上流式藻丛刷系统在观赏鱼养殖水体水质净化中的应用

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摘要：利用人工构建的上流式藻丛刷系统（UAS）处理海水观赏鱼养殖用水，并对水中NO3--N、NO2--N、NH4+-N和PO43--P等水质指标进行测定，以确定UAS对观赏鱼养殖用水水质的净化效果。结果表明，整个试验期间，水中NO3--N含量维持在11.12～19.91 mg/L范围内，NO2--N含量维持在0.001～0.002 mg/L范围内，NH4+-N含量维持在0.011～0.028 mg/L范围内，PO43--P含量维持在0.834～1.169 mg/L范围内。在适宜的养殖密度和适当的投饵条件下，UAS能够有效净化海水观赏鱼养殖用水水质，使各水化指标在不换水情况下维持在稳定范围内。

关键词：藻丛刷系统；观赏鱼；水质；净化

中图分类号：S91 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）14-3622-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.14.020

Abstract： In order to investigate effects of upflow algae scrubber（UAS） on cultivated water purification of ornamental fish， artificial UAS was used to purify cultivated water of and water quality indicators， including NO3--N，NO2--N，NH4+-N and PO43--P were measured. The experiment lasted for 60 d and water was not renewed. The results showed that the contents of NO3--N，NO2--N，NH4+-N and PO43--P were kept in the range of 11.12～19.91 mg/L，0.001～0.002 mg/L，0.011～0.028 mg/L and 0.834～1.169 mg/L respectively during the whole experiment. It was indicated that UAS could purify cultivated water of ornamental fish effectively and maintain stabilization of water quality when ornamental fish were cultured with appropriate density and feeding dose.

Key words： upflow algae scrubber（UAS）； ornamental fish； water quality； purification

随着经济水平的提高，为观赏水族业的发展带来空前契机，观赏水族养殖已经逐渐成为家庭消费的新时尚。然而观赏水族养殖过程中，由于水体体积较小，养殖密度较高，且处在一个完全封闭的循环系统中，极易导致大量营养盐的积累。此外，饵料输入、养殖对象排泄物为水体带来大量氮素，养殖水体氮负荷明显增加，水体质量下降，进而影响养殖对象的生长及观赏性。因此，水质的维护在观赏水族养殖中十分重要。

目前观赏水族养殖过程中，大多通过物理过滤和生物过滤等方式滤除营养盐，使水体中氨和亚硝酸盐转化为对养殖对象相对无害的硝酸盐，然而当硝酸盐超出其耐受范围后，亦会诱发水族动物疾病。为了克服上述水质净化的不足，降低净化成本，亟需开发出一种高效、低耗且安全的新型过滤系统。

20世纪80年代，美国学者Adey发明了藻丛刷系统（Algal turf scrubbers，ATS），它是典型利用周丛藻类进行水质净化的人工生态系统[1]。底栖藻类通过吸收代谢利用、吸附和络合等过程去除水体污染物质，用于水质净化，具有去磷除氮效果好且回收利用价值高等优点[2，3]，已经成功用于畜禽水产养殖废水、生活污水处理中[4-6]。与传统的微生物膜再循环养殖系统相比较，底栖藻类为基础藻丛刷系统在去除有机物、氨氮和亚硝酸态氮的基础上还能有效地降低硝酸态氮浓度，减少换水的频率等优点[7]。关于周丛藻类在实际生产中用于水质净化的研究较多[8-10]，众多试验均表明周丛藻类对水体中总氮、总磷、氨态氮、亚硝酸态氮、硝酸态氮和磷酸盐等均有良好的去除效果，应用前景十分广泛。

本研究模拟潮间带底栖藻类生长环境自制藻丛刷系统，在不换水条件下利用附着基质上自然生长的底栖藻类去除观赏鱼养殖过程中产生的氮、磷营养盐，定期对水质理化指标进行监测，以确定藻丛刷系统对观赏鱼养殖用水的净化效果。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置由4部分组成（图1）：a.观赏鱼养殖池（7.0 m×5.0 m×2.5 m）、b.上流式藻丛刷系统、c.沙滤罐、d.蛋白分离器。上流式藻丛刷系统由有机玻璃制成，共分为14个藻丛刷处理缸，每个处理缸（120 cm×20 cm×60 cm）内放入一块聚乙烯硬质筛网（58.8 cm×55.5 cm）作为底栖藻类附着基质，筛网下方附有充气管，通过充气方式产生气泡使水流自下而上流过藻丛刷。4支日光灯置于每个藻丛刷处理缸两侧提供光照，光照强度控制在3 500 Lx，光暗比为14 h∶10 h。

1.2 试验设计

观赏鱼养殖池内养殖用水为87.5 t（体积7.0 m×5.0 m×2.5 m），养殖观赏鱼种类见表1。每日投喂量：白菜2.00±0.25 kg（上午9时和下午1时各1次），磷虾0.4±0.1 kg（上午11时和下午3时各1次）。试验期60 d。试验期间采用沙滤罐、蛋白分离器和UAS系统（流水量）处理养殖用水，整个试验期间不换水。各个系统独立运转以处理养殖用水。养殖用水由出水口分别流经沙滤罐、蛋白分离器和UAS系统，再分别流入养殖池。

