水产养殖生物除氮脱氮技术研究进展(修订稿)

养殖环境生物除氮脱氮技术研究进展周小愿，金卫荣，高宏伟，韩亚慧，高志（中国水产科学院黄河水产研究所，陕西西安710086）摘要：随着我国水产养殖业的快速发展，养殖环境中氮的污染问题日益严重。生物除氮脱氮技术由于具有无可比拟的优势而受到人们的重视，近年来无论在基础理论还是应用实践方面发展迅速。本文总结了水产养殖中该项技术的最新研究进展，并指出今后的研究方向和重点。关键词：养殖环境；生物除氮脱氮；研究进展。中图分类号S949文献标识码：AResearchAdvancesintheTechnologyofBiologicalNitrogenRemovalonAquaculturalEnvironmentZhouXiao-yuan，JinWei-rong,GaoHong-wei,HanYa-hui,Gaozhi(Yellowriverfisheriesinstitute,CAFS,Xi’anShaanxi,710086,China)Abstract:withtherapiddevelopmentofaquacultureinchina,pollutionofnitrogeninaquaculturalenvironmenthasbecomeincreasinglyserious.Thetechnologyofbiologicalnitrogenremoval,withincomparableadvantages,waspaidmuchmoreattentionandgreatprogresshasbeenmadeinitsstudiesofbasictheoriesandapplicationpractice.Researchadvancesonthistechnologyinaquaculturalenvironmentwereaddressedinthisarticle,anditstrendandthefocusinfuturewerealsoputforward.Keywords:aquaculturalenvironment,biologicalnitrogenremoval,researchadvance.基金项目：陕西省科学技术计划项目（2010NKC-39）作者简介：周小愿（1972-）,男，陕西礼泉人，硕士，高级工程师。研究方向：鱼类生态学和渔业环境。Tel:[phone]E-mail:[e-mail]通讯地址：陕西西安未央区三桥南沣惠路2号省水产研究所随着我国水产业的快速发展，养殖环境的污染问题越来越严重，特别是氮的污染，不仅对外界环境造成巨大的压力，而且对养殖环境本身及水产动物都带来了危害。如养殖水体中存在的非离子氨对水产动物具有高毒性【1-2】。为了解决氮的污染难题，众多学者进行了大量研究，发现养殖环境中氮的来源主要有两条途径。一是水产动物在生长发育过程中自身的代谢产物；另一条则是由于养殖过程中饵料利用率较低，残饵、粪便等累积所造成的含氮有机物变质分解释放出大量的氨氮【4-6】。针对养殖环境的氮污染，除严格按照养殖规范，科学合理投喂以及定期清塘除淤等传统做法外，目前，已经研究并常用的除氮脱氮的三种方法分别为物理法、化学法和生物法。物理化学法利用过滤、沉淀、离子交换或投加化学试剂使水体中的含氮物质发生一系列的物理或化学变化从而转化为无害或少害物质的方法，如曝气法、离子交换法、臭氧氧化法等[7-11]。物理化学法见效快但费用较高，且二次污染的较大。生物除氮脱氮方法是利用微生物、植物及其他生物将养殖环境中的含氮无机物或含氮有机物经过一系列的生物过程转化为自身生长发育所需要的氮源，从而达到降低或消除水体中氮浓度的工程技术方法。和其他方法相比，生物法具有花费少、操作简单以及次生危害小等优点，具有广阔的应用发展前景。1.1微生物除氮脱氮技术这种技术方法主要利用微生物去掉养殖水体中的有机含氮物质，通常称之为微生物氨氮降解技术。微生物能够分解含氮物质作为氮源和能源而生活，含氮物质在微生物体内各种酶的作用下，通过硝化和反硝化作用等生物化学过程完成氮的降解，转化为无害物质。