Preliminary study on sediment oxygen demand of marine cage aquaculture in Dapeng′ao Bay
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摘要:
2005年5月对大鹏澳海水网箱养殖海域的沉积物进行密闭培养实验，并进行了水温、DO、BOD5、CODMn、pH等环境因子的现场测定。结果表明：研究海域的沉积物SOD20(在20±2℃下培养)达到3.73(网箱区平均值)、2.70(贝类养殖区)和1.24 g·(m2·d)-1(对照区)。t检验表明，在95%的置信水平上网箱区SOD20明显高于对照区。回归分析表明沉积物需氧量随培养时间呈非线性变化，沉积物需氧量与底层海水DO的相关系数达到－0.900(P=0.05)。
Abstract:Sealed incubating experiment about the sediment of seawater cage aquaculture in Dapeng′ao Bay was conducted in May 2005, and in-situ investigation of the environmental factors was also made, these factors include water temperature, DO, BOD5, COD and pH. The result indicated a significant SOD appeared in the testing area and the values of SOD in cage area were higher than that in the contrast area. Nonlinear variations were determined between SOD and incubation time, meanwhile, preferable pertinences between SOD and DO, COD, BOD5 and pH were determined.
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Keywords:
- Dapeng′ao Bay /
- cage culture /
- sediment /
- oxygen demand
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循环水养殖模式在资源消耗、环境保护、生产能力等方面具有明显优势，已成为越来越多国家实现水产养殖可持续发展的选择。中国的工厂化养殖已遍及除西藏、内蒙和青海之外的全国各地，内陆工厂化养殖场约有5 000家，海水工厂化养殖场也有近2 000家，2003年全国工厂化养殖水体达3.3×106 m3[1]。水处理系统是循环水养殖系统的核心，水处理技术对整个养殖系统的水质状况和生产能力具有重大的影响[2]。生物膜法(biofilm sequencing batch reactor，BSBR) 处理养殖废水具有产生污泥少、抗冲击、负荷能力强、运行消耗少等特点，在循环水养殖水处理系统上得到较为广泛的应用，其工艺方式由早期的滴滤池、生物转盘法发展至最近的流化床。
间歇式生物膜反应器[3-4]，即BSBR，是将传统活性污泥法与接触氧化法有机结合并引入化工流态化技术应用于废水处理的一种新型生化处理装置，具有处理效率高、容积负荷大、抗冲击能力强、设备紧凑、占地少等优点，因而引起了人们的极大兴趣和广泛研究，被认为是未来最具发展前途的一种生物处理技术。目前，BSBR工艺在污水处理方面有许多研究报道和应用，詹伯军和陈国喜[5]采用弹性立体填料的BSBR处理印染废水，使废水达标排放。王乾扬和陈国喜[6]用BSBR处理皮革废水，化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)去除率达90.1%。张冬梅和王培凤[7]采用软性梳状纤维填料的BSBR处理生活污水，可使COD达标排放，NH3-N去除率在50%~70%。尹儿琴等[8]用BSBR处理生活污水，NH3-N的去除率达36.43%，去除NH3-N的能力明显优于生物接触氧化法。NGUYEN和DUFF[9]研究了应用固定膜SBR技术处理啤酒废水，并应用溶解氧控制反馈系统，可以实现总生化需氧量(total biochemical oxy -gen demand，TBOD)去除率为86%~92%。但是BSBR在循环水养殖中应用的有关研究报道还少有见到。此研究主要分析BSBR在循环水养殖水处理中影响总氨氮(TAN)、总氮(TN)处理效果的主要因素。
1. 材料与方法
1.1 试验装置
试验装置如图 1所示，由鱼池与BSBR形成一个循环水养殖系统，在鱼池(146 cm×45 cm×55 cm；约360 L)中养殖150尾锦鲤Cyprinus carpio。BSBR反应器是直径470 mm，高为460 mm，容积70 L的塑料桶，在反应器中使用40只球型的悬浮型生物填料。采用时间控制编程器控制BSBR反应器的进水、搅拌、曝气、出水、闲置。
1.2 菌种培养与挂膜
菌种采用自然培养，直接用养殖循环水来培养菌种和挂膜，经过1个月左右的培养，生物填料上生物膜生长情况良好，出水水质也较为稳定，完成菌种培养与挂膜的过程。
1.3 分析方法
主要检测项目及分析方法见表 1。
