硝化–反硝化滤池处理海水养殖对虾废水研究

Study on the Treatment of Shrimp Mariculture Wastewater by Nitrification-Denitrification Filter

摘要: 采用硝化–反硝化滤池处理对虾养殖废水现有处理工艺未达标排水，在广东某养殖基地开展实验。针对废水高无机氮的特点，探究硝化–反硝化工艺的可行性、评估耐盐硝化菌剂的作用及摸索碳源添加量。结果表明，与未添加菌剂相比，添加硝化菌剂可将硝化滤池启动时间由11 d缩短至5 d，但稳定运行后对氨氮去除无影响；反硝化滤池最佳葡萄糖添加量为40 mg/L，出水无机氮、COD_Mn分别为1.10~1.92 mg/L、3.98~17.30 mg/L，稳定满足《海水养殖尾水排放要求》修订稿(征求意见稿)二级排放标准，处理成本0.17元/m³，技术、经济上均具有可行性。

Abstract: The nitrification-denitrification filter was adopted to treat shrimp wastewater, which was not up to the standard by using the existing treatment technology. Experiments were conducted in a breeding base in Guangdong. According to the characteristics of high inorganic nitrogen in wastewater, the feasibility of nitrification-denitrification process, the role of salt tolerant nitrifying bacteria and actual amount of carbon source were investigated. The results show that, the start-up time of nitrifying filter can be shortened from 11 days to 5 days by adding nitrifying bacteria, and there is no better effect on ammonia nitrogen removal in stable operation. The optimal glucose dosage in denitrification filter was 40 mg/L, the inorganic nitrogen and COD_Mn in the effluent were 1.10~1.92 mg/L and 3.98~17.30 mg/L, respectively, which all steadily reached the Grade II in requirement for Water Drainage Standard for Sea Water Mariculture (Revised Draft). The treatment cost per ton wastewater was 0.17 yuan/m³, which is technically and economically feasible.

1. 引言

南美白对虾肉质细嫩，营养丰富，是养殖虾类产量最高的三大品种之一 [1] [2] [3]，2018年我国南美白对虾海水养殖面积达16.70万hm²，产量111.75万吨 [4]。该虾养殖具有高密度、高投饵量、高水质需求、高排泄的特点，放养密度可达187.5万尾/hm² [5]，平均每天投饵料4~6次，投饵量为池虾总重量的3%~5%，饵料蛋白质含量40%左右 [6] [7]。环境对对虾的生长影响很大 [8] [9]，水中氨氮、亚硝酸盐氮不应高于0.79 mg/L、1.91 mg/L [10]。剩余饵料及排泄物导致养殖水氨氮、亚硝酸盐氮剧增，有些高达2.90 mg/L、6.67 mg/L [11]，造成大量废水产生，污染物排放量巨大 [12] [13] [14] [15]。

广东某对虾养殖基地，采用封闭式循环水养殖方式，日排放废水10,000~15,000 m³。废水中无机氮高达7.80~11.23 mg/L，现有处理工艺为：格栅 + 沉淀池 + 滤布滤池 + 加药除磷池，对无机氮的处理效果不佳，难以满足《海水养殖尾水排放要求》修订稿(征求意见稿)二级标准。国内外利用硝化–反硝化工艺去除无机氮的研究较多，均取得较好效果 [16] [17] [18] [19]。拟增加硝化–反硝化滤池强化无机氮的去除，为探究工艺的可行性、评估市售耐盐硝化菌剂的作用及摸索实际碳源需求量，在基地内开展小试验，为实际工程改造提供指导。

