全 文 ：第 22卷第 6期 大 连 水 产 学 院 学 报 Vol.22No.6
2 00 7年 1 2月 JOURNALOFDALIANFISHERIESUNIVERSITY Dec.2 00 7
文章编号:1000-9957(2007)06-0421-05
用火山石载体生物膜和角叉菜
去除水中氮和磷的效果
王　华 1、2 , 　刘长 发 1、2 , 　秦传 新 1、 2
(1.大连水产学院 海洋环境工程学院 ,辽宁 大连 116023;2.大连水产学院辽宁省高校近岸海洋环境科学与技术重点实验室 ,大连 116023)
摘要:用一种新型的火山石生物膜载体和大型海藻角叉菜 Chondrusocelatus处理牙鲆 Paralichthysolivaceus
养殖废水 , 探讨了火山石生物膜载体和角叉菜对去除废水中总氨氮 、 硝酸态氮和磷酸盐的处理效果。结果
表明:当牙鲆养殖废水中总氨氮浓度低于 1.398mg/L时 , 以火山石为生物膜载体的硝化滤器对废水中总氨
氮的总去除效率维持在 95%以上 , 对总氨氮去除率最高可以达到 16.372 g/(m3·d);角叉菜作为生物滤器的
适宜用量为 3 mg/L,对硝酸态氮和磷酸盐的去除率分别为 0.625g/(m2·d)和 0.046g/(m2·d), 其对水中硝
酸态氮和磷酸盐的去除效果与孔石莼 Ulvapertusa相近。这说明火山石生物膜载体和大型海藻角叉菜在养殖
循环水净化方面具有很大应用潜力。
关键词:火山石;角叉菜;养殖废水;处理
中图分类号:S912　　　　文献标识码:A
　　在工厂化海水养鱼中 , 循环利用养殖废水可以
减轻对生态环境的污染 , 节约水资源 , 降低生产成
本 。 20世纪末 , 使用循环水的养殖系统引起人们
的关注 [ 1-4] 。在此类系统中 , 常采用硝化滤池去除
循环水中对鱼类有害的氨氮 、 亚硝酸态氮等。由于
对总氨氮的去除效率与生物膜载体的性能有关 , 曾
有一些学者探讨了人工生物膜载体 [ 5 -9]和天然生物
膜载体 [ 10-11]的作用 , 至今人们仍然密切关注高效
新型生物膜载体的研究与开发 。此外 , 未经处理的
硝化滤池出水中硝酸态氮和磷酸盐浓度较高。一般
在无反硝化系统 , 换水量小于 10%, 养鱼密度为
100kg/m3的条件下 , 养殖池中硝酸态氮与磷酸盐
浓度可能会分别超过 100 mg/L与 20 mg/L, 此将
造成循环系统中氮和磷的积累 [ 4] 。为了控制循环
水的水质和充分利用水中的营养盐 , 有关利用大型
藻和微藻对养殖循环水进行深度处理的研究已有报
道 [ 12-14] 。本试验中 , 作者使用一种新型的火山石
生物膜载体和中国北方海域常见的大型藻类角叉菜
Chondrusocelatus处理牙鲆 Paralichthysolivaceus养
殖废水 , 通过废水中营养盐浓度的变化 , 探讨了以
火山石作为载体的生物膜和角叉菜在处理养殖废水
中的可行性 。
1　材料和方法
1.1　过滤系统
试验在顶部为透明隔热板的控温室内进行。采
用由 PVC制成的圆柱筒作为硝化滤器 (直径为
0.20 m, 高度为 1.5 m), 滤器容积为 41.5 L, 内
部装有曝气装置。所用滤料为火山石 , 粒径约 1
cm, 经清洗和海水浸泡后 , 装入滤器 , 填充体积
为 2 L。将滤器置于用于盛放处理水的水箱 (体积
为 60 L)顶部 , 用水泵将水箱中的水从顶部泵入
滤器中 , 然后由滤器底部洞孔流回水箱 , 形成循环
过滤处理系统 。进水和出水管均设有阀门 , 水流量
为 4 L/min。
1.2　用火山石生物膜去除总氨氮的试验
试验用砂滤海水取自大连市黑石礁海域 , 盐度
为 30。实验室内温度控制在 15 ～ 20℃。滤器接种
的菌种取自大连水产学院农业部海洋水产增养殖学
与生物技术重点开放实验室富集培养的氨化 、亚硝
化 、 硝化菌群 。生物膜经培养熟化后 , 参照实验室
牙鲆养殖过程中废水总氨氮浓度的变化范围 , 向盛
　收稿日期:2006-12-28
　基金项目:欧盟第五框架计划国际合作项目 (ICA4-CT-2001-10025)
　作者简介:王华 (1970-), 男 , 讲师。 　通讯作者:刘长发 (1964-), 男 , 教授。 E-mail:liucf@dlfu.edu.cn
