2. 海南省海洋与渔业科学院 海口 570206
2. Hainan Academy of Ocean and Fisheries Sciences, Haikou 570206
循环水养殖系统(Recirculating aquaculture systems, RAS)在中国沿海各个养殖地区受到广泛的关注和应用(王威等, 2012)。与传统养殖相比，循环水养殖具有环境污染小、养殖生物生长快速、养殖密度大以及管理方便等优点(曲克明等, 2010)。李秋芬等(2011)和罗国芝等(2016)提出，在整个循环水处理系统中，生物过滤起着核心作用，其中，自养硝化细菌是主要硝化微生物。目前，培养海水生物膜常用的菌种多为活性污泥或者驯化的淡水硝化菌群(张俊新等, 2008)。载体的材质、结构和比表面积等对生物膜的水体处理效果有显著的影响(Bower et al, 1982; Lekang et al, 2000; Hirai et al, 2001; 王晋等, 2001; 何洁等, 2003; 郑兴等, 2015)，而评价载体的指标主要包括表面生物膜形成时间以及水体的净化效果(Wang, 2011)。
养殖过程中水体累积的氨氮、化学耗氧量(Chemical oxygen demand, COD)和颗粒悬浮物(Suspended solids, SS)等对养殖生物具有毒害作用，因此，生物膜对此类物质的处理效果尤为关键(杨志强等, 2015; 黄滨等, 2016)。而进水中的氨氮浓度以及生物滤池中的溶解氧(Dissolved oxygen, DO)浓度会影响生物膜对此类物质的处理。氨氮浓度过低时，硝化细菌受底物抑制，氨氮浓度太高对硝化细菌有毒害作用以致硝化不完全(王春英, 2009)；异养细菌与硝化细菌存在生长竞争关系，异养细菌有利于COD去除，而硝化细菌有利于氨氮去除，氨氮浓度高时，异养细菌处于竞争劣势，导致COD清除率降低(朱建新等, 2014)；DO浓度过低，不利于硝化作用，DO浓度过高也会抑制硝化作用(李晓莉等, 2009)。
本研究采用水质检测方法，研究不同氨氮和DO负荷情况下，多孔珊瑚石作为生物膜载体的生物滤池对氨氮、COD、SS的综合处理效果。以确定本实验生物滤池净化水体的最适DO浓度，以及其净化效果最明显的氨氮浓度范围。
1 材料与方法 1.1 实验材料珊瑚石大小不超过5 cm×5 cm×5 cm；海水取自海南海口周边；养殖废水为海南大学海洋学院贝类实验室的马氏珠母贝(Pinctada martensii)养殖废水。
1.2 水质检测方法pH采用pH计(上海雷磁PHS-3C型)测定；温度、盐度、DO采用多参数水质监测仪(YSI 6600V2型)测定；氨氮(次溴酸钠氧化法)、亚硝酸盐(萘乙二胺分光光度法)、化学需氧量COD、颗粒悬浮物SS测定均参照GB17378.4-2007海洋监测规范第4部分：海水分析方法进行(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等, 2008)。
1.3 循环水系统养殖池布置：采用长宽高为1.6 mx1 m× 1 m的水泥池进行实验，每3个为1组，分别为进水池、出水池和珊瑚滤池，设置3个重复(图 1)。为方便检测进水、出水水样，3个水池不循环，而是进水池底部由潜水泵A泵水至珊瑚滤池底部，珊瑚滤池的水通过溢流管进入出水池。当进水池中的水被泵完时，停止泵A(氨氮、DO负荷实验期间进水池水体1600 L，抽干时间约为16 h，15 h时停止水泵A)，此时，在进水池、溢流口各取水样200 ml。之后，打开水泵B(3000 L/h)将出水池水体泵回进水池，再在进水池调节所需的氨氮浓度，混匀30 min后再关闭水泵B，打开水泵A，调节水泵A，使水体流速为100 L/h。
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图 1 实验装置 Figure 1 Experimental equipment |
珊瑚滤池底部设置纳米管曝氧装置，铺设进水管道，珊瑚滤池与出水池之间用溢流管(110 mm PVC水管)连接，溢流口距池顶10 cm。在珊瑚滤池填入珊瑚石至距池底0.8 m高，珊瑚滤池的出水溢流口设置于距离上表层珊瑚石10 cm处。珊瑚石加空隙体积为1.28 m3。
