<span class="emphasis_bold">不同滤料和碳氮比对对虾养殖尾水处理效果的影响</span>

章霞1，徐志进1，柳敏海1，李凌刚1，殷小龙1，罗海忠2，傅荣兵1，李伟业1，张川1，油九菊1

(1.浙江省舟山市水产研究所，浙江舟山 316000；2.舟山市海洋与渔业局，浙江舟山 316000)

摘要:为探究不同滤料和碳氮比对对虾养殖尾水处理效果的影响，采用藤壶壳和聚乙烯(PE)作为生物滤料，考察了碳氮比分别为5、10、20、30时对南美白对虾Penaeusvannamei养殖尾水的水处理效果。结果表明：碳氮比分别为5、10、20时，藤壶壳组的总氨氮、亚硝酸盐去除率高于PE组，但碳氮比为30时，藤壶组和PE组的总氨氮和亚硝酸盐去除效果无显著性差异(P>0.05)；藤壶组和PE组在碳氮比为20和30时，总氨氮去除率在30 h后均显著高于碳氮比为5和10时(P<0.05)，去除率高于98%；藤壶组和PE组碳氮比为10、20、30时，在30 h后亚硝酸盐去除率显著高于碳氮比为5时(P<0.05)，去除率高于93.79%。综合本研究中不同滤料和不同碳氮比对水质处理效果的研究结果，并结合藤壶壳和PE的经济成本，建议尾水处理中碳氮比取20∶1，滤料取藤壶壳较为适宜。

目前，随着中国对虾养殖业的迅速发展，其养殖废水排放问题也越来越受关注[1-3]。在养殖生产过程中，以南美白对虾Penaeusvannamei为例，根据其养殖生产需要，在养殖中后期2个月，每667 m2虾塘平均每天的排放水量约为100 m3，以1 hm2大棚养殖计算，每天需排放1500 m3养殖废水[4]，因此,需要对对虾养殖废水进行处理。

利用生物填料截留水体中的悬浮物，通过固着微生物群体的各种生化反应降低水体中的有机物、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐等是国内外研究较多的水处理方法[5]。生物填料性质[6]、水质条件(酸碱度、水温、盐度等)[7]和运行条件(挂膜方式[8]、碳氮比[9]、水力停留时间[10])等因素会影响废水处理效果。聚乙烯(PE)是一种常见生物滤料，因其造型多样、比表面积大、密度小、易反冲洗、水质处理效果好等特点，被广泛应用于工厂化循环水水处理中，但这一类的生物填料成本较高[11]。藤壶壳遍布于海域的潮间带至潮下带浅水区域，资源量丰富，个体比表面积大，生物附着性好[12]。前期研究结果表明，藤壶壳相较于陶瓷环、PE具有更优异的生物挂膜特性和水处理效果[13]。本研究中选用了藤壶壳、PE两种滤料，通过设定同种滤料不同的碳氮比进行水处理组效果比较，探究了生物滤料性质和碳氮比对水处理效果的影响，旨在为对虾养殖生产过程中的废水处理提供参考依据。

1材料与方法

1.1材料

2017年3月15日开始，取藤壶壳和PE各约600 L，放入浙江华兴水产科技有限公司南美白对虾虾塘(28 m×30 m)中自然挂膜40 d，之后取出略加冲洗，分装于自制的循环水水处理运行装置[13]中。该装置上部桶体中放置40 L生物滤料，下部桶体中盛放200 L尾水，通过水泵(流量2600 L/h)实现下进水上出水循环。生物滤料选取藤壶壳和常用滤料PE。藤壶壳形状似去顶圆锥小体，中空，个体大小不一；PE为圆柱体，底半径为0.8 cm，高1.0 cm，侧面有25个棱；具体形态见图1。

本试验中采用的自制的循环水水处理运行装置和生物滤料(藤壶壳和PE)与实验室前期开展的藤壶壳应用于对虾养殖尾水处理初步研究[13]中的一致。

1.2方法

1.2.1 试验设计 2016年3月—7月浙江华兴水产科技有限公司对南美白对虾养殖尾水各项水质指标监测结果的上限值：总氨氮(TAN)浓度为10 mg/L，亚硝酸盐

