生物滤池作为封闭循环水养殖系统水处理的核心单元，其工作原理是依靠载体间复杂的微生物生态系统，分解和利用养殖水体中的有机物和溶解态无机氮化物等污染物，从而达到净化目的。其主要反应过程可以分为有机物氧化、硝化反应和反硝化反应(陈江萍, 2010¹⁾); 钱伟, 2012^2）)。有机物氧化由异养微生物完成，有机碳源作为异养微生物的食物来源，可以为细胞合成提供物质基础，为其代谢活动提供所需的能量(张云等, 2003)。硝化反应是将氨氮和亚硝酸盐氧化成硝酸盐的过程，主要是由一群自养型好氧微生物完成(刘瑞兰等, 2005)。当循环水养殖水体中有机碳浓度升高时，会对硝化反应产生抑制作用(Michaud et al, 2006)。然而，根据反硝化机理可知，$5{\rm{C}}\left({有机碳} \right) + 2{{\rm{H}}_2}{\rm{O + 4NO}}_3^ - \to 2{{\rm{N}}_2} \uparrow + 4{\rm{O}}{{\rm{H}}^ - } + 5{\rm{C}}{{\rm{O}}_2} \uparrow $反硝化过程中需要消耗有机碳源，有机碳源的不足不利于反应的进行(许文峰等, 2007)。因此，水体中有机碳含量会对净化过程产生重要影响。

1) 陈江萍.海水循环水养殖系统中生物滤器污染物去除机理的初步研究.青岛理工大学硕士研究生学位论文, 2010, 5-8

2) 钱伟.生物强化反应器净化循环养殖废水的研究.宁波大学硕士研究生学位论文, 2012, 1-9

当前，关于有机碳源在循环水养殖系统中的作用和分解转化规律等方面的研究越来越受到国内学者的重视，且主要集中在对生物膜培养过程的影响和对脱氮作用的影响等方面(钱伟等, 2012; 王威等, 2013; 刘伶俐等, 2013)，而关于有机碳源对生物滤池整个净化过程影响的研究则相对不足。一方面，在实验室条件下，主要采用人工配制养殖废水，由于其与实际养殖废水存在差异，不能直接和真实地反映影响效果；另一方面，养殖企业在应用这些碳源时，使用成本是重要的考虑因素。因此，筛选出价格低、效果好的有机碳源非常重要。

本研究以半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)循环水养殖废水为处理对象，选择4种生活中常见的有机碳源——葡萄糖、乙醇、可溶性淀粉和红糖作为外加碳源。分别通过碳源初选和复选研究，探究每种碳源及不同碳氮比下，挂膜成熟的生物滤池对养殖废水净化效果的差异性。从4种碳源中选出最佳碳源及C/N，并探讨净化过程中的污染物去除机理，为选择出高效且经济的外加碳源，为进一步提高生物滤池净水效率和完善循环水高效养殖技术提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 材料与装置 1.1.1 生物填料

本研究选取爆炸棉(图 1)作为生物挂膜用的滤料，PU材质，密度为0.024 g/cm³，比表面积为350 m²/m³。

1.1.2 实验装置

实验采用的循环水生物滤池模拟装置，主要由生物滤器和蓄水箱两部分组成。生物滤器制成材料采用亚克力有机玻璃管，其内径为140 mm，管柱高度为600 mm，滤器两端都有穿孔板布水，其进水端和排水端都有水阀可以控制水流速率，整个实验过程中，每个滤器内水力停留时间(HRT)为23–25 s。另外，通过调节曝气机气阀，使滤器中气水比(单位时间曝气量与进水量的体积比值)达到5:1(赵倩, 2013)¹⁾。蓄水箱采用白色圆柱塑料水箱，其有效容积为200 L，水箱里有浸没式水泵，控温加热棒和曝气气石；生物滤器与蓄水箱之间采用ø25 mm的塑料软管连接。实验共有5套互相独立的系统，每套系统包括3个平行的生物滤器，生物滤器间采用内径为20 mm的PVC管连接，每组装置见图 2。

