利用生物炭与PHBV固相脱氮系统净化河蟹养殖水体

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利用生物炭与PHBV固相脱氮系统净化河蟹养殖水体摘要：河蟹是高附加值水产品，但养殖过程中常导致水体氮元素超标，造成环境污染。通过生物炭与聚羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）作载体，构建固相脱氮系统（BP），研究其在河蟹养殖周期内对水体中总氮、铵态氮和硝态氮的去除能力，综合考察其对河蟹养殖的影响，并与常规养殖（CK）进行对比。结果表明，通过BP处理后，在河蟹养殖周期内，水体总氮、铵态氮和硝态氮含量均显著低于对照（P<0.05）。BP处理平均总氮含量变幅为0.16～4.75mg/L，平均铵态氮含量变幅为0.17～2.10mg/L，平均硝态氮含量变幅为0.10～0.81mg/L;总氮平均去除率为62.03%，铵态氮平均去除率为73.76%，硝态氮平均去除率为72.53%;河蟹产量为948kg/hm2，比CK增产34%，河蟹个体质量无显著变化，但回捕率提升23%，回捕率提升是河蟹增产的主要原因。总体而言，经BP处理后养殖尾水达到地表水Ⅲ类标准（GB3838—2002），满足实际生产要求。 关键词：生物炭;PHBV;固相脱氮;河蟹;养殖水体 　　陽澄湖大闸蟹（学名中华绒螯蟹，俗称河蟹，下面简称河蟹）是我国知名的水产品，具有极高的经济和营养价值[1]。同时，河蟹围栏养殖严重污染了周边水体，目前养殖模式正全面转向集约化池塘养殖，但集约化高强度养殖投入的大量饵料和河蟹排泄物常常导致养殖水体的氮超标，因此河蟹养殖尾水对阳澄湖等水源地水质是极大的风险源[2-3]。 　　生物炭是一种新型环境功能材料，其显著特点是比表面积大、孔隙丰富、化学性质稳定，具有极强的吸附性能[4]。利用生物炭净化水体是目前一个重要的研究方向，对不同生物炭的水体氮吸附能力研究表明，pH值、反应时间、氮浓度、生物炭量、粒径、共存阴离子等是水体氮吸附的主要影响因素[5-8]。同时，袁敏等通过将生物炭作为吸附材料，固定化微生物继而强化人工湿地取得了良好的效果[9]，结果表明生物炭也可作为辅助脱氮材料，在复合净水体系中发挥重要作用。 8

1　　聚羟基丁酸戊酸共聚酯，英文名poly（3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate），简称PHBV，是一种新型可完全生物降解材料[10-11]，被广泛用于多个领域，包括药学、组织工程、包装材料等[12-14]。PHBV来源极为广泛，可以利用各种有机物为原料，如淀粉、废弃果蔬、食品工业废弃物等，为其大量应用提供了物质基础[15]。近期研究表明，PHBV可在水体固相脱氮中作为碳源，研究发现，PHBV作为碳源可增强反应器的反硝化能力，提高硝态氮的去除率[16-19]，同时最新研究表明，在人工曝气情况下，PHBV也可增强反应器中的硝化作用，在PHBV表面铵态氮的去除率可达90.4%[10]。 　　综合考察生物炭对氮吸附及PHBV作为固定碳源在硝化与反硝化中的作用，建立如下技术猜想：构建生物炭与PHBV共混体系，即利用生物炭对氮营养的理化吸附，延长其在反应器中的驻留时间，同时利用PHBV作为固态碳源，通过微生物的硝化与反硝化功能进行脱氮。为验证这一猜想，在前期实验室模拟研究基础上，利用河蟹养殖水体这一人工富氮水体作为研究对象，在近7个月的时间内定期监测水体的氮含量。这一研究从生产应用的实际需求出发，填补了目前类似研究偏理论轻应用的不足。 　　本研究拟解决如下问题：（1）利用生物炭与PHBV共混体系提高对养殖水体的实际氮削减能力;（2）养殖水体减氮后，河蟹产量变化及原因分析。 　　