人们在菌种选择方面进行了大量研究，已经筛选出了多种具有氨氮降解特性的微生物种类。侯颖等[12]经过选择性培养筛选出24h内氨氮降解率高于95%的高效氨氮降解菌，经鉴定为巨大芽孢杆菌（Bacillusmegaterium）。另外，酵母菌、硝化细菌、光合细菌、诺卡氏菌等经研究发现也具有显著的降低养殖水体中氨氮浓度的作用[13-17]。在氨氮微生物降解的应用机理和影响因子方面，人们也进行了大量的研究。谢航等[15]研究发现，假丝酵母菌（Candidasp）降解养殖水体中氨氮的能力受到盐度和氨氮浓度的影响。Daniel等[18]研究发现：硝化作用是硝化细菌进行生物脱氮的第一个步骤，也是限制性步骤[19]，其繁殖速度较异养型的微生物要慢得多。施大林等[20]还进行了光合细菌(Rhodopseudomonaspalustris)、乳酸菌(Lactobacillusdelbrueckii)、纳豆芽孢杆菌(Bacillusnatto)、硝化细菌(Nitrobacterwinogradskyi)等4种微生物的联合氨氮降解研究，发现和任何单一菌株相比，联合菌株的氨氮和亚硝酸盐的降解能力要显著地强很多。在应用和大规模推广氨氮降解菌方面，微生物固定化技术成为关键环节。目前，在国内研究较多、应用较为普遍的微生物固定化技术是采用聚乙烯醇（PVA）作为载体、其他材料为包埋固定剂。黄正等[21]选用PVA为载体，添加适量粉末活性炭包埋固定硝化细菌，处理养殖废水，NH4+-N去除率可达80％以上。类似的，吴伟等[22]也对PVA包埋固定效果进行了研究，结果表明菌株经固定后对养殖水体中NH4+-N和NO3--N的转化效率明显优于其游离细胞。Hisashi等[23]比较了PVA和海藻酸2种材料固定化光合细菌对鱼池水质净化与反硝化的效果，结果表明固定化PVA球比海藻酸盐固定化球的水质净化能力强。Shan等[24]利用固定化的硝化细菌去除对虾养殖池中高浓度的氨氮，结果表明固定化细胞能有效去除养殖池中的总氨氮。基于以上研究成果，国内外相继研制究成功了多种以氨氮降解微生物及固定化填料构成的生物处理单元为核心的除氮反应器，大多应用于工厂化循环养殖系统废水中氨氮的去除，如生物转盘、生物接触池、生物滤池等。近几年，随着研究工作的不断深入，微生物除氮脱氮基础理论研究方面有了突破性的进展。传统理论认为，把NH4+-N从从废水中去除，必须通过先硝化后再反硝化的过程才能实现，而现在发现，硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝化作用不只在厌氧条件行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌。基于上述认识，一些工业废水的除氮脱氮新工艺如同步硝化反硝化（SimultaneousNitrificationandDenitrification,SND）和全程自养脱氮等相继被开发出来[25-26]，它们在脱氮过程中成功地解决了碳源矛盾、碱度平衡等传统硝化反硝化生物脱氮难以解决的问题，极大地推动了高效率生物完全脱氮的发展，同时也为养殖业废水的高效微生物脱氮处理技术工艺的开发提供了新的思路。尽管有明显的优点，微生物除氮脱氮技术也有其缺点，如由于微生物为活性物质，受养殖环境变化的影响较大。因此，建议加强以下几个方面的研究：（1）加强环境因子对降解菌降解能力影响的研究，提高微生物降解在实际应用中的效率；（2）加强微生物尤其是多种微生物共生的固定化包埋技术研究和大范围推广应用研究；（3）借鉴工业废水微生物除氮脱氮理论研究和工艺技术的最新成果，根据养殖废水的特点，研究相应的工艺参数和运行条件，进行新型高效微生物除氮脱氮处理反应器的开发。1.2植物除氮脱氮技术该方法利用植物吸收、降解或固定养殖环境中的含氮物质以实现消除或降低氨氮对养殖环境的污染强度。植物除氮脱氮技术适用于大水面氨氮浓度较低的污染，具有成本低，适用范围广的优点。