1) 赵倩.水质调控对生物滤器生物膜培养的影响研究.中国海洋大学硕士研究生学位论文, 2013, 44–52

1.2 方法 1.2.1 实验用水

实验用水取自山东烟台市海阳黄海水产有限公司半滑舌鳎成鱼循环水养殖车间，实验开始时间为2014年6月22日。取水时间为早上投饵后30 min，水质参数pH为7.8–8.2，DO为5.5–7.5 mg/L，盐度为29.4–29.7。

1.2.2 生物膜培养

生物膜培养采用预培养法，实验前42 d，往每个实验组的蓄水箱加入养殖废水200 L，并添加50 mg/L微生态净水剂(富含硝化细菌、乳酸菌、芽孢杆菌、光合菌群、放线菌群和酵母菌等益生菌，有益菌含量大于2×10¹⁰CFU/g)作为挂膜菌种(王威等, 2013; 赵倩等, 2012)。另外，为了提高生物膜培养速度，再添加20 mg/L氯化铵，20 mg/L葡萄糖作为生物膜培养的补充氮源和碳源。每7 d换水1次，换水后重新按比例添加微生态制剂、氯化铵和葡萄糖，并定期检测水中氨氮和亚硝态氮浓度，直至亚硝态氮浓度降低且达到稳定状态时，表明生物膜成熟。挂膜期间系统运行参数pH为7.5–8.0，温度为26.5–28.0℃，DO>6 mg/ L。

1.2.3 碳源初选

生物膜成熟后，排干预培养用水，从养殖池回水管中取0.5 m³养殖废水，平均加入5套实验装置中，测量初始C(TOC)/N(TN)。结果测得实验所用养殖废水中C/N很小，为0.26–0.32。因此，将不添加碳源的实验组设为对照组，其他4组按照C/N为1、2、4、6加入碳源。启动系统，系统运行温度为26–27.5℃，DO为5.5–6.5 mg/L，pH为7.0–8.5。实验期间，每天08:00取样，测量COD_Mn、NO₃^--N、NO₂^--N、TAN，另外，测72 h时的TN。碳源实验顺序为葡萄糖、乙醇、红糖和可溶性淀粉，每种碳源实验周期为3 d，1种碳源实验结束后，立即排完系统里的水，重新加入养殖水，运行5 d作为恢复期，然后开始下1个碳源实验。通过碳源初选实验，比较4种碳源在不同C/N条件下对COD_Mn、NO₃^--N、NO₂^--N、TAN和TN的去除率，并以较高的TN去除率为优选指标，筛选出实验条件下每种碳源的最佳C/N。

1.2.4 碳源复选

碳源复选实验方法与初选实验基本相同，从5套实验系统中随机选取1套设置为对照组(不添加碳源)，其他4套分别添加通过初选实验获得的4种实验碳源的最佳C/N(4:1)实验组(其中葡萄糖为57.2 mg/L, 红糖为52.4 mg/L，可溶性淀粉为50.1 mg/L，乙醇为53.4 ml/L)，目的是比较在同一实验条件下，4种碳源的最佳C/N对COD_Mn、NO₃^--N、NO₂^--N、TAN和TN的去除率，以较高的TAN、NO₂^--N和TN去除率为优选指标，筛选出最佳碳源。

1.2.5 水质分析及数据处理方法

水质指标的检测依照《海洋监测规范》(GB17378.4-2007)：TAN采用次溴酸盐氧化法；NO₂^--N采用萘乙二胺分光光度法；NO₃^--N采用锌镉还原法测定；COD_Mn采用碱性高锰酸钾法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。TOC浓度采用岛津总有机碳分析仪测定；pH、DO、盐度和温度采用YSI-556多功能水质分析仪测定。

实验数据结果采用SPSS 20进行差异性分析，然后采用Origin8.0软件作图。

2 结果与分析 2.1 碳源初选结果 2.1.1 各实验组溶解态无机氮化物和COD_Mn的初始浓度测定

不同碳源实验组溶解态无机氮化物的初始浓度见表 1。从表 1中可以看出，不同碳源实验组各个指标初始浓度不同，主要是因为不同碳源实验开始时间不同，养殖对象自身代谢活动和其他外界因素可能发生了变化。在这种情况下，不同碳源之间不能进行组间差异性比较，只能进行同种碳源不同C/N实验组之间的组内比较。

