2017,
Vol. 26
2. 上海申漕特种水产开发公司, 上海 201516
近些年来天然水域环境污染与富营养化日趋严重，因此国内外对废水处理技术研究甚为重视[1]。自20世纪九十年代以来，为提高虾类养殖技术与利于环境保护，国内外均有资料报道[2-3]，联用生物滤器、蛋白分离器与臭氧仪等设备组成水处理系统用于处理室内集约化养虾池废水，可有效去除氨氮(TAN)与亚硝基氮(NO2--N)等有害物，并取得良好养殖效果。此类系统成本与能耗高，难管理与推广[4-5]。鉴于目前我国养殖特点，养殖用水处理再利用迫切需低成本、易操作的设备与技术。以架放于池口简易滤器(滤料：螺蛳壳，细沙等)循环处理亲虾越冬池废水[6-7]，虽成本低，但滤器固定于池口，难以开展规模化生产应用。实验以常用滤料(沸石、纤维球、生化环)与塑料桶制成生物滤器，置于自制手推车构制成运移式简易滤器，其可运行于车间各处循环处理养殖废水；实验以亲虾越冬池循环水成功培养滤器生物膜，期间检测与探讨了滤器去除TAN与NO2--N能力与硝化性能特点，以期为室内规模化处理养殖废水提供科学与实践依据。
1 材料与方法 1.1 实验池与亲虾以上海郊区育苗场两口锥形底卤虫孵化池作罗氏沼虾(Macrobrachium rosenbergii)亲虾越冬池(简称1、2号池)，有效容积2.0 m3，各布设两个曝气石和用于加热控温金属管道。由塑料管(Φ50 mm)将两池底中央排水管接通。实验亲虾取自苗场，平均体长(8.9±1.1) cm，体质量(19.7±4.8) g。将当地河水经沉淀、消毒后作实验用水。实验前，亲虾已饲养月余。
1.2 亲虾池日常管理早晚分别投喂人工饲料与鱼肉，半月后全喂鱼肉。水温27 ℃。每日定时检查虾池与滤器间循环水流动状况，及时捞出虾壳等污物，实验期间不换水，仅适时添加蒸发等损失水量。
1.3 简易滤器构制与虾池循环水培养生物膜 1.3.1 运移式简易滤器构制以两塑料桶(H55 cm, Φ38 cm)盛放滤料，简称滤桶，近桶底与顶部开有具阀门的进、出水口，进出口通过塑料管(Φ50 mm)分别将管道泵(820 W)导出的池水送入滤器与将滤器处理水送回虾池。两滤桶各取可良好净化水质的生化环(14.0 kg，石英砂烧制品)、纤维球(2.2 kg，纤维丝制品)与沸石(14.7 kg)作滤料[8-9]，生化环有大小两种规格。滤料经沸水浸泡消毒后分别装入20目筛绢网袋，按生化环、纤维球、沸石自下而上依次铺放于滤桶内。桶底放一气石连续曝气。至此构成简易生物滤器Ⅰ、Ⅱ。将两滤器与管道泵均置于手推车便可运移于车间处理池水使用。滤料参数及生物滤器简图分别见表 1与图 1。
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表 1 4种滤料有关参数 Tab.1 Correlative parameters of four kinds of filter materials |
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图 1 生物过滤器的内部结构图
Fig. 1 The internal structure of biological filter
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由图 2可知管道泵通过置于1号虾池底塑料管(以筛绢网罩口)将越冬池水泵出，再经管道分流后分别由进水口流入滤器Ⅰ和Ⅱ，经滤器处理后再分别由出水口返回2号虾池。通过调节进出水流量及两池排水口阀门，使1、2号池水位保持平衡。至此形成滤器以循环池水培养生物膜流程。滤器Ⅰ、Ⅱ流量分别为0.231与0.138 m3/h。利用池水培养生物膜过程实质也是滤器对池水的净化处理，虾池与滤器组成循环水处理系统。
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图 2 亲虾越冬池循环水培养简易过滤器生物膜工艺流程
Fig. 2 The technological process of biofilm cultivation in overwintering pond for prawn broodstock
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虾池与简易滤器组成的循环水处理系统培养生物膜实验历时37 d，期间启动系统时，采取滤器进水(即虾池水)作初始水样，再按进水在两滤器中停留时间间隔分别取两滤器出水作处理水样，采样间隔8 d，期间据水质指标变化状况适时采样测定。测定指标水温、TAN、NO2--N、与硝基氮(NO3--N)等。
