微生物悬浮生长水处理系统在工厂化水产养殖中的应用研究进展

刘文畅，谭洪新,3，罗国芝,3，杜欣泽

(1 上海海洋大学，上海水产养殖工程技术研究中心，上海 201306；2上海海洋大学，农业农村部淡水水产种质资源重点实验室，上海 201306；3上海海洋大学，水产科学国家级实验教学示范中心，上海 201306)

水产养殖总产量和集约化程度日益增加，中国养殖产量已占到世界养殖产量的60%以上[1]。室外池塘养殖等生产形成的污染物使得水体富营养化，直接外排周边水域，容易危害生态环境[2]。废水生物处理技术是水产养殖水污染治理的重要方法之一[3]，按照微生物的生长方式，可分为悬浮生长法和附着生长法，还可以分为好氧微生物悬浮生长(主要以活性污泥法为代表)和厌氧微生物悬浮生长水处理系统(常见的有厌氧消化法等)[4]。水产养殖中，由于需要维持动物生存所需较高的溶氧(DO)质量浓度，主要应用好氧微生物悬浮生长系统[4- 6]。

微生物悬浮生长水处理系统是城市污水主要的处理方式，其水处理微生物量大、水处理效率高、生化反应类型多[4,7]。基于上述优点，微生物悬浮生长也是水产养殖重要的水处理方式之一，又因其可资源化地回收营养元素，被作为一种可持续发展的水产养殖方式而被广泛地研究和应用[5- 6]。

回顾了微生物悬浮生长水处理系统在水产养殖中的应用历程，总结了当前的应用研究现状，旨在为工厂集约化水产养殖的水质调控和废水生物处理提供参考。

1 微生物悬浮生长水处理系统的产生

这种被称为活性污泥的微生物絮凝体(絮团)，通过凝聚、吸附、氧化、分解等作用去除废水中的污染物；利用静置的方法使絮凝体沉淀，获得悬浮固体物(TSS)质量浓度较低的出水，通过曝气或者机械搅拌等方法使反应池的微生物处于悬浮状态，DO被控制为一定的水平，保证生化反应的正常进行。

2 微生物悬浮生长水处理技术在工厂化水产养殖中的早期应用

2.1 活性污泥池在早期循环水养殖系统中的应用

工厂化循环水养殖开始于20世纪60年代。雷霁霖院士将其定义为采用现代工业技术和现代生物学技术相结合，在半自动或全自动的系统中高密度养殖优质鱼类，并对全过程实行半封闭或全封闭式管理的一种无污染、商业性和科学化的养鱼生产方式[9]。在这种高密度集约化养殖模式下，水环境调控是关键技术之一。

2.2 循环水养殖中的活性污泥池随后被固定膜生物滤器替代

微生物除了悬浮式地生长在水体中、形成絮团，还可以依附填料等物质固定生长而成为生物膜[4]。20世纪80、90年代，随着容易控制运行状态的滴滤式、生物转盘等固定膜生物滤器的开发和应用，活性污泥池在RAS中逐步被替代[10,13- 15]。20世纪90年代以后，活性污泥法鲜有单独用作工厂化水产养殖水处理的技术核心，而是与生物膜水处理及其变型技术组成新的工艺而被报道[16- 18]。

固定膜生物滤器具有水处理流量较大、运行状况比较可控、适宜多组进行串联运行等优点[16]，但是面临着填料空隙易被堵塞[15,19]、自养硝化与异养反硝化处理通常存在较大冲突、需要一系列复杂的水处理装置等难题[16]。悬浮生长的微生物具有微生物量大、水处理效率高、自养硝化与异养反硝化冲突较小的优点，但是存在需要较高的管理技术来控制运行状况，需要额外设置沉淀池等缺点[16,20]。

3 微生物悬浮生长在工厂化水产养殖中的应用研究进展

3.1 典型RAS中的微生物悬浮生长反应器

当前，典型的RAS主要使用固定膜生物过滤器作为核心的水处理单元[15]，仅有少数RAS采用厌氧的微生物悬浮生长反应器进行脱氮除磷或处理固体废弃物等[21- 22]。

厌氧微生物悬浮生长系统主要应用于高有机污染或者有毒的工业废水和市政污水等[4,7]。工厂化水产养殖尾水的污染物浓度一般远低于上述废水，因此厌氧微生物悬浮生长系统仅仅作为污染物处理工艺的旁路应用工厂化水产养殖。采用厌氧序批式反应器消化处理RAS中产生的固体废弃物，固体有机物含量减少41.61%，体积减小了90%以上[21]。向RAS的活性污泥池添加碳源，可以实现厌氧反硝化脱氮效果[22]。

