Purification effect of hydrolysis ozone treatment on water quality of a recirculating aquaculture system of perch (Lateolabrax japonicus)
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摘要:
水解法臭氧具有显著的杀菌和净化作用，在循环水养殖系统中展现出广阔的应用前景。为探明水解法臭氧的水质净化效果，研究构建了以该技术为核心的花鲈 (Lateolabrax japonicus) 循环水养殖系统，进行了为期120 d的养殖实验，并设置了30、60和90 min 3种不同的臭氧曝气时长处理组。结果显示：1) 在高密度养殖条件下，花鲈生长良好，体质量日均增长约4.43 g，成活率达70.22%，且养殖过程中未出现鱼病；2) 水解法臭氧曝气能净化养殖尾水，显著去除氨氮 (NH3-N) 和亚硝酸盐 (${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$)，降低化学需氧量 (COD)，同时提升水体溶解氧 (DO)和pH值，且对水体总氮 (TN) 和硝酸盐 (${\mathrm{NO}}_3^{\text{−}}$) 的影响较小；3) 水解法臭氧曝气时长越长，循环水养殖系统中的COD、NH3-N、${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$的去除效果越好，在通气90 min条件下 (臭氧质量浓度达0.63 mg·L−1)，COD、NH3-N和${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$的去除率分别达到44.32%、36.85%和79.27%。综上所述，水解法臭氧在提高循环水养殖密度、预防鱼病以及净化尾水水质方面均表现出良好的效果。
Abstract:The hydrolysis ozone which has strong bactericidal and purification effects has great potential for application in recirculating aquaculture system (RAS). To investigate the water purification effect of hydrolysis ozone, we constructed a RAS for perches (Lateolabrax japonicus) mainly using hydrolysis ozone treatment during a 120 days' aquaculture period. We measured the effects of different hydrolysis ozone aeration duration (30 min, 60 min, 90 min) on the water quality of the RAS. The results show that: 1) Perches grew well in a high-density aquaculture system, and their mass increased about 4.43 g every day with the final survival rate of 70.22%. No fish diseases were observed during the aquaculture process. 2) Hydrolysis ozone aeration could purify the RAS tail water by effectively removing ammonia nitrogen and nitrite, reducing the biochemical oxygen demand (COD) of tail water, and increasing dissolved oxygen (DO) and pH. Besides, it had less impacts on the increase of total nitrogen content (TN) and nitrate content. 3) The longer the ozone aeration time was, the better the removal effect of COD, ammonia nitrogen, and nitrite in the RAS would be. Under the 90-minute aeration treatment (Ozone mass concentration reached to 0.63 mg·L−1), the removal rates of COD, NH3-N, and ${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ reached 44.32%, 36.85%, and 79.27%, respectively. Therefore, it is concluded that hydrolysis ozone has a good effect on improving the density of RAS, effectively controlling the occurrence of fish diseases and purifying the tail water of RAS.
