1海產(chǎn)養(yǎng)殖中的氮素污染簡述

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，海洋養(yǎng)殖魚類僅能利用餌料中20%左右的蛋白質(zhì)，殘余餌料氮素和代謝產(chǎn)生的氮素以氨氮等排泄物、殘餌和糞便等排遺物等形式，大量存在于養(yǎng)殖水環(huán)境。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，導(dǎo)致養(yǎng)殖尾水中無機(jī)氮含量超標(biāo)，不僅影響?zhàn)B殖主物生長，其排入自然水體引發(fā)的水環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重。對此一種處理方法是進(jìn)行換水，這樣會消耗大量水資源且無法解決污染天然水體的問題。本文討論的內(nèi)容基于第二種方法，即循環(huán)水養(yǎng)殖(RecirculatingAquacultureSystem,RAS)。該法是指將養(yǎng)殖用水進(jìn)行處理再利用，被認(rèn)為是一種環(huán)境友好的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式。本文主要討論此模式中可行或已經(jīng)有所應(yīng)用的除氮技術(shù)，并給出利用生物絮凝技術(shù)除氮方案。

2水產(chǎn)養(yǎng)殖中除氮技術(shù)的分類

目前已知的除氮技術(shù)可根據(jù)其主要依據(jù)的原理和技術(shù)手段分為物理化學(xué)除氮技術(shù)和生物化學(xué)除氮技術(shù)。物理化學(xué)除氮技術(shù)主要包括折點氯化法、化學(xué)沉淀法、離子交換與吸附法、氧化法、吹脫法與汽提法、電滲析法等；生物化學(xué)方法主要包括較傳統(tǒng)的傳統(tǒng)生物硝化與反硝化法、曝氣法等，也包括本文所討論的生物絮凝法。

3水產(chǎn)養(yǎng)殖中物理化學(xué)除氮技術(shù)及其缺陷

3.1折點氯化法

折點氯化法是利用有效氯制劑作為氧化劑，將氮鹽氧化還原為N₂從而除去的一種氮素污染處理方法。該法對去除氨氮和亞硝酸鹽等還原性無機(jī)氮方面具備較大作用，值得一提的是，該法還對于水體中的微生物具備一定殺滅作用，能兩方面改善水質(zhì)。但這種方法缺陷非常明顯：含氯氧化劑在養(yǎng)殖水池對水產(chǎn)品有大量化學(xué)副反應(yīng)，對水環(huán)境產(chǎn)生許多其他污染和破壞；由于投加藥劑是該法主要干預(yù)手段，該法的應(yīng)用要考慮加藥成本問題和反應(yīng)最適理化性質(zhì)區(qū)間，折點氯化法要求的水體理化性質(zhì)和加藥量較為嚴(yán)格，此二者可能限制了該法在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理，特別是循環(huán)水養(yǎng)殖中的推廣。

3.2化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法是指向水體中投加一定量的混凝試劑和助凝劑，使得無機(jī)氮以沉淀或以共沉淀的方式加以去除的技術(shù)和方法?？紤]成本，不光是上文中提到的混凝試劑和助凝劑的成本，固液分離與加藥裝置也要考慮投資問題，化學(xué)沉淀法類似于以折點氯化法為代表的化學(xué)氧化法都要投加相關(guān)化學(xué)藥品，因此都存在藥劑成本這一問題，難以做到低成本。

3.3離子交換與吸附法

離子交換法和吸附法類似，分別是利用離子交換樹脂和各種吸附材料去除氨氮等無機(jī)氮。此類方法在處理能力和處理效果上都基本上滿足行業(yè)要求。其中，活性炭的物理吸附作用和天然沸石的離子交換作用得到了許多實驗和小范圍應(yīng)用的驗證和探索，此二者原材料成本也較低，被認(rèn)為具有很大的應(yīng)用價值，特別是在用活性沸石處理方面。該方法優(yōu)點是：操作方便，投資少，工藝簡單，方便實現(xiàn)養(yǎng)殖廠相關(guān)操作與水質(zhì)回用之間的結(jié)合，便于產(chǎn)業(yè)鏈的形成。但是，吸附材料的再生、如何就地選材和應(yīng)用造成該法難以推廣。特別地，在高鹽度、大離子交換容量的海水養(yǎng)殖中，這種方法的成本急劇上升，其有效性可能有所下降。