1材料与方法 　　1.1生物炭与PHBV共混净化系统（BP） 　　生物炭为绿化废弃树枝在450～500℃条件下自行制备，并经机械粉碎，粒径约为5cm;生物聚酯PHBV，即聚羟基丁酸戊酸共聚酯（羟基戊酸含量1%，颗粒态，粒径约为5mm），购自宁波天安生物材料有限公司;将生物炭与PHBV按体积比5∶1混合均匀备用。同时准备高1.5m，内径1.2m的塑料桶，在桶底铺设20cm海绵用以过滤悬浮颗粒，并在上面放置10cm生物炭与PHBV共混体系，再放置1层10cm过滤海绵，以此向上再重复2次形成三明治式人工净化体系。通过水泵将此共混体系与河蟹养殖塘串联，每50m2养殖塘配置1套净化系统（图1）。 　　1.2养殖塘概况与养殖管理 　　蟹塘位于苏州市农业科学院阳澄湖河蟹养殖基地，试验用养殖塘在2013年开挖，平均深度为1.2m，单塘面积均为50m2，塘与塘中间用双层PVC板隔开，防止水体交换与河蟹逃逸。放养蟹苗前用生石灰彻底消毒，158

2d后每塘种植伊乐藻20m2，并用三元复合肥225g（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）溶水泼施，用以促进水草生长。在水草扎根后放养扣蟹，每塘80只，公母对半，平均体质量为15g。每天早晚根据河蟹大小投放饵料，颗粒饵料采购自通威集团。为防止河蟹缺氧，养殖塘均配备微孔增氧设施，并在夜晚10：00至凌晨04：00自动运行。河蟹养殖过程中进水源头均为阳澄湖（平均总氮含量0.2mg/L），根据气温适时进水调节蟹塘水深，平均水深为80cm。 　　1.3试验设计与运行 　　试验采用单因素完全随机设计，从基地随机挑选6个50m2养殖塘，3个塘作为对照，即常规养殖模式（CK）;剩余3个塘作为处理，在常规养殖的基础上配合使用生物炭与PHBV共混净化体系（BP）（图1）。试验于2017年5月2日正式开始运行，运行前各项准备工作均已完成，包括蟹塘消毒、水草栽培、扣蟹放养等。BP系统开始运行后控制进水流量为10.41L/h，每7d对BP系统进行1次清理维护，防止堵塞，定期人工修剪水草，使其覆盖面积稳定在40%。　　1.4水体养分与河蟹产量分析 　　5月份每隔10d取水样1次，6—11月每隔7d取水样1次。每个养殖塘用水体取样器随机在水面以下20cm取水样3份混匀，采用SKALARSAN++分析系统测定水体总氮、铵态氮和硝態氮的含量。BP系统氮去除率计算方法：去除率=（CK系统氮含量-BP系统氮含量）/CK系统氮含量×100%。在养殖结束后将水排干，收集所有塘内河蟹，分别称质量，计数。河蟹回捕率计算公式：回捕率=捕获成蟹数/放养扣蟹数×100%。 　　1.5统计与分析 　　数据录入和作图采用Office2010，统计分析采用IBMSPSSStatistics19.0。采用t-测验方法比较处理间水体总氮、铵态氮、硝态氮的含量和河蟹产量、个体质量、回捕率的差异。 　　2结果与讨论 　　2.1养殖周期内水体氮养分 8

3　　根据河蟹养殖水体氮养分变化规律，在时间上可分成3个阶段进行分析讨论（图2）。阶段1（养殖开始至6月1日）是养殖前期，也是河蟹养殖水体养分最不易调和的时期。一方面在阶段1必须投入足量的氮养分以供应水草的快速生长，只有水草繁茂才能为河蟹栖息隐蔽提供良好的生境，否则河蟹极易自相残杀，导致回捕率低[20];另一方面，过高的氮、磷养分也容易引起藻类的暴发，导致水体透光度变差，反而不利于水草存活。为有效调和这一矛盾，在水草长根吸肥后，要通过BP系统快速降低水体氮含量，避免藻类过度繁殖。