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传统水产养殖对环境条件和抗生素药物等依赖度较高，且养殖尾水排放处理成本昂贵，严重制约了水产养殖的健康发展。近年来，工厂化循环水养殖模式在全国范围内迅速推广，逐步成为水产养殖业的主流工艺[1]。该模式的核心是满足养殖对水质、水量以及鱼病防控的特殊要求。因此，养殖尾水净化处理与再回用是实现工厂化循环水养殖的关键环节，而其中亚硝酸盐 (${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$)、氨氮 (NH3-N) 的去除以及鱼病的防控则是关键[2-4]。
在现有的循环水养殖系统中，尾水净化主要采用生物滤池-紫外消毒、生物滤池-人工湿地、电化学-生物膜、臭氧及生物活性炭联用 (O3-BAC) 等组合工艺[5-8]。其中，生物滤池-紫外消毒工艺虽能有效降低NH3-N、${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ 浓度，但对鱼类病原菌的杀灭效果不稳定；电化学-生物膜成本较高，虽对有机质残渣的分解效率较高，氨氮去除率可达93.5%以上[5]，但存在运行成本高、病原菌杀灭不彻底等问题。O3-BAC对养殖尾水中鱼类病菌的控制效果最好，但传统电晕法制备臭氧过程中产生的氮氧化物会增加尾水处理负荷，且生物活性炭对氨氮等有害物质的吸附效果受温度、微生物活性等影响，稳定性较差[6,9-10]。因此，开发能够稳定处理尾水中的NH3-N、${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ 并有效控制病原菌的新型循环水养殖系统尾水处理技术具有重要的现实意义。
臭氧 (O3) 作为一种强氧化剂，已广泛应用于消毒杀菌、食品保鲜及废水处理等领域[11-16]，但传统高压电晕法制备的O3存在浓度低、易产生氮氧化物二次污染等问题，限制了其在废水处理中的应用，通常需要结合活性炭催化等辅助工艺才能达到理想的水质净化效果[17-19]。相比之下，低压水解法臭氧以水为原料，通过固态离子交换膜电解制备O3，其体积分数可达20%，且副产物仅为氧气 (O2)，不含氮氧化合物，具有绿色环保的优势[15,20-22]。尽管该技术在循环水养殖废水处理中展现出良好的应用前景，但目前相关研究仍较为匮乏，其处理效果和技术参数尚需系统验证。基于此，本研究将水解法臭氧曝气处理与生物填料池、物理沉淀等工艺相结合，探讨了其在循环水养殖中的实际应用效果，以期为水解法臭氧的推广应用提供理论依据和技术支持。
1. 材料与方法
1.1 循环水养殖实验装置设计
本研究设计采用的循环水养殖系统由养殖池 (A)、生物填料池 (B)、臭氧曝气池 (C)、清水沉淀清水池 (D) 组成 (图1)。其中，养殖池设计容积为0.2 m3；生物填料池设计容量为0.05 m3，采用移动床生物膜反应器 (Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR) 圆形生物填料 (填料比为0.7，直径25 mm×厚度10 mm，比重0.99 kg·m−3，比表面积＞2 000 m2·m−3，空隙25个)，并投入碳氮源 [红糖为外加碳源，氯化铵 (NH4Cl) 和硝酸钾 (KNO3) 为氮源，C/N为20] 和兼性好氧菌 (活化后菌液按照体积1%投放入填料池，待填料附着绵密的生物膜后视为挂膜成功)；臭氧曝气池设计容量为0.05 m³，每天开启臭氧曝气2次，每次在投饲后2 h后开启。水循环流程为：养殖池→生物填料池→臭氧曝气池→清水沉淀清水池→养殖池。设计停留时间12 h (每12 h更换1次养殖池水)。
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图 1 实验采用的循环水养殖系统装置组成及工艺示意图Figure 1. Device composition and process diagram of recirculating aquaculture system in this study1.2 供试材料
实验养殖鱼类品种采用韶山水产养殖场提供的花鲈 (Lateolabrax japonicus) 鱼苗，规格为5 cm，体质量约为80 g，养殖密度约为24 kg·m−3，每天投饲2次。花鲈在循环水养殖系统内进行养殖，臭氧发生设备采用湖南新欧源环保科技有限公司制造的X-SJ2020型水解法臭氧发生机，该发生设备主要采取固体聚合物电解质膜 (PEM) 低压电解臭氧技术工艺。实验时间为2023年3—12月。
1.3 实验处理
待养殖系统水质稳定后，在养殖过程中，设置10、30、90 min 3种不同水解法臭氧曝气时长的实验处理，研究不同曝气时长对各养殖单元水质的影响。测定这3种不同曝气时长下臭氧曝气池的O3质量浓度分别为 (0.27±0.06)、(0.50±0.00) 和 (0.63±0.12) mg·L−1。
