤池对TAN的去除率

表1 斑石鲷循环水产养殖系统的总体水质参数

图2 养殖池(Y)和各级生物滤池(S1、S2、S3)在前两个判别函数上得分的二维散点图Fig.2 2-dimensional scatter plot of individual scores for water quality of culture tank outlet(Y) and three-stage biofilter(S1、S2、S3) based on the first two discriminant function

2.1.3 不同投喂模式下生物滤池TAN去除率周变化规律由图3可知，人工投喂时TAN去除率最高为51.64%，最低为33.52%；自动投喂机投喂时TAN去除率最高为39.63%，最低为12.98%。两种投喂模式下，生物滤池TAN去除率具有显著差异(P<0.05)。

2.2 养殖池中和及生物滤池对TAN的去除率日变化

图3 两种投喂模式下养殖池(Y)和第三级生物滤池(S3)TAN浓度及生物滤池TAN去除率周变化规律Fig.3 Weekly variation of TAN concentration in culture tank (Y) and third-stage biofilter (S3) and overall TAN removal rate in biofilter under two feeding modes

(红色表示负相关，蓝色表示正相关；表示P<0.05，表示P<0.01。Red means negative correlation， blue means positive correlation; means P<0.05; means P<0.01.)

图5 两种投喂模式下养殖池水体中含量变化Fig.5 The density of TAN in culture tank water under two feeding modes

两种投喂模式下养殖池(Y)和各级生物滤池(S1、S2、S3)的TAN浓度的日变化见图6，生物滤池内，TAN的变化规律与养殖池相似，日间较高，夜间TAN逐渐降低。两种投喂模式下Y与S1、S1与S2的24 h平均TAN浓度均无显著差异(P>0.05)，Y与S2、Y与S3的TAN浓度差异显著(P<0.05)。人工投喂时，S2与S3的TAN浓度无显著差异(P>0.05)；自动投喂机投喂时，S2与S3的TAN浓度差异显著(P<0.05)。

为探究氨氮负荷对生物滤池氨氮去除效果的影响，计算了两种投喂模式下24 h内生物滤池每小时TAN去除率。由图6可知，日间系统内TAN负荷高时，生物滤池TAN去除率高，最高达到57.05%。夜间系统内TAN负荷较低时，生物滤池TAN去除率降低。两种投喂模式下，生物滤池每小时TAN去除率与其氨氮日变化规律相似。

图6 两种投喂模式下养殖池(Y)和各级生物滤池(S1、S2、S3)的TAN浓度及生物滤池每小时TAN去除率日变化Fig.6 Daily changes of TAN concentration in the culture tank (Y) and three-stage biofilters (S1, S2, S3) and the overall hourly TAN removal rate of the biofilter under two feeding modes

3 讨论

3.1 RAS整体水质变化情况

根据渔业水质标准，养殖水体中非离子氨(NH3-N)浓度要小于0.02 mg/L，海水养殖pH应在7.0～8.0之间[18]，海水养殖水体中溶解氧含量需在5 mg/L以上[19]。本实验中，养殖池平均溶解氧含量为9.11 mg/L，pH为7.3，均符合养殖要求。池中TAN浓度约为1.07 mg/L，水体中NH3-N在TAN中占比主要受温度和pH影响[18]，本系统条件下，NH3-N含量约为(0.008 6±0.000 7) mg/L，适于水产养殖。

Taghipour等[27]比较了两种不同类型生物滤池处理废气流的性能，发现在不同氨流入浓度下，三级生物滤池比一级生物滤池对TAN去除能力强、驯化时间短、稳态运行时间长。本实验在计算生物滤池对TAN去除率时考虑了水力停留时间，因此并未对各级生物滤池去除率分开计算，仅计算了三级生物滤池的去除率，但本实验中，养殖池和第一级生物滤池的TAN平均浓度差异显著，第二级和第三级生物滤池的TAN平均浓度差异显著，24 h连续检测结果表明养殖池与第二级、第三级生物滤池日平均浓度差异显著，因此，该系统中各级生物滤池对TAN均有良好的去除效果，不存在功能浪费现象。这与前人研究结果有一定差异，张浩天等[16]研究发现，斑石鲷RAS废水经三级生物滤池处理后，氨氮浓度由0.137～0.257 mg/L降至0.035～0.139 mg/L，且由于前两级生物滤池对废水处理较为彻底，导致第三级生物滤池可能存在浪费现象。柳婷婷等[21]对硬头鳟(Oncorhynchusmykiss)和虹鳟(O.mykiss)鱼苗RAS六级生物滤池进行研究发现，该生物滤池对TAN去除率高达75%，但其级数较多导致运行效率降低。

残饵的溶解和养殖生物代谢产物是水体中磷的主要来源。生物滤池中对磷酸盐的去除与聚磷菌等异养细菌有关，需通过聚磷菌耗氧聚磷、厌氧除磷过程相互交替实现磷酸盐的去除[32-34]。而在生物滤池生物膜形成过程中，聚磷菌因竞争劣势导致含量较低，起不到除磷作用[35]。有研究表明，生物滤池中滤料的材质也是影响其除磷效果的原因之一，不同填料对水体中磷酸盐的去除率不同[36]。本实验生物滤池对含磷化合物无去除作用，可能与聚磷菌含量低、无厌氧环境、滤池中滤料材质等因素有关。