3.4電解氧化法

電解氧化的作用機(jī)理與化學(xué)氧化法相同，都是基于電子轉(zhuǎn)移，形成一定的氧化還原能力，從而達(dá)到氨氮的氧化去除，區(qū)別在于是利用電解的相關(guān)機(jī)理。相對來說，化學(xué)氧化法中的選擇藥劑，電解氧化法中的水質(zhì)要求，并沒有廣泛適應(yīng)性。雖然電解氧化法在操作、穩(wěn)定、處理能力等方面具有優(yōu)勢，但還需要解決從構(gòu)建成品設(shè)備到解決能耗高、電極材料腐蝕等問題。

3.5吹脫法與汽提法

吹脫法和汽提法都是用吹氣的機(jī)械方式，利用固液相傳質(zhì)平衡，從而促進(jìn)氨氮揮發(fā)去除。但這種技術(shù)對硝酸鹽和亞硝酸鹽氮的作用不大，只能結(jié)合下面所述的生化脫氮來進(jìn)行。吹脫可以采用不同的技術(shù)，一般分為自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和鼓風(fēng)通風(fēng)。但就低氨氮濃度污染而言，只能采用強(qiáng)機(jī)械通風(fēng)或鼓風(fēng)通風(fēng)，這將導(dǎo)致巨大的運營成本。汽提法通過直接或間接加熱或者蒸汽去除氨氮，更是存在嚴(yán)重的能耗問題。在相對氨氮濃度較低的情況下上述缺點更加放大化。

4水產(chǎn)養(yǎng)殖中傳統(tǒng)生物化學(xué)除氮技術(shù)及其缺陷

傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)一般包括硝化與反硝化兩個過程，分別利用的是一系列種類的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌。生物硝化一般是指硝化細(xì)菌在好氧條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽的一系列生化作用。反硝化是指反硝化細(xì)菌在沒有分子氧的情況下，利用相關(guān)含碳物質(zhì)將硝酸鹽和亞硝酸鹽氮還原為氮氣，從而轉(zhuǎn)移氣相的生化作用。

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝包括厭氧—好氧法和厭氧—缺氧—好氧法等。這一系列的傳統(tǒng)生物脫氮工藝一般基建造價較高，運行管理和維護(hù)對于普通養(yǎng)殖人員來說有一定難度，需要特定技術(shù)人員來完成。包括活性污泥和生物膜等方面都會在運行中出現(xiàn)相應(yīng)技術(shù)問題。此外傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)與水產(chǎn)養(yǎng)殖所產(chǎn)生污水特點結(jié)合并不緊密，因此不能很好做到海產(chǎn)養(yǎng)殖廠的低成本水質(zhì)回收利用，但另一個角度上說，對集中處理區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖所匯集的含氮污水具備一定意義。

5利用生物絮凝技術(shù)解決除氮問題

5.1生物絮凝技術(shù)及其原理概述

生物絮凝技術(shù)(Bio-flocTechnology,BFT)被認(rèn)為是解決海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖，特別是循環(huán)水養(yǎng)殖所面臨的氮素污染、養(yǎng)殖環(huán)境制約和部分養(yǎng)殖飼料成本較高等問題的有效解決技術(shù)。基于生物絮凝技術(shù)的循環(huán)水海產(chǎn)養(yǎng)殖模式(BioflocAquacultureSystem,BAS)可以凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境，同時也可以實現(xiàn)部分餌料的多次利用。因此該模式被認(rèn)為是具有較好生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益的循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖模式，現(xiàn)正在以色列、美國等國家為主進(jìn)行研究、實踐和逐步推廣。

這種生物絮凝工藝最早是作為對城市污水的處理方法來研究的。其實質(zhì)是異養(yǎng)微生物的無機(jī)氮同化過程，即微生物將氨氮等無機(jī)氮轉(zhuǎn)化成自身物質(zhì)。近些年，生物絮凝技術(shù)獲得了較大程度的推廣應(yīng)用。雖然對生物絮凝機(jī)理進(jìn)行研究的非常多，但目前有關(guān)生物絮凝技術(shù)的原理實證性成果還相對空白，這一現(xiàn)象也表明了該技術(shù)機(jī)理的復(fù)雜性。