DOI :10.16535/j.cnki.dlhyxb.2007.06.001
有海水的水箱中加入 NH4Cl作为试验循环处理用
水 , 配置液总氨氮 (TNH3 -N)的初始浓度分别
为 0.538、 1.704、 5.860 mg/L。试验水循环处理
时间均为 24 h, 按一定时间间隔取样测定水中
TNH3 -N浓度 。试验结束后 , 清洗水箱 , 再向其中
注入牙鲆养殖废水 , 其TNH3 -N初始浓度分别为
0.911、 1.398 mg/L, 按相同方式进行废水处理 。
每个试验组均设 3个重复。
1.3　用角叉菜去除水中氮和磷的测定
试验用角叉菜 Chondrusocelatus和孔石莼 Ulva
pertusa(对照)均采自大连市黑石礁海域 , 经室内
培养后选取生长良好的海藻进行试验 。试验容器为
塑料水族箱 , 规格为 60 cm×50 cm×50 cm, 其底
部设充气装置 , 作为海藻处理池。试验期间连续充
气 , 保持自然光照。每组试验设 3个重复组。为确
定角叉菜的最佳用量与所处理废水的比例 , 加入
NaNO3和 KH2PO4作为处理水的氮源和磷源 。经测
定 , 硝酸态氮 (NO3 -N)浓度为 4.453mg/L, 磷
酸盐 (PO4 -P)浓度为 0.195 mg/L。设定角叉菜
的用量分别为 1、 2、 3、 4g/L, 孔石莼的用量为 1
g/L, 处理时间为 24h。据此选择角叉菜的最佳用
量 , 再次对经滤器处理的牙鲆养殖废水进行深度处
理试验 , 处理时间为 48 h。
1.4　水质监测与数据处理
水中营养盐的测定按 《海洋监测规范 》 中的
方法进行。火山石载体生物膜对水中TNH3 -N的总
去除率 RT可用如下公式计算:
RT=(ρ1 -ρ2) /ρ1 ×100%,
式中:ρ1 、 ρ2分别为处理前 、后TNH3 -N的浓度 。
以火山石为载体生物膜对养殖废水中TNH3 -N
的去除效率 R1用以下公式计算:
R1 =(V1 ×dCdt)×
1
V2 ,
式中:V1和 V2分别为生物滤器处理废水的体积和
火山石生物膜载体的体积 (m3);dC/dt为生物滤
器所处理废水中的TNH3 -N浓度随时间的变化量
(g/(m3·d))。
大型藻类对养殖废水中营养盐进一步去除效率
R2的计算公式为:
R2 =(V3 ×dCdt)×1A,
式中:V3为处理废水的体积 (m3);dC/dt为处理
废水中 NO3 -N或 PO4 -P浓度随时间的变化量
(g/ (m3·d));A为海藻养殖池的面积 (m2)。
2　结果与讨论
2.1　火山石载体生物膜对水中总氨氮的去除效果
从图 1可见:火山石载体生物膜对配置液中
TNH3 -N的 去除效 果较 好 , 在 处理 过程 中 ,
TNH3 -N浓度均呈明显下降趋势;当TNH3 -N初始
浓度为 0.538 mg/L和 1.704 mg/L时 , 24 h内
TNH3 -N浓度降到 0.065 mg/L以下 , 但 TNH3 -N
去除速率随水中TNH3 -N浓度的降低而减缓 , 表明
此时TNH3 -N的去除反应为非零级反应 , 应为准一
级反应。
图 1　火山石载体生物膜对配置液中TNH3 -N的去除效果
Fig.1　TNH3 -Nremovalfromthesimulativeeffluentsbyfiltermediavesuvianite
　　从表 1可见:用火山石载体生物膜对 5.860
mg/LTNH3 -N配置液进行处理时 , 总去除率仅为
62.76 %;在TNH3 -N去除过程中 , TNH3 -N浓度
随去除时间呈近似直线下降趋势。将TNH3 -N浓度
(ρ)与时间 (t)作相关分析 , 浓度与时间之间具
有良好的相关性 , 回归方程为:
422 大 连 水 产 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　第 22卷
ρ=5.427-0.142t(1≤ t≤12),
r=0.991 (n=5),
表明在此浓度下 , 对 TNH3 -N的去除反应为零级
反应 , 反应速率与水中TNH3 -N的浓度无关。这与
何洁等 [ 11]利用沸石 、 活性炭和沙粒为固定床生物
