关于海水养殖废水生物膜反应器快速启动的探索

作者；张毅

     水产养殖系统最常见污染物为含氮废物和可溶性有机物，主要通过循环水养殖系统核心单元生物膜净化去除。相较于生活污水，海水养殖废水属于微污染海水，因其低基质浓度和盐度效应的影响，生物膜反应器启动存在微生物增长慢、挂膜时间长、处理效果不佳等问题，已成为制约循环水养殖系统生产进程和经济产出的限制性工艺环节。研究快速、安全、实用化挂膜技术是循环水养殖系统亟待解决的技术瓶颈之一。现有研究主要采用淡水预培养、载体优选、梯度盐度驯化等手段强化生物膜富集，在一定程度上缩短了生物膜启动周期。另外，也有研究表明增加进水氨氮负荷能加快硝化细菌富集，加快生物膜启动。然而，进水负荷对生物膜影响研究仍然只针对单一基质，未能有系统研究指出不同类型营养物对生物膜启动影响。因此，为解决海水循环水养殖系统下微生物生长速率低、生物膜工艺启动慢等突出问题，本研究通过营养强化手段，分别在增大氨氮、有机物和磷酸盐负荷的启动方式下研究不同营养成分添加对工艺运行性能的影响，并在运行性能及强化机理探讨的基础上获得适用于海水循环水养殖废水生物膜系统功能微生物定殖成膜技术。

1材料与方法

l.l试验装置及操作条件

试验研究了影响生物膜反应器启动的3个因素（氨氮、有机物、磷酸盐）的4个水平，3种基质氨氮、有机物、磷酸盐水平分别通过添加氯化铵、乙醇、磷酸二氢钾调节，每个水平研究设置2个平行。试验装置为圆柱形的批次反应器，由有机玻璃加工而成，有效容积为lL，设置4组快速搅拌机，每组搅拌机负责5个反应器，每组反应器装置示意图见图1。为提供足够的氧气和生物膜形成的足够剪切力。各组搅拌机转速均维持在300 r/min左右。每个容器内置TA-Ⅱ型立体弹性填料（购于杭州天宇环保工程有限公司），比表面积为200-300 m2/m3，每个反应器中填料体积填充率为4.1%。整个试验周期内，反应器水力停留时问(HRT)为24 h，溶解氧(DO)浓度为6.5-7.5mg/L，体系pH为7.4-7.8，运行温度为10-18℃。

1.2各组运行工况

    试验所用原水取自浙江舟山长峙岛附近海水，加入适量的氯化铵( NH4CI)配制成模拟养殖废水，平均氨氮浓度为(2.71+0.18) mg/L，具体见表l。对照反应器进水即为表1模拟养殖废水水质，在氨氮(NH。+-N)、磷酸盐（P043-_P）和有机物(TOC)3个因素的研究中另分别设置3个不同水平，见表2。试验通过原水中土著微生物选用自然挂膜启动方式。各组反应器分2个工况运行，工况I为强化挂膜期(1-30 d)，考察不同营养因素不同水平下的生物膜形成及其氨氧化性能；工况Ⅱ为模拟养殖废水处理阶段(31-50 d)，即进水为对照组相同的模拟废水，考察在高营养浓度条件下富集的生物膜能否适应寡营养环境（表2）。

1.3分析方法

    TN、P043--P、N02--N和N03--N的测定方法见海洋监测规范(GB 12763.4 -2007)。NH4+-N测定采用改良的纳氏试剂分光光度法（加入0.4 mL lO%PVA，l mL25%酒石酸钾钠，2 mL 25%氢氧化钠，1.5 mL纳氏试剂），TOC测定采用岛津TOC分析仪(TOC-VCPH)，每个指标平行测定3次后取均值；溶解氧、温度用YSI550A溶解氧仪测定；pH采用Delta320型精密pH计测量。

2结果

2.1进水氨氮负荷对生物膜反应器启动性能影响

    图2为模拟养殖废水生物膜反应器在不同进水氨氮负荷下启动过程的氨氮去除率变化。有报道称，微污染水体的生物膜处理工艺中，氨氮去除性能稳定可作为判断生物膜反应器成功启动的标志。由图2可知，4个进水氨氮负荷下，生物膜形成阶段具有相似变化趋势，可分为缓滞期、对数增长期和稳定期。工况I中，对照反应器Kl历时30 d的缓滞期才使NH4+-N去除率高于20%，而系统N2、N3和N4分别提前18、20和22 d获得了相似的NH4+-N去除率。这表明提升进水氨氮负荷可明显缩短反应器启动过程的缓滞期。缓滞期之后，反应器N2，N3和N4的氨氮去除率分别于挂膜16、12和12 d即能稳定维持在80%以上，由此表明反应器已成功启动；而对照组Kl未能在工况I (1-30 d)内进入稳定期，启动时间偏长，一直延迟到42 d后才稳定获得80%以上的氨氮去除率。工况I稳定时期N2、N3和N4氨氮平均去除速率分别为(3.75±0.23)、( 9.52±0.26)、(21.04±0.37)mg/(L．d)，均显著高于对照组Kl( <0.5 mg/（L．d）（P<0.05）。结果进一步表明增加进水氨氮负荷能获得高效的氨氮去除。