浓度为8 mg/L，磷酸盐

浓度为1 mg/L，硝酸盐

浓度为1 mg/L，总有机碳(TOC)浓度为100 mg/L。本试验中根据此结果进行人工尾水配置,在200 L洁净海水中分别投放硫酸铵12 g、亚硝酸钠8 g、磷酸二氢钾1.2 g、硝酸钾1.4 g，使水中总氨氮(TAN)初始值为12 mg/L，亚硝酸盐

为8 mg/L，磷酸盐

为1.2 mg/L，硝酸盐

为1 mg/L，碳氮比计算以TOC与无机氮(总氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐三者的总和)的比值为基准，设置不同碳氮比的藤壶壳组和PE组，组别设计见表1。共设8个组，每组设3个重复。

1.2.2 水质指标的测定总有机碳采用葡萄糖调节，每隔6 h取样,使用总有机碳分析仪TOC—LCPH CN200进行测定；总氨氮、亚硝酸盐、磷酸盐间隔5 h取样，采用GB17378.4—2007次溴酸盐氧化法测定总氨氮含量，采用GB17378.4—2007萘乙二胺分光光度法测定亚硝酸盐含量，采用GB17378.4—2007磷钼蓝分光光度法磷酸盐测定磷酸盐含量。

表1试验组别设计
Tab.1Designoftestgroups

组别group碳氮比C∶N ratio 藤壶壳组barnacle group1(对照)2345∶110∶120∶130∶1PE组PE groupA(对照)BCD5∶110∶120∶130∶1

1.3数据处理

试验数据均以平均值±标准差(mean±S.D.)表示，采用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行统计分析，显著性水平设为0.05。

2结果与分析

2.1不同碳氮比处理组中TOC含量的变化

藤壶壳组和PE组在48 h内TOC去除率呈先增大后下降趋势。从表2可见：在6 h时，不同碳氮比的藤壶壳组和PE组间TOC去除率无显著性差异(P>0.05);12 h时，藤壶组TOC去除率组1显著高于组2、组3、组4(P<0.05)，PE组TOC去除率组A显著高于组B、组C、组D(P<0.05),且组1 TOC去除率显著高于组A(P<0.05)；在30 h时，TOC去除率依次为组B >组1>组A>组2>组D>组C>组3>组4，其中，组B的TOC去除率显著高于其他组(P<0.05)，组1和组A显著高于组3、组4、组C、组D(P<0.05)；48 h时，组1、组2、组3、组A、组B、组C间TOC去除率无显著性差异(P>0.05)，且均显著高于组D、组4(P<0.05)。

2.2不同碳氮比处理组中总氨氮含量的变化

8个试验组中的总氨氮浓度的变化规律不一。从表3可见：藤壶壳组和PE组在前15 h各组总氨氮去除率逐渐上升，且组2、组3、组4出现峰值，各组总氨氮去除率依次为组4=组3>组D>组2>组C>组1>组A>组B，组2、组3、组4总氨氮去除率显著高于组C、组1、组A、组B(P<0.05)；在30 h时，组3、组4、组C、组D总氨氮去除率趋于稳定，去除率高于98%，在30 h后，组1、组2、组A、组B出现波动；在40～50 h时，组3、组4、组C、组D间总氨氮去除率无显著性差异(P>0.05)，且显著高于组2、组1、组B、组A(P<0.05)。

表2藤壶壳组和PE组不同时间段TOC的去除率
Tab.2TOCremovalrateinbarnacleandPEgroupsatdifferentperiods(h) %

