現代化的高效循環水養殖技術始于 20 世紀 70 年代的歐洲，至 20 世紀 90 年代已成為歐洲水產養殖的主流方式． 我國于 20 世紀 70 年代末對循環水養殖技術進行探索，先后從歐洲引進數十套設備用于淡水養殖，但限于經濟條件和技術限制，未能大規模推廣． 近年來，我國水產養殖規模不斷擴大，養、捕比例由 2002 年的 63∶ 37 提高到 2011 年的 72∶ 28，水產養殖產量占世界總產量的 70%． 然而，過于粗放的養殖模式使養殖水體污染日益嚴重，養殖病害頻發，養殖成本大幅上升． 清潔、高效的循環水養殖技術開始受到越來越多的重視，并在我國沿海和內陸部分地區得到積極推廣． 養殖過程中，大量殘餌、糞便常會導致水體富營養化，誘使病害發生，此時水體總氮\\(TN\\) 、總磷\\(TP\\) 、氨氮\\(NH3-N\\) 、亞硝酸鹽氮\\(NO2-N\\) 、化學需氧量\\(COD\\) 等大幅升高． 因此，齊全的水處理設備對于循環水養殖系統至關重要． 基于生物膜技術的生物濾池是當前循環水養殖系統中使用最廣泛的水體清潔裝置． 它依靠其中的各種濾料或填料為載體，富集有益微生物形成生物菌膜，通過微生物的新陳代謝作用實現對養殖廢水中“三態氮”、COD 等溶解性有害物質的降解和去除．為了解循環水育苗系統水處理流程、探索生物膜在循環水育苗系統中的水質調控作用，本文通過研究生物濾池處理前后水質主要指標的變化，揭示生物濾池對育苗池水質的凈化效果，旨在為智能化溫室育苗系統水質調控模式和技術研究提供參考．
1、 試驗部分
1． 1 研究對象
本試驗采樣地點位于浙江南太湖淡水水產種業有限公司羅氏沼蝦\\(Macrobrachium rosenbergii\\) 15#育苗池，面積 18 m2，育苗數量 60 萬幼體，育苗時間為 20 d，其循環水育苗系統結構圖如圖 1 所示． 該系統主要由 4 個部分組成: 育苗池、沉淀池、生物濾池及儲水池． 育苗池的養殖水體經出水口進入沉淀池，去除其中的懸浮顆粒物等雜質后，進入生物濾池，借助濾池中固著微生物的新陳代謝作用將水體中的有機污染物降解，得到凈化的水體流入儲水池，最終再經進水口回到育苗池中，實現循環水養殖．
生物濾料為進口聚乙烯樹脂顆粒料經高溫兩次發泡制成，具有質輕、比表面積大、吸附能力強、不破碎、孔隙率高、濾速高、脫污能力強、濾料均勻、使用壽命長等優點，直徑: 4—5 cm，準密度: 15—20 g·cm－ 3，孔隙率: 50%．
1． 2 掛膜方法
菌種為浙江省淡水水產研究所魚病室提供的有益菌，主要為芽孢桿菌和乳酸菌． 每毫升菌液中，有益菌含量為 1 ×1011CFU． 掛膜時，每 100 L 水體投入約 0． 5 mL 的菌液． 污水采自鄰近養殖池的養殖廢水，先以慢速引入生物濾池，循環 3—7 d 后，改為慢速連續進水． 在此過程中，水體中的微生物附著在濾料表面，吸收水中的有機物進行生長繁殖． 進水量逐步增加到正常值時，濾料上形成較穩定的生物膜．掛膜培養時間約 40 d．
1． 3 生物膜生長情況判定方法
傳統對生物膜生長情況的判定是通過對水質理化參數進行測定來實現的，操作較為復雜． 生物膜生長情況本質上來說，是固著其上的微生物生長情況的體現，而在評價微生物生長情況的方法中，生物量是一個直觀、有效的指標． 生物膜在形成過程中，始終伴隨著膜厚度的增加和膜的脫落，在形成初期，膜厚度增加速度大于脫落速度，使得生物膜總體處于不斷增厚的狀態，即固著生物量不斷增加，但這一狀態不會始終保持下去，受固著微生物生長狀況和生物膜所處水質環境的影響，在某一時刻，膜厚度增加速度與脫落速度達到平衡，生物膜厚度基本保持不變，即固著生物量達到最大值，此時生物膜上的微生物大多處于各自生命周期的穩定期，標志著生物膜的成熟． 隨著生物膜處理時間的延長，膜厚度增加速度逐漸小于脫落速度，使得生物膜處于不斷變薄的狀態，即固著生物量不斷減少，標志著生物膜步入老化階段． 此時，循環水系統對水質的凈化能力減弱．在第 1 次取水樣時，從生物濾池取下一塊濾料，先用蒸餾水輕輕沖洗，去除未固定的非生物質，再將濾料連同上面固著的微生物一起放進烘箱中，105 ℃下烘干至恒重，計此時濾料的重量為 m2，另取一塊未經使用的濾料同法烘干并稱重，計其重量為 m1，則某一時期濾料上固著的生物量為\\(m2－ m1\\) ． 第 2次取水樣時，從第 1 次所取濾料鄰近位置再取一塊濾料，同法烘干、稱重，計算生物量，依次類推直至取樣結束．