    工况Ⅱ阶段调节各组氨氮进水浓度至模拟养殖废水水质，装置N2、N3和N4氨氮平均去除率分别为( 99.19±0.50)%、(99.05±0.26)%、(99.15±0.46)%。邓肯氏复极差检验显示彼此间氨氮去除率无显著差异，但均显著高于对照组稳定时期(97.43±0.91)%( P<0.05)。结果表明增加进水氨氮浓度至( 25.44±0.39 )mg/L范围内富集的生物膜均能适应低浓度氨氮的寡营养环境，且氨氮去除效率亦能显著提升。

    为进一步揭示不同进水氨氮负荷下形成的生物膜对微污染环境氨氧化影响的时间变化特征，在一个水力停留时间内(24 h)不同时间点采样分析氨氮的转化过程（图3）。各反应器进水为模拟养殖废水，氨氮浓度为( 2.43+0.04 )mg/L。结果显示，N3反应器在第6小时时NH4+-N浓度即降至0.13 mg/L，去除率达94.6%，而此时Kl、N2、N4反应器NH4+-N浓度分别降至1.28、0.53、0.21 mg/L，去除率分别为46.2%、77.5%、91.4%。第12小时时，Kl、N2、N3、N4反应器NH4+-N浓度分别降至0.10、0.02、0.02和0.07 mg/L，去除率分别达到95.60X,、99.3%、99.3%和97.3%，NH。+-N基本去除完全。线性拟合反应器K1、N2、N3和N4氨氮去除过程发现氨氮去除速率分别为0.178 mg/(L．h)(R2-0.980)、0.184 mg/(L.h) (R2 =0.897)、0.384  mg/(L.h)（R2=0.965）和0.367 mg/(L．h)(R2=0.975)。由此表明，进水氨氮负荷达11.53 mg/(L．d)富集的生物膜在养殖废水体系氨氮去除速率最高，且继续提升进水氨氮负荷获得的生物膜未能进一步增加氨氮去除速率。

2.2进水磷酸盐负荷对生物膜反应器启动性能影响

    图4为不同进水磷酸盐负荷下，生物膜反应器启动过程中NH4+-N的去除率。各反应器平均进水氨氮负荷为( 2.7l+0.18)mg/(L．d)，反应器Kl、P2在工况I时均未能进入稳定期，表明进水P043-_P负荷从(0.02+0.01)mg/(L.d)增至(0.10+0.02)mg/(L.d)时，未能有效缩短系统缓滞期，启动时间偏长，分别延迟到42 d(Kl)和38 d(P2)，两反应器才得以进入稳定期，氨氮平均去除率均为97%左右；而当进水P043--P负荷增至( 0.20+0.05)mg/( L-d)时，反应器P3在挂膜24 d后，氨氮去除率达到70%以上，相比对照组(Kl)提前4d达到氨氮高效去除，并提前6d进入97%以上的氨氮稳定去除；进一步提升P043--P负荷至(0.41+0.05)mg/(L．d)(P4)时，反应器P4能在工况I阶段挂膜24 d时即获得90%以上去除，相比对照组提前18 d进入稳定期。当到达稳定期时P2、P3和P4平均氨氮去除率均在97%左右，统计结果显示无显著差异(P<0.05)。结果表明提升P043-_P负荷能够有效加快生物膜反应器的启动。工况Ⅱ阶段调节各组磷酸盐进水浓度至模拟养殖废水水质，装置P2、P3、P4氨氮平均去除率分别为( 97.89±0.69)%、(97.45±0.83)%、(98.06±0.43)%.观察图3反应器Kl、P2、P3、P4挂膜稳定之后24 h内的NH4+-N去除性能。在进水氨氮浓度符合模拟养殖废水水质条件下( (2.43±0.04) mg/L），当水力停留时间为12 h时，4个反应器的NH4+-N去除率均达到90%以上。线性拟合氨氮去除过程发现反应器Kl、P2、P3和P4氨氮去除速率分别为0.178 mg/(L．h)(R2=0.980)、0.189 mg/( L-h)(R2=0.981)、0.180 mg/(L-h)（R2=931）、0.192mg/(L-h)(R2=0.959)。邓肯式复极差检验结果显示系统Kl、P2、P3氨氮去除速率无显著差异，但装置P4氨氮去除速率明显较高（P<0.05）。

