生物滤池处理水产养殖废水研究进展
朱聪沛 陈贺涵 李泽龙 尹立鹏 谢春生
摘 要 水产养殖废水的有效处理及循环利用已经成为水产养殖业绿色发展的关键制约因素之一。分析水产养殖废水污染现状，介绍目前常用的养殖废水生物处理方法，尤其是其中的生物滤池法，具有操作简单、占地面积少、抗冲击负荷强、处理效果稳定等优点，在水产养殖废水处理中应用普遍。总结生物滤池处理水产养殖废水的效果，综述生物滤池在水产养殖废水处理中的应用研究进展，分析了影响生物滤池处理效能的因素（滤料、溶解氧、气水比、水力负荷、水力停留时间），最后对生物滤池处理养殖废水的应用前景进行了展望。
关键词 水产养殖废水;生物滤池;处理效果;影响因素
中图分类号：X703.1 文献标志码：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.09.042
收稿日期：2022-02-13
基金项目：肇庆市科技计划项目（2021N001）;肇庆学院大学生创新项目（X202010580124）。
作者简介：朱聪沛（2001—），男，广东潮州人，肇庆学院环境与化学工程学院环境工程专业2019级在读本科生。
*为通信作者，E-mail：
xiechsh@126.com。
水产养殖在我国农业生产中占有重要地位，近年来水产养殖规模不断扩大，产业发展良好。然而，由于落后的养殖模式和养殖技术，以及不恰当的养殖方法，养殖水体极易受到污染，导致养殖基地附近的水资源和生态环境受到严重破坏。因此，加深对水产养殖废水污染的了解，研究水产养殖废水高效处理技术，有助于减轻养殖废水造成的环境污染，是我国水产养殖企业绿色可持续发展的重要举措[1]。
前人研究表明，养殖废水的水质会受到养殖水产品的种类及饲料使用、投放是否规范等因素的影响[2]。目前，水产养殖方式逐步趋向集约型，这样会导致水产养殖密度过高，从而造成水体中的代谢物积累严重，若不能及时处理，很可能会造成水体污染，严重损害生态环境。由于水产养殖过程中水消耗很大，循环水利用已成为水产养殖污水治理中必须重视的问题[3]。利用生物法处理养殖废水比物理、化学方法能节省更多成本，目前常用的生物处理方法有生态处理法、间歇式活性污泥法[4]、生物膜法[5]等。在生物膜法中，较常用的是生物滤池法，其具有操作简单、占地面积少、抗冲击负荷强、处理效果稳定等特点，在生活污水治理、工业废水处理及水产养殖废水处理中都能见到这种工艺的存在[6]。由于具有工艺简单、管理方便等特点，生物滤池法已广泛应用于水产养殖废水处理中[7-8]。
1 生物滤池处理水产养殖废水的效果
1.1 在传统养殖模式中的处理效果
乔卫龙开展了曝气生物滤池（组合填料）对水产养殖废水（含抗生素）的研究。在综合了滤池系统的研究结果后，认为该组合填料滤池能够较好地去除常规污染物和鱼用药物，通过优化滤池参数实现养殖废水达标排放[9]。李红丽等人对前置反硝化滤池进行改进，研究其对低碳氮比水产养殖废水中NH4+-N、CODMn等典型污染物的去除效率。结果表明：采用此工艺，在水力负荷q=18 m3·m-2·d-1，A/O体积比为1.8，硝化液回流比为100%，气水比为6∶1时，出水水质较好，上述工艺中典型污染物的去除效率均能达到标准，且在夏秋两季对磺胺甲噁唑的去除效果十分显著[10]。
1.2 在循环水养殖系统中的处理效果
循环水养殖法是20世纪80年代后期出现的一种养殖方式，在中国沿海的不同养殖区域得到了广泛应用和重视[11]，是一种环境友好型养殖模式，发展十分迅速。在我国环境与资源严峻的形势下，具有良好生态效益和可持续发展优势的循环水养殖势必会取代传统养殖模式，成为主流[12]。循环水养殖的单位产量高于其他养殖模式，可节能70%以上，能实现高密度养殖和节能减排的养殖目标[6，13]。循环水养殖模式控制水质环境和营养供给的方法比传统养殖模式更为合理[14]，具有生物生长快、密度高、管理简单、对环境污染较小等优势。在循环水养殖系统中，生物过滤净化是整个系统的关键点[15]，因此循环水养殖系统的研究主要集中在如何高效去除危害水产生物的NH4+-N和NO2--N等方面[16]。
