章海鑫 張燕萍 吳子君 張桂芳 余建芳 闕祥堯 侯明勇

摘要： 為探討添加紅糖對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中水體水質(zhì)指標(biāo)的影響，分析水體水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性。以C/N比為15的模式每星期向循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生物濾池中添加紅糖。結(jié)果表明水體總氮、總?cè)芙庑缘?、亞硝酸氮和硝酸鹽氮均出現(xiàn)一個(gè)明顯的下降過程，但總氮、總?cè)芙庑缘拖跛岬诤笃诔霈F(xiàn)緩慢的上升過程。水體氨氮是波動(dòng)變化的過程，高錳酸鹽指數(shù)、總磷和磷酸鹽是上升的過程。水體溶解氧是持續(xù)下降的過程，并且與總氮、硝酸鹽氮和亞硝酸氮呈正相關(guān)性，與總磷和磷酸鹽呈負(fù)相關(guān)性。pH值與氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸氮、總氮和總?cè)芙庑缘秦?fù)相關(guān)性。表明添加紅糖能夠促進(jìn)濾池中微生物的生長同化水體氮元素和建立硝化作用細(xì)菌體系，但本實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)對(duì)磷酸鹽的作用效果。

關(guān)鍵詞： 循環(huán)水；紅糖；水質(zhì)指標(biāo)；相關(guān)性

中圖分類號(hào)： S969 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

我國漁業(yè)發(fā)展是以提高漁業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，保護(hù)資源環(huán)境為主要目標(biāo)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，傳統(tǒng)漁業(yè)因?yàn)樾枰加么罅客恋刭Y源及水資源，特別是近年來養(yǎng)殖尾水排放問題持續(xù)受到關(guān)注 ?［1］ 。因此，我國漁業(yè)目前迫切需要持續(xù)的推動(dòng)漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，發(fā)展高產(chǎn)、高效、低能耗、資源占用率低的漁業(yè)養(yǎng)殖模式是水產(chǎn)人奮斗的目標(biāo)。在較為成熟的養(yǎng)殖模式中，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式（Recirculating Aquaculture System，RAS）的優(yōu)勢(shì)最為明顯，他能夠減小占地面積、水資源使用少、廢水排放可控 ??［2］ ?，F(xiàn)在許多地方均在大力發(fā)展，其中近兩年江西地區(qū)也在陸續(xù)新建工廠化的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)主要是通過水處理系統(tǒng)將循環(huán)水體中的殘餌、排泄物、分泌物和可溶性物質(zhì)（化學(xué)需氧量、氨氮、亞硝酸鹽氮等）） ?［3-5］ 去除，達(dá)到水體的循環(huán)利用和低污染排放的目的。

目前，循環(huán)水系統(tǒng)中固體廢棄物主要通過固液分離機(jī)進(jìn)行分離，而可溶性有害物質(zhì)則主要通過生物過濾器、生物絮凝等技術(shù)進(jìn)行處理。生物過濾器是使用最廣泛的方式。主要是生物過濾器中的微生物通過同化作物、硝化作用、反硝化，或者聚磷等作用對(duì)水體氮、磷元素進(jìn)行脫氮除磷。生物過濾器中的微生物的生長和其主要反應(yīng)體系的作用受到很多因素的影響，如溫度、光照、溶解氧和水體營養(yǎng)平衡（碳氮比）等。因此本研究主要探討循環(huán)水系統(tǒng)中定時(shí)添加碳源（紅糖）對(duì)以生物過濾器為主要處理手段的循環(huán)水系統(tǒng)水體水質(zhì)指標(biāo)的影響，并分析水體溶解氧水平與其他水體水體水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)建設(shè)于江西省水產(chǎn)科學(xué)研究所養(yǎng)殖基地，系統(tǒng)由一套固液分離系統(tǒng)、水質(zhì)處理系統(tǒng)（消化系統(tǒng)）、充氣系統(tǒng)和養(yǎng)殖桶組成。系統(tǒng)總水體體積為5m 3，其中養(yǎng)殖桶約3.6m 3（12個(gè)養(yǎng)殖桶，每個(gè)桶0.3m 3），水質(zhì)處理系統(tǒng)1.4m 3。

1.2 養(yǎng)殖品種

2022年5月1日加水，開啟系統(tǒng)。于2022年5月3日開始養(yǎng)殖彭澤鯽。平均每個(gè)養(yǎng)殖桶放養(yǎng)彭澤鯽26尾，規(guī)格為每尾20±1.5g。2022年5月4日開始，每天分兩次投喂顆粒飼料（蛋白含量為33%），投喂量為體重的3%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)每次測(cè)定水體TN的結(jié)果以C：N為15：1的比例添加紅糖。