2. 实验部分

2.1. 工艺流程与实验装置

硝化–反硝化工艺实验流程见图1。

实验装置由硝化滤池、中间水池、反硝化滤池、清水池、碳源补加池组成。硝化滤池直径250 mm，高2.0 m，自下而上为10 cm承托层(粒径1~3 cm鹅卵石)，1.5 m滤料层(粒径3~5 mm火山岩，孔隙率60%)，分两组，编号1、2，均配有曝气、进水及反冲洗装置。硝化滤池中保持较高的溶解氧，填料上的硝化细菌成为优势菌种，可有效的去除氨氮。反硝化滤池直径250 mm，高2.0 m，自下而上为10 cm承托层(粒径0.5~1 cm卵石)，1.5 m滤料层(粒径0.5~1.2 mm石英砂，孔隙率45%)，分4组，编号a、b、c、d，均配有进水、驱氮、反冲洗、碳源补加装置。反硝化滤池中补充碳源，同时控制溶解氧含量，为反硝化细菌创造生长条件，将硝酸盐、亚硝酸盐转化为气态氮。

Figure 1. Nitrification-denitrification process flow diagram

图1. 硝化–反硝化工艺流程示意图

2.2. 进水水质

实验装置进水取自基地现有工艺清水池，因实验期间清水池无机氮较低，按业主要求在装置进水池中添加氯化铵使进水无机氮在10.00 mg/L左右，实际进水水质见表1。

Table 1. Influent water quality

表1. 进水水质

2.3. 实验方法

硝化滤池均接种现有沉淀池污泥，污泥与进水混合，MLSS 1000 mg/L，注入滤池，闷曝24 h，排空，重新注入混合液，闷曝24 h，重复3次，接种成功 [16]。而后，硝化滤池连续进水，停留时间0.7 h，溶解氧3~5 mg/L，利用装置出水人工反冲洗，3 d一次，每次5 min。1号滤池按10 mg/L连续投加市售耐盐硝化菌剂，2号不加，出水均排入中间水池，混合后进入反硝化滤池。中间水池添加现有沉淀池污泥，MLSS 100 mg/L，混合液连续进入反硝化滤池，a、b、c、d四组补充葡萄糖作碳源，浓度：20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L，污泥添加3 d，接种成功。进入连续进水阶段，停留时间1.5 h，驱氮、反冲洗利用装置出水人工进行，驱氮0.5 d一次，每次3 min，反冲洗2 d一次，每次5 min。

2.4. 水质测试

装置开始运行后，每日取样测试，指标包括COD_Mn、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、pH值，测试方法均取自《海洋监测规范第4部分：海水分析》(GB 17378.4-2007)。

3. 结果与讨论

3.1. 耐盐硝化菌剂对硝化滤池启动及运行效果的影响

外部补充生物菌剂具有加快启动速度、减小波动、提高出水水质的效果 [20] [21]，但菌剂在海水中的应用较少。本研究在1号硝化滤池中连续添加10 mg/L耐盐硝化菌剂，并与未添加的2号对比，在停留时间0.7 h，溶解氧3~5 mg/L条件下，研究菌剂对反应器启动及氨氮去除效果的影响，结果见图2、图3。

Figure 2. Removal effect of ammonia nitrogen by No. 1 nitrification filter

图2. 1号硝化滤池对氨氮的去除效果

Figure 3. Removal effect of ammonia nitrogen by No. 2 nitrification filter

图3. 2号硝化滤池对氨氮的去除效果

从图2、图3可知，1号硝化滤池出水氨氮5 d即可达到1.00 mg/L以下，最终稳定在0.13~0.51 mg/L，去除率高达92.01%~98.47%；2号硝化滤池出水氨氮11 d才达到1.00 mg/L以下，最终稳定在0.13~0.51 mg/L，去除率也高达93.46%~98.69%。由此可知，添加菌剂使硝化滤池启动时间大幅度缩短，因菌剂硝化速率大于500 mg氨氮/(L∙h)，启动期间添加菌剂大幅度提高了硝化菌群数量以利于挂膜，从而缩短了启动时间。稳定运行期，添加菌剂对氨氮去除效果几乎没有影响，这是因为实验期间温度25℃~31℃，非常有利于硝化细菌的生长，滤料表面生物膜已稳定成熟，对氨氮的去除效果很好，菌剂添加已无提升的空间。