膜载体 , 在去除废水中 TNH3 -N初始浓度为 30
mg/L时 , 对TNH3 -N去除反应为零级反应的结果
相同。
在处理牙鲆养殖废水时 (表 1), 进水的
TNH3 -N浓度分别为 0.911、 1.398mg/L时 , 火山
石载体生物膜对水中TNH3 -N的总去除率在 96%
以上。经过 24 h处理后 , 水中TNH3 -N浓度低于
0.035 mg/L, 去除效率最高为 16.372 g/ (m3·d)。
但处理配置液的试验结果表明 , 在处理较高氨氮负
荷的养殖废水时 , 为使养殖废水达到渔业用水回用
的标准 , 应增加生物膜载体体积 , 以提高对
TNH3 -N的处理效果 , 这可通过增大反应器体积或
运用多级生物膜反应器连用的方式加以解决。
表 1　火山石载体生物膜对水中 TNH3 -N24 h的去除效果
Tab.1　TNH3 -N removalfrom theeffluentsbyfilter
mediavesuvianitein24 hours
废水类型 type ρ1 /(mg· L-1) ρ2 /(mg· L-1) RT/%
配置液
0.538
1.704
5.860
0.044
0.065
2.183
91.88
96.19
62.76
养殖废水 0.911
1.398
0.035
0.034
96.18
97.57
　注:ρ1为处理前的浓度 Initialconcentration;ρ2 为 24h处理后的
浓度 Finalconcentration;RT为总去除率 Totalremovalrate。
从图 2可见 , 火山石载体生物膜对废水中
TNH3 -N的去除效率最高达 44.128 g/ (m3·d),
这可能是由于孔状火山石生物膜载体表面为细密孔
结构 , 比表面积大 , 有利于细菌附着和生长。孔状
火山石载体生物膜对废水中TNH3 -N的去除总量和
去除效率随着废水中TNH3 -N初始浓度的升高而增
高 , 这与 Strotmann等[ 15 ]的研究结果相同 。
2.2　角叉菜对养殖废水中硝酸态氮和磷酸盐的去
除效果
从图 3和图 4可见 , 经火山石生物膜载体处理
后的配置液 , 再分别用角叉菜或孔石莼处理 , 废水
中 NO3 -N和 PO4 -P的浓度随处理时间的延长而
逐渐降低。图 3显示 , 对于 NO3 -N, 用 3、 4
mg/L的角叉菜及 1mg/L的孔石莼处理 , 其 NO3 -N
浓度的下降趋势基本相同 , 均优于 1 mg/L和 2
mg/L的角叉菜处理体系 。图 4表明 , 随着体系中
角叉菜用量的增加 , 对 PO4 -P的去处速率越快 ,
但是 1mg/L孔石莼的处理效果比各角叉菜组都好。
这说明在去除 PO4 -P方面 , 角叉菜的处理效果略
低于孔石莼。
图 2　火山石载体生物膜对水中 TNH
3
-N的去除效率
　Fig.2　TNH3 -Nremovalfromtheeffluentsby
filtermediavesuvianite
Debusk等 [ 16]和 Neori等 [ 13]的研究证实 , 用孔
石莼吸收水中的营养盐 , 其最佳的使用量为 1.0
kg/m2 , 以保证藻体有足够的光照 。本试验中 , 1
mg/L的孔石莼用量是参照文献 [ 17] 制定的。从
表 2可见:角叉菜的用量为 3 mg/L或 4 mg/L时 ,
其处理 NO3 -N的效果与孔石莼相同 , 但处理
PO4 -P的效果不及孔石莼 , 这表明角叉菜吸收磷
的能力弱于孔石莼 。谭烨辉等 [ 18]的研究表明 , 正
常条件培育下的孔石莼在黑暗条件下同样能吸收
氮 、 磷 , 而且在光照和黑暗条件下 , 对 PO4 -P的
吸收速率相同 。
图 3　角叉菜及石莼对 NO3 -N的去除作用
　Fig.3　NO
3
-NremovalbyChondrusocelatusand
Ulvapertusa
423第 6期　　　　　　　王华 ,等:用火山石载体生物膜和角叉菜去除水中氮和磷的效果
表 2　角叉菜和孔石莼对模拟废水中 NO
3
-N和 PO
4
-P24 h的去除效果
Tab.2　NO3 -NandPO4 -PuptakebyChondrusocellatusandUlvapertusain24 hours