不同碳源及C/N条件下实验水体COD_Mn初始浓度见图 3。从图 3中可以看出，不同碳源实验对照组COD_Mn均小于2.5 mg/L，表明养殖水体中还原性有机物和无机物含量较少。另外，各处理组(除乙醇组)按C/N添加碳源后，会导致水体中COD_Mn在短期内迅速升高。乙醇组不同C/N条件下，COD_Mn变化明显低于其他3种碳源。

2.1.2 葡萄糖为碳源及不同C/N条件下生物滤池的净化效果

葡萄糖为外加碳源时，不同C/N条件下生物滤池对实验水体中TAN、NO₂^--N、NO₃^--N、COD_Mn和TN的去除率见图 4。从图 4中可以看出，对照组均为最低；随着C/N升高，各处理组对TAN、NO₃^--N、COD_Mn和TN的去除率逐渐增大，当C/N=4时，均达到最大值，分别为90.13%、41.39%、90.3%、40.66%，且与对照组存在显著性差异(P < 0.05)；当C/N继续升高至6时，生物滤池对TAN、NO₃^--N、COD_Mn和TN的去除率均下降，其中，TAN和NO₃^--N去除率比C/N为4时显著降低(P < 0.05)。当C/N较小时，各处理组对NO₂^--N的去除率与对照组相比差异性不显著，当C/N=6时生物滤池对NO₂^--N的去除率最小。

2.1.3 乙醇为碳源及不同C/N条件下生物滤池的净化效果

乙醇为外加碳源时，不同C/N条件下生物滤池的净化效果见图 5。从图 5可以看出，随着C/N逐渐升高，生物滤池对TAN的去除率呈先增大后降低趋势，当C/N=2时，达到最大值，为89.44%。与其他组比较差异性显著(P < 0.05)；对照组对NO₂^--N的去除率最大，随着C/N升高，各处理组对NO₂^--N的去除率逐渐减小，且C/N=1时，处理组与对照组之间差异不显著(P>0.05)。研究发现，对照组对NO₃^--N、COD_Mn和TN的去除率均最小，随着C/N升高，各处理组对NO₃^--N、COD_Mn和TN的去除率呈先增大后减小趋势，当C/N=4时，分别达到最大值为46.78%、54.88%、46.36%时，与其他实验组相比存在显著性差异(P < 0.05)。

2.1.4 红糖为碳源及不同C/N条件下生物滤池的净化效果

红糖为外加碳源时，不同C/N条件下生物滤池的净化效果见图 6。从图 6可以看出，当C/N为2和4时，生物滤池对TAN的去除率显著高于对照组(P < 0.05)，当C/N升高至6时，TAN去除率降至最低，为65.65%。当C/N较小时，生物滤池对NO₂^--N的去除率较高，且与对照组差异不显著(P>0.05)；随着C/N继续升高至4和6时，NO₂^--N去除率明显减小。对照组生物滤池对NO₃^--N、COD_Mn和TN的去除率均为最小，随着C/N升高，各处理组生物滤池对NO₃^--N、COD_Mn和TN的去除率呈先增大后减小的趋势，当C/N=4时，分别达到最大值为55.6%、44.13%和94.29%，且与其他实验组之间存在显著性差异(P < 0.05)。

2.1.5 淀粉为碳源及不同C/N条件下生物滤池的净化效果

淀粉为外加碳源时，不同C/N条件下生物滤池的净化效果见图 7。从图 7可以看出，当C/N=2时，生物滤池对TAN的去除率最大，随着C/N升高，TAN去除率明显减小。对照组和C/N=1时，生物滤池对NO₂^--N的去除率较高，且不存在显著性差异(P>0.05)，C/N继续增加则NO₂^--N去除率显著减小。观察各组对COD_Mn的去除率发现，对照组最低，随着碳源加入生物滤池对COD_Mn的去除率迅速增大，当C/N=4时达到最大值。对照组对NO₃^--N和TN的去除率最小，随着C/N升高，生物滤池对NO₃^--N和TN的去除率先迅速增大然后减小，当C/N=4时达到最大值，分别为54.68%和44.13%，且与其他实验组之间存在显著性差异(P < 0.05)。

