生物膜法处理养殖废水的研究

1、张寒冰等：生物膜法处理养殖废水的研究 29生物膜法处理养殖废水的研究张寒冰，黄凤莲，周艳红，夏北成*，陈桂珠中山大学环境科学与工程学院，广东 广州 510275摘要：室内模拟研究生物膜法处理养殖废水的效果及其影响因素。实验结果表明，连续曝气或者不曝气，生物膜法对养殖废水中的硝酸盐氮去除效果都很差。曝气条件下生物膜法对codcr、nh4+-n、no2-n均有较好的净化效果，codcr、nh4+-n、no2-n的去除率可分别达到79、99、99；不曝气条件下生物膜法对codcr、nh4+-n、no2-n净化效果稍差，codcr、nh4+-n、no2-n的去除率可分别达到78、35、76。曝气会增加

2、养殖废水中po43+-p的质量浓度，增幅可达82；不曝气时po43+-p的去除率可达63。投加复合菌株有利于生物膜的形成和处理效果的提高。关键词：养殖废水；生物膜法；去除效率；曝气中图分类号：x703 文献标识码：a 文章编号：1672-2175（2005）01-0026-04随着经济的发展和人民生活水平的提高，对水产品的需求逐渐增大，高密度的水产养殖方式在世界各地蓬勃发展，养殖生物产生的代谢产物、残饵及残骸是养殖水体的主要污染源。养殖废水中氮、磷含量高，直接排放易引起周围水体的富营养化，破坏水源，污染环境；同时，养殖水体的污染也制约着养殖业发展，由于水质恶化，水体中溶解氧下降，氨氮和亚硝酸盐

3、含量升高，众多研究表明，氨氮和亚硝酸盐对养殖生物的生长有较大毒害作用，严重时会造成养殖生物的大量死亡，给水产养殖造成极大的经济损失1。我国传统的污染控制技术多为物化处理技术，如沉淀和过滤，定期换水等，运行费用高但处理效果并不理想。由于养殖废水的可生化性好，利用微生物处理可以原位修复，在一定程度上实现水体的循环利用，养殖废水的生物净化处理技术研究日益受到社会的关注。生物膜法因具有产生污泥少，运行管理方便，处理费用低的优点，在养殖废水处理方面具有独特优势。本研究采用同一种挂膜材料，通过控制曝气强度，探讨了不同充氧条件下微生物对养殖废水的处理效果，同时比较了自然挂膜与人工挂膜对养殖废水的处理效果，以

4、期为养殖废水的处理提供参考。1 材料与方法1.1 材料试验所用微生物菌种为实验室从养殖系统分离培养而获得的混合菌系，即将培养的光合细菌、硝酸盐细菌、亚硝酸盐细菌、反硝化细菌按51.51.52的体积混合成为混合细菌液。试验所用的养殖废水是通过在室内养鱼，并加大投饵量，经7天培养后所形成的养殖废水，cod质量浓度为84130 mg/l，ph 6.27.1，nh4+-n质量浓度为3.61 mg/l10.67 mg/l, no2-n质量浓度为0.08 mg/l2.02 mg/l。试验挂膜材料为广州阿科蔓生态环境技术有限公司提供的阿科蔓生态基，尺寸为0.3 m0.25 m0.4 cm。试验盛水装置为75

5、 l的白色塑料桶。1.2 方法每个白色塑料桶中加入50 l养殖废水，在桶底部放置0.3 m0.25 m0.4 cm的阿科蔓生态基，进行直接挂膜，设a1、a2、a3、a4等4组试验处理，a1、a2、a3均投加250 ml混合细菌，a1、a2连续曝气，a1曝气量为0.112 m3/h，a2曝气量为0.180 m3/h，a3不曝气，a4既不曝气，也不投菌，将生态基置于各处理的底部。试验设置后第1、3、5、7、9、12、19天分别测定各个处理中的水质，测定指标为nh4+-n、no2-n、no3-n、po43-p、tn、do等。codcr的测定时间为试验设置后第6、8、13、18天。氨氮、亚硝酸盐、硝酸

6、盐、磷酸盐、总氮、溶解氧的测定分别采用纳氏试剂光度法、萘乙二胺分光光度法、紫外分光光度法、钼锑抗分光光度法、过硫酸钾氧化-紫外分光光度法、碘量法-叠氮化钠修正法，cod的测定采用hach公司的thm reactor model 49100加热消解，hach dr/2400型便携式分光光度计测定。水质分析方法见参考文献2。2 结果与讨论图2 生物膜法对nh4+-n的去除效率fig. 2 the removal rates of ammonia nitrogen under biological treatment2.1 codcr的去除试验所用的阿科蔓生态基比表面积较大，内部具有疏松的孔结构，一

