臭氧在高密度閉路循環海水養殖系統中的應用

發布時間：2017-12-21

青島藍科生物技術工程有限公司: 蘇柯 張和森 史致麗 馬錫年
青島中通臭氧科技有限公司: 賈振民
摘要：本實驗研究了在高密度閉路循環海水養殖系統中的臭氧應用。在應用了臭氧的循環水養殖系統中進行了真碉的長期養殖實驗，從真碉幼魚（1.97g/尾）養殖到174.5g/尾養殖密度達到31.1kg/m3，每日換水量低于10%。實驗表明，臭氧能直接氧化亞硝酸鹽，在該實驗條件下不能直接氧化氨，單對生化處理器效率有促進作用。臭氧能有效降低色度，提高其他水處理單元的效率，在高密度閉路循環養殖系統中的作用史不可替代的。
關鍵詞：循環水養殖 臭氧 生化處理 真碉 高密度
      高密度閉路循環海水養殖技術是我國工廠化養殖的發展趨勢，可解決目前傳統工廠化養殖模式存在的自身污染、病害嚴重、風險高、濫用藥物導致的藥物殘留等問題，是可持續發展的養殖模式。在西方漁業發達國家，循環水養殖技術已相當成熟，已成為一項產業，比較而言，我國在這方面還處在起步階段，許多方面需要深入研究。
     臭氧是很強的氧化劑，在水產養殖中的應用日益廣泛。因為養殖水中許多污染物是可氧化的，臭氧可用于水質控制，如加強懸浮物的去除、減少亞硝酸鹽及生物難降解的有機物。另外，由于臭氧具有有效殺滅水生微生物的能力，所以臭氧也適用于養殖滅菌。臭氧在許多養殖系統中顯出優良的性能。在國外循環水養殖業中，臭氧化作用已成為一個常用的處理過程，Summerfelt and Hochheimer（1997）綜述了臭氧在水產養殖中的應用。近幾年循環水養殖系統中的臭氧應用技術研究主要集中在以下幾個方面：臭氧的處理劑量、臭氧對水質的影響、臭氧對水處理單元的影響、臭氧對控制魚病的作用及臭氧處理的工藝等方面（Krumins et al.,2001;Summerfelt et al.,1997;）。
      為研究閉路循環海水養殖系統中臭氧處理的效果與特性，以便為應用臭氧時工藝參數的設計提供實驗基礎，我們設計進行了本實驗。
1 材料與方法
1.1 實驗系統 實驗系統水處理流程如圖1所示。

實驗系統中使用的主要設備與儀器見表1：

序號                設備                              說明  1                   養殖水槽                      4m3水泥池  2               微濾機                   青島藍科生物技術工程有限公司自制  3               泡沫分離器               青島藍科生物技術工程有限公司自制  4               臭氧機                   青島中通臭氧科技有限公司生產  5               臭氧接觸器               青島藍科生物技術工程有限公司自制  6               生化處理器               青島藍科生物技術工程有限公司自制  7               溶氧器                   青島藍科生物技術工程有限公司自制  8               富氧機                   青島中通臭氧科技有限公司生產  9               水泵                     浙江西山泵業公司，MP-55R 10              氧化還原電位計           上海雷磁生產