表 1 检测项目及分析方法Table 1. Inspection item and analysis method检测项目inspection item 分析方法analysis method 总氨氮(TAN) 钠氏试剂分光光度法 总氮(TN) 过硫酸钾氧化-紫外分光光度法 溶解氧(DO) 膜电极法 pH 玻璃电极法 水温(T) 温度计法 1.4 试验方法
1.4.1 试验的工艺流程
养殖排出废水的有机物生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)含量较低，主要的污染源是氮系污染物，以氨氮为主。试验采取反硝化前置的处理工艺，即进水后立即进行搅拌，将反硝化进程前置，使反硝化脱氮能直接利用进水中的有机碳源，还可借助反硝化过程中产生的碱度对硝化过程中碱度的消耗进行内部补充。试验中的水温为16~25℃；pH值为5.0~7.9。整个运行工艺流程如图 2。采样点分别为BSBR的进水与出水。
1.4.2 数据处理方法
将BSBR反应器看作一个完全混合的系统。反应速度的计算按公式(1)进行[10-12]。
$$ V=\frac{S-S_t}{X t} $$ (1) 式中V为基质降解的反应速度；S为反应器进水基质的浓度；St为t时间后反应器出水基质的浓度；X表示SBR反应器内微生物浓度，在此系统中X=1.2 mg · L-1；t表示反应时间。
2. 结果与分析
2.1 pH的影响
硝化反应的化学反应式如下：
$$ \mathrm{NH}_4^{+}+1.83 \mathrm{O}_2+1.98 \mathrm{HCO}_3^{-} \xrightarrow{\text { 硝化细菌 }} 0.98 \mathrm{NO}_3^{-} +0.021 \mathrm{C}_5 \mathrm{H}_7 \mathrm{NO}_2+1.88 \mathrm{H}_2 \mathrm{CO}_3+1.04 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} $$ 根据该式计算，每去除1 g NH4+-N约耗去4.33 g O2、生成0.15 g新细胞、减少7.14 g碱度(按CaCO3计)、耗去0.08 g无机碳[13]。碱度的产生或消耗，会引起系统中pH的变化，pH的变化将影响硝化菌和反硝化菌的变化及一些酶的活性。
从图 3中可以看到，在pH为6.3之前，氨氮的降解反应速度一直维持在很低的水平，在6.3以后，其反应速度马上快速上升。由于硝化过程需要消耗碱度，没有充足的碱度，硝化反应是进行不下去的，过低的pH对系统降解去除氨氮有很大的制约作用，因此，反应器中的pH应该控制在6.3以上比较适宜。
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图 3 进水pH值与TAN去除反应速度的关系Figure 3. Relationship between influent water pH and reaction velocity of TAN removal2.2 溶解氧(DO)的影响
从图 4可以看出TN的去除速度随进水DO的增大呈一抛物线，DO在4.8~6.0 mg · L-1之间时反应速度较快，基本都在1.0 h-1以上，当进水DO进一步增大时，其反应速度下降较快。因为反硝化反应是在缺氧条件下进行的，分子氧的存在会与硝酸盐竞争电子受体，抑制硝酸盐还原酶的合成及活性，进水DO过高则严重影响反硝化的进行，影响TN的去除效果。
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图 4 进水DO与TN去除反应速度的关系Figure 4. Relationship between influent water DO and reaction velocity of TAN removal2.3 水温的影响
硝化菌受温度的影响非常明显，硝化反应的最适温度范围为30~35℃，当温度在5~35℃之间由低至高逐渐过渡时，硝化反应的速率将随温度的增高而加快，低温对硝化菌有强烈的抑制作用。反硝化作用可在温度范围为15~35℃之间进行，在此范围内反硝化速率的变化规律遵守Archeries方程，温度系数为1.06~1.08，当温度低于3℃时，反硝化反应将完全停止[13]。从图 5可以看出，随着温度的升高，氨氮降解的反应速度呈快速上升的趋势，说明温度对硝化作用影响很大，硝化速率与温度几乎呈线性关系。
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图 5 不同水温与TAN去除反应速度的关系Figure 5. Relationship between water temperature and reaction velocity of TAN removal从图 6可以看出，TN的去除速率与温度也有很大的关系，在20℃前，随着温度的升高，其反应速度也呈上升趋势，20℃以后，其变化幅度变缓，保持在1.1 h-1左右。说明在20℃以上，温度对脱氮作用的影响不明显。
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图 6 不同水温与TN去除反应速度的关系Figure 6. Relationship between water temperature and reaction velocity of TN removal3. 讨论
3.1 pH和碱度对硝化反应的制约