组别group6 h12 h18 h24 h30 h36 h42 h48 h1(对照)234A(对照)BCD26.51±2.63a15.99±4.12a8.25±2.70a8.04±1.58a18.75±3.40a7.81±1.39a4.26±1.26a3.31±0.89a68.38±5.64d47.35±5.43c33.11±3.08b23.90±3.15b67.83±4.60c43.82±5.99ab23.09±2.64ab14.88±3.71a73.49±3.43e69.00±7.11d52.40±3.42c42.12±1.74b78.54±4.54e62.92±4.40d41.95±5.89b32.11±4.02a78.30±3.44ef73.61±3.78de54.69±4.11c49.83±3.40b80.62±4.50f67.46±5.02d48.73±4.36b36.99±5.03a95.87±3.30d92.33±3.12cd84.00±4.16b78.29±4.61b95.86±3.08d97.10±1.32e84.38±4.05b86.49±5.99a86.48±4.12d85.15±5.12cd76.27±3.87ab62.92±4.08a91.17±1.86d87.13±3.43d74.41±4.57ab44.92±4.68bc89.71±4.27d87.22±4.84d85.46±4.84c49.13±4.77b90.25±4.45d89.72±3.16d87.58±2.60c68.65±3.60a90.29±3.61c87.74±4.17c86.76±6.99c70.00±5.96a93.00±3.15c90.89±1.15c87.71±4.40c54.95±4.63b

注：同列中标有不同小写字母者表示组间有显著性差异(P<0.05)，标有相同小写字母者表示组间无显著性差异(P>0.05)，下同

Note：The means with different letters within the same column are significantly different in different groups at the 0.05 probability level, and the means with the same letters within the same column are not significant differences, et sequentia

表3藤壶壳组和PE组不同时间段总氨氮(TAN)的去除率
Tab.3TANremovalrateinbarnacleandPEgroupsatdifferentperiods(h) %

组别group5 h10 h15 h20 h25 h30 h35 h40 h45 h50 h1(对照)234A(对照)BCD9.87±1.92c15.23±3.09c9.12±1.04c30.77±4.74d-7.44±0.49a33.64±3.71d-2.53±4.11b11.52±4.95c62.84±9.39b32.12±6.00a53.79±5.43b78.63±7.98c54.23±13.31b56.22±7.38b53.28±7.32b57.25±5.02b86.06±3.82c97.98±0.37e99.91±0.02e99.91±0.02e67.88±0.24b51.81±1.69a95.20±0.36d99.60±0.06e43.23±6.70b77.18±3.81c90.69±1.61ef89.72±0.65e20.74±2.26a89.18±1.04d91.42±1.75ef96.31±1.42f42.42±5.00b73.55±2.22d75.33±1.86d68.11±0.72c34.29±3.36a73.85±1.71d84.89±0.61e86.27±1.23e44.09±7.33a78.49±2.19b99.70±0.03c99.90±0.2c99.92±0.02c99.36±0.02c99.98±0.00c99.99±0.00c20.40±3.96b27.01±0.05c99.74±0.02d99.98±0.32d0.37±1.81a98.65±5.02d99.93±1.56d99.98±1.09d41.20±2.19c57.61±4.74d99.84±0.04e99.98±0.00e-1.53±0.95a5.75±0.005b99.33±0.02e99.99±0.01e31.08±3.05c45.12±2.42d98.63±0.03e99.70±0.00e-6.80±4.99a21.50±6.67b99.73±0.08e99.96±0.00e51.68±0.71c59.15±6.12d99.25±0.42e99.98±0.01e-17.56±4.03a35.49±2.00b99.47±0.00e99.94±0.01e

2.3不同碳氮比处理组中亚硝酸盐含量的变化

从表4可见：在10 h时，各组亚硝酸盐去除率依次为组4>组D>组C>组2>组B>组1>组3>组A，10 h时相同碳氮比的藤壶组亚硝酸盐去除率均高于PE组(组C除外)；在15 h时，各组的亚硝酸盐去除率均在99%以上(组A除外)，组间无显著性差异(P>0.05)；15 h后，组1、组A、组2、组B的亚硝酸盐去除率开始下降，组A下降趋势比组1大；在50 h时，组3、组4、组C、组D的亚硝酸盐去除率稳定在99%以上，且组3、组4、组C的亚硝酸盐去除率显著高于其他各组(P<0.05)。

表4藤壶壳组和PE组不同时间段亚硝酸盐的去除率
Tab.4NitritenitrogenremovalrateinbarnacleandPEgroupsatdifferentperiods(h) %