3.2 生物絮团原位养殖技术

3.2.1 生物絮团原位养殖技术的产生

微生物悬浮生长的活性污泥法在工厂化水产养殖的早期应用中，活性污泥池与养殖动物在空间上是分开的、异位的。但是，大量悬浮生长的水处理微生物与养殖动物处于同一水体的原位养殖系统同样存在。

20世纪70年代，微生物悬浮生长的模式即已被尝试地应用于斑节对虾(Penaeusmonodon)、南美白对虾(Litopenaeusvannamei)等水产动物的养殖[6]。20世纪80年代，一种“微生物汤”养殖系统被视作原位养殖系统理论的雏形[6,23]。20世纪90年代，随着Avnimelech等[6,24]进一步研究和应用，逐步系统地形成了基于额外添加碳源、提高养殖系统碳氮比(C/N)的原位养殖理论，并且应用为生物絮团技术(Biofloc Technology,BFT)。

BFT的生物絮体同活性污泥法的类似，是两种水处理技术的核心。生物絮体包含浮游生物、细菌、活的或者死的颗粒有机体等[5]。典型的絮体外部形状不规则，可渗透性强，孔隙率可以超过99%，比表面积大，粒径为几微米到1 000微米不等[5- 6]。

3.2.2 BFT原位养殖技术的作用和缺点

BFT主要应用于滤食性水产动物的原位养殖，主要养殖的滤食性水产动物有虾类[6,25- 26]、罗非鱼[6,27]、鳙(Aristichthysnobilis)[28]等。研究发现，BFT同样可用于非滤食性鱼类的原位养殖，如斑点叉尾鮰(Ictaluruspunctatus)、革胡子鲶(Clariasgariepinus)等[29- 30]。

水产动物摄食的饲料，约有75%的N和P没有被初次有效地利用，而是以粪便和代谢产物等形式排出体外，成为养殖环境中的污染物质[6]。但是，在BFT原位养殖系统中，细菌具有可观的生长速度和生物量产率，未被利用的N和P可以最终成为微生物的生物量，并且通过生物絮凝作用形成具有一定大小颗粒的、可被动物再次摄食的生物絮体，从而实现对饲料中营养物质的重复使用[6,32]。

微生物中的益生菌可以与病原菌竞争生存空间和营养物质，从而抑制后者的生长和繁殖[34- 35]。研究表明，添加碳源和接种益生菌的BFT原位养殖系统可以促使某些益生菌(如Bacillussp.)成为养殖系统的优势种类之一，并且抑制病原微生物的生长(如弧菌Vibriosp.)[35]。微生物絮凝体含有丰富的鲜活微生物和各种有益成分，如脂多糖、肽聚糖、葡聚糖和聚- β- 羟丁酸等，他们在养殖环境中的存在和被摄食可以刺激和提高养殖动物的非特异免疫能力[34- 36]。

BFT原位养殖系统由于大量的微生物与水产动物处于同一空间，因而至少存在以下缺点：1)BFT原位养殖水体中的活性颗粒物质量浓度较高，维持絮体的悬浮状态和高水平DO需要消耗大量的能源[5,37]；2)BFT过高的悬浮物质量浓度可能对养殖动物产生胁迫[5,37]；3)存活于生物絮体中的微生物量大、耗氧速率高，一旦遇到停电等突发事故，絮体会迅速沉淀并且使养殖水体中的DO降低到几乎为零的水平，增加了养殖过程的风险；4)维持养殖系统较高的C/N，需要消耗大量的有机碳源物质；5)大量碳源的添加会导致水质的剧烈波动，从而影响养殖动物的生长[26]。

3.3 基于BFT的异位微生物悬浮生长反应器

3.3.1 异位反应器的水处理作用

由于BFT原位养殖系统具有上述缺点，相关学者基于BFT和活性污泥法的技术方法，设想或者采用大量微生物的生长与养殖动物处于不同空间的、异位式的微生物悬浮生长反应器进行水处理、回收营养物质、调控过多的生物絮体等[32,38]。