1． 4 試驗方法及樣品采集
育苗開始的第2 天，投喂孵化18 h 的鹵蟲無節幼體，投喂密度在10 個·mL－ 1左右，以后每天投喂． 隨著羅氏沼蝦溞狀幼體蛻殼生長，攝食量增加，投喂量也相應增加． 至羅氏沼蝦溞狀幼體發育到第 8 期以后，以投喂蛋羹為主、鹵蟲無節幼體為輔． 蛋羹每天投喂 6 次，投喂時間為 1∶ 00、6∶ 00、11∶ 00、13∶ 00、17∶00、22 ∶ 00，每次投喂蛋羹時，應確保 80% 的羅氏沼蝦溞狀幼體能搶到蛋羹．布苗后第 2 天上午 9∶ 00 開始進行第 1 次采樣，在 15#育苗池出水口和進水口各采集 3 瓶平行水樣，分別測定 NH3-N、NO2-N、CODMn、TP、TN，3 次數據取平均值，水樣應做好標記，并注意避光保存，以免其中的微生物進行光合作用． 此后，每隔 2 d 采 1 次樣． 育苗期間，育苗池曝氣裝置一直處于開啟狀態，且曝氣頭較多，水中溶解氧含量均保持在 10 mg·L－ 1以上，故不再測定溶解氧指標．
1． 5 水質測定
NH3-N 采用納氏試劑分光光度法測定、NO2-N采用 N-\\(l-萘基\\) -乙二胺光度法測定、TP 采用磷鉬藍分光光度法測定、TN 采用堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定、COD 采用高錳酸鉀法測定． 所使用試劑均購自國藥集團化學試劑有限公司．
2、 結果與討論
2． 1 生物膜固著生物量的變化
成熟的生物膜一般由好氧層和厭氧層組成，如圖 2 所示，初始時生物膜上的微生物生長較旺盛，固著生物量較高并維持在一定水平\\(5 月 20 日—5 月 27 日\\) ; 隨著生物濾池運行時間的延長，生物膜內部的厭氧層逐漸增厚，厭氧物質不斷富集，使生物膜脫落速度接近增長速度，表現為濾料固著生物量開始減少\\(5 月 30 日\\) ; 5 月 30 日以后，生物膜脫落速度超過生成速度，生物膜固著生物量大大降低，標志著生物膜已處于老化階段，對水質的凈化能力下降，理想的解決方法是對生物膜進行再生處理，但時間較長\\(約為 40 d 左右\\) ，不適合羅氏沼蝦的苗種培育，從工廠化生產角度分析，可以考慮育苗中期對育苗池水體進行更新，從而減輕生物濾池的負荷．
2． 2 總氮\\(TN\\) 在生物膜處理前后的變化
水體中的總氮包括有機氮和無機氮，其中無機氮主要由氨氮和硝態氮組成． 由圖 3 可知，總氮濃度在養殖過程中呈現先快速上升，再緩慢下降的趨勢，這可能是因為羅氏沼蝦苗進食能力不強或餌料投放過多導致水體中營養物質殘留，使初始總氮含量偏高，5 月 27 日以后，水體中總氮含量逐漸下降，可能的原因有三: 一是羅氏沼蝦苗消化系統逐漸發育完善，進食能力增強，大大降低了餌料的殘留量，減少了含氮有機物的富集; 二是生物濾池對水體的凈化作用; 三是蝦苗育苗不同時期投喂餌料種類不同，對水體中氮的貢獻不同． 圖 3 顯示生物膜對水體總氮的初始清除率較高，達 46． 13%，這是因為此時生物膜上固著的微生物量較多，隨著處理時間的延長，生物膜逐漸老化，固著生物量開始減少\\(圖 2\\) ，對總氮清除率下降，并在第 18 天達到最低值，為 1．05%．
2． 3 總磷\\(TP\\) 在生物膜處理前后的變化