组别group5 h10 h15 h20 h25 h30 h35 h40 h45 h50 h1(对照)234A(对照)BCD54.32±1.28e31.63±4.98b46.15±2.10d53.35±1.58e37.77±0.65c55.30±2.74e18.33±2.82a46.62±2.62d62.86±1.73c66.42±1.08de57.80±2.22b93.28±0.34g37.52±1.28a65.36±1.01d67.99±0.72e72.87±1.16 f99.95±0.01b99.58±0.04b99.95±0.005b99.94±0.01b80.24±0.78a99.60±0.22b99.96±0.01b99.98±0.004b94.10±0.30b99.94±0.004c99.95±0.007c99.96±0.005c90.59±0.34a99.95±0.01c99.83±0.02c99.95±0.008c88.43±0.44a99.95±0.004c99.67±0.06c99.93±0.01c99.97±0.01c99.81±0.01c99.96±0.02c92.10±0.17b81.64±0.28a99.90±0.02c99.56±0.02b99.59±0.05b99.96±0.006c99.94±0.02c99.89±0.02c99.94±0.01c77.78±0.44b98.57±0.23c99.94±0.04d99.56±0.31d75.68±0.51a99.46±0.10d99.67±0.07d99.94±0.01d77.02±0.37b96.42±0.50c99.67±0.02d99.90±0.03d66.34±2.10a97.62±0.21c99.91±0.03d99.92±0.03d78.09±1.24b97.23±0.37d99.73±0.03e99.96±0.01e67.90±0.53a93.79±0.84c99.04±0.14e99.79±0.03e76.62±0.83b95.67±0.38c99.90±0.02e99.97±0.01e65.14±0.18a96.16±0.09d99.94±0.01e99.31±0.20d

3讨论

3.1不同滤料对水处理效果的影响

水处理的生物滤池系统中较常使用的主要是天然滤料和合成滤料，天然滤料包括珊瑚石、贝壳、火山石等，合成滤料分为无机滤料(如活性炭、陶环、“细菌屋”等)和有机高分子滤料(如生化棉、藤棉、PE等)[14]。研究表明，不同滤料的水处理效果不同。崔云亮等[15]在室内循环养殖系统中比较了珊瑚砂、红色呼吸环、白色玻璃环、火山岩和细菌球 5 种生物滤料的生物挂膜效果及挂膜成熟后氨氮处理效果。5种生物滤料中，珊瑚砂和红色呼吸环的效果最优，约 23 d 完成挂膜，氨氮去除率为 98.5%。李思敏等[16]研究表明，活性炭滤池对

和 TN 的去除效果优于石英砂滤池和陶粒滤池，石英砂滤池对浊度的去除效果优于活性炭滤池和陶粒滤池。本研究表明，15 h时，同种碳氮比情况下，藤壶壳组组1、组2、组3的总氨氮去除率均显著高于对应PE组的组A、组B、组C，组4的总氨氮去除率也高于组D，但无显著性差异。藤壶壳组组1的亚硝酸盐去除率总体上显著高于对应PE组的组A，但其他各组间无显著性差异。可见，藤壶壳组碳氮比在5～20时的水处理效果总体上优于PE组，这可能是因为藤壶壳属于天然滤料，自身生物群落丰富且比表面积大，生物附着性好，而 PE 属于塑料填料，表面相对来说光滑，生物量较少[13]，故对水质处理效果有一定的影响。但在碳氮比的调节下，可适当减少水处理效果差异。本研究表明，当碳氮比为30时，两种滤料组的水处理效果总体上无显著性差异，因此，推荐在有藤壶壳资源的情况下可优先应用藤壶壳作为生物滤料，不仅水处理效果良好，还可节约生产成本。