结果表明，在阶段1中，CK、BP处理平均总氮含量分别为6.18、4.75mg/L，铵态氮含量分别为3.04、2.10mg/L，硝态氮含量分别为1.17、0.81mg/L。由于蟹塘自身也具备净化作用（如伊乐藻对氮元素的吸收和水体微生物对氮元素的利用），CK和BP处理均显示了一定的脱氮能力，但统计表明，BP处理显著降低了这一阶段水体总氮、铵态氮和硝态氮的含量（P<0.05）。短期内生物炭对无机氮离子具有极强的吸附能力[5，21]，因此在阶段1，BP处理对水体净化的贡献可能主要源自生物炭对无机氮离子的吸附，同时也是生物炭和PHBV共混体系形成微生物膜的过程。BP系统中海绵对水体中固体颗粒物也具备一定的拦截能力，但海绵的拦截极易饱和。 　　由于6—8月份气温逐步升高，阶段2（6月1日至9月1日）也是河蟹养殖过程中水质最易变差的时期，也是养殖尾水外排关键时期。由图2可知，总体而言BP处理在高温期能有效控制水体氮营养，阶段2中CK处理总氮、铵态氮和硝态氮含量显著高于BP处理，2个处理的平均总氮含量分别为1.94、0.70mg/L，平均铵态氮含量分别为0.70、0.20mg/L，平均硝态氮含量分别为0.61、0.15mg/L。根据地表水环境质量标准（GB3838—2002）[22]，按总氮计，CK处理水质为V类水，而BP处理后能达到Ⅲ类水标准;按铵态氮计，CK处理水质为Ⅲ类水，BP处理水质可达Ⅱ类;由于标准中硝态氮限制为10mg/L，因此硝态氮处于低风险状态。在阳澄湖地区8月下旬通常为年均气温最高的时期，2017年8月下旬该地区平均气温超过35°C，而伊乐藻作为外来物种，本身不耐热，极易在高温期大量死亡，导致水质恶化[23-24]，因此在阶段2水体总氮和铵态氮含量在8月下旬均达一个小高峰（图2），但通过BP系统脱氮后，水体总氮含量稳定在1.41mg/L，铵态氮含量稳定在0.55mg/L，分别达到地表水Ⅳ类和Ⅲ类标准。 　　阶段3（9月1日至收获）伴随气温逐步降低，养殖水体氮含量也逐步降低，但同时由于河蟹捕捞的要求，通常会在养殖后期密集排水，因此阶段3是养殖尾水超标排放的重要时期。统计分析表明，BP处理的总氮、铵态氮和硝态氮排放量显著低于CK处理，其中CK、BP处理的总氮含量分别为1.51、0.67mg/L，铵态氮含量分别为0.56、0.17mg/L，硝态氮含量分别为1.35、0.108

4mg/L。参考地表水环境质量标准（GB3838—2002）[22]，BP处理的总氮含量满足Ⅲ类标准，铵态氮含量满足Ⅰ类水标准，而CK处理总氮含量满足V类水标准，铵态氮含量满足Ⅲ类水标准。参考淡水池塘养殖水排放要求（SC/T9101—2007）[25]，CK和BP处理均满足排放要求。但考虑到阳澄湖也是市民水源地，参考生活饮用水水源水质标准（CJ3020—1993）[26]，Ⅰ级饮用水水源铵态氮含量应不超过0.5mg/L，经BP处理后，后期养殖尾水可直接外排。 　　由图3可知，总氮、铵态氮和硝态氮在养殖周期内BP系统的去除率可分为2个时期，阶段1为第1时期，在此时期氮去除率快速增加，从最低的3.14%提升至最高70.50%，且硝态氮去除率的提升速度较铵态氮和总氮快。第2时期为阶段2和阶段3（6—11月），在此时期，BP系统的氮去除效率基本保持稳定，其中总氮平均去除率为62.03%，铵态氮平均去除率为73.76%，硝态氮平均去除率为72.53%。与实验室模拟实验的净化率相比（表1），BP系统的氮去除能力并不突出，特别是硝态氮去除率仍相对较低，但实际应用条件具有复杂性和不可控性，且从最终水体的排放效果看，已完全满足排放要求，因此从水体净化角度而言，BP系统可用于河蟹养殖水体的氮营养控制。 　　2.2河蟹产量及回捕率 　　由图4可知，在BP处理下河蟹产量显著高于CK处理，BP处理平均产量为948kg/hm2，较CK处理增产34%。