5种生物滤料挂膜期间氨氮去除效果的比较

郑 兴,崔云亮,姚 瑶,孟凡同,顾志峰

(海南大学 a.热带生物资源教育部重点实验室; b.海洋学院/海南省热带水生生物技术重点实验室,海南 海口 570228)



5种生物滤料挂膜期间氨氮去除效果的比较

郑 兴a,b,崔云亮a,b,姚 瑶a,b,孟凡同a,b,顾志峰a,b

(海南大学 a.热带生物资源教育部重点实验室; b.海洋学院/海南省热带水生生物技术重点实验室,海南 海口 570228)

采用自然挂膜法,研究了封闭循环水养殖系统中5种生物滤料挂膜期氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮含量的变化趋势和相互关系,结果表明：在生物膜挂膜期间,5种不同生物滤料的氨氮质量浓度均随着系统运行时间的延长而逐渐下降,亚硝酸盐氮质量浓度先升后降,硝酸盐氮质量浓度则是逐渐上升. 5种生物滤料中,珊瑚砂和红色呼吸环的效果最优,约23 d完成挂膜,氨氮去除率为93.0%和92.5%.

生物滤料;循环水养殖系统;挂膜;氨氮;水处理

高密度封闭式工厂化循环水养殖过程中,氨氮降解是实验海水循环水养殖高效成败的关键[1].循环水养殖系统基本是利用生物滤料附着各种微生物的代谢活动分解养殖过程中所产废物,即生物膜法,其处理效果好坏取决于滤料上生物膜的附着量和活性,故滤料的选择与生物过滤处理效果关系十分密切. 理想的生物滤料应具比表面积大、价格低廉、微生物易于附着、密度较小、易反冲洗等特性. 微生物在生物滤料上的附着过程称为挂膜,挂膜时间长短及挂膜期间水体净化效果等都是评价生物滤料的指标[2, 3].

关于生物滤料材料的研究兴于上世纪30年代,Bower在用生物球及软性生物填料构建海水滤池研究中发现其硝化功能的建立一般需要40-80d,且生物球效果优于软性生物填料[4];Hira等对阶梯环和空心球进行了研究,发现阶梯环氨氮去除效果优于空心球[5];何洁等对沙子、活性炭、沸石进行了研究, 发现沸石氨氧化作用和硝化作用性能均好于活性炭、沙子[6];吴凡等在关于聚苯乙烯泡沫粒子新型悬浮滤料的研究中发现其具有较高的氨氮去除率[7];王际英等在活化炉渣研究中发现活化炉渣与常规生物滤料相比具有较好的氨氮处理效果[8].

笔者以养殖废水为处理对象, 在室内循环养殖系统中初步探索了珊瑚石、红色呼吸环、白色玻璃环、火山岩、细菌球5种生物滤料生物挂膜阶段的启动时间长短及氨氮去除效果,并进行横向比较,以期对不同材质滤料处理海水养殖废水提供基础数据和理论参考.

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置为上、中、下3层互通的封闭式循环水养殖缸,其中下层用于生物滤料填充. 整个实验装置的总有效水体为600 L,采用潮汐式循环封闭系统,室内温度为25 ℃.潮汐式循环封闭系统的构建原理见文献[9].

1.2 实验材料

生物滤料中珊瑚砂于2014年07月3日采自海南省儋州市桥头港,红色呼吸环、白色玻璃环、天然火山岩、细菌球等4种滤料均购自台湾no.1滤料公司. 5种生物滤材具体见图1.

图1 各生物滤料外观图a.白色玻璃环;b.细菌球;c.红色呼吸环;d.火山岩;e.珊瑚砂

1.3 实验方法

1.3.1 氨氮去除检测方法

1.3.2 数据处理

采用DPS14.5统计软件处理实验数据,分析挂膜期间氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮含量变化以及彼此间的变化关系.

2 实验结果

图2 挂膜过程中-N质量浓度的变化

图3 挂膜过程中-N质量浓度的变化

图4 挂膜过程中-N质量浓度的变化

3 讨论

19世纪20-30年代,英国人最早以碎石、炉渣作为生物滤料处理废水,随后国内外大量学者对生物滤料的高生物浓度、高氧气传质效率、高降解能力等方面进行研究. Hiraz对比研究了阶梯环和空心球生物滤料的特性,发现阶梯环氨氮去除效果优于空心球[5];Moore对尺寸范围分别为1.5 mm-3.5 mm和2.5 mm-4.5 mm的滤料处理效果影响进行了研究,发现粒径在1.5-3.5 mm的滤料对氨氮的处理效果较优[10];宋协法发现悬浮球形滤料氨氮去除效果优于软性滤料、弹性滤料、半弹性滤料[11];赵倩发现珊瑚石及火山岩硝化速率大于生物滤球[12].

本文针对珊瑚石、红色呼吸环、白色玻璃环、天然火山岩、细菌球这5种生物滤材进行了关于生物膜形成时间长短,及在形成过程水体氨氮含量、亚硝酸盐含量及硝酸盐含量变化,即生物滤料在挂膜期间的净水效果.

硝酸盐氮质量浓度达最大值所需时间与亚硝酸盐氮质量浓度降至最低值所需时间基本吻合,即在系统运行23 d后. 该现象与张延青等人的研究结果较为相似[18].

本实验所用的5种生物滤料(细菌球、白色玻璃环、火山岩、红色呼吸环、珊瑚砂)在生物挂膜阶段中,珊瑚砂及红色呼吸环性能优于细菌球、白色玻璃环、火山岩,主要表现为其启动时间较快、氨氮去除率较高.

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[5]Hirai M K M Y M. Comparison of the biological NH3 removal characteristics among four inorganic packing materials[J].Journal of Bioscience and Bioengineering. 2001,91(4):428-430.

[6]何洁,刘长发,张红霞.3种载体上生物膜的硝化性能[J].中国水产科学. 2003,10(1): 65-68.

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[11]宋协法,柳瑶,黄志涛.不同滤料及挂膜方式对养殖污水处理效果的研究[J].环境工程学报，2010(8):687-1691.

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[18]张延青,刘鹰,石芳永,等.海水生物滤器除氮性能及硝化动力学研究[J].环境工程学报,2010(8):1697-1703.

Comparison of The Aammonia-removing Eefficiency of Five Biofilters in Rrecirculating Aquaculture System During Biofilm Cultivation

ZHENG Xinga,b,CUI Yun-lianga,b,YAO Yaoa,b, MENG Fan-tonga,b, GU Zhi-fenga,b

(a. Ministry of Education Key Laboratory of Tropical Bio-resources, Hainan University, Haikou Hainan 570228, China; b. Ocean College/Hainan Key Laboratory of Tropical Hydrobiological Technology, Hainan University, Haikou Hainan 570228, China)

2015-03-23

国际科技合作专项(2012DFG32200，2013DFA31780);国家科技支撑计划(2012BAC18B04);海南省科技兴海项目(XH201314)

郑兴(1990- ),男,浙江湖州人,海南大学海洋学院水产养殖专业2014级硕士研究生,研究方向为海洋生物遗传育种及生态养殖.

顾志峰(1975-),男,江苏常州人,海南大学海洋学院教授,博士,研究方向为贝类养殖与海洋生态.

S668． 4

A

1008-6722(2015) 02-0080-05

10.13307/j.issn.1008-6722．2015．02．18