1.4 指标测定
1.4.1 鱼类生长情况监测
每天查看鱼病发生情况，每隔15 d统计成活率，随机选取3尾花鲈测量体长、体质量，统计饵料投入量，计算饵料转化系数，饵料转化系数=鱼体质量增长/饵料投入量。
1.4.2 养殖水体水质监测
在花鲈生长过程中对循环水养殖中各过程的水体NH3-N、总氮 (TN)、${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$、化学需氧量 (COD) 进行监测。氨氮采用水质NH3-N的测定纳氏试剂分光光度法，参考HJ 535—2009测定；TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法，参考HJ 636—2012测定；亚硝酸盐采用《生活饮用水卫生标准—无机非金属指标重氮偶合分光光度法》，参考GB/T 5750.5—2006测定。COD采用高锰酸钾法，参考GB/T
15456 —2019测定。1.4.3 臭氧浓度监测
水体中臭氧浓度采用N,N-二乙基-对苯二胺 (DPD) 分光光度法进行测定[23]。在臭氧消毒处理周期的第10、第30、第90 分钟进行水样采集，每次采样时于臭氧消毒池内均匀选取3个点位，采集上覆水混合作为待测样品。
2. 结果
2.1 花鲈生长情况
在整个养殖实验期间，花鲈表现出良好的生长性能 (图2)。经过120 d的养殖，花鲈平均体长从5.47 cm增长至22.67 cm，平均体质量从82 g增加至613.67 g，体质量日均增长4.43 g，日均增长率为5.91%。花鲈体长和体质量随养殖时间呈线性增长趋势，其中体长增长函数为y=0.140 1x+3.385 9 (r2=0.927 8)，体质量增长函数为y=4.242 6 x+23.37 (r2=0.925 5)，根据模型预测，花鲈可在150 d达到商量规格。在成活率方面，养殖前期小规格花鲈成活率下降较快，90 d后趋于稳定，至第120天时仍保持在70.22% (图3)。值得注意的是，整个养殖周期未发生因鱼类病毒感染导致的死亡情况，说明O3处理可有效控制循环水养殖系统中的病害发生。
2.2 水解法臭氧曝气对水体DO、COD和pH的影响
生物填料池和臭氧消毒池均表现出显著的COD去除效果 (图4)，但两者的作用机制存在明显差异。生物填料池通过微生物代谢降解COD的同时会消耗大量DO，导致水体DO含量下降；而臭氧消毒池则通过臭氧曝气实现双重效应：一方面直接氧化降解COD，另一方面通过曝气作用提高水体DO含量。研究结果显示，臭氧曝气时间与COD去除率呈正相关，当曝气时间延长至90 min时，系统对COD的去除率可达44.32%，同时DO含量显著提升。经沉淀清水池处理后，水体DO含量趋于稳定，且不随臭氧曝气时长增加而变化，这表明臭氧在进入沉淀池前已完全分解，避免了其对养殖系统的潜在影响。此外，生物填料池水体pH显著低于其他处理单元 (图4)，而臭氧曝气不仅能提升水体pH，且其稳定效果随曝气时间延长而增强。
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图 4 水解法臭氧处理对循环水养殖系统水质指标的影响注：A. 养殖池；B. 生物填料池；C. 臭氧曝气池；D. 清水沉淀清水池。Figure 4. Effect of hydrolysis ozone treatment on water quality of recirculating aquaculture systemNote: A. Aquaculture tank; B. MBBR Filler tank; C. O3 Mix Tank; D. Sedimentation tank.2.3 水解法臭氧曝气对水体TN、NH3-N、${\mathrm{NO}}_3^{\text{−}} $、${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}} $的影响
不同曝气时长下，各处理单元TN浓度保持相对稳定，表明水解法臭氧处理对TN的影响较小。生物填料池对NH3-N的去除效果有限；当臭氧曝气时长为10 min和30 min时，臭氧曝气池内NH3-N浓度波动较大；但当曝气时长延长至90 min时，水体NH3-N质量浓度从4.71 mg·L−1显著下降至1.69 mg·L−1，表明臭氧质量浓度需达到一定阈值 (≥0.63 mg·L−1) 才能显著提升NH3-N的去除效率。不同臭氧曝气时长对${\mathrm{NO}}_3^{\text{−}}$ 浓度的影响较小，生物填料池和臭氧曝气池中的${\mathrm{NO}}_3^{\text{−}}$ 含量仅略有上升，且变化幅度不大。经生物填料池和臭氧曝气池处理后，养殖池水体中的${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ 含量显著降低 (整体去除率＞46.06%)，且${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ 去除效果与臭氧曝气时长呈正相关，最高去除率可达79.27%。
表 1 不同水解法臭氧通气时长下循环水养殖系统水质净化效果Table 1. Water purification effect of recirculating aquaculture system with different hydrolysis ozone treatments臭氧曝气时间