1.3 水样采集及相关测定方法

观赏鱼养殖池内设置2个取水点，每个取水点取2个平行水样。每隔3 d取水样1次。养殖水体中的硝酸盐氮采用锌镉还原法测定，亚硝酸盐氮采用重氮-偶氮法测定，氨氮采用次溴酸钠氧化法测定，磷酸盐采用抗坏血酸还原磷钼蓝法测定。在试验期间，养殖水体盐度为32.0±1.0，温度为26.0±0.5 ℃，pH为8.1±0.2，溶解氧为7.2±0.9 mg/L。

1.4 底栖藻类收获及测定

底栖藻类长满附着基质后，每隔10 d用毛刷刷下藻体。收获的藻体在105 ℃先烘15 min，随后将温度降至65 ℃再烘5～6 h至恒重后称重。

2 结果与分析

2.1 藻丛刷（UAS）系统对观赏鱼养殖水体亚硝酸盐的影响

观赏鱼养殖池养殖用水亚硝酸盐（NO2-N）含量变化见图2。由图2可知，NO2-N含量维持在0.001～0.002 mg/L范围内，基本趋于稳定，且呈略微下降趋势，说明该系统能够有效吸收养殖过程中产生的亚硝酸盐。

2.2 藻丛刷（UAS）系统对观赏鱼养殖水体硝酸盐的影响

观赏鱼养殖池养殖水体硝酸盐（NO3-N）的含量变化见图3。由图3可知，NO3-N含量基本维持在11.12～19.91 mg/L范围内，至培养结束时，NO3-N含量略有下降。

2.3 藻丛刷（UAS）系统对观赏鱼养殖水体氨氮的影响

观赏鱼养殖池养殖水体氨氮（NH4+-N）含量变化见图4。由图4可知，NH4+-N含量维持在0.011～0.028 mg/L范围内，略有波动。

2.4 藻丛刷（UAS）系统对观赏鱼养殖水体磷酸盐的影响

如图5所示，观赏鱼养殖池水体磷酸盐（PO43--P）含量在0.834～1.169 mg/L范围内变化，基本趋于稳定，说明这个系统能够有效吸收养殖过程中产生的PO43--P。

2.5 附着藻类收获量

试验期间，藻丛刷（UAS）系统刷下的藻类干重见表2，整个试验期间收获附着藻类的总量为1 312.36 g，周期性藻类收获量差异不大。

3 小结与讨论

3.1 养殖水体氮的输入及有害形态

人工养殖水体中，氮素主要来源于饵料的投入以及养殖对象自身代谢的产物[11]，氮素有一些被养殖植物直接吸收，而大部分以有机态氮和无机态氮的形式停留在水中。随着养殖密度及养殖时间的延长，水体中不同形态的氮素浓度逐渐升高，直接影响水体质量。NO3-N、NO2-N和NH4+-N是氮素在水体中存在的主要无机态形式，NO3-N浓度的升高可以导致水体富营养化加剧，一些藻类大量繁殖；NO2-N和NH4+-N不能直接被浮游植物所利用，而且对养殖对象有一定的毒害作用，氨氮超标直接影响养殖动物的生存和生长，轻者导致生长缓慢、食量减少，引发各种疾病，重者导致死亡。在养殖水体中，氮素的有效循环不仅有助于提高饵料转化效率和改善养殖水体生态环境，而且还可以减少废水排出，减轻对周围环境的影响。

3.2 底栖藻类对氮、磷的去除

底栖藻类去除氮磷途径有两种：一种是直接吸收氮磷元素，转化为藻体自身物质。另一种去磷除氮的方式是通过藻类的生长改变水体理化条件，氮以氨氮的形式挥发，磷以不溶状态沉淀、析出[12]。马沛明等[2]指出，底栖藻类对NH4+-N较为敏感，当水体中同时存在NH4+-N和NO3-N时，水网藻、刚毛藻水绵等大型绿藻首先利用NH4+-N，待NH4+-N下降到一定程度后，开始利用NO3-N[13]。关于其作用机理也早有报道，由于藻类不能产生有活性的硝酸还原酶，当水体中的NH4+-N浓度很低或近于消耗完时，底栖藻类才进行NO3-N的吸收和利用[14]。本研究中，藻丛刷对NO3-N、NO2-N和NH4+-N均有控制、改善水质的作用，这说明在适宜时间作用下，底栖藻类在吸收NH4+-N的基础上也可以减少NO3-N的积累，进而改善养殖水体的生态条件。

3.3 UAS系统对观赏鱼养殖水质的净化作用

上流式藻丛刷系统是在藻丛刷系统的基础上发展而来的，其核心是模拟周丛藻类在自然水体中对水质的净化作用，已经广泛应用于养殖废水、生活污水等环境中，而且已经证实具有明显的去氮除磷效果[1]。本研究中，主要通过附着在藻丛刷基质上的底栖藻类对氮磷的吸收，达到去磷除氮净化水质的作用。因此，适当的提高单位藻屏附着基质上藻类生长速度即能有效提高藻屏过滤系统水质净化效率。本研究将上流式藻丛刷系统运用到观赏鱼的实际生产养殖中，虽然不能确定去氮除磷的精确比率，但在不换水的前提下，使养殖水体各测定指标保持在一定的范围内，且与试验开始时的基值相差不大，这在一定程度上说明藻丛刷具有去氮除磷的效果。

为了促进藻类生长以获得单位滤面最大氮、磷回收量，本研究构建的藻丛刷过滤系统通过充气方式产生气泡使水流自下而上流过藻屏以获得最佳水流剪切速度。该UAS系统可有效吸收观赏鱼因代谢、投饵产生的氮、磷营养盐，使养殖水质维持在稳定水平。

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