通过碳源初选结果发现，4种碳源实验过程中，当C/N=4时，生物滤池对TN的去除率最高，因此，以TN较高去除率作为优选指标，应选取C/N=4作为4种碳源的最佳碳氮比进行碳源复选实验。

2.2 碳源及C/N复选 2.2.1 不同碳源及C/N条件下溶解态无机氮及TN浓度变化

4种碳源在C/N=4条件下，TAN、NO₂^--N浓度变化见图 8。从图 8可以看出，实验开始24 h内，各组TAN、NO₂^--N的浓度迅速降低；24 h时，各实验组NO₂^--N浓度均小于0.13 mg/L, TAN浓度均小于0.1 mg/L；24–72 h时，各组TAN、NO₂^--N浓度缓慢下降，直至趋于不变；72 h时，NO₂^--N浓度为红糖组＞淀粉组＞葡萄糖组＞乙醇组＞对照组，TAN浓度为对照组＞红糖组＞淀粉组＞葡萄糖组＞乙醇组。

4种碳源在C/N=4条件下，NO₃^--N、TN浓度变化见图 9。从图 9可以看出，72 h时，对照组NO₃^--N和TN浓度与初始浓度相比没有明显变化，而添加碳源且C/N=4的4个处理组NO₃^--N和TN浓度明显减少，其中，乙醇组NO₃^--N和TN的浓度最低，分别达到1.38、2.75 mg/L。结果显示，外加碳源有利于生物脱氮的进行，相同C/N条件下，添加乙醇比其他碳源效果更好。

2.2.2 不同碳源及C/N条件下生物滤池的净化效果

表 2为不同实验组生物滤池的净化效果。在C/N=4条件下，分别添加有机碳源(乙醇、淀粉、红糖和葡萄糖)的4组对TAN、NO₃^--N、TN和COD_Mn的去除率显著高于对照组(P＜0.05)；而对照组NO₂^--N的去除率最高，达到93.59%，高于其他4组。在C/N=4条件下，4种碳源进行比较发现，添加乙醇，生物滤器对水体中TAN、NO₂^--N、NO₃^--N和TN的去除效果好于其他3种碳源。

3 讨论 3.1 有机碳源及C/N对生物滤器COD_Mn去除效果的影响

COD_Mn又称为高锰酸盐指数，是表示水体中还原性有机物和无机物含量的综合指标，也可作为水体中有机污染物含量的相对值(吕永哲等, 2010)。本研究所用养殖废水的COD_Mn初始含量均小于2.5 mg/L，表明在半滑舌鳎实际养殖生产中，循环水系统能实现和维持水体中较低的有机污染物含量。从表 2、图 4-图 7可以看出，各个实验对照组的COD_Mn去除率最低，均不高于30%，与添加碳源组存在显著性差异(P＜0.05)。其原因为生物膜是由微生物、有机物和无机物组成的生物集合体，其形成及组分处于动态变化过程中(Raoet al, 1997)。水环境中的各种成分在生物膜上发生着合成、凝聚、转化和降解等作用，最终成为生物膜的一部分，但还会随着生物膜的脱落重新进入水体中(Suzuki et al, 1997)，从而使水体中保持一定量的有机物。因此，在COD_Mn初始浓度较低情况下，这种变化不明显。按比例添加碳源的实验组(除乙醇外)，COD_Mn去除率迅速升高。可能是因为添加碳源会导致COD_Mn短期内升高，适宜的有机碳含量可以刺激生物膜上微生物的繁殖，加速有机物的利用(张若琳等, 2006)，虽然经过处理的水体维持一定的COD_Mn，但与初始值相比仍变化显著。然而，在本研究过程中，按比例添加乙醇后，水体COD_Mn变化较小，其原因是乙醇属于易挥发性物质，碱性高猛酸钾法测COD时，需要加热煮沸10 min，在加热过程中，大量乙醇没有被氧化直接挥发到空气中，建议采用微波密封消解法进行测定(许美玲等, 2010)。本研究表明，添加有机碳源后，水体中有机物质能被生物滤器快速降解并利用，但是针对水体中有机物质突然升高是否会对养殖对象产生负面影响仍需进一步探究。