O3 treatment duration/min处理方式
Treatment method去除率 Removal rate/% 化学需氧量
COD氨氮
NH3−N总氮
TN硝酸盐
Nitrate亚硝酸盐
Nitrite10 B 20.48% 4.79% 2.47% −8.89% 18.18% B+C 27.71% 2.40% 3.09% −13.33% 37.58% B+C+D 24.10% 5.59% 1.86% −5.56% 46.06% 30 B 11.24% −3.56% −1.32% 5.71% 40.44% B+C 24.72% 2.94% −0.44% −5.71% 57.38% B+C+D 24.72% 2.31% −1.32% −3.30% 55.19% 90 B 14.77% 2.48% 1.93% −18.09% 19.69% B+C 46.59% 65.01% 0.86% −13.83% 69.29% B+C+D 44.32% 36.85% 1.93% −0.35% 79.27% 注：B. 生物填料池；B+C. 生物填料池+臭氧曝气池；B+C+D. 生物填料池+臭氧曝气池+清水沉淀清水池。 Note: B. MBBR filler tank; B+C. MBBR filler tank + O3 mix tank; B+C+D. MBBR filler tank+O3 Mix tank+sedimentation tank. 3. 讨论
3.1 水解法臭氧对循环水养殖系统鱼类生长的影响
提高养殖密度是增加水产养殖综合收益的重要途径，但密度超过临界值往往导致产量与密度呈负相关[24]。循环水养殖技术通过养殖池曝气供氧和水质调节可显著提升养殖密度。例如，卢咏梅等[25]利用池塘工程化循环水养殖系统养殖大口黑鲈 (Micropterus salmonides)，7个月内使商品鱼规格达到500 g，当放养密度分别为4.5、6.8、9.0和11.4 kg·m−3时，存活率分别为86.6%、83.0%、81.4%和76.8%。本研究中，花鲈初始放养密度为24 kg·m−3，存活率仍可达70.22%，120 d内日均体质量增长率为5.91%，且整个养殖周期未发生鱼病感染事件。研究表明，水体NH3-N、${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ 和DO浓度是限制水产养殖密度的关键因素[26]。本研究发现，水解法臭氧曝气可有效降低养殖尾水中的COD、NH3-N和${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ 浓度，同时显著提升臭氧消毒池的DO浓度，这可能与O3在水中自然分解为O2的特性有关[27-28]。此外，臭氧曝气能抵消生物填料池中生物絮团的耗氧作用，从而维持养殖池DO的稳定。因此，水解法臭氧曝气为高密度养殖提供了稳定的水体环境保障。
多项研究表明，臭氧在陆基水产养殖循环系统的应用广泛，例如在罗非鱼 (Oreochromis spp.)[29] 和大菱鲆 (Scophthalmus maximus)[30] 养殖中，臭氧不仅能有效抑制病原菌，且对鱼类生理指标无明显的负面影响。本研究中，花鲈生长阶段并未出现群体性鱼病感染导致的死亡现象。Spiliotopoulou等[31]研究表明，采用10 mg·L−1臭氧处理养殖水体中的有机物和${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$，在65 min后O3可完全分解。本研究中，检测到的最大O3质量浓度为0.63 mg·L−1，在停止曝气后1 h内即可完成分解，故不会对花鲈造成不良影响。然而，在实际应用中仍应需注意O3浓度及其残留量对养殖系统微生物平衡及鱼类生长的影响[32-33]，特别是在海水养殖中，臭氧氧化可能产生次溴酸、溴胺等有毒氧化物[9]。但也有研究表明，即使生物硝化床长期暴露于0.2 mg·L−1的OPO (O3氧化海水产生的二级氧化物) 中，其硝化能力并未受到抑制，相较对照组，反而促进了多种硝化菌的活性[34]。总体而言，相较于海水养殖，臭氧在淡水循环养殖中的应用更具安全性。
3.2 水解法臭氧对改善循环水养殖系统水质的影响
水解法臭氧具有强氧化性，能够有效杀灭循环水养殖系统中的大部分致病微生物，同时氧化${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$等无机污染物，降解有机污染物，增加水体的可生化性，促进悬浮颗粒物的去除，控制藻类生长，去除异味等[35-38]。本研究表明，水解法臭氧处理可有效降低养殖水体中的COD、氨氮和亚硝酸盐浓度，这一结果与宋奔奔等[30]、管崇武等[39]的研究结果一致。随着曝气时间的延长，对COD、NH3-N和${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ 的去除效果显著提升，表明臭氧浓度越高，水质改善效果越明显。然而，本实验中O3质量浓度需达到0.63 mg·L−1才对NH3-N有显著去除效果，这与前人的研究结果相符[33,40]。因此，实际应用需注意O3残留对养殖系统微生物平衡及鱼类正常生长的潜在影响[40-41]。