7、方面它可以在短时间内吸附水体中大量的悬浮有机物，降低水中有机物的浓度；同时，生态基的这种结构为水中微生物的生长繁殖提供了较好的环境空间，有机物被吸附后，进一步被生物膜上的微生物分解利用，产生二氧化碳等无机物，废水得到净化3。养殖水环境中的有机物种类十分复杂，很难逐一进行定性与定量，这里采用codcr作为表征养殖水环境中受有机污染程度的综合性指标。图1 生物膜法对codcr的去除效率fig. 1 the removal rates of codcr under biological treatment由图1可见，a1、a2、a3、a4这4个处理对codcr的去除率都随着时间的增长而增大，a1在第

8、6天时对codcr的去除率已达70左右，其后去除率增幅不大，而a2、a3 对codcr的去除率在6天后仍增长，最终a1、a2、a3对养殖废水中的codcr均达到77以上的去除率，a4在第9天对codcr的去除率只有54左右，随着时间的增长对codcr的去除率并没有明显增加。由此可见，向养殖水体投加工程菌，或者曝气，都会增强生物膜对codcr的去除率；曝气量并不是越大越好，应根据水质状况选择合适的范围；采用人工挂膜的手段，比自然挂膜更能有效去除养殖水体中的有机物。2.2 氨氮的去除养殖废水中氨的来源主要包括养殖生物的排泄，生物残体的分解，剩余饵料的分解等，氨的去除方法有吹脱法、植物吸收、通过硝化

9、反应转化为亚硝酸盐或硝酸盐4。本研究中氨氮的去除主要是通过生物硝化作用，也有部分氨氮挥发至空气中。由图2可知，a1、a2两个处理对氨氮有很好的去除率，均达到97以上，而a3、a4对氨氮的去除效果较差，只有30左右。因此曝气对氨氮的去除有重要的作用，一方面曝气可以保证养殖废水中有充足的溶解氧，有利于硝化细菌的生长繁殖，将水体中的氨氮转化为硝酸盐；另一方面，曝气加强了水的紊动，可以使一部分氨从系统中挥发出去。在试验进行的前3天里，a2、a3、a4等3个处理的氨氮增加，分析是水中的含氮有机物发生了分解，转化为氨氮，且分解速度大于细菌对氨氮的硝化速度。2.3 亚硝酸盐的去除图3 处理过程中no2-n的

10、质量浓度变化fig. 3 the mass concentration dynamics of nitrites during the treating process由图3可知，各处理中亚硝酸盐的质量浓度变化趋势大致相同，亚硝酸盐的质量浓度先快速升高，然后再从峰值很快降低到低质量浓度，第12天后变化逐渐平缓，a1、a2、a3、a4等4个处理最终的亚硝酸盐质量浓度都低于0.06 mg/l,达到地表水i类标准。亚硝酸盐是硝化反应的中间产物，在水体中很不稳定，易氧化为稳定的硝酸盐或被还原成氨氮、亚硝酸盐和氮气。由氨氮的变化趋势以及硝酸盐含量的增长情况，可以推断在试验初期氨氮被不断氧化为亚硝酸盐，随

11、着氨氮浓度的逐渐降低和亚硝酸盐进一步转化为硝酸盐，亚硝酸盐质量浓度开始从峰值回落。 2.4 硝酸盐和总氮的变化趋势由图4可知，试验的4个处理，除了a1的硝酸盐质量浓度在第19天略有降低，a3的硝酸盐质量浓度有一定波动，硝酸盐质量浓度变化的大致趋势是随着时间的增加而增大。测定水体中的总氮，a1、a2、a3、a4在试验开始第1天总氮质量浓度分别为13.766 mg/l、15.182 mg/l、31.201 mg/l、25.740 mg/l，试验结束时分别为16.112 mg/l、19.591 mg/l、32.253 mg/l、29.421 mg/l，各处理中总氮质量浓度增加，底泥的释放作用是一个重

12、要的原因。但可以看出，各处理对养殖废水中总氮的去除效果很差，综合图2、图3、图4可知，4个处理中都呈现出较强的硝化作用，没有明显的反硝化作用。图5 处理过程中po43-p的质量浓度变化fig. 5 the mass concentration dynamics of phosphatesduring the treating process2.5 可溶性磷的去除图4 处理过程中no3-n的质量浓度变化fig. 4 the mass concentration dynamics of nitrates during the treating process由图5可见，a1、a2中的可溶性磷质量浓

