不同碳源对陶环滤料生物挂膜及同步硝化反硝化效果的影响

应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol2013，19(3):495-5002013-06-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2013.00495生物净化是海水循环水养殖系统（Recirculatingaquacu-lturesystem，RAS）的核心环节，而生物滤器作为当前生物净水常用的装置，对于去除养殖水体中的有机物和溶解态无机氮，确保鱼类的健康生长具有十分重要的作用[1].近年来对生物脱氮的研究已不仅针对硝化过程的机理和条件优化，有关生物滤器的反硝化性能也正逐渐受到重视.反硝化细菌的生长代谢能够将水体中的硝态氮（NO3--N）转变为N2，从而完成对水体的深度脱氮.在RAS模式下，若生物滤器反硝化功能没有形成或受到抑制，则会造成水体硝态氮的积累.50mg/L是目前较为公认的硝态氮的安全浓度，硝态氮作为硝化过程的终产物，当其浓度过高时，对鱼类的危害作用主要表现在发育迟缓、繁殖力下降和易患白点病等[2].随着我国循环不同碳源对陶环滤料生物挂膜及同步硝化反硝化效果的影响*王威2曲克明1**朱建新1崔正国1王玮2杨翠华2王海增3（1中国水产科学研究院黄海水产研究所，农业部海洋渔业资源可持续利用重点开放实验室青岛266071）（2青岛海洋科技馆青岛266003）（3中国海洋大学化学化工学院青岛266100）摘要为探讨碳源及不同碳氮比对生物滤器挂膜及硝化反硝化效果的影响，选择3种生物膜培养常用的有机物质——葡萄糖、蛋白胨和乙酸钠作为外加碳源，并采用微生态净水剂作为挂膜菌种，在初始总氨氮浓度为10mg/L的条件下对陶环滤料进行生物膜培养实验，直至反硝化系统完全建立，并探究挂膜成熟的3组生物滤器在3种碳源及4种碳氮比条件下的同步硝化反硝化效果.结果显示：采用葡萄糖、蛋白胨和乙酸钠作为有机碳源生物膜，成熟时间分别为31d、40d和28d；在初始总氨氮浓度为5mg/L的条件下，碳氮比为4:1时滤器去除溶解态无机氮的效果最佳，3组滤器在48h时的TN去除率均达到85%以上，碳氮比过高或过低时均显著影响滤器的硝化反硝化性能；添加乙酸钠在相同情况下具有最好的生物脱氮效果.图4表4参25关键词生物挂膜；有机碳源；碳氮比；硝化反硝化；循环水系统CLCX703EffectofCarbonSourcesonBio-filmCultivationandItsNitrification-denitrificationPerformance*WANGWei2,QUKeming1**,ZHUJianxin1,CUIZhengguo1,WANGWei2,YANGCuihua&WANGHaizeng3(1KeyLaboratoryforSustainableUtilizationofMarineFisheriesResources,MinistryofAgriculture,YellowSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Qingdao266071,China)(2ScienceandTechnologyMuseumofQingdao,Qingdao266003,China)(3CollegeofChemistryandChemicalEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)AbstractDifferentcarbonsourcesandcarbon-nitrogenratioshaveimportanteffectonthenitrificationanddenitrificationofbio-filter.Inthispaper,wechosethepotteryloopasbio-filmstuffing,andthreeorganicmatters,glucose,peptoneandsodiumacetate,ascarbonsources.Themicrobialecologicalagentasbiofilmstrainwascultivatedwiththeinitialammonianitrogenconcentrationof10mg/L,tillthedenitrificationsystemwascompletelyestablished.Thenitrificationanddenitrificationprocesswasobservedforthethreebio-filtersundertheconditionofthreeorganicmattersandfourcarbon-nitrogenratios.Theresultsshowthatwithglucose,peptoneandsodiumacetateasorganiccarbonsources,thebio-film’smaturingtimewere31d,40dand28d,respectively.Thethreebio-filtergroupshadthebesteffectforremovingdissolvedinorganicnitrogenat4:1carbon-nitrogenradiowiththeinitialammonianitrogenconcentrationat5mg/L,withthetotalnitrogenremovalratesover85%inallthreegroups.Thebio-filter’snitrificationanddenitrificationcouldbeseriouslyhinderedbyahigherorlowercarbon-nitrogenratio.Withotherconditionsunchanged,addingsodiumacetateascarbonsourcehadthebestbiologicalnitrogenremovaleffect.Fig4,Tab4,Ref25Keywordsbiofilmcultivation;organiccarbonsource;carbon-nitrogenradio;nitrificationanddenitrification;recirculatingaquaculturesystemCLCX703收稿日期Received:2012-05-08接受日期Accepted:2012-07-01*国家科技支撑计划项目（2011BAD13B04）资助SupportedbytheKeySci-techPillarProjectofChina(No.2011BAD13B04)**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])496应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol不同碳源对陶环滤料生物挂膜及同步硝化反硝化效果的影响3期水养殖模式的推广和运用，在生物滤器净化水质方面应加大对反硝化机理的探究，达到高效健康养殖的目的.长期以来，反硝化过程被认为只有在厌氧环境下才能进行[3]，而现在的很多研究发现，一些反硝化细菌为好氧菌或兼性厌氧菌[4-5]；反硝化细菌主要是异养菌，而自养菌（如脱氮硫杆菌）的发现拓展了微生物脱氮理论[6].基于上述新的研究成果，同步硝化反硝化生物滤器（SimultaneousNitrificationandDenitrification，SND）和全程自养脱氮滤器被研发出来，SND生物滤器的出现使RAS系统微生物完全脱氮成为可能.目前，SND生物滤器用于净化工业废水和生活污水的报道[7-8]较多，而海水养殖废水相对工业和生活废水，具有寡营养、高盐度和低氨氮负荷的特点；同时，当前关于反硝化的研究多集中在单一菌株或活性污泥的净水效果[9-10]，包括在碳源、碳氮比、pH、溶解氧等不同工况条件下的硝化反硝化性能，对于生物滤料在添加不同碳源情况下的挂膜工艺，以及不同碳源和低氨氮负荷下同步硝化反硝化净水效果的研究并不多见.本研究选择3种生物膜培养常用的有机物质——葡萄糖、蛋白胨和乙酸钠作为有机碳源，并采用微生态净水剂作为挂膜菌种，对陶环滤料进行生物膜培养实验，直至反硝化系统完全建立；探究了挂膜成熟的3组生物滤器在3种碳源及4种碳氮比条件下同步硝化反硝化效果的差异性，以期为海水RAS模式低氨氮浓度条件下的生物膜培养及生物净水效果提供数据参考.1材料与方法1.1实验材料与装置1.1.1生物滤料选取陶环填料作为生物挂膜用的滤料.滤料形貌及参数见图1和表1.图1生物陶环滤料Fig.1Biofilmstuffingofpotteryloop1.1.2实验装置实验装置为自制循环水模拟系统，该系统主要由生物滤器、连接管道和蓄水箱组成.为方便观察挂膜情况，滤器部分采用亚克力有机玻璃管，管柱高600mm，内径120mm，管两端有带筛孔的隔板，用以固定生物滤料；连接管道采用内径20mm的PVC管，在生物滤器上下两端安装球阀用以调控水流速率；水箱有效水体容积200L，内置浸没式抽水泵、温度可调式加热棒及曝气气石.实验分3组，各组均为独立的循环水系统，每组系统装置如图2所示，陶环滤料分别在3组系统中进行挂膜（编号为：1#、2#、3#），每组系统包含3个生物滤器，3个生物滤器既可并联使用，又可串联使用.表1陶环滤料的基本参数Table1Basiccharactersofthepotteryloopstuffing名称Name材质Material密度Density比表面积Surfacearea直径Diameter生物陶环Biologicalpotteryloop陶土+二氧化硅Clayandsilica2.66gcm-31.83m2/g外径1.5cm，内径0.7cmExternaldiameter1.5cmandinternaldiameter0.7cm图2实验装置示意图Fig.2Schematicdiagramofexperimentaldevice1.2实验方法1.2.1人工模拟海水养殖废水的配制实验在烟台市天源水产公司进行，所用海水为养殖用深井海水，水质参数为：pH7.4-8.0，盐度29.5，DO4.1-5.2mg/L，NO3--N1.2mg/L.用优级纯NH4Cl作为生物挂膜所需氮源，3组系统分别投加葡萄糖一水（C6H12O6·H2O）、蛋白胨、三水合乙酸钠（CH3COONa·3H2O）作为外加有机碳源，调节总氨氮浓度为10mg/L，TOC含量为10mg/L（其中葡萄糖一水27.5mg/L，蛋白胨20mg/L[11]，三水合乙酸钠56.7mg/L），其余营养物质成分见表2[12]，并根据投加NH4Cl的质量按比例进行调节.表2基质营养的组成成份Table2Compositionofthesyntheticsubstrate成份Composition质量Mass(m/g)NH4Cl1377NaHCO33500MgSO4·7H2O36KH2PO4153Na2HPO4159FeCl3·6H2O51.2.2实验参数的确定通过气泵充氧使水箱内海水曝气，考虑到反硝化过程多在厌氧环境下进行，故DO浓度维持在3.0-4.0mg/L之间；用加热棒调节水温至(24±1)℃；每天补充蒸发水使盐度维持在29.0-30.0；流速采用时间-体积法多次测定取平均值，根据前期试验结果[13]，为缩短生物膜成熟时间并提高生物膜活性，将每组循环水系统3个生物滤器水流流速均控制在100-120mL/s，相应表面水力负荷为31.6-38.2m3m-2h-1.1.2.3挂膜方法及水质分析各组的3个生物滤器并联使用，每只水箱内投入5g微生态净水剂（广东生维科牌，富含硝化细菌、乳酸菌、芽孢杆菌及酵母菌等益生菌，有益菌含量1×106CFU/g）作为挂膜用菌种.挂膜期