与高压电晕法制备的O3不同，水解法制备过程中不生产氮氧化合物，因此不会导致${\mathrm{NO}}_3^{\text{−}}$ 的累积。Sun等[42]在循环水养殖系统中采用电晕法臭氧处理净化水质，结果发现电晕法臭氧处理4 h可去除38.24%~48.95%的悬浮物、17.78%~90.14%的NH3-N和87.50%~98.90%的${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$，但导致了${\mathrm{NO}}_3^{\text{−}}$的显著积累，这主要与电晕法制备的O3中夹带大量氮氧化物有关。本研究中，水解法臭氧池对NH3-N和${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ 的去除率分别为62.53%和49.6%，但${\mathrm{NO}}_3^{\text{−}}$ 浓度未发生明显变化，说明相较于电晕法臭氧，水解法臭氧在控制水体TN和${\mathrm{NO}}_3^{\text{−}}$浓度方面有明显优势，不会增加养殖水体的氮处理负荷。
维持水体pH在适宜范围 (通常为6.5~8.5) 是循环水养殖的重要环节[43]。在循环水养殖系统中，鱼类排放的CO2和硝化反应产生的酸性物质会导致pH下降，通常需要添加碱性物质进行调节[44]。本研究中，受微生物硝化反应影响，生物填料池中水体pH显著下降，但在臭氧曝气池中迅速回升，表明水解法臭氧曝气能有效提升和稳定循环水养殖系统的pH，从而能够避免因加碱调节导致的水产养殖系统离子失衡问题。
4. 结论
水解法臭氧曝气处理能够有效降低养殖水体中的${\mathrm{NO}}_2^{\text{−}}$ 和COD浓度。当水解法臭氧的质量浓度达到0.63 mg·L−1时，可有效去除NH3-N，同时不会增加水体TN和${\mathrm{NO}}_3^{\text{−}}$ 含量，从而避免增加养殖水体的氮处理负荷。此外，水解法臭氧曝气处理来 能提升养殖水体的溶解氧浓度，稳定养殖水体pH值，有利于提高系统的养殖密度。由此可见，水解法臭氧曝气处理可作为净化和稳定循环水养殖系统水质的主要技术手段。
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图 1 实验采用的循环水养殖系统装置组成及工艺示意图
Figure 1. Device composition and process diagram of recirculating aquaculture system in this study
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图 4 水解法臭氧处理对循环水养殖系统水质指标的影响
注：A. 养殖池；B. 生物填料池；C. 臭氧曝气池；D. 清水沉淀清水池。
Figure 4. Effect of hydrolysis ozone treatment on water quality of recirculating aquaculture system
Note: A. Aquaculture tank; B. MBBR Filler tank; C. O3 Mix Tank; D. Sedimentation tank.
表 1 不同水解法臭氧通气时长下循环水养殖系统水质净化效果
Table 1 Water purification effect of recirculating aquaculture system with different hydrolysis ozone treatments
臭氧曝气时间
O3 treatment duration/min处理方式
Treatment method去除率 Removal rate/% 化学需氧量
COD氨氮
NH3−N总氮
TN硝酸盐
Nitrate亚硝酸盐
Nitrite10 B 20.48% 4.79% 2.47% −8.89% 18.18% B+C 27.71% 2.40% 3.09% −13.33% 37.58% B+C+D 24.10% 5.59% 1.86% −5.56% 46.06% 30 B 11.24% −3.56% −1.32% 5.71% 40.44% B+C 24.72% 2.94% −0.44% −5.71% 57.38% B+C+D 24.72% 2.31% −1.32% −3.30% 55.19% 90 B 14.77% 2.48% 1.93% −18.09% 19.69% B+C 46.59% 65.01% 0.86% −13.83% 69.29% B+C+D 44.32% 36.85% 1.93% −0.35% 79.27% 注：B. 生物填料池；B+C. 生物填料池+臭氧曝气池；B+C+D. 生物填料池+臭氧曝气池+清水沉淀清水池。 Note: B. MBBR filler tank; B+C. MBBR filler tank + O3 mix tank; B+C+D. MBBR filler tank+O3 Mix tank+sedimentation tank. 
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