pH和碱度对硝化反应有很大的影响，反应器中的pH值最好控制在6.3以上，这样才能保证良好的处理效果。此套工艺将厌氧反硝化前置，利用反硝化产生的碱度补充系统中的碱度，一定程度上缓解了硝化作用对碱度的需求。但是反硝化过程中，每反硝化1 g NO3-N将产生3.57 g碱度(按CaCO3计)，而每氧化1 g NH4+-N将消耗7.14 g碱度(按CaCO3计)[14]，由此可以看出硝化反应所消耗的碱量远大于反硝化反应产生的碱量。整个系统在运行过程中，pH不断下降，严重影响反应器的氨氮去除效果和系统的稳定运行，应该考虑在反应器上增设个加碱装置，定时定量的补充反应器硝化反应所需要的碱量。
3.2 DO对反硝化反应的影响
DO对反硝化反应的影响很大，进水的DO浓度越低越有利于反硝化反应进行，控制进水的DO浓度是十分重要的。一般对于生物膜系统，DO需保持在1.5mg · L-1以下，才能取得比较好的反硝化效果[14]。但是在养殖鱼池中的DO一般要求大于4.0 mg · L-1，以满足水生生物的生长需要。如何使得进水后反应器中的DO浓度能快速降低到1.5 mg · L-1以下，是保证反硝化效果的关键因素。此试验中是在进水的同时采用部分的污泥回流来保证反应器中的DO浓度能被控制在1.5 mg · L-1以下。另外，也可以考虑在BSBR反应器之前串联一个普通的生物膜反应器，在该反应器中不用曝气，并保持一定的停留时间，可以先将DO浓度降到1.5 mg ·L-1以下后再进入BSBR反应器中。此试验系统中进入反应器的水体的DO最好能控制在4.5~6.5 mg · L-1，既能保证良好的脱氮效果，又满足水生生物的生长需要。
3.3 水温对BSBR反应器脱氮效果的影响
水温对BSBR反应器中填料上生物膜的增长及微生物的活性有很大关系，在温度低于一定值时，细胞膜呈凝胶状态，营养物质的运输受阻，细胞会因缺乏营养而停止生长；但是当温度高于一定值时，细胞的有些组分(如蛋白质和核酸)开始变性，细胞也就难以生长甚至导致死亡[15]。根据试验的结果，并考虑到水生生物生长的需要，水温最好能保持在20℃左右，可以取得比较明显的脱氮效果。
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图 1 大鹏澳网箱养殖海域采样站位
Figure 1. Sampling stations of fish cage aquaculture area in Dapeng′ao Bay
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图 4 5和6号站沉积物需氧量与培养时间的拟合曲线图
a. 6号站；b. 5号站
Figure 4. Curve estimation of SOD and incubating time in sta.5 and sta.6
a. sta.6;b. sta.5
表 1 采样站位经纬度
Table 1 The latitude and longitude of the sampling stations′ position
站位 station 经度 longitude 纬度 latitude 1 E 114°30.9366′ N 22°34.6483′ 2 E 114°31.5133′ N 22°34.7614′ 3 E114°31.3982′ N 22°33.9813′ 4 E114°31.3464′ N 22°33.6855′ 5 E 114°31.3021′ N 22°33.8597′ 6 E 114°30.7887′ N 22°33.8645′ 7 E 114°31.0870′ N 22°33.8990′ 8 E 114°31.2635′ N 22°34.2611′ 9 E 114°30.7972′ N 22°34.1867′ 10 E 114°31.5725′ N 22°34.3826′ 
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表 2 大鹏澳养殖海域沉积物的需氧量
Table 2 Sediment oxygen demand in Dapeng′ao Bay
mg·L-1 培养时间/d
experimental time网箱养殖区 cage area 贝类养殖区
shellfish area对照区
contrast area3号站
sta. 34号站
sta. 45号站
sta. 50.00 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.50 4.4 3.4 3.0 7.2 -2.6* 1.00 19.4 17.2 22.0 15.2 5.2 1.50 26.2 26.4 30.6 24.4 10.8 2.00 31.6 32.0 36.6 29.0 19.2 2.50 37.4 36.2 42.8 33.2 25.0 3.00 42.6 40.2 48.2 38.4 30.4 3.50 48.2 44.8 52.6 41.4 35.4 4.00 52.2 50.0 58.2 43.0 38.6 4.50 56.8 51.8 61.2 44.4 39.8 5.00 58.2 55.2 63.4 44.2 42.2 5.25 61.2 56.4 65.4 43.9 43.6 注：*实验室过程出现的异常值，计算时予以剔除
Note: *Outliers appeared in the incubation process were eliminated in the calculation.