生物膜培养：根据朱建新等(2014)和傅雪军等(2010)的挂膜时间和温度，设计本实验的挂膜时间为30 d，水温为25℃~28℃，盐度为31~33。关闭水泵A和B，堵住溢流管口(用110 mm PVC水管堵头封闭)，在珊瑚滤池中加满用氯片消毒24 h的养殖海水(24 h后用硫代硫酸钠除余氯)，此时，珊瑚石和水总体积为1.6 m，加水量约为0.9 m，珊瑚石体积约为0.7 m3。充气保持水体DO为6.5 mg/L，进行生物膜培养30 d。待生物膜成熟后，进行后续实验。
氨氮、DO负荷实验开始前，关闭水泵A，进水池充满海水1600 L，出水池充满海水1600 L，进水池和出水池海水通过水泵B充分混匀，调节所需氨氮浓度(进水池、出水池底部之间有连通水管，实验时关闭，此时打开)，珊瑚滤池排空。混匀后，打开水泵A (3000 L/h)，将进水池水体抽入珊瑚滤池至溢流口处，关闭水泵A；关闭进水池和出水池之间连通的水管，再通过水泵B将出水池水体抽入进水池，至进水池水满，关闭水泵B，再打开水泵A调节水流速度为100 L/h，开始实验。
1.3.1 氨氮负荷通过添加NH4Cl调节进水池水体氨氮浓度，设置4组氨氮浓度水平，分别为0.05~0.25 mg/L、0.25~0.45 mg/L、0.45~0.65 mg/L和0.65~0.85 mg/L。每个氨氮浓度水平分别测试6次，每12 h取1次样，历时12 d。DO为6.5~7.5 mg/L，水温为25℃~28℃，盐度为31~33。分别测量进水池和溢流口的氨氮、COD、SS指标。
1.3.2 DO负荷通过调节气泵通气量大小调节珊瑚滤池中DO浓度，设置4个DO负荷水平，分别为1~3 mg/L、3~5 mg/L、5~7 mg/L和7 mg/L以上。每个水平测试6次，每12 h取1次样，历时12 d。进水氨氮浓度为0.45~0.65 mg/L，水温为25℃~28℃，盐度为31~33。测量珊瑚滤池DO、进水池和溢流口的氨氮、COD、SS指标。
1.4 数据分析方法测量数据使用DPS16.05高级版软件进行数据分析，进行多元线性逐步回归分析。负荷实验阶段，氨氮负荷实验分析3个测量指标[进水氨氮(x1)、进水COD(x2)、进水SS(x3)]对珊瑚滤池3个指标[出水氨氮(y1)、出水COD(y2)、出水SS(y3)]的影响，同时作通径分析。DO负荷阶段分析3个测量指标[DO(x1)、进水氨氮(x2)、进水COD(x3)]对珊瑚滤池3个指标[出水氨氮(y1)、出水COD(y2)、出水SS(y3)]的影响，同时作通径分析。
2 结果 2.1 氨氮负荷实验 2.1.1 氨氮、COD和SS的清除率如图 2所示，氨氮负荷实验数据显示，关于氨氮清除率，进水池氨氮浓度为0.05~0.25 mg/L时，氨氮平均清除率为54.2%±9.1%；进水池氨氮浓度为0.25~0.45 mg/L时，氨氮平均清除率为72.7%±2.6%；进水池氨氮浓度为0.45~ 0.65 mg/L时，氨氮平均清除率为82.1%±3.3%；进水池氨氮浓度为0.65~0.85 mg/L时，氨氮平均清除率为78.4%±1.6%，呈先增后减的趋势。
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图 2 进水氨氮浓度对珊瑚滤池氨氮、COD和SS清除率的影响 Figure 2 Effect of the concentration of ammonia nitrogen in inlet water on clearance rate of ammonia nitrogen, COD and SS of the coral pool |
关于COD清除率，进水池氨氮浓度为0.05~ 0.25 mg/L时，COD平均清除率为21.9%±3.3%；进水池氨氮浓度为0.25~0.45 mg/L时，COD平均清除率为13.1%±1.6%；进水池氨氮浓度为0.45~0.65 mg/L时，COD平均清除率为7.1%±1.5%；进水池氨氮浓度为0.65~0.85 mg/L时，COD平均清除率为2.7%±2.0%，呈下降趋势。
关于SS清除率，进水池氨氮浓度为0.05~0.25 mg/L时，COD平均清除率为45.9%±3.5%；进水池氨氮浓度为0.25~0.45 mg/L时，COD平均清除率为14.3%± 12.7%；进水池氨氮浓度为0.45~0.65 mg/L时，COD平均清除率为5.8%±1.6%；进水池氨氮浓度为0.65~ 0.85 mg/L时，COD平均清除率为5.3%±2.4%，呈下降趋势。
2.1.2 进水池氨氮对出水氨氮、COD、SS的多元回归分析首先，分析3个测量指标[进水池氨氮(x1)、COD(x2)、进水SS(x3)]对珊瑚滤池出水氨氮(y1)的影响(表 1)。进水池氨氮与出水氨氮为极显著的正相关(相关系数为0.8314，P < 0.01)，进水COD、SS对出水氨氮影响不显著。