僅就膠體系絮凝劑機(jī)理而言，較為經(jīng)典的絮凝機(jī)理包括胞外電性中和機(jī)理、聚合物橋架機(jī)理、體外纖維素纖絲機(jī)理、疏水機(jī)理、莢膜機(jī)理等。綜合文獻(xiàn)報道，絮凝過程復(fù)雜，絮凝劑分子的構(gòu)型、分子量的大小、絮凝劑分子種類、絮凝劑濃度、水體pH、絮凝劑膠體性質(zhì)等因素影響該過程和機(jī)理。

應(yīng)用層面上，該技術(shù)的應(yīng)用價值主要是實現(xiàn)水體中無機(jī)氮的有效轉(zhuǎn)化。這就是說水體中溶解態(tài)的碳、氮比維持某一平衡(例如碳氮比大于等于15)，水體中的無機(jī)氮可以通過吸收利用轉(zhuǎn)化成異養(yǎng)微生物的生物量。大量研究表明，異養(yǎng)細(xì)菌的生長代謝速率快于硝化細(xì)菌類的自養(yǎng)細(xì)菌，所以實驗和理論分析都表明，異養(yǎng)氮素轉(zhuǎn)化快于硝化、反硝化作用實現(xiàn)的自養(yǎng)轉(zhuǎn)化，因此生物絮凝技術(shù)優(yōu)化了循環(huán)水養(yǎng)殖的氮素污染處理及整個過程。

5.2水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中生物絮凝過程及其條件

去除對水質(zhì)有影響的氮化合物，在生物絮凝過程中主要可以通過以下途徑實現(xiàn)：(1)藻類及原生動物光合作用；(2)異養(yǎng)微生物同化作用；(3)硝化細(xì)菌化能合成作用。比較這三者可知：異養(yǎng)微生物群落生長繁殖穩(wěn)定，一般不造成水體理化性質(zhì)的大幅變化，也不受光照等條件影響。因此，生物絮凝與其他自凈化技術(shù)的區(qū)別是將養(yǎng)殖環(huán)境中的浮游植物群落自養(yǎng)凈化轉(zhuǎn)變成異養(yǎng)的細(xì)菌群落凈化。生物絮凝過程需要滿足的條件包括但不限于：足夠的混合強(qiáng)度、好氧環(huán)境，需要足夠的有機(jī)碳源和C/N，合適的溫度、pH、總懸浮固體量。

5.3水產(chǎn)養(yǎng)殖中生物絮凝法的優(yōu)勢

生物絮凝技術(shù)在循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖還利用水體中殘餌和糞便等碳源，絮凝后形成可以被養(yǎng)殖對象攝食的生物絮凝體。這一過程實現(xiàn)飼料所含氮素的再次利用，提高了飼料中氮素轉(zhuǎn)化率。簡單來說，在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中利用BFT凈化養(yǎng)殖水體只需要提供碳源，對理化性質(zhì)要求不高，因而區(qū)別與上述化學(xué)法成本較低。該技術(shù)可以解決養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)問題，也可降低飼料成本，在以色列、加拿大、美國等國家正在推廣，對于我國實現(xiàn)“面向海洋，經(jīng)略海洋”的海水養(yǎng)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，和“既要綠水青山，也要金山銀山”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供了一個很好的海水集中養(yǎng)殖參考模式。

5.4水產(chǎn)養(yǎng)殖生物絮凝工藝分類

水產(chǎn)養(yǎng)殖中生物絮凝工藝可分為兩種：一是自養(yǎng)和異養(yǎng)相結(jié)合的藻菌共生生物絮凝，二是以細(xì)菌等異養(yǎng)微生物為主的生物絮凝。藻菌共生生物絮凝需要光照，適宜于室外養(yǎng)殖，細(xì)菌為主生物絮凝不需要光照，適宜于室內(nèi)處理。水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中應(yīng)用生物絮凝技術(shù)也可如下分類：一是直接在養(yǎng)殖池進(jìn)行，比如在露天海蝦養(yǎng)殖池中添加碳源并曝氣。二是將養(yǎng)殖水泵出原養(yǎng)殖池，于序批式反應(yīng)器(Sequencingbatchreactors,SBR)中進(jìn)行生物絮凝。后者完成生物反應(yīng)后回水或收集絮體可進(jìn)行投喂，能更好地與循環(huán)水養(yǎng)殖結(jié)合，解決養(yǎng)殖含氮廢水處理問題。

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