1.2 分析方法
      氨氮濃度的測定為次溴酸鈉氧化法：亞硝酸氮濃度的測定為偶氮染料法：水中溶解氧使用WTW溶解氧測試儀；色度分析使用比色法；臭氧濃度測定使用碘量法：氧化還原電位使用電位計直接測定：殘余臭氧分析采用三碘離子法。
1.3 養殖實驗材料
      選擇真碉為實驗材料，購自黃海水產研究所麥島養殖基地，幼魚平均體重1.97g，2001/08/02投入835尾。選用升索系列真碉飼料。海水為人工海水，使用青島海大通用海水素廠生產的速得牌經濟魚類海水素配制。循環量3.0m3/hour，日換水量保持在10%以內。
2 結果與討論
2.1 魚的生長情況
      自2001/08/02到2002/06/06，真碉從1.97g增重到174.5g，開始投放真碉835尾，成活732尾，成活率為87.7%，養殖過程中未投入任何藥物。養殖密度最終達到31.1kg/m3。真碉死亡率在開始投放后1個月內較高，主要原因是魚苗個體差異，存在部分較弱小的個體，在養殖過程中被殘食，之后真碉的死亡率很低。
2.2 臭氧濃度與吸收
     本項目定制的臭氧機采用電暈放電技術，總產量達30g/h，分為6檔，每檔可產生臭氧5g/h。臭氧的產量受相當多因素的影響，如原料氣的濕度、顆粒物濃度、有機物濃度、冷卻水溫度、原料氣流量的變化、溫度的變化等，本項目研究了使用不同氣源時，臭氧機的產量。實驗表明，使用富氧或純氧作為氣源，可提高臭氧濃度，臭氧的濃度可達90mg/l，一般維持在60-80mg/L。實驗過程中，定期檢測臭氧接觸器尾氣中的臭氧濃度，均未檢出，可認為臭氧接觸器中臭氧吸收效率可達100%。
2.3 臭氧對氨氮和亞硝酸氮的作用
     實驗中研究了臭氧對氨氮和亞硝酸氮的作用，臭氧吸收和接觸器進口和出口分別取樣，每隔2h取樣一次，進行每日分析，其中08：00到20：00通入臭氧進行臭氧處理。氨氮和亞硝酸氮的周日變化分別見圖2和圖3。
     從圖2可以看出，在臭氧處理前和臭氧處理后，氨氮的濃度沒有明顯的差別，這說明臭氧沒有能直接氧化氨氮。首先，臭氧氧化氨的一個條件是高的PH（特別是高于9），而本系統中pH低于8；其實，養殖水中有較高濃度的亞硝酸鹽和有機物，亞硝酸鹽和一些有機物比氨更容易同臭氧反應，而被氧化。

      從圖3可以看出，在臭氧處理時，臭氧處理出口的亞硝酸氮濃度明顯低于臭氧處理進口，而停止臭氧處理時，臭氧處理出口的亞硝酸氮濃度明顯高于臭氧處理進口，表明臭氧直接氧化了亞硝酸鹽。而停止通氧時，流經臭氧吸收和接觸單元的水中亞硝酸氮濃度有所升高，這是因為，在其中的填料表面形成了生物膜，發生了不完全的硝化作用，產生了部分亞硝酸氮。
上述實驗結果也與Paller and Lewis（1988）的研究結論一致。
2.4 臭氧對色度的影響
     由于魚類代謝會產生多種有色物質，在循環水系統中，有色物質的積累會使水體顏色加深，一般呈現茶褐色，而這些有色物質往往難以被微生物降解，因此，在封閉系統中，有色物質會大量積累，顏色越來越深，在本實驗未通臭氧之前，色度達到45-50。

圖4 臭氧對色度的影響

     當臭氧同這些有機物進行反應時，反應常常發生在那些不易被生物降解的價鍵（Bablonet al.1991）。有機化合物被部分氧化后，由于分子較小，高價共價鍵有所減少，所以能較快的被生物降解（Rice er al.1981）。因此，很快顏色會褪去。
2002/1/28至2002/2/27的實驗顯示了臭氧脫色作用的效果，見圖4。在未通臭氧時，色度達45，在臭氧處理后，色度明顯下降，2002/2/11之后停臭氧，色度很快上升，到2002/2/27，色度升到了最初的水平。
2.5 臭氧處理對水質的綜合影響
     臭氧對水質的作用是綜合的，不但能直接氧化亞硝酸鹽、生物難降解的溶解有機物和顆粒有機物，臭氧氧化有機物會產生絮凝作用，再通過沉降、機械過濾、泡沫分離等措施很容易去除，即臭氧能能提高懸浮物的去除效率。本實驗中得到了同樣的結論，臭氧處理期間，絮凝作用使微濾機效率提高，水體懸浮物濃度下降。懸浮物去除效率的提高，減輕了后續處理單元的負擔，也即提高了系統的整體效率。
     在本實驗整個養殖過程中，生化反應器能將氨氮控制在0.7mgN/L以下，亞硝酸鹽控制在0.2mgH/L以下。在生化反應器中硝化作用消耗的溶解氧占總耗氧的30-50%，這說明自養的硝化細菌在生物過濾器中占有一定優勢。臭氧處理可能增強了生化處理的作用。Paller and Lewis（1998）的研究也表明，臭氧能提高生化處理器的效率，認為臭氧處理促進了硝化細菌在生化處理器中占優勢。生化處理器的處理效率主要以去除氨氮褐亞硝酸氮的能力來衡量。
3 結論
1） 在應用了臭氧的循環海水養殖系統中，在日換水量小于10%的情況下，能夠將真碉長期養殖，且達到31.1kg/m3的養殖密度，魚的成活率高，生長情況良好。
2）臭氧能直接氧化亞硝酸鹽，在本實驗條件下不能直接氧化氨。臭氧能降低色度，提高生化處理器的效率，且能提高懸浮物的去除效率。