2.3进水有机物负荷对生物膜反应器启动性能影响

    图5为各生物反应器在强化进水有机物水平时，不同有机物浓度下NH4+-N的去除率。由图可知，对照反应器(Kl) 《5.12±0.12) mg/(L-d) TOC)，经过28 d的运行，生物膜进入对数增长期，挂膜42 d后进入稳定期。增大进水TOC负荷至(9.98±1.23) mg/(L-d)时，反应器C2延迟2d进入稳定期，氨氮平均去除率稳定在97%左右，与对照组无显著差异(JP<0.05)；进一步提升进水TOC负荷至(20.10±1.25) mg/(L-d)，反应器C3也在运行42 d左右进入稳定器，但氨氮去除率减至( 70.46±1.27)%，显著低于对照组；而当TOC负荷增至(40.12±2.14) mg/(L-d)时(C4)，反应器运行2个月仍未启动成功，氨氮去除率仅为(2.70±1.26)%。由此表明，反应器启动过程中TOC浓度越高氨氮去除抑制越明显。观察图3反应器Kl、C2、C3和C4挂膜稳定之后在模拟养殖废水水质下24 h内的NH4+-N去除性能。由图5可知，Kl反应器在第12小时NH4+-N浓度降至0.10 mg/L，去除率达95.7%，而此时C2、C3和C4反应器的NH4+-N浓度分别降至0.91、1.92和2.48 mg/L，去除率分别为63.6%、23.6%和0.10%。计算得到反应器Kl、C2、C3和C4氨氮去除速率分别为0.178mg/(L.h)(R2 =0.980)、0.122  mg/(L.h)(R2 =0.970)、0.037 mg/(L-h)(R2=0.713)和0.001 mg/cL-h)（R2=0.713）。第24 h时，Kl、C2、C3和C4反应器的浓度分别降至0.02、0.02、0.64和2.47 mg/L，去除率分别达到99.1%，99.4%，74.4%，0.60%，Kl和C2反应器内NH4+-N基本去除完全，而C4基本无去除。由此表明随着有机物浓度增加，氨氧化抑制越明显，有效控制进水有机物负荷对生物膜硝化影响较大。

3讨论

    碳源、氮素及磷素是微生物生长增殖所必须，其水平决定着水体的可生化性。微污染水常为寡营养水质，氨氮及有机物含量往往较低。为强化微生物活性，提高工艺运行性能往往需要为微生物提供生长所需的营养，已有研究报道在生物处理工艺添加有机物、氮素和磷。以上研究主要集中于淡水体系，而海水养殖废水因其盐度效应的影响，微生物增长更慢。图6为各反应器缓滞期和进入稳定期所需的时间。由图6可知，微污染养殖废水水质下启动生物膜反应器需要30 d度过缓滞期最终于42 d获得成熟生物膜，通过增加氮素负荷和磷酸盐负荷均能有效缩短启动时间。其中，尤以提高氮素负荷效果最佳，缓滞期和进入稳定期时间最短仅需8d和10 d(N4)。分析认为，氨氮是氨氧化菌细胞合成的营养物质，增加氨氮浓度，能加快细胞生长的速率；另外，初始氨氮浓度越高的反应器，越有利于氨氧化菌成为优势菌，缩短了生物膜启动时间，结果与其他研究报道一致。而磷是合成核蛋白、卵磷脂及其他磷化合物的重要元素，是合成细胞的重要物质，增加磷酸盐的含量能促进细胞的合成。Sang等研究了添加磷对原水有机物生物预处理的运行性能影响，当添加P043-_P达到50μg/L时，原水的细菌生长能力增加了50%_65%；也有研究指出适量增加溶液中可溶性磷酸盐浓度能促进自养生物膜活性的增加，而缺乏磷酸盐可能延迟生物滤池的启动时间。

    一些研究表明，添加有机物能强化挂膜，然而，碳源对工艺中微生物具有选择性。如葡糖糖能够有效的去除N03--N，但效果不及乙酸。相比乙酸，葡萄糖积累大量的N02--N，这是葡糖糖作为碳源对微生物的选择所造成的。甲醇条件下的N02--N积累能够高达2.2 mg/L，而在乙醇条件下的积累量只有0.534 mg/L，使用乙酸作为碳源能够获得更高的反硝化活性。难降解有机物，如纤维素降解过程比较缓慢，使用纤维素作为有机碳源处理原水需要较长的反应时间。本研究结果显示有盐度胁迫下，虽然有机物的添加有可能加快生物膜的形成，但严重抑制了氨氧化活性。主要原因可能在于水中有机物含量越高越有利于异养菌的生长，异氧菌的优势增殖、添加有机物对微生物的选择性以及盐度胁迫的三重作用使得硝化菌的增殖受到抑制，从而使得去除氨氮的能力下降。