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表 1 进水氨氮、COD对出水氨氮的逐步回归分析 Table 1 Stepwise regression analysis of ammonia nitrogen in the outlet water and the ammonia nitrogen and COD of the inlet water |
再分析3个测量指标[进水氨氮(x1)、COD(x2)、SS(x3)]对珊瑚滤池出水COD(y2)的影响(表 2)。进水氨氮与出水COD为极显著的正相关(相关系数为0.9756, P < 0.01)；进水COD与出水COD为极显著的正相关(相关系数为0.9890, P < 0.01)；进水SS与出水COD相关性不显著。通径系数反映自变量对因变量的直接影响。进水COD与出水COD的相关系数最大，即进水COD对出水COD的影响最为明显，且是正相关，直接系数为0.8509。
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表 2 进水氨氮、COD、SS对出水COD的逐步回归分析 Table 2 Stepwise regression analysis of COD in the outlet water and the ammonia nitrogen, COD and SS in the inlet water |
最后，分析3个测量指标[进水池氨氮(x1)、COD (x2)、SS(x3)]对珊瑚滤池出水SS(y3)的影响(表 3)。进水池SS与出水SS为极显著的正相关(相关系数为0.7317，P < 0.01)；进水氨氮与出水COD相关不显著。
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表 3 进水氨氮、COD、SS对出水SS的逐步回归分析 Table 3 Stepwise regression analysis of SS in the outlet water and the ammonia nitrogen, COD and SS in the inlet water |
如图 3所示，DO负荷实验数据显示，关于氨氮清除率，DO浓度为1.0~3.0 mg/L时，氨氮平均清除率为54.6%±2.6%；DO浓度为3.0~5.0 mg/L时，氨氮平均清除率为66.3%±5.4%；DO浓度为5.0~7.0 mg/L时，氨氮平均清除率为78.7%±3.5%；DO浓度大于7.0 mg/L时，氨氮平均清除率为75.0%±2.3%，呈先增后减的趋势。
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图 3 DO浓度对珊瑚滤池氨氮、COD和SS清除率的影响 Figure 3 Effect of dissolved oxygen concentration on the clearance rate of ammonia nitrogen, COD and SS in the coral pool |
关于COD清除率，DO浓度为1.0~3.0 mg/L时，COD平均清除率为1.6%±0.9%；DO浓度为3.0~ 5.0 mg/L时，COD平均清除率为7.8%±2.3%；DO浓度为5.0~7.0 mg/L时，COD平均清除率为23.0%±5.3%；DO浓度大于7.0 mg/L时，COD平均清除率为26.5%± 2.7%，呈上升的趋势。
关于SS清除率，DO浓度为1.0~3.0 mg/L时，SS平均清除率为8.0%±2.5%；DO浓度为3.0~5.0 mg/L时，SS平均清除率为21.8%±3.3%；DO浓度为5.0~7.0 mg/L时，SS平均清除率为7.1%±2.0%；DO浓度大于7.0 mg/L时，SS平均清除率为2.8%±1.0%，呈先增后减的趋势。
2.2.2 DO对出水氨氮、COD、SS的多元回归分析首先，分析4个测量指标[DO(x1)、进水池氨氮(x2)、COD(x3)、SS(x4)]对珊瑚滤池出水SS(y3)的影响(表 4)。DO与出水氨氮为不显著的负相关(相关系数为–0.2641，P=0.2124)。