实验测定了斑石鲷RAS养殖池中12个水质指标，通过Pearson相关性分析得出水体中TAN浓度，与水中T、TN和TP呈正相关关系。研究表明，室温下近海水养殖水体温度越高，硝化速率越高[37]。在RAS生物滤池中，温度对硝化作用的影响还受到水中溶解氧和TAN浓度的限制[38-39]。实验中养殖池TAN浓度与pH呈负相关关系。硝化过程中会产生游离酸，可与水中的碳酸氢盐反应并释放较多的CO2，游离酸和CO2溶解在水中会使水体pH降低[40]。有研究表明，弱碱性环境最适宜海水养殖中硝化作用的进行[41]，pH在7.5～9.0范围内，RAS生物滤池生物膜上硝化效率最好[38]。Villaverde等[42]研究发现，浸没式生物滤池水体pH从5.0增加到8.5，其硝化效率呈线性增加。本实验中养殖池水体pH约为7.3(见表1)，结果表明，该系统适当提高水体中pH有助于提高硝化速率，降低养殖池水中TAN浓度。

生物滤池生物膜硝化动力学受多种因素影响，除温度、pH外，还与有机碳化合物含量、溶解氧等因素有关[38]。本实验中COD对TAN浓度无显著相关性，可能因为该RAS养殖池中COD含量较低有关。该系统养殖池采用人工增氧，DO一直保持较高水平，因此实验中DO对TAN浓度无显著相关性。但相关性分析显示，DO与TAN去除率呈显著负相关，且DO与TAN浓度之间相关系数值为负数。陆伟强等[43]研究表明，水体中DO过高会抑制硝化作用，在海水RAS中，DO适宜浓度为5～7 mg/L。从实验结果来看，本实验养殖系统养殖池应适当减小增氧强度，降低养殖水体内DO含量至适宜范围，可能有助于提高TAN去除率。

3.2 两种投喂模式下养殖池氮的日变化及生物滤池对TAN的去除情况

养殖生产中，建立最佳投喂策略对于提高养鱼场效率、减少过度投喂、保持良好水质和降低运营费用至关重要[44]。本实验中人工投喂时日投喂2次，每次投喂0.5 h后进行排污，将一部分含有残饵的污水排出系统外，养殖池由于水体中剩余残饵和斑石鲷粪便的产生导致TAN浓度上升并达到峰值，池内水体在经过生物滤池的不断处理，使夜间TAN浓度呈下降趋势。Kemp等[45]研究发现，在具有生物过滤水浴槽的塑料箱养殖的龙虾，进食后TAN排泄率升高并出现明显峰值，且TAN排泄率随着时间延长逐渐恢复到喂食前速率。该研究与本实验TAN变化趋势相似。实验RAS改用自动化投喂机投喂后，投喂频率增加，导致日间TAN浓度一直处于较高水平。Pedersen等[46]所研究的RAS中虹鳟连续进食，生物滤池入口TAN日变化浓度表现出与本实验相似的昼夜趋势。因此，不同的投喂方式使得养殖池内TAN的日变化规律不同。有研究发现，不同投喂频率对养殖水质也有影响，在一定范围内适当增加投喂频率可使水质日变化波动较小，提高水体稳定性，减小养殖生物因水环境变化较大而产生的应激[47-48]。此外，增加摄食频率可以减少养殖生物应激行为，从而减少养殖生物个体生长的不均匀性[49]。因此，采用自动投喂机一日多次投喂方式，能避免养殖池内水体水质变化产生较大波动，减小斑石鲷应激反应，有利于斑石鲷生长。

喂食频率会影响鱼的采食量、残饵量、饲料利用效率，进而影响鱼的代谢物和排泄物以及水质。本实验中，计算了两种投喂模式下生物滤池TAN去除率周变化规律，结果表明，采用自动投喂机投喂时生物滤池TAN去除率明显低于人工投喂时。Phillips等[50]发现，在鲈鱼的集约化养殖中，较高的摄食频率使养殖水体中TAN平均值显著降低。本实验中自动化投喂机模式TAN去除率低的原因可能是投喂频率增加，系统内TAN浓度降低，TAN负荷降低。

本实验中，两种投喂模式下生物滤池每小时TAN去除率均与养殖池氨氮变化趋势相似，日间去除率较高，夜间随着TAN浓度下降而降低。Pearson相关分析也表明，TAN去除率与养殖废水中TAN浓度呈正相关关系。前人研究也表明，进水口养殖废水的氨氮负荷大小影响生物滤池TAN去除率。在生物滤池清除能力范围内，废水中氨氮负荷较高，滤池对TAN的去除率较高[51]。但废水中氨氮负荷过高，会抑制硝化细菌的硝化作用，并使NH3-N在水体中积累[52]。而氨氮负荷过低，会使生物滤池最大清除能力降低，不能很好的应对水体中TAN浓度突然升高现象[53]。Tirado等[54]研究表明，当饲料负荷改变时，RAS生物滤池中微生物响应会随之改变。因此，在适宜范围内水体中较高氨氮负荷有利于提高滤池对TAN的去除率。