每7d定時(shí)測(cè)定養(yǎng)殖系統(tǒng)的水溫、溶解氧和pH。并取12個(gè)養(yǎng)殖桶中的水樣帶到實(shí)驗(yàn)室測(cè)定水體氨氮（NH 4 +-N）、亞硝態(tài)氮（NO 2 --N）、硝態(tài)氮（NO 3 --N）、總氮（TN）、總氨氮（TAN）總磷（TP）、磷酸鹽（AP）和高錳酸鉀鹽指數(shù)（COD ?Mn ）。水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法見表1。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

采Excel 2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與做圖，每次數(shù)據(jù)取12個(gè)重復(fù)的平均值。使用Spass 13.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 循環(huán)水水體pH、水溫和溶解氧的變化

從圖1可以看到，pH值在養(yǎng)殖初期低于7.0，但隨著養(yǎng)殖進(jìn)程pH上升到最高7.6，之后則出現(xiàn)緩慢的下降過程，但總體保持在7.0以上；水體T一直處于上升的趨勢(shì)。從圖2可以看到，DO在養(yǎng)殖初期初期最高，但隨著養(yǎng)殖的進(jìn)程，水體DO水平處于一種波動(dòng)下降的過程。 ??表1 水體水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法

2.2 循環(huán)水水體氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和高錳酸鉀指數(shù)的變化情況

從圖3可以看到，水體NH 4 +-N處于一種波動(dòng)變化情況?？傮w上是先下降，然后再上升的趨勢(shì)。而NO 2 --N則是在養(yǎng)殖初期最高（2.7±0.06mg/L），之后則開始下降，并一直保持在低于0.5mg/L的水平上。NO 3 --N則是在養(yǎng)殖初期處于高位，之后下降，之后又上升。COD ?Mn 則與其他的不同，在養(yǎng)殖過程中是一種波動(dòng)上升的過程，最終濃度為28.94±0.34mg/L。

2.3 循環(huán)水水體總氮、總?cè)芙庑缘?，總磷和磷酸鹽的變化情況

從圖4可以看到，養(yǎng)殖水體TN和DTN的變化趨勢(shì)比較一致，均是隨著養(yǎng)殖的深入均出現(xiàn)一個(gè)下降后又緩慢上升的過程。但DTN總體濃度均低于TN濃度。從圖5可以看到，TP和AP則是處于上升的趨勢(shì)，至養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)結(jié)束，TP和AP的濃度分別達(dá)到2.93±0.05mg/L和2.82±0.04mg/L。

2.4 水體各水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

從表2可以看到NH 4 +-N與NO 2 --N和DTN存在一定的正相關(guān)性，與pH存在一定的負(fù)相關(guān)性（R 2>0.6或<-0.6），與其他指標(biāo)則沒有明顯的相關(guān)性。NO 3 --N和NO 2 --N與TN、DTN和DO存在一定的正相關(guān)性，與pH和T負(fù)相關(guān)，NO 3 --N與NO 2 --N也顯著正相關(guān)（R 2>0.6或<-0.6）。TN與DTN、DO呈正相關(guān)性，與pH呈負(fù)相關(guān)性（R 2>0.6或<-0.6）。DTN與與pH呈負(fù)相關(guān)性（R 2>0.6或<-0.6）。TP與AP、COD ?Mn 和T呈正相關(guān)性，與DO呈負(fù)相關(guān)性（R 2>0.6或<-0.6）。AP與COD ?Mn 和T呈正相關(guān)性，與DO呈負(fù)相關(guān)性（R 2>0.6或<-0.6）。COD ?Mn 與T呈正相關(guān)性（R 2>0.6或<-0.6）。其中DO與TN、NO 3 --N和NO 2 --N呈正相關(guān)性，與TP、AP呈負(fù)相關(guān)性（R 2>0.6或<-0.6）。