河蟹的平均个体大小并无显著区别，平均为96g。河蟹回捕率在BP处理下显著提升（P<0.05），BP处理平均回捕率为59%，比CK高出23%。阳澄湖河蟹是中国知名水产品，具有较高的经济价值。提高河蟹的产量能直接提高养殖户/公司的经济收益，从个体大小和回捕率分析，BP处理条件下，河蟹回捕率提升是增产的主要原因。首先，养殖水体氮含量的改善了水体微生物群落结构[29-30]，有利于降低河蟹染病概率[31]，进而提高河蟹回捕率;其次，水体氮含量降低减少了藻类的过度繁殖，增强了水体透光度，利于水草生长，为河蟹脱壳期提供了良好的环境。　　3结论 　　采用生物炭与PHBV共混系统（BP）处理河蟹养殖水体后，水体总氮、铵态氮和硝态氮均得到显著降低。参考地表水环境质量标准，经BP处理后河蟹养殖水满足地表水Ⅲ类标准;参考生活饮用水水源标准，经过BP处理后，养殖尾水满足Ⅰ类生活饮用水标准，可以直接外排。 8

5　　BP系统显著增加了河蟹的产量，较常规养殖增产34%，其主要增产机制是通过改善河蟹生存环境，来提高河蟹回捕率。 　　参考文献： 　　[1]李伟中.阳澄湖大闸蟹的经济与文化价值探析[J].扬州大学烹饪学报，2006，23（3）：6-10. 　　[2]黄德.水产养殖对环境的影响及其防治对策分析[J].黑龙江水产，2016（4）：11-13. 　　[3]刘鹰，王玲玲.集约化水产养殖污水处理技术及应用[J].淡水渔业，1999，29（10）：22-24. 　　[4]吕宏虹，宫艳艳，唐景春，等.生物炭及其复合材料的制备与应用研究进展[J].农业环境科学学报，2015，34（8）：1429-1440. 　　[5]索桂芳，吕豪豪，汪玉瑛，等.不同生物炭对氮的吸附性能[J].农业环境科学学报，2018，37（6）：1193-1202. 　　[6]邢英，李心清，周志红，等.生物炭对水体中铵氮的吸附特征及其动力学研究[J].地球与环境，2011，39（4）：511-516. 　　[7]王博，叶春，李法云，等.水生植物制生物炭对硝态氮的吸附规律研究[J].中国环境科学，2017，37（1）：116-122. 　　[8]刘项，南红岩，安强.刺桐生物炭对水中氨氮和磷的吸附[J].农业资源与环境学报，2018，35（1）：66-73. 　　[9]袁敏，刘晓冰，唐美珍，等.生物炭固定菌强化人工湿地对低温污水中氮素去除的模拟研究[J].生态与农村环境学报，2018，34（5）：463-468. 　　[10]SunH，YangZ，WeiC，etal.Nitrogenremovalperformanceandfunctionalgenesdistributionpatternsinsolid-phasedenitrificationsub-surfaceconstructedwetlandwithmicroaeration[J].BioresourceTechnology，2018，263：223-231. 　　[11]BakareR，HawthroneS，VailsC，etal.Antimicrobialandcellviabilitymeasurementofbovineserumalbumincappedsilvernanoparticles（Ag/BSA）loadedcollagenimmobilizedpoly（3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate）（PHBV）film[J].JournalofColloidandInterfaceScience，2016，465：140-148. 8