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表 3 大鹏澳养殖区沉积物的耗氧速率
Table 3 Sediment oxygen demand in Dapeng′ao Bay
g·(m2·d)-1 培养时间/d
experimental
time网箱养殖区 cage area 贝类养殖区
shellfish area对照区
contrast area3号站
sta. 34号站
sta. 45号站
sta. 50.50 5.28 4.48 4.16 7.52 -0.32* 1.00 5.60 4.72 6.64 3.92 -0.08* 1.50 4.27 4.32 5.44 3.79 0.16 2.00 3.56 3.64 4.56 3.04 1.08 2.50 3.65 3.46 4.51 2.98 1.66 3.00 3.44 3.12 4.19 2.88 1.81 3.50 3.34 2.93 3.82 2.54 1.85 4.00 3.18 2.96 3.78 2.26 1.82 4.50 3.08 2.63 3.47 1.97 1.56 5.00 2.62 2.38 3.04 1.50 1.34 5.25 2.65 2.29 2.97 1.33 1.31 平均值 3.62 3.30 4.27 2.70 1.24 average 3.73 注：*实验过程出现的异常值，计算时予以剔除
Note: *Outliers appeared in the incubation process were eliminated in the calculation.
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表 4 大鹏澳养殖海域的水质因子
Table 4 Water quality factors of aquaculture area in Dapeng′ao Bay
站位
station网箱养殖区
cage area贝类养殖区
shellfish area对照区
contrast area3号站 sta.3 4号站 sta.4 5号站 sta.5 6号站 sta.6 10号站 sta.10 水深/m sea water depth 5.7 4.5 5.5 5.5 7.5 水温/℃ 表层 surface 26.8 26.8 26.7 26.7 27.0 中层 middle 26.8 26.8 26.8 26.7 26.8 底层 bottom 26.5 26.6 26.5 26.1 25.9 DO/mg·L-1
dissolved oxygen表层 surface 9.31 8.24 9.16 9.25 9.53 中层 middle 9.18 8.50 8.65 9.28 9.57 底层 bottom 8.33 7.99 8.35 8.76 8.95 pH 表层 surface 8.21 8.24 8.25 8.13 8.16 中层 middle 8.15 8.21 8.21 8.14 8.20 底层 bottom 8.11 8.18 8.24 8.13 8.16 BOD5/mg·L-1
biochemical oxygen demand表层 surface 1.17 1.07 1.07 0.96 0.76 中层 middle 1.25 1.37 1.07 1.10 0.93 底层 bottom 1.27 1.59 1.44 1.16 1.18 CODMn/mg·L-1
chemical oxygen demand表层 surface 0.32 0.30 0.31 0.36 0.50 中层 middle 0.70 0.65 0.38 0.37 0.53 底层 bottom 0.77 0.70 0.24 0.38 0.60
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表 5 大鹏澳网箱养殖海域沉积物SOD与海水DO变化关系表
Table 5 Relationship between sediment oxygen demand and seawater DO variation in Dapeng′ao Bay
项目 item 3号站 sta.3 4号站 sta.4 5号站 sta.5 6号站 sta.6 10号站 sta.10 水深/m
water depth5.7 4.5 5.5 5.5 7.5 SOD5/g·(m2·d)-1
sediment oxygen demand3.62 3.30 4.27 2.70 1.24 底层海水DO/mg·L-1
DO of bottom sea water8.33 7.99 8.35 8.76 8.95 海水DO降低幅度ΔDO/mg·L-1
reducing range of DO0.98 0.25 0.81 0.49 0.58
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表 6 沉积物SOD与水质因子的关系
Table 6 Relationship between sediment oxygen demand and water quality factors
项目 item R P ΔBOD5 1.000 0.014 ΔCODMn 0.800 0.200 ΔpH 0.667 0.219 底层海水BOD5
BOD5 in bottom water0.600 0.285 底层海水CODMn
CODMn in bottom water0.900 0.037 底层海水pH
pH in bottom water0.300 0.624
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