种类
species
用量 dosage/
(g· L-1)
NO3 -N
ρ1 ρ2 R2 RT RA
PO4 -P
ρ1 ρ2 R2 RT RA
角叉菜
Chondrusocelatus
1
2
3
4
4.450
4.450
4.450
4.450
2.659
1.154
0.088
0.027
0.358
0.659
0.873
0.885
40.26
74.07
98.03
99.39
0.107
0.198
0.262
0.265
0.195
0.195
0.195
0.195
0.115
0.045
0.029
0.028
0.016
0.029
0.034
0.033
40.96
76.20
85.26
85.63
0.005
0.009
0.010
0.010
孔石莼
Ulvapertusa 1 4.450 0.077 0.875 98.28 0.262 0.195 0.011 0.038 4.68 0.017
　注:ρ1为处理前的浓度 Initialconcentration(mg/L);ρ2 为处理后浓度 Finalconcentration(mg/L);R2 为去除效率 Removalrate
(g/ (m2· d));RT为总去除率 Totalremovalrate(%);RA为总去除量 Totalremovalamount(g)。
图 4　角叉菜及孔石莼对 PO4 -P的去除作用
　Fig.4　PO4 -PremovalbyChondrusocellatusand
Ulvapertusa
　　从表 3可见 , 两组高用量角叉菜的增重效果较
好 , 而孔石莼的增重率明显高于角叉菜。由于试验
条件不同 , 特别是环境因子 (如温度 、 光照 、 营
养盐组成 、 pH值等)不同 , 因而不同的试验结果
间可比性较差 。Neori等[ 13-14]和 Schuenhof等 [ 1]以
孔石莼为研究对象 , 其增重率在 10%左右。考虑
到光在海藻处理池中的通透性及为保持适当的藻水
比例 , 需定期对大型藻进行收获。本试验中 , 选
用 3 mg/L的角叉菜用于实际养殖废水的处理 。
表 3　角叉菜和孔石莼 24h的增重量
　　Tab.3　TheweightgainofChondrusocellatusandUl-
vapertusain24hours
种类
species
浓度 /(g· L-1)
contentration
增重 /g
weightgain
增重率 /%
weightgainrate
角叉菜
C.ocelatus
1
2
3
4
0.825
2.689
6.874
9.078
1.38
2.24
3.81
3.76
孔石莼
Ulvapertusa 1 7.969 13.28
　　从表 4可见 , 对于实际的牙鲆养殖废水 , 角叉
菜对水中 NO3 -N和 PO4 -P的去除效果与孔石莼
的作用相近。如以去除水中的氮和磷为目的 , 以去
除效率 (R)作为相互比较的指标 , Gross等 [ 19]报
道 , 鲶养殖池塘浮游植物对氮的去除效率仅为
0.024 g/ (m2·d);Schuenhof等 [ 1]研究鱼和孔石
莼所组成的复合养殖系统时 , 得到孔石莼对氮的去
除效率为 0.646 g/ (m2·d), 对磷的去除效率为
0.054 g/ (m2·d), 这与本试验结果相近 。
表 4　角叉菜和孔石莼对养殖废水中 NO3 -N和 PO4 -P24 h和 48 h的去除效果
Tab.4　NO3 -NandPO4 -PremovalfromaquacultureefluentsbyChondrusocelatusandUlvapertusa
　　　　　　　 in24 hoursand48hours
种类 species 处理时间t/h
NO3 -N
ρ1 ρ2 R2 RT RA
PO4 -P
ρ1 ρ2 R2 RT RA
角叉菜
Chondrusocelatus
24
48
6.207
3.082
3.082
0.415
0.625
0.579
50.35
93.31
0.188
0.348
0.314
0.083
0.083
0.012
0.046
0.030
73.52
96.31
0.014