周洪玉等运用不同过滤系统的填料反应器模拟处理循环水养殖系统，研究分析该反应器的硝化速率等特征。结果表明，与移动生物膜反应器相比，挂帘式生物滤池的挂膜速度更快，挂膜生物量更多，而且生物量更稳定，NH4+-N、NO2--N的去除率也更高[17]。吕剑等研制出一种生物滤池反应器，以弥补传统的循环水养殖体系的不足。该反应器对养殖废水中的NH4+-N、COD、NO2--N的去除率较高，出水水质可以满足鱼类生长，具有成本低、管理方便等优点，对循环水养殖系统改善、环境保护有着重要作用[18]。
2 生物滤池处理养殖废水的影响因素
2.1 滤料
生物滤池利用滤料将悬浮物拦截下来，从而使其浓度下降。同时，滤池内的微生物也会依附于过滤材料进行生长繁殖，对污染物进行吸附、降解。填料是滤池最为核心的部分，它直接决定污染物的去除效果，同时也关系到滤池的建造和运行成本。因此，对具有优良特性的生物滤池过滤材料的研制已成为人们关注的焦点[19]。Shitu等人利用一种新型的海绵载体，在流动床生物反应器中对循环水养殖系统的污水进行处理，分析其处理效果。结果表明，采用新型海绵填料的移动床生物反应器能够达到较高的硝化性能，并提高生物活性[20]。Lindholm-Lehto等人在循环水养殖系统中，使用装满桦木的木片生物反应器中進行脱氮，再用砂子过滤，并对过滤后的水质进行分析。结果显示，利用木材碎片作填料，能获得较高的脱氮率，而砂过滤能有效去除水中的溶解物质和微粒[21]。Watari等人利用悬浮式海绵反应器与上层污泥毯式反应器相结合，对循环水产养殖系统进行脱氮，并对反应后的水质进行了分析，结果证明这种混合反应器对总铵态氮的脱除效果很好[22]。
2.2 溶解氧
好氧微生物对氨氮、有机物的氧化分解效率与溶解氧关系密切，随着溶解氧浓度下降而下降，因此生物滤池的处理效果与溶解氧关系密切[23]。Deng等人探究了在循环养殖系统污水处理中，聚丁二酸丁二醇酯生物反硝化反应器中的盐浓度和溶解氧对脱硝微生物群落的影响，结果表明溶解氧对水体中的微生物群落影响不大[24]。宋伟龙研究了MBR工艺对海水养殖污水中氨氮、TOC等的影响。结果表明，随着溶氧量的降低，滤池中的氨氮含量也相应升高，但是过高的溶氧也会降低脱氮效果[25]。任纪龙以溶解氧为变量，驯化培养海水循环水生物滤池中的生物填料30 d，探究不同溶解氧梯度对微生物群落的影响。结果表明，当DO浓度为0～2 mg·L-1时，滤池对NH4+-N的去除率最低;当DO浓度为10～12 mg·L-1时，滤池对NH4+-N的去除率最高;在不同DO浓度处理组中，NO2--N的积累量均随着溶解氧浓度升高而升高[26]。
2.3 气水比
气水比会影响曝气生物滤池的工作性能，在低浓度时对好氧生物的生长繁殖有明显抑制作用，高浓度则会对过滤材料产生强烈的气流冲刷作用，从而影响有机物的溶解[27]。因此，合理的气水比是保证曝气生物过滤系统稳定运行的关键。赵思使用曝气生物滤池处理水产养殖废水，分析试验结果发现，CODMn和NH4+-N的去除率随着曝气量增多而逐渐上升。当气水比由1∶1升至2∶1时，曝气量增多会使TP、TN的去除率上升;而当气水比由2∶1升至3∶1时，曝气量增多反而会使TP、TN的去除率下降[28]。马晓娜等人使用移动床生物滤池处理海水养殖废水，研究不同气水比对其处理效能的影响。结果表明，COD的去除率随着气水比增大而呈现下降趋势，氨态氮的去除率呈现先下降后上升的趋势;当气水比为6∶1时，氨态氮和COD的平均去除率最大，NO2--N的平均积累率相对较小，比其他气水比拥有更好的水质净化效果[29]。霍静对鱼塘养殖废水治理工艺进行了优化设计，讨论了该技术的应用效果，结果发现，随着气水比增大，滤池中CODMn的去除速率逐渐增大，但当气水比为（12～16）∶1时，水中的溶解氧接近饱和，CODMn的去除速率几乎没有提高[30]。