3.2. 葡萄糖碳源对无机氮去除效果的影响

适宜的碳源含量是反硝化菌群脱氮的必要条件，本研究在a、b、c、d四组反硝化滤池中分别按20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L浓度添加葡萄糖，停留时间1.5 h，研究碳源添加量对无机氮去除效果的影响，结果见图4~8。

Figure 4. Removal effect of inorganic nitrogen by adding 20 mg/L carbon source

图4. 碳源添加20 mg/L，工艺对无机氮的去除效果

Figure 5. Removal effect of inorganic nitrogen by adding 30 mg/L carbon source

图5. 碳源添加30 mg/L，工艺对无机氮的去除效果

Figure 6. Removal effect of inorganic nitrogen by adding 40 mg/L carbon source

图6. 碳源添加40 mg/L，工艺对无机氮的去除效果

Figure 7. Removal effect of inorganic nitrogen by adding 50 mg/L carbon source

图7. 碳源添加50 mg/L，工艺对无机氮的去除效果

Figure 8. Permanganate number index in effluent

图8. 工艺出水高锰酸盐指数

从图4~8可知，葡萄糖添加量由20 mg/L增加到40 mg/L，出水无机氮浓度呈下降趋势，由4.10~5.58 mg/L下降到1.10~1.92 mg/L，去除率由30.01%~62.73%增加到76.54%~90.00%，出水COD_Mn由1.17~8.28 mg/L增加到3.98~17.30 mg/L，无机氮和COD_Mn满足《海水养殖尾水排放要求》修订稿(征求意见稿)中二级标准。葡萄糖添加量50 mg/L，出水无机氮浓度仍稳定在1.00~1.77 mg/L，已无下降趋势，出水COD_Mn最大值已达22.71 mg/L，超出二级标准。因而，添加葡萄糖的最佳浓度为40 mg/L。添加量低于40 mg/L时，碳源不足，反硝化过程缺乏电子供体，微生物活性受到抑制；高浓度碳源不但不能进一步促进无机氮的去除，反而导致出水COD_Mn超标。添加40 mg/L葡萄糖，对应COD为42.80 mg/L，本实验脱氮过程COD/N = 8.07 − 4.69。分析认为除反硝化细菌对碳源利用存在利用系数以外，因进入反硝化滤池的溶解氧较高，消耗掉一部分碳源，造成实际COD/N偏高。

3.3. 技术与经济可行性分析

针对对虾养殖废水原处理工艺排水无机氮浓度高、CODCr低的特点，采用硝化–反硝化滤池对现有工艺排水进一步处理，无机氮及COD_Mn稳定满足《海水养殖尾水排放要求》修订稿(征求意见稿)中二级标准，在技术上是可行的。

经初步核算，规模15,000 m³/d的硝化–反硝化滤池处理设施平均运行功率95 kW，电费按0.6561元/kW∙h计算，则电费为0.10元/m³；工业葡萄糖1.40元/kg，药剂费为0.06元/m³；硝化–反硝化滤池自动化程度高，按1名工人配备，人工费为0.01元/m³，合计处理费为0.17元/m³，经济上是可行的。

4. 结论

耐盐硝化菌剂对处理对虾养殖海水的硝化滤池进行强化是可行的，但只在启动阶段有作用，稳定运行阶段添加的意义不大。实际工程中，硝化菌剂可在系统受到温度、水量、水质冲击，处理效果变差时作为应急手段采用。

硝化–反硝化滤池对海水养殖对虾废水中的无机氮有良好的去除效果，硝化段水力停留时间0.7 h，反硝化段1.5 h，反硝化滤池中葡萄糖的最佳添加量为40 mg/L，出水无机氮可维持在1.10~1.92 mg/L，去除率76.54%~90.00%，出水COD_Mn可维持在3.98~17.30 mg/L，二者均可实现达标排放，处理费0.17元/m³，在技术和经济上皆可行。