1.5 水质指标测定方法水质指标测定方法参照文献[10-11]。TAN：萘式比色法；NO2--N：N-1-奈基-已二胺光度法。
污染物浓度去除百分率(简称去除率，RA)计算式：
(1)
式中：C0、Ct分别为滤器进、出水污染物浓度(mg/L)。
单位面积滤料日均去除速率(简称去除速率DRA)计算式：
(2)
式中：C0为滤器进水口污染物浓度(mg/L); Ct为虾池水在滤器滞留时间t(h)后滤器出水口污染物浓度(mg/L); Vw为滤器储水量(m3); S为滤料总表面积(m2)。
2 结果与分析简便廉价运移式生物滤器成功以亲虾池循环水挂膜，并有效净化虾池水质。图 3、图 4分别为膜培养期间两滤器进出水TAN与NO2--N浓度及去除率随时间变化。
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图 3 生物膜培养期间简易过滤器进出水TAN浓度随时间的变化
Fig. 3 Changes of TAN concentration of influent and effluent of simple bio-filter with time during cultivation of biofilm
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图 4 生物膜培养期间简易过滤器进出水NO2--N浓度随时间变化
Fig. 4 Changes of NO2--N concentration of influent and effluent of simple bio-filter with time during cultivation of biofilm
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图 3显示：(1) 两滤器出水与池水TAN浓度基本随时间呈同步波浪式增减变化。滤器Ⅰ、Ⅱ、池水约在第8、13与25天(33 d)出现阶段性不等峰值，极大值分别为0.800、0.682、1.252 mg/L；第9天两滤器显最低值(0.350、0.275 mg/L)，池水为较低值(0.616 mg/L)；9~17 d呈上升趋势，17~25 d转缓增，后至结束趋向递减变化，表明滤器硝化作用渐强于氨化作用。即使高密度、喂鱼肉与未换水，实验结束时，池水TAN达1.101 mg/L，但两滤器出水分别降至0.604、0.612 mg/L。两滤器出水TAN浓度平均值(0.587、0.537 mg/L)近于初始池水。(2) 滤器TAN去除率随时间变化实质是随浓度而变化，基本随浓度增加呈降低的相反变化特点，符合资料[12-13]报道。两滤器出水TAN平均去除率40.2%与45.3%，至中后期(13 d后)，生物膜渐成熟，两滤器TAN去除率分别达43%~50%与44%~48%，显示滤器硝化菌活性较强，具较强去除TAN能力。经检验两滤器TAN去除率无显著性差异。
2.2 滤器去除NO2--N浓度随膜培养时间变化图 4显示：(1) 池水与两滤器出水NO2--N浓度随时间呈近似同步变化，先增后降，滤器出水自13 d急速降至17 d达低值(0.100、0.079 mg/L)，此后维持低值范围直至结束(0.092~0.108、0.067~0.100 mg/L)，表明两滤器约17 d显示生物膜达成熟特点[6, 8-9, 14]。(2) 全周期池水NO2--N浓度平均为0.327 mg/L，两滤器出水平均为0.136与0.114 mg/L，平均去除率为58.4%与65.1%，两者去除率无显著差异，且去除率基本也随浓度发生相反变化的通常特点[12-13]。以滤料沙子、沸石与活性炭制成滤器，在海水中添加菌种与营养剂培养生物膜，15~17 d膜成熟[8]。有实验用亲虾池循环水培养滤器生物膜约15 d成熟，37 d TAN平均去除率44%~62%，NO2--N去除率4%~6%[6]。可见本实验膜成熟时间与上述报道[6, 8]相近，但显示更强去除NO2--N能力。
上述表明，两滤器虽流量不同，但去除TAN与NO2--N能力与特点相似，池水两指标浓度随时间变化特点受制于两滤器的氨化与硝化作用。
2.3 滤器去除TAN与NO2--N速率随膜培养时间变化图 5、6分别为两滤器平均单位面积滤料去除TAN与NO2--N速率V [mg/(m2·d)]随时间t(d)变化曲线，去除率V随时间t按2次多项式变化，相关方程分别为
