臭氧在高密度閉路循環(huán)海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應用

發(fā)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(huán)海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的臭氧應用。在應用了臭氧的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中進行了真碉的長期養(yǎng)殖實驗，從真碉幼魚（1.97g/尾）養(yǎng)殖到174.5g/尾養(yǎng)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(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的作用史不可替代的。
關鍵詞：循環(huán)水養(yǎng)殖 臭氧 生化處理 真碉 高密度
      高密度閉路循環(huán)海水養(yǎng)殖技術是我國工廠化養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢，可解決目前傳統(tǒng)工廠化養(yǎng)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(xù)發(fā)展的養(yǎng)殖模式。在西方漁業(yè)發(fā)達國家，循環(huán)水養(yǎng)殖技術已相當成熟，已成為一項產業(yè)，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(yǎng)殖中的應用日益廣泛。因為養(yǎng)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(yǎng)殖滅菌。臭氧在許多養(yǎng)殖系統(tǒng)中顯出優(yōu)良的性能。在國外循環(huán)水養(yǎng)殖業(yè)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(yǎng)殖中的應用。近幾年循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)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(huán)海水養(yǎng)殖系統(tǒng)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(tǒng) 實驗系統(tǒng)水處理流程如圖1所示。

實驗系統(tǒng)中使用的主要設備與儀器見表1：

序號                設備                              說明  1                   養(yǎng)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(yè)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(yǎng)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(yǎng)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(huán)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(yǎng)殖過程中未投入任何藥物。養(yǎng)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(yǎng)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(tǒng)中pH低于8；其實，養(yǎng)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(fā)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(huán)水系統(tǒng)中，有色物質的積累會使水體顏色加深，一般呈現(xiàn)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(tǒng)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(fā)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(xù)處理單元的負擔，也即提高了系統(tǒng)的整體效率。
     在本實驗整個養(yǎng)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(yǎng)的硝化細菌在生物過濾器中占有一定優(yōu)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(yōu)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(huán)海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，在日換水量小于10%的情況下，能夠將真碉長期養(yǎng)殖，且達到31.1kg/m3的養(yǎng)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。