    基于以上结果，不同进水氨氮、有机物和磷酸盐水平均能显著影响生物膜系统的运行性能。为能综合反映进水基质对氨氧化性能影响，以CTN、C/P（质量比）表示进水基质组成情况。有报道显示异养菌所需的碳、氮、磷之比( C/N/P)约为100:10:1。寡营养水体中适当增加磷含量能够增加微生物生长，最适C/P比为100:1.7-2.0。然而，盐度胁迫下寡营养的最适比例与这些报道有所差异。这极有可能是盐度胁迫及寡营养水质双重影响下，微生物采用的应对机制以及对碳氮磷的吸收利用差异所导致的。实验结果表明，低C/N比和C/P比均有利于氨氧化菌富集，有效缩短启动时间。其中进水氨氮负荷达11.53 mg/(L·d)(C/N=0.4)富集的生物膜在养殖废水体系氨氮去除速率最高，且继续提升进水氨氮负荷获得的生物膜未能进一步增加氨氮去除速率，这主要与生物膜的表观亲和力有关。在生物处理体系中，微生物对基质（通常为目标污染物）的亲和性直接影响污染物的去除，半饱和常数Ks可以用来表征微生物对基质的亲和力，K越大越有利于高浓度基质的利用，而Ks越小微生物越能适应寡营养环境，越适合于低水平基质的转化。半饱和常数Ks可以用Monod方程(式(l》计算得到。

 式(l)中，r为氨氮转化速率（kg/( m3·d））rx为氨氮最大转化速率(kg/( m3·d），S为氨氮浓度mg/L，Ks为半饱和常数(mg/L)。由此可得，反应器N2、N3和N4的氨氮半饱和常数K分别为0.07、0.08和3.37mg/L。结果表明，进水氨氮浓度提升至(11.53±0.13)mg/L不会显著增加Ks值，而当进水氨氮浓度提高至( 25.44+0.39)  mg/L( C/N=0.2)时，半饱和常数Ks有了明显提升。由此表明，过高的氨氮浓度会提高生物膜的半饱和常数K值，这不利于所形成的生物膜用于寡营养污染水质的处理。为此，微污染海水循环养殖废水体系控制进水进水NH4+-N负荷至11.53 mg/L( C/N=0.2)左右，能更加有效同步缩短反应器启动时间和提升氨氮去除效率，出水氨氮≤0.02 mg/L。

4结论

微污染养殖废水微生物生长速率低、生物膜工艺启动慢，需要30 d度过缓滞期最终于42 d获得成熟生物膜，通过增加氮素负荷和磷酸盐负荷均能有效缩短启动时间。与之相反，挂膜过程氨氮去除性能随进水有机物浓度升高而抑制作用明显上升。相比而言，在生物膜处理微污染海水循环养殖废水时，提高氨氮负荷降低碳氮比更能有效提高氨氮去除速率，缓滞期和进入稳定期时间最短仅需8d和10 d。

5摘要：针对微污染海水养殖废水生物膜氨氧化T艺处理中启动时间长、处理效果不佳等问题，开展了不同种类营养强化方式（NH4+-N/P04"--P/TOC）对生物膜工艺启动过程氨氧化性能影响研究。结果表明，微污染养殖废水水质下启动生物膜反应器需要30 d度过缓滞期并于42 d获得成熟牛物膜，通过增加有机物水平进一步抑制生物膜氨氧化性能，而增加NH4+-N负荷(2.70-25.44 mg/L)和PO43--p负荷( 0.01-0.41  mg/L)均能有效提高氨氮去除性能和缩短反应器启动时间。其中，尤以提高NH，+-N负荷效果最佳，当NH4+-N负荷分别增至11. 53  mg/L(C/N=0.2)和25.44  mg/L( C/N=0.4)时，反应器进入稳定期时间分别仅需12 d（反应器N3）和10 d（反应器N4）。系统稳定后调节进水负荷至养殖废水水质，各组反应器巾N3氨氮去除速率最高(0.38 mg/(L．h》，且出水氨氮≤0.02  mg/L；并采用Monod方程获得N3牛物膜半饱和常数K值(0.08  mg/L)明显低于反应器N4(3.37 mg/L)。为此，增加进水NH。+-N负荷至11.53 mg/L( C/N=0.2)左右启动生物膜反应器，能更加有效同步缩短反应器启动时间和提升氨氮去除效率。