基于BFT向微生物悬浮生长的异位反应器中添加碳源，在实现对主要含氮污染物处理效果的同时，可以通过异养同化作用获得较高的微生物产率[38]。此外，微生物悬浮生长的水处理系统具有自养硝化与异养反硝化处理冲突较小的优点[16]。在原位养殖系统中，由于养殖动物与主要的水处理微生物生活于同一区域，不能设置类似于活性污泥脱氮除磷所需的厌氧段或者缺氧段。相关研究在添加碳源的、无厌氧段的活性污泥系统中同样实现了同步脱氮除磷：异养反硝化细菌可以利用生物絮体氧传质产生的厌氧或缺氧微环境进行反硝化脱氮[39]，聚磷菌在好氧条件下可以将污水中的磷酸盐以聚磷的形式储存于体内[39]；好氧反硝化和相关功能微生物可能在好氧的原位养殖系统或者异位反应器中存在，如此实现同步硝化反硝化[20,39- 41]。

水产养殖过程中的残饲、粪便和生物残体组成了主要的养殖固体颗粒物。在开放的养殖系统中(如池塘、水库等)，固体颗粒物主要成为沉积物。在闭合的工厂化养殖系统中，养殖固体颗粒物可以比较容易地通过微滤机等设备及时地收集。异位的微生物悬浮生长反应器可以将固体颗粒物中的营养物质，特别是氮元素，提升成为微生物的生物量和蛋白质，以期进一步资源化利用。Crab等[43]采用转鼓式微滤机收集罗非鱼精养过程中的固体颗粒物，在反应器中提高C/N至10，曝气处理15 d，获得粗蛋白含量为28%～58%的生物絮体。RAS的固体颗粒物，提高C/N至15以上，经过反应器处理，可以获得脂肪酸种类相对比较丰富的生物絮体[44]。

3.3.2 异位反应器用作RAS的核心水处理装置

3.3.3 异位反应器剩余微生物絮体的资源化利用

微生物悬浮生长系统往往会产生较多的微生物絮体，其营养组成虽然随着运行工况和物质投入的不同而差异较大，但是因具有一定的营养价值而被相关学者关注[30,43]。干燥的生物絮体用作饲料原料，向颗粒饲料中添加0%、4%、8%、12%的干燥絮体投喂斑节对虾，结果4%的添加量能够显著地提高对虾的消化能力和生长性能[48]。Crab等[43]运用异位反应器处理罗非鱼养殖污染物获得的新鲜生物絮体，随后被成功地投喂了罗氏沼虾(Macrobrachiumrosenbergii)仔虾。罗国芝等[44]运用异位反应器处理高体革鯻(Scortumbarcoo)RAS的固体颗粒物，获得的生物絮体可用于卤虫(Artemiasp.)的营养强化。生物絮体在用作颗粒饲料原料的过程中，干燥需要消耗大量的宝贵能源，为此亦可将新鲜絮体直接投喂养殖动物[43]。直接投喂新鲜絮体仅能被养殖动物滤食，所以瓦格宁根大学设计了一种冰块絮体颗粒饲料：絮体收集后，放入一排塑料孔板中，每个孔板1 g絮体，然后置于冰箱制粒成型，随后它能够被罗非鱼摄食[49]。Liu等[40]采用2%的琼脂溶液，在最高温度不超过40℃的工艺条件下，设计制作了一种类似果冻的胶状絮体颗粒饲料，并且成功地投喂给罗非鱼，通过表观消化率的实验证明其可被较好地消化利用氮元素。

4 结语与展望

微生物悬浮生长水处理系统在工厂化水产养殖中的应用研究，早期活性污泥法的应用形式已被固定膜水处理装置逐步替代，当前在RAS中主要与固定膜水处理技术组成新的水处理工艺或者用作RAS尾水处理的旁路。但是，微生物悬浮生长的BFT正在被广泛应用，并且发挥着多种积极作用。为了解决BFT原位水产养殖系统的缺点，微生物悬浮生长的异位反应器被应用于资源化处理养殖污水和固体颗粒物质。此外，基于异位反应器构建了水处理设备简单的RAS，并且成功地开展了中试规模的应用研究。

异位反应器用作RAS的核心水处理装置，可以同时处理多种污染物，资源化的利用剩余生物絮体，简化RAS的装备组成。基于异位反应器的RAS，符合水产养殖降低成本、节约自然资源和可持续发展的需要，可能是未来的重要发展方向之一。但是，作为一种新发展的养殖系统及模式，下一步仍需不断地优化其工艺。此外，目前研究的热点和展示的优良效果主要集中在氮磷等污染物质的处理和调控，仍需研究氮磷以外的物质在养殖用水长期重复使用过程中的积累和流动规律，以期深刻挖掘探索微生物悬浮生长水处理系统在工厂集约化水产养殖中的应用前景。