13、度分别由开始的0.847 mg/l、1.541 mg/l上升到1.541 mg/l、2.552 mg/l，a1、a2对废水中可溶性磷没有去除效果，究其原因，一是聚磷菌虽然是好氧菌，但必须在厌氧条件下释磷，才能好氧吸磷，厌氧区的设置是除磷的关键，a1、a2的水体中的do质量浓度一直在67 mg/l,由于微生物的竞争过程使聚磷菌在生长过程中不占优势，含量很低，起不到生物除磷的作用5。a3、a4没有曝气，a3中do质量浓度一直在12 mg/l左右，a4中do质量浓度在23 mg/l左右，实验所测的do水样均为桶中部的水样，可以推断在桶底部水中do质量浓度更低，桶上部水中do质量浓度稍高，即a3、a4

14、两个处理中既有厌氧环境，又有好氧环境，比较适合聚磷菌的生存，a3对可溶性磷的去除率有62.55%，a4对可溶性磷的去除率为22.35。3 结论（1）用生物膜法处理养殖废水，挂膜周期短，去除水体中有机物、有害氮化合物效率高。实验中挂膜材料直接在养殖废水中进行挂膜，在第2天材料上已吸附大量有机物，生物膜逐渐形成，在实验第7天时对水体中的氨氮、亚硝酸盐和有机物都达到较高的去除率，生物膜成熟。（2）a1、a2、a3、a4四个处理中都发生了较强的硝化反应，反硝化作用不明显。连续曝气和完全不曝气都不利于反硝化作用的进行，且四个处理的do质量浓度均高于1 mg/l,也对反硝化菌产生了毒害作用，可见创造好厌氧

15、交替的环境，间歇曝气，在厌氧段严格控制do质量浓度是生物脱氮的关键6。 （3）在连续曝气的条件下，生物膜法对养殖水体中有害的氨氮和亚硝酸盐有很好的去除效果，尤其对氨氮的去除效果比不曝气的好，曝气量并不是越大越好，应根据情况控制在适宜的范围内。连续曝气对水体中可溶性磷的去除没有明显效果，不曝气时则可使水中可溶性磷浓度明显下降。（4）在a3中投加了混合菌进行挂膜，a4进行自然挂膜，a3、a4对codcr的去除率分别为78、54%，对po43+-p的去除率分别为62、22%。可见投加人工培养的混合菌株，进行人工挂膜，会增强微生物对养殖废水中的codcr、po43+-p的处理能力。（5）如何控制do、

16、c/n等,投加降解能力强的菌种，如何使混合菌共存并发挥各自的作用，都是值得深入探讨的问题，对养殖废水的脱氮除磷处理具有重要的现实意义。参考文献：1 王彦波, 许梓荣, 邓岳松. 水产养殖中氨氮和亚硝酸盐氮的危害及治理j. 饲料工业, 2002, 23(12): 46.wang yan-bo, xu zi-rong, deng yue-song. the environmental insults and treatment of ammonia nitrogen & nitrites with aquaculturej. feedstuff industry, 2002, 23(12): 46

17、.2 国家环保局. 水和废水监测分析方法m. 北京: 中国环境科学出版社, 2002.state environmental protection administration of china. monitoring and analysis methods of water & wastewaterm. beijing: china environmental science publishing house, 2002.3 纪轩. 废水处理技术问答m. 北京: 中国石化出版社, 2003: 224.ji xuan. interlocution of wastewater treatmen

18、t technologym. beijing: china petrochemical industry publishing house, 2003: 224.4 gross a, boyd c e, wood c w. ammonia volatilization from freshwater fish pondsj. journal of environmental quality, 1999, 28(3): 793-797.5 纪轩. 废水处理技术问答m. 北京: 中国石化出版社, 2003: 315.ji xuan. interlocution of wastewater trea

19、tment technologym. beijing: china petrochemical industry publishing house, 2003: 315.6 赵由才, 袁园, 李广科, 等. 环境工程化学m. 北京: 化学工业出版社, 2003: 361.zhao you-cai, yuan yuan, li guang-ke, et al. chemistry of environmental engineeringm. beijing: chemical industry press, 2003: 361.treatment of aquaculture wastewate

20、r by the biological film processzhang han-bing, huang feng-lian, zhou yan-hong, xia bei-cheng, chen gui-zhuschool of environmental science and engineering, zhongshan university, guangzhou 510275, chinaabstract: the performance and affecting factors of treating aquaculture wastewater with biological process were investigated in laboratory. according to the results, nitrates in aquaculture wastewater were little removed by biological treatment under continuous aeration, and so did it withou