0.018
孔石莼
Ulvapertusa
24
48
6.207
2.832
2.832
0.249
0.675
0.595
54.38
96.00
0.203
0.358
0.314
0.052
0.052
0.013
0.052
0.030
83.29
95.98
0.016
0.018
　注:ρ1为处理前的浓度 Initialconcentration(mg/L);ρ2 为处理后浓度 Finalconcentration(mg/L);R2 为去除效率 Removalrate
(g/m2· d);RT为总去除率 Totalremovalrate(%);RA为总去除量 Totalremovalamount(g)。
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Nitrogenandphosphateremovalinaquaculturewastewaterbyanovel
filtermediavesuvianiteandmacroalgaChondrusocelatus
WANGHua1, 2 , 　LIUChang-fa1, 2 , 　QINChuan-xin1, 2
(1.SchoolofMarineEnvironmentalEngineering, DalianFisheriesUniv., Dalian116023, China;　　　　　　　　　　　
2.LaboratoryofNearshoreMarineEnvironmentalScienceandTechnology, DalianFisheriesUniv., Dalian116023, China)
Abstract:Thisresearchdealswiththepotentialofnutrientremovalfromtheaquaculturewastewaterusinganovel
filtermediavesuvianiteandthemacroalgaChondrusocelatus.EfluentsfromJapaneseflounderrearingtankwere
suppliedtomacroalgaculturetanksfromthepretreatmentnitrificationfilter.Determinationofthefiltermediaand
macroalgaeperformanceinthesetreatmentswasbasedontheexchangeofdissolvednutrients(ammonia-N,
nitrate-N, nitrite-Nandorthophosphate).Thevesuvianitenitrificationfilterremovedmorethan95% ofammo-
niawiththemaximalremoverateof16.372 g/(m3·d).TheproprietyproportionofChondrusocelatusintreating
waterwasabout3 mg/L.Themacroalgaebiofiltertankremoved0.625 g/(m2·d)ofthenitrate-Nand0.046
g/(m2·d)oftheorthophosphatefromthefishculturepretreatmentefluent, theeficiencyasthesameasUlvaper-
tusa.Clearly, thenitrificationfiltersystemswereeficientintoxicammoniaremovingandthemacroalgaeweregood
candidateforfurthertheefluenttreatingandmaintainingthewaterqualitywithinacceptablelevelsforreuse.
Keywords:vesuvianite;Chondrusocelatus;aquaculturewastewater;treatment
425第 6期　　　　　　　王华 ,等:用火山石载体生物膜和角叉菜去除水中氮和磷的效果