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图 5 生物膜培养期间简易过滤器对虾池水TAN日均去除速率随时间变化
Fig. 5 Changes of mean removal rate of TAN concentration of simple bio-filter for shrimp pond with time during cultivation of biofilm
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图 6 生物膜培养期间简易过滤器对虾池水NO2--N日均去除速率随时间变化
Fig. 6 Changes of average daily removal rate of NO2--N concentration of simple bio-filter for shrimp pond with time during cultivation of biofilm
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TAN去除速率：
(3)
(4)
NO2--N去除速率:
(5)
(6)
方程(3)、(5) 与(4)、(6) 分别在α=0.05与α=0.01水平相关，V与t存良好相关性。据方程(3)-(6) 算得滤器Ⅰ、ⅡTAN分别约在第28、27天呈最大去除速率0.158、0.0872 mg/(m2·d)，NO2--N约第18、22天呈最大去除速率0.076、0.0546 mg/(m2·d)。两滤器TAN与NO2--N平均去除速率分别为0.138、0.081 mg/(m2·d)与0.053、0.035 mg/(m2·d)。可见滤器Ⅰ对两指标去除速率高于Ⅱ，但无显著差异(P>0.05)。两滤器对TAN与NO2--N去除速率随时间变化实质是浓度随时间变化的反应，因反应速度受制于反应物浓度并随其增大而加快[12-13]。滤器Ⅱ曲线变化较Ⅰ平缓，可能因其流量较低，处理水与滤料接触较充分，净化效果变化较平稳。
3 讨论 3.1 运移式滤器的简便挂膜及净化能力据经验与文献[6-9]，实验用沸石与纤维球等常用滤料及塑料桶制成简易滤器，将其与管道泵共置于自制手推车，方便运移于车间各处净化池水是可行而有效的。设备构制与操作简单，成本低廉，易于推广。
滤器以亲虾池循环水培养生物膜简便可行，约17 d成熟，并可有效去除池水TAN与NO2--N等有害物质。膜培养期间，两滤器出水与池水TAN与NO2--N浓度随时间基本呈同步波浪式变化、约自第17天起基本趋向较平缓降低变化特点。所呈特点与虾池条件及池水与滤器的氨化、硝化作用强度有关。17 d前生物膜尚未成熟，但池水适宜温度与丰富营养，为氨化菌繁育提供了良好条件[15-16]。第9天前，三者TAN趋向急剧上升即是强氨化作用的体现。由于虾池水温与养殖密度高、喂鱼肉、不及时换水，使池水含较高浓度TAN与NO2--N，但约至第17天生物膜成熟后，硝化菌渐成优势种群，控制池水TAN与NO2--N浓度逐步趋向平缓降低变化，NO2--N维持低于初始值的低值范围(＜0.1 mg/L)直至结束。两滤器去除两指标的硝化能力强于文献报道[6, 17-18]。两滤器对TAN与NO2--N去除率与去除速度变化受制于浓度变化。
3.2 运移式简易滤器较强硝化能力滤器Ⅱ对TAN与NO2--N平均去除率分别为Ⅰ的1.2与1.1倍，但滤器Ⅰ对两指标去除速率均为Ⅱ的1.5倍，可见同时间内，滤器Ⅰ有更多废水处理量。废水在滤器Ⅱ停留时间为Ⅰ的1.7倍。低流量，即水在滤料中较长停留时间利于提高去除率，但却降低了去除速率，不同流量未显著影响两滤器硝化能力。若以滤料单位体积日均去除污染物量表示污染物去除速率，滤器Ⅰ、Ⅱ TAN去除速率为66.62与44.85 mg/(m3·d)。何洁等[19]简易滤器单位体积滤料日均去除养鱼水TAN速率仅为实验的53.3%与79.2%。可见实验滤器具较强硝化速率。周期内，滤器对TAN与NO2--N去除速率随时间变化的实质是去除速率随进水污染物浓度的增减而发生相应增减变化[12-13]。可见污染物浓度是影响滤器硝化速率的重要因素。
实验表明，自制运移式简易滤器以亲虾池循环水培养生物膜成熟后，采用0.231与0.138 m3/h流量可有效去除虾池水TAN与NO2--N，显示良好净化水质功能。如要进一步降低池水TAN与NO2--N浓度或增加废水处理量，可适当增加滤器容积与滤料量；若手推车增设紫外消毒器可进一步提高处理水质量。
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