在植物种类筛选方面，王丽卿等[27]研究了以轮叶黑藻（Hydrillaerticillata)、梅花藻(Batacrhiumtrichophrllum)、苦草(Vallisneriaspiralis)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、马来眼子菜(Potamogetonmalainus)、穗状狐尾藻(Myriophyllumspicatum)6种沉水植物组成的系统，发现金鱼藻系统和马来眼子菜系统的除氮效果较好;马来眼子菜和穗状狐尾藻对氮的去除效率最高。Brown等[28]研究了几种耐盐植物对盐碱地养殖废水的处理，结果表明,其可有效去除养殖废水中的总氮(98%)、无机氮（94%）。Troell]等[29]利用细基江篱（Gracilariatenuistip）处理鱼类养殖用水获得了很好的效果，发现江篱能去除养殖环境可溶性铵的50%~95%。Nelson[30]提出利用可食用红藻类处理对虾养殖废水藻体的氮，效果显著。在植物脱氮除氮的机理和影响因子方面，人们也进行了深入的研究。刘静雯等[31]研究了温度盐度和饥饿对几种大型海藻吸收总氨氮的吸收动力学特征；钱鲁闽等[32]在实验室条件下研究了环境因子对龙须菜和菊花江蓠吸收N、P速率的影响；齐巨龙等[33]研究了低温下水芹(Oenanthejavanica)对养殖废水中N、P的静态净化效果；魏海峰等[34]等研究了Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收总氨氮的抑制影响，并分析了其中的机理。植物除氮脱氮技术主要应用于大水面养殖系统。不过，对于闭合循环养殖系统中含氮废水的植物净化技术，国内外学者也进行了试验研究。这些试验大都以高等植物为对象，研究鱼草、鱼菜共生系统下，植物对养殖废水中氮的净化能力和机制[35-36]。也有以低等植物如藻类为研究对象的，如谭洪新等研究了以底栖硅藻舟形藻(Naviculasp.)构建的藻皮处理系统对闭合养殖系统和水族馆中氮的去除效果[37]。植物脱氮除氮的优点让该项技术的研究得到不断的加强。但是，植物脱氮除氮技术也存在不足之处。如过程较慢，含氮物质集中在植物体内并没有真正去除，植物的收获需要增加额外的费用，环境因子对植物的生长和去除效率影响较大。因此，植物除氮脱氮技术应加强以下几个方面的研究：（1）加强经济植物的研究，降低处理成本、提高效益；（2）植物大规模生产培育技术以及实际应用过程中工程管理技术的研究有待加强。1.3其他生物脱氮除氮技术除了利用微生物和植物进行除氮脱氮外，还有一些特殊的生物或系统被应用到水产养殖环境中。这一类的除氮脱氮技术主要是通过一些底栖生物或滤食性生物以及人工湿地系统等综合技术处理养殖环境中的含氮有机物浸出物对水体的污染。底栖动物能通过滤食和刮食水产养殖水体中的悬浮物、含氮物质，净化水质，从而抑制养殖水体受到氮污染。王吉桥等[38]利用栉孔扇贝与海胆、海参混养净化水质，对水体中的氨氮去除效果显著。Jones等[39]利用澳洲囊牡蛎(Saccostreacommercialis)、可食江蓠(G..edulis)等处理系统处理对虾养殖废水，结果表明，牡蛎能使废水中的总氮下降为对照组的56%。近年来，综合利用各种工程技术的优点，发展高效综合生物系统进行养殖环境中的除氮脱氮研究正逐渐成为研究的热点。Lin等[40]在实验室中研究了人工湿地系统对养殖废水的处理，主要是通过湿地系统中沉淀、吸附等物理过程去除颗粒、微生物的脱氮作用以及植物吸收处理水体溶解性污染物。实验的结果表明，人工湿地系统能去除86%~98%的氨态氮、95%~98%的总无机氮。Jones等[41]在实验室设计了一种综合对虾养殖污水处理系统通过多个步骤处理水体中的污染物质。实验结果表明处理效果明显。其中TN、NH4+-N和NO3--N等降为初始浓度的28%、76%和30%。综合生物处理系统不仅能去除养殖环境中的含氮物质，而且也能同时处理其他多种污染物，处理效率较高并且