6　　[12]吳俊，孙俊英，李海燕，等.以PHBV为支架构建组织工程化软骨[J].中国矫形外科杂志，2006，14（13）：1016-1018，1041-1042. 　　[13]沈旭，蒋赞利，吴小涛，等.PHBV纳米纤维对大鼠骨髓间充质干细胞向神经干细胞分化的形态学影响[J].东南大学学报（医学版），2015，34（4）：531-535.[HJ2mm] 　　[14]陆蓥，孙辉，尤如玉，等.生物可降解PLA/PHBV共混包装薄膜的热行为和力学性能研究[J].包装世界，2017（2）：25-27. 　　[15]汪为华.PHBV基可生物降解复合材料研究现状[J].现代纺织技术，2006（4）：54-58. 　　[16]杨飞飞，吴为中.以PHBV为碳源和生物膜载体的生物反硝化研究[J].中国环境科学，2014，34（7）：1703-1708. 　　[17]李军，徐影，王秀玲，等.固体碳源填充床反应器反硝化性能的研究[J].农业环境科学学报，2012，31（6）：1230-1235. 　　[18]赵兰，王婷，吴为中.以PHBV为固相碳源同时去除地下水中硝酸盐氮和对氯苯酚的试验研究[J].生态环境学报，2015，24（2）：300-304. 　　[19]XuZ，SongL，DaiX，etal.PHBVpolymersupporteddenitrificationsystemefficientlytreatedhighnitrateconcentrationwastewater：denitrificationperformance，microbialcommunitystructureevolutionandkeydenitrifyingbacteria[J].Chemosphere，2018，197：96-104. 　　[20]江苏省淡水水产研究所.大闸蟹养殖一月通[M].北京：中国农业大学出版社，2010. 　　[21]王靓，葛春兰，薛英文，等.生物炭吸附去除溶液中硝态氮研究综述[J].中国农村水利水电，2015（2）：32-37. 　　[22]地表水环境质量标准：GB3838—2002[S]. [23]谢国兴，陈正锦，鲍胜华，等.河蟹生态健康养殖池塘中水草的栽培[J].水产养殖，2013，34（12）：45-47. 　　[24]纪连元，王建民，王桂民，等.蟹塘伊乐藻高效、生态管护技术[J].水产养殖，2017，38（2）：40-41. 　　[25]淡水池塘养殖水排放要求：SC/T9101—2007[S]. 　　[26]生活饮用水水源水质标准：CJ3020—1993[S]. 8

7　　[27]ChuL，WangJ.DenitrificationofgroundwaterusingPHBVblendsinpackedbedreactorsandthemicrobialdiversity[J].Chemosphere，2016，155：463-470. 　　[28]YangZ，YangL，WeiC，etal.Enhancednitrogenremovalusingsolidcarbonsourceinconstructedwetlandwithlimitedaeration[J].BioresourceTechnology，2018，248（B）：98-103. 　　[29]李谷，吴振斌，侯燕松，等.养殖水体氮的生物转化及其相关微生物研究进展[J].中国生态农业学报，2006，14（1）：11-15. 　　[30]徐帅琳.微生物对水产养殖水质调控作用研究[J].中国水产，2016（10）：112-115. 　　[31]张信娣，陈瑛.光合细菌对养殖水体的调节作用[J].水利渔业，2007，27（1）：80-82. 　8