磷是動植物主要營養元素之一，參與蝦苗對鈣的吸收和成殼過程． 養殖水體中磷主要來自于餌料、肥料及引水過程． 一般認為水體中磷的濃度達到 0． 02 mg·L－ 1時，對水體的富營養化就會起明顯的促進作用． 圖 4 顯示，水體初始磷濃度為 0． 06 mg·L－ 1，經生物膜處理后，磷濃度降至 0． 025 mg·L－ 1，運行7 d后，由于蝦苗進食能力較弱，餌料殘留較多，使水體中磷的濃度直線上升，最高達到 0． 22 mg·L－ 1，生物膜對磷的清除率隨著生物膜的老化也逐漸下降，由最初的58． 33%降至30． 55%; 隨著蝦苗的發育成熟，餌料對水體中磷濃度的貢獻減弱，在生物膜的作用下，水體中磷濃度逐漸降低至 5 月 30 日的0． 055 mg·L－ 1; 此后，不斷老化的生物膜對水體凈化作用逐漸減弱，水體磷濃度總體呈現上升趨勢．
2． 4 氨氮\\(NH3-N\\) 在生物膜處理前后的變化
循環水養殖中的氨氮主要來自于水產動物代謝及餌料在微生物作用下的分解，是水體的主要耗氧污染物，能導致水體富營養化． 氨在水體中通常以非離子態氨\\(NH3\\) 和離子態氨\\(NH+4\\) 存在，其中以非離子態氨\\(NH3\\) 對水產動物危害較大，其具有脂溶性，可以侵入并富集在動物細胞中，破壞生物體內的氨氮平衡． 圖 5 顯示，氨氮初始時濃度較高，這與蝦苗進食能力弱有關，此時，生物膜對氨氮的清除能力也最強，為 22．68%，在生物膜的作用下，水體氨氮逐漸下降并在 5 月 27 日濃度降到最低; 5 月 27日以后，生物膜上固著生物量開始減少，表明生物膜開始老化，對氨氮的清除率減弱，5 月 30 日以后氨氮濃度呈現上升趨勢．
2． 5 亞硝態氮\\(NO2-N\\) 在生物膜處理前后的變化
工廠化循環水養殖中亞硝態氮主要有兩個來源: 一是水體中溶解氧含量高時，氨氮經硝化反應氧化為亞硝態氮; 二是溶解氧不足時，硝態氮經反硝化過程還原為亞硝態氮． 亞硝態氮會阻礙水產動物血液對氧氣的運輸，使水產動物因缺氧而窒息死亡，同時，還會降低水產動物抗病能力，增加養殖病害爆發的風險． 圖 6 顯示，亞硝態氮濃度先上升后下降，并于 5 月 27 日達到最高值，這是因為初始氨氮濃度較高，促進了亞硝態氮的積累，此時，生物膜的凈化能力也達到了最大值，為 32． 22%; 5 月 30 日以后，生物膜老化開始凸顯，濾料固著微生物量逐漸減少，亞硝態氮濃度再次上升并維持在一個較高的水平．
2． 6 化學需氧量\\(CODMn\\) 在生物膜處理前后的變化
CODMn反映了水中受還原性物質污染的程度，也是表征水體中有機質含量的一個重要指標． 育苗初始階段，因蝦苗消化系統尚未發育完善，進食能力較弱，導致水體中有機物含量較高，經生物膜處理后，水體中 CODMn不斷下降，并最終穩定在一個較低的水平\\(圖 7\\) ，可能是因為此時蝦苗已經生長發育成熟，餌料殘留不再成為有機污染物的主要來源，后者更多來源于蝦苗排泄物，在微生物的作用下，有機污染物的濃度保持動態平衡． 生物膜對 CODMn的清除能力較弱，最高清除率為 7． 73%．
3、 結論
羅氏沼蝦育苗通常需要 20 d 左右，因此本研究采樣時間跨度設計為 18 d． 育苗早期，生物濾池的凈化能力最佳，對 TN 最高清除率可達 46．13%，對 TP 最高清除率可達 58．33%，對 NH3-N 最高清除率可達 22．68%，對NO2-N最高清除率可達 32．22% ，對 COD 最高清除率可達 7．73% ． 育苗中期，生物膜開始逐步老化，對各污染物清除率都有不同程度的減弱． 此時，若繼續運行，則生物膜將不能很好地發揮凈化作用． 從工廠化生產角度分析，在育苗中期對育苗池水體進行更新較為合適，可以降低水體中污染物含量，減輕生物濾池的負荷．
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