3.2不同碳氮比对水质处理效果的影响

近年来，调节水体中碳氮比已成为调控养殖水质和优化尾水处理效果的常用方法[17]。其原理在于添加碳源以促进优化异养细菌的生长，进而起到改善水质的作用[18-20]，有研究证实，通过添加葡萄糖来提高环境中碳氮比可明显促进海水细菌总体生长水平[21-22]，而本研究中采用葡萄糖调节污水碳氮比后，各组在30 h时TOC的去除率均在78%以上，碳氮比为5和10的组TOC去除率在92%以上，显著高于碳氮比为20和30的组，在30～50 h阶段，碳氮比为5、10、20的组，TOC去除率趋于稳定；藤壶壳组和PE组碳氮比为10、20、30的组在15 h时总氨氮和亚硝酸盐去除率迅速上升，显著高于同种滤料的对照组，在30 h后，碳氮比为20、30的组总氨氮去除率显著高于同种滤料碳氮比为5、10的组，且去除率高于98%，同时，藤壶壳组和PE组碳氮比为10、20、30的组在30 h后亚硝酸盐去除率显著高于同种滤料碳氮比为5的组，且去除率高于95%。可见，提高碳氮比可提高污水的水处理效果，且碳氮比>10时，水体中的总氨氮和亚硝酸盐的去除效果较为稳定。这一结果与Goldman等[23]、高磊等[24]的研究结果相似。海水环境中的细菌一般在碳氮比>10的情况下生长水平较高，但过高的碳氮比易引起细菌的过量繁殖，会导致水质恶化，DO 含量下降，影响鱼类的生长繁殖和出水水质，同时增加不必要的经济成本[25-26]。

综上所述，本研究中采用藤壶壳和常用滤料PE作为生物滤料，并进行了不同碳氮比(5、10、20、30)的水处理效果比较研究，试验结果表明，碳氮比分别为5、10、20时，藤壶壳组的氨氮、亚硝酸盐去除率高于PE组；藤壶组和PE组在碳氮比为20和30时，氨氮去除率在30 h后均显著高于碳氮比为5和10组，且去除率维持在98%以上。结合藤壶壳和PE的经济成本，建议尾水处理中碳氮比取20∶1，滤料取藤壶壳较为适宜。但由于藤壶壳是自然资源，产量和地域限制，因此，可根据尾水工程的大小、工程管理难易程度及经济成本等综合因素，因地制宜选取适宜的生物滤料应用于水处理工程中。

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EffectsofdifferentC∶Nratiosandbiofiltrationmaterialsonwastewatertreatmentinshrimpculture

ZHANG Xia1, XU Zhi-jin1, LIU Min-hai1, LI Ling-gang1, YIN Xiao-long1, LUO Hai-zhong2, FU Rong-bing1, LI Wei-ye1, ZHANG Chuan1, YOU Jiu-ju1

(1.Zhoushan Fisheries Research Institute of Zhejiang Province, Zhoushan 316000, China; 2.Zhoushan Ocean and Fisheries Bureau, Zhoushan 316000, China)

Abstract：Removal rates of total organic carbon (TOC), total ammonia nitrogen (TAN) and nitrite nitrogen were monitored in stimulant culture effluent of Pacific white leg shrimpLitopeanaeusvannameiin a circulating water operation device in which barnacle shells and polyethylene (PE) were used as biological filter materials and in which there was C∶N ratio of 5, 10, 20, and 30 to explore the effects of different filter materials and C∶N ratios on treatment of the effluent of Pacific white leg shrimp culture. The results showed that there were higher TAN and nitrite removal rates in the circulating water operation device with barnacle shells and at C∶N ratio of 5, 10 and 20 than those in the device with PE(P<0.05), without significant difference in TAN and nitrite removal rate in both treatment groups at C∶N ratio of 30(P<0.05). In the same filter material, however, there was significantly higher TAN removal rate, with TAN removal rate of over 98.0%, at C∶N ratio of 20 and 30 than that at C∶N ratio of 5 and 10 after 30 h(P<0.05). The removal rate of nitrite in barnacles shell and PE groups was shown to be significantly higher at C∶N ratio of 10, 20 and 30, with removal rate of over 93.79%, than that at C∶N ratio of 5 in the same filter material after 30 h(P<0.05). It is concluded that it is more appropriate to use barnacle shells as a filter material under C∶N=20∶1 for treatment of the culture effluent of Pacific white leg shrimp.

通信作者：柳敏海(1979—)，男，高级工程师。E-mail：46917125@qq.com

基金项目：浙江省公益技术研究农业项目( 2015C32111)；舟山市公益类科技项目(2016C31058)；舟山市现代渔业发展专项资金资助项目(舟财农[2016]52号)；浙江省农林渔业经营与管理体系建设专项(舟财农[2017]78号)