2.4 水力负荷
在生物滤池中，水力负荷会影响生物膜与污水的接触时间，同时也会对生物膜的强度、厚度、微生物的生长和新陈代谢造成一定影响[31]。水力负荷的增加，可以促进生物量和基质的均匀分配，促使硝化细菌对基质的进一步利用，从而缩短挂膜时间;水力负荷的减少，微生物无法充分吸收养分，造成养分短缺。因此，合理的水力负荷对于污染物的去除具有十分重要的作用。
唐智洋等人采用生物接触氧化组合工艺对水产养殖废水进行处理，对接触氧化池中滴滤的水力负荷、停留时间等因素进行研究，通过分析氨氮、TN、CODMn等参数，明确该工艺的处理效果。研究表明，随着水力负荷的增加，水中TN的去除率出现先升后降的趋势，反应器中DO浓度呈现降低趋势，其他指标均随着DO浓度降低而降低[32]。朱历等人采用上流式生物滤池模拟处理水产养殖废水，优化滤池中水力负荷、消化液回流比、气水体积比3个因素，通过分析出水水质，确定滤池的最佳运行参数。研究表明，系统对总氮、总磷、氨氮和COD去除率随着水力负荷升高而呈现下降的趋势[33]。Godoy-Olmos等人研究了循环水产养殖系统中硝化生物滴滤器的温度、氨负荷和水力负荷对处理效果的影响。结果显示，氮负荷、温度、水力负荷均会影响到氨去除效果，增大水力负荷能提高硝化速率[34]。
2.5 水力停留时间
水力停留时间（HRT）会对生物滤池中污染物与填料、生物膜的接触反应时间产生影响，COD负荷会随着水力停留时间减少而升高，使生物滤池的硝化性受到抑制。因此确定合适的水力停留时间，对生物滤池性能提高有着重要意义。Song等人研究了在循环海水养殖系统污水处理过程中，水力停留时间和入水硝酸盐氮含量对好氧反硝化反应器的脱氮率和微生物群落构成的影响。研究表明，在硝酸盐氮浓度小于150 mg·L-1、HRT 5 h的情况下，氮气去除率可达98%以上，氨氮和亚硝酸盐氮含量降至1 mg·L-1以下;在硝酸盐氮浓度为150 mg·L-1，HRT为6 h或7 h时，有最大的脱氮速率和脱氮率[35]。Ding等人研究了缺氧过滤器与膜生物反应器组合系统在不同水力停留时间、进水碱度和进水氨氮负荷下海水养殖废水的处理性能。研究发现，在HRT 8 h条件下，TOC和全氮的脱除效果稍好于其他HRT，随着HRT的增大，磷酸盐的去除效率逐渐下降[36]。Mathis等人研究了循环水养殖系统中，不同的碳氮比和水力停留时间对固定床脱硫设备性能的影响，并对出水水质进行分析。研究发现，在无限制碳氮比的条件下，随着HRT的降低，硝酸盐的去除率持续增加，硝酸盐的去除效率则有所降低[37]。
3 结论与展望
与以氧化塘为代表的传统水产养殖废水处理工艺相比，生物滤池具有处理效率高、占地面积小、工艺运行稳定等优点。研究表明，生物滤池对水产养殖废水中的有机物、氨氮和磷等有机物有良好的去除效果，在循环水养殖系统中有着较高的应用价值。生物滤池在实际研究应用中仍有许多问题需要关注，例如，生物滤池的滤料要根据水质等具体情况来选择，需要进一步探索耐腐蚀性好、性价比高、适用于大多数水产养殖水质特点的新型填料;生物滤池池体越大，处理量也越大，但是其布水、布气的均匀性就越难保证，因此必须针对生物脱氮的需要，研制出具有创新性的布气、布水设备;恰当的运行参数对提高生物滤池处理养殖廢水的效率，尤其是脱氮效率至关重要。改善生物滤池的不足，增强其处理性能，有助于其在养殖废水处理中的广泛应用，对推动我国水产养殖业绿色发展具有重要作用。
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（責任编辑：易 婧）
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