3.2 C/N对生物滤器脱氮性能的影响

根据碳源初选结果，综合TAN、NO₂^--N去除率变化情况得出结论：相同碳源下，当C/N较小时，生物滤器硝化作用增强，当C/N﹥2时，则硝化作用减弱。这与陈婧媛等(2012)研究的结果一致，在一定量有机碳源条件下，硝化效率随着碳源的增加有所提高，超过这个量则会下降。分析其原因是有机碳源少量增加，会使硝化细菌增值所需的营养物质丰富起来，致其繁殖迅速，从而保持较高的硝化效率。当水体中有机碳源含量较高时，异养氧化菌快速繁殖过程利用氮源进行合成代谢，消耗大量DO，进而对硝化作用产生抑制作用(张海杰等, 2005)。4种碳源实验组，当C/N=4时，生物滤器对NO₃^--N、TN去除效果均最佳，然而对NO₃^--N和TN的最大去除率分别为56.04%和46.31%，该数值明显小于其他研究结果(钱伟等, 2012; 王威等, 2013)。Skinde等(1982)研究表明，当水体C/N从3提高到6时，反硝化细菌能够完全把硝酸盐还原成无机氮气体。钱伟等(2012)研究发现，当以乙醇作为电子供体，C/N≥5时，复合菌群对NO₃^--N的去除率高达100%。这是因为反硝化作用主要由异养反硝化菌在无氧或低氧(DO＜0.5 mg/L)的条件下进行，溶氧过高会抑制其反应进行(李培等, 2012)。而本研究没有专门为反硝化过程提供低氧或缺氧条件，生物滤池净化过程中水体DO不小于5.5 mg/L，这样的环境不利于反硝化作用的进行；另外，本研究生物膜上的反硝化菌属于自然生长，生物膜培养阶段没有进行人为添加，其生物量非常有限，这也限制了反硝化反应高效进行。

3.3 碳源类型对生物滤池反硝化作用的影响

异养反硝化菌需要以有机碳作为电子供体、以硝酸盐作为电子受体进行反硝化反应(罗国芝等, 2011)。易于生物降解的有机碳是最好的电子供体，其反硝化速率较快。杨殿海等(1995)研究表明，甲醇、葡萄糖和蔗糖等属于易于生物降解的有机物，而淀粉、蛋白质等属于可被慢速生物降解的有机物。魏海娟等(2010)研究发现，以甲醇为碳源时，同步硝化反硝化脱氮效果最好，其次是添加葡萄糖，而添加淀粉时脱氮效率最低。本研究碳源复选过程也发现，在C/N=4条件下，乙醇组对水体NO₃^--N去处率最高，达到43.48%；淀粉组最低，只有33.92%。

反硝化菌利用有机碳源合成细胞物质的部分越小，则作为电子供体的部分越大。碳源类型与反硝化细菌的细胞产率之间才存在非常密切的关系(王丽丽等, 2004)。反硝化细菌对不同碳源的代谢过程(呼吸途径、产生能量)不同，其细胞的产率也不同(王毓仁等, 1995)。一般来说，单碳低分子化合物，如醇类物质，微生物细胞产率比较低，作为外加碳源，其利用率则较高。许文峰等(2007)研究发现，以甲醇和乙酸钠作为外源碳源时，生物滤池脱氮效果较好，而以葡萄糖为碳源时的脱氮效果明显逊于二者。本研究也发现，以乙醇为碳源时，生物滤器脱氮效果最好，高于葡萄糖组和红糖组。这可能是由于糖类物质作为高碳化合物，易引起生物滤器中异养菌的大量繁殖，其细胞产率相对高于醇类物质。

4 结论

(1)以实际养殖废水为处理对象，向模拟生物滤池中添加适量的有机碳源，有利于增强生物滤池的净水效果。本研究表明，当添加量控制在C/N=4时，生物滤池对有机物、NO₃^--N和TN的去除能力最强，并且对TAN和NO₂^--N的去除效果影响较小。

(2)碳源添加量相同情况下，不同类型的有机碳源对生物滤池净化效果的影响存在差异。结果显示，当添加量控制在C/N=4时，添加乙醇，生物滤池对水体中TAN、NO₂^--N、NO₃^--N和TN的去除效果好于添加葡萄糖、红糖和淀粉的3组。