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表 4 DO、进水氨氮、COD、SS对出水氨氮的逐步回归分析 Table 4 Stepwise regression analysis of ammonia nitrogen in the outlet water of the DO, ammonia nitrogen, COD and SS in the inlet water |
再分析4个测量指标[DO(x1)、进水池氨氮(x2)、COD(x3)、SS(x4)]对珊瑚滤池出水COD(y2)的影响(表 5)。DO与出水COD为极显著的负相关(相关系数为-0.9340，P < 0.01)；进水COD与出水COD为极显著的正相关(相关系数为0.9715，P < 0.01)；进水SS与出水COD为显著的负相关(相关系数为-0.4497，P < 0.05)。通径系数反映自变量对因变量的直接影响。进水池COD与出水COD的相关系数最大，即进水COD对出水COD的影响最为明显，且是正相关，直接系数为0.8171。
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表 5 DO、进水氨氮、COD、SS对出水COD的逐步回归分析 Table 5 Stepwise regression analysis of the COD in the outlet water and the DO, ammonia nitrogen, COD and SS of the inlet water |
最后，分析4个测量指标[DO(x1)、进水池氨氮(x2)、COD(x3)、SS(x4)]对珊瑚滤池出水SS(y3)的影响(表 6)。进水SS与出水SS为极显著的正相关(相关系数为0.9178，P < 0.01)。
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表 6 DO、进水池氨氮、COD、SS对出水SS的逐步回归分析 Table 6 Stepwise regression analysis of SS in the outlet water and the DO, ammonia nitrogen, COD and SS of the inlet water |
多元回归分析结果显示，进水池氨氮浓度和DO浓度对出水氨氮、出水COD均有极显著的影响，二者对SS影响不显著。多元回归分析不仅可以处理较为复杂的变量关系，而且能区分实验参数间相关性是否为直接影响和间接影响(何洁等, 2003; 李朝霞等, 2009; 郑怀平等, 2009; 王庆恒等, 2009)。建立回归方程时，保留相关系数影响显著的，剔除不显著的，以建立理想的回归方程。鄢朝等(2012)以此方法研究华贵栉孔扇贝(Mimachlamys nobilis)数量性状；王爱民等(2004)对马氏珠母贝不同地理种群内自繁和种群间杂交子一代形态性状参数进行了相关分析。
氨氮负荷实验结果显示，进水氨氮浓度为0.45~ 0.65 mg/L时，珊瑚石生物滤池对水体中氨氮、COD、SS的综合处理效果最优(氨氮平均清除率为82.1%± 3.3%；COD平均清除率为7.1%±1.5%；SS平均清除率为5.8%±1.6%)。氨氮负荷影响硝化速率，氨氮浓度过低时硝化菌硝化速率不高，氨氮浓度太高对硝化菌有抑制效应。COD和SS的清除率整体较低，所以偏重考虑氨氮清除率的情况，来判断水体处理效果的优劣。因此，综合考虑，进水氨氮浓度为0.45~0.65 mg/L时，系统对水体处理效果最优。
DO负荷实验数据显示，DO浓度为5.0~7.0 mg/L时，珊瑚石生物滤池对水体中氨氮、COD、SS的综合处理效果最优[氨氮平均清除率为78.7%±3.5%；COD平均清除率为23.0%±5.3%；SS平均清除率为7.1%± 2.0%)。李晓莉等(2009)在封闭式循环水养殖系统实验中也得出，曝气生物滤池在DO值为7.0 mg/L时，滤池有最大的氨氮去除率。DO浓度低，不利于硝化作用，DO浓度过高也会抑制硝化作用。当DO浓度超过7.0 mg/L，COD清除率升高不明显。综合考虑，以珊瑚石为载体的生物处理系统的最优DO浓度范围为5.0~7.0 mg/L。
综上所述，本研究环境下的循环海水养殖系统珊瑚石生物滤池在氨氮浓度为0.45~0.65 mg/L、DO浓度为5.0~7.0 mg/L时，对水体中的氨氮、COD、SS的综合处理效果最优。本研究尚存在不足，不同水流速度、不同温度、不同盐度等情况下，系统对水体的处理效果还有待进一步实验。
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