3 討論

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，由于水體是循環(huán)利用的，但養(yǎng)殖系統(tǒng)又會(huì)持續(xù)的產(chǎn)生污染物質(zhì)。因此，一個(gè)成熟的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)必須能夠有效的對(duì)系統(tǒng)中的水進(jìn)行處理，這直接絕對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖的產(chǎn)量與成敗 ?［6］ 。實(shí)驗(yàn)中循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)處理采用的是生物濾池的方法，其中生物濾池和固液分離的方法。其中固液分離機(jī)主要負(fù)責(zé)將固體廢棄物從養(yǎng)殖水體分離出來，而溶解性的廢棄物物質(zhì)則主要是通過生物濾池進(jìn)行處理。而生物濾池對(duì)水體處理的效果又受到其他環(huán)境條件的影響，如水溫、溶解氧水平、pH、C：N比等 ?［7］ 。研究表明水體C：N為10～20能夠較好的維持生物濾池的處理效果 ?［8］ ，而向養(yǎng)殖水體添加紅糖主要是維持水體穩(wěn)定的碳氮比，同時(shí)紅糖還含有其他利于生物濾微生物生長的營養(yǎng)成分，因此本實(shí)驗(yàn)主要討論添加紅糖維持水體C：N為15：1的情況下循環(huán)水水體水質(zhì)變化的情況和其相關(guān)性。

3.1循環(huán)水養(yǎng)殖水體添加碳對(duì)水體環(huán)境指標(biāo)的影響

實(shí)驗(yàn)開始投喂餌料后，因?yàn)榍叭鞗]有添加紅糖，濾池中微生物數(shù)量有限，導(dǎo)致水體TN、DTN、NH 4 +-N等積累。然后開始添加碳源，能夠促進(jìn)濾池中微生物的生長，進(jìn)而產(chǎn)生同化作用去除水體氮元素 ?［9］ ，同時(shí)也能促進(jìn)一定的硝化作用。這些從結(jié)果同樣可以看到，試驗(yàn)中添加紅糖后水體COD ?Mn 一直是上升的趨勢(shì)，但TN、DTN和NO 2 --N則同時(shí)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。說明添加紅糖后濾池中的微生物持續(xù)的生長，將水體氮元素進(jìn)行同化。大量碳源促進(jìn)異養(yǎng)微生物生長，使得微生物從水體中吸收氮來合成微生物蛋白質(zhì)，或者通過在系統(tǒng)中建立硝化功能，將TAN轉(zhuǎn)化為NO 3 --N ?［10］ 。高碳氮比會(huì)主要通過細(xì)菌同化作用去除氮，低碳氮比則容易建立消化體系 ?［11］ 。本實(shí)驗(yàn)是每星期添加一次紅糖，因此，在后期出現(xiàn)NO 3 --N上升的情況，同時(shí)NH 4 +-N也是上升的情況，異養(yǎng)細(xì)菌一直處于利用碳源生長和促進(jìn)硝化作用作用的過程中反復(fù)進(jìn)行。最后因?yàn)楫愷B(yǎng)細(xì)菌數(shù)量足夠，碳源相對(duì)量降低，異養(yǎng)細(xì)菌對(duì)硝化細(xì)菌的抑制作用逐漸減小 ?［12］ ，所以TN和DTN又緩慢上升。雖然有研究表明 ?［13］ 碳源添加越多，生物除磷效果越好，但從本實(shí)驗(yàn)過程中，添加紅糖后水體磷酸鹽和總磷濃度均是持續(xù)的升高。可能原因因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)間較多，過濾池中微生物除磷機(jī)制還沒有完全建立，同時(shí)，每天投喂飼料同樣是向水體輸送磷元素。

3.2溶解氧與循環(huán)水養(yǎng)殖水體相關(guān)性分析

DO不但是水體養(yǎng)殖動(dòng)物呼吸作用必不可少的。同時(shí)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，水處理系統(tǒng)中的微生物濾池中微生物的活動(dòng)同樣受到水體DO的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在使用同樣充氣裝備的條件下，循環(huán)水系統(tǒng)中的DO水平持續(xù)的出現(xiàn)下降，只有在后期才出現(xiàn)一定的上升，表明水體微生物在大量的生長而消耗了氧氣。同時(shí)通過相關(guān)性分析同樣可以看到，DO與TN、NO 3 --N和NO 2 --N呈正相關(guān)性，表明水體DO能夠促進(jìn)濾池中的微生物進(jìn)行硝化作用，促使氮元素從NH 4 +-N向NO 2 --N和NO 3 --N的持續(xù)轉(zhuǎn)化。而這一點(diǎn)同樣可以從pH與水體水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果可以看到。pH值與NH 4 +-N、NO 3 --N、NO 2 --N、TN和DTN均是顯著的負(fù)相關(guān)性，表明濾池中微生物進(jìn)行同化作用和硝化作用時(shí)均需要消耗水體堿度。

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