低温条件下海水暂养装置脱氮系统的构建...

50卷南方农业学报·1836·

收稿日期：2018-10-19基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07101014004）；上海市重点学科建设项目（S30701）；上海海洋大学

博士启动基金项目（A2-0203-00-100356）作者简介：*为通讯作者，张饮江（1961-），教授，主要从事水产健康生态养殖环境调控研究工作，E-mail：[email protected]。

兰燕月（1994-），研究方向为养殖污水处理及水域环境生态学，E-mail：[email protected]

低温条件下海水暂养装置脱氮系统的构建及其应用效果

兰燕月1，张饮江1，2*，宋增福3，4，吴圣哲5，徐成龙1，赵志淼1

（1 上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海 201306；2 水域环境生态上海高校工程研究中心，上海 201306；3 上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；4 国家水生动物病原库（上海海洋大学），上海 201306；

5 福州鑫恒智海鲜池设备有限公司，福州 350000）

摘要：【目的】设计一种可有效降低海水暂养循环系统中氮浓度的新型脱氮技术工艺，提高鲜活海产品的暂养存

活率，以确保健康安全海产品的流通及满足人们的膳食需求。【方法】针对暂养水体温度低、碳氮比低及溶解氧高等特

点，采用农业废弃物玉米芯作为碳源和生物膜载体，通过驯化低温脱氮菌（硝化菌和反硝化菌）并结合人工强化挂膜

方式建立同步硝化反硝化脱氮系统。【结果】经低温、高盐驯化富集培养的硝化菌富集液和反硝化菌富集液均以变形

菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）为主，但在纲水平上，硝化菌富集液中以γ变形菌纲（Gammaproteo-

bacteria）和α-变形杆菌纲（Alphaproteobacteria）为主，其相对丰度分别为83.50%和12.90%，而在反硝化菌富集液中γ

变形菌纲为主要纲，其相对丰度为91.30%。通过电镜扫描发现，置于脱氮反应器内的玉米芯表层有微生物膜覆

盖，其表层孔隙数量明显减少；玉米芯还作为固相碳源，促使反硝化过程持续进行。玉米芯脱氮反应器装置运行60 d

内，出水口水样的总氮、氨氮和硝氮去除率均随时间推移呈先升高后降低的变化趋势，最高去除率分别达（63.46±

0.55）%、（62.79±0.52）%和（65.00±0.63）%。【结论】以玉米芯为碳源和生物膜载体、利用人工强化挂膜构建的玉米芯脱

氮反应器装置能同步实现硝化反硝化过程，脱氮效果佳且可保证系统长期运行，还具有构建工艺简单、体积小及成本

低等特点，适用于大部分海产品低温暂养系统。

关键词：海水暂养循环系统；低温；玉米芯；同步硝化反硝化；脱氮效果

中图分类号：S983.022 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2019）08-1836-08

南方农业学报 Journal of Southern Agriculture 2019，50（8）：1836-1843ISSN 2095-1191；CODEN NNXAABhttp://www.nfnyxb.comDOI：10.3969/j.issn.2095-1191.2019.08.26

Construction and application of denitrification system ofseawater temporary nutrition system at low temperature

LAN Yan-yue1，ZHANG Yin-jiang1，2*，SONG Zeng-fu3，4，WU Sheng-zhe5，XU Cheng-long1，ZHAO Zhi-miao1

（1College of Marine Ecology and Environment，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2EngineeringResearch Center for Water Environment Ecology in Shanghai，Shanghai 201306，China；3College of Fisheries and Life

Science，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；4National Pathogen Collection Center for AquaticAnimals（Shanghai Ocean University），Shanghai 201306，China；5Fuzhou Xinhengzhi Aquarium & Equipment Co.，

Ltd.，Fuzhou 350000，China）

Abstract：【Objective】To design a new denitrification technology which could effectively reduce the nitrogen concen-tration in the seawater temporary nutrient circulation system and improve the temporary survival rate of fresh seafood，soas to ensure the circulation of healthy and safe seafood and continuously meet people’s dietary needs.【Method】In view ofthe characteristics of low temperature，low C/N ratio and high dissolved oxygen in temporary water，corn cob was used ascarbon source and biofilm carrier to establish simultaneous nitrification and denitrification system by domesticating low-temperature denitrifying bacteria（nitrifying bacteria and denitrifying bacteria）combined with artificial enhanced film-hanging.【Result】Proteobacteria and Bacteroidetes were the main components of nitrifying bacteria and denitrifying bacte-ria enrichment solution after acclimation at low temperature and high salinity，but gammaproteobacteria and alphaproteo-bacteria were the main components of nitrifying bacteria enrichment solution at class level，and their relative abundances

8期 ·1837·

0 引言

【研究意义】近年来，随着人们生活水平的不断

提高，市场对鲜活海产品的需求量也逐年增长（孙娟

和杨德利，2011；李湘江等，2018）。由于传统海水暂

养系统的水体循环不合理、过滤器效果差，且缺乏专

门的脱氮设备，导致海产品存活率低的问题仍然制

约着鲜活海产品运输、销售等产业链的延伸与发展

（何蓉和谢晶，2012；Yang et al.，2012；徐子涵和茅林

春，2018），因此，科学改进低温条件下的海水暂养系

统以提高鲜活海产品存活率及其品质迫在眉睫。【前

人研究进展】传统的养殖水体处理工艺主要关注氨

氮和亚硝态氮去除效果（李玲和楚国生，2010；李梅，

2017；李冬梅等，2018），而忽略硝酸盐积累对水产品

造成的危害。Heather等（2008）、van Bussel等（2012）

研究表明，在高浓度的硝酸盐条件下，水生动物组织

发育减缓、激素分泌功能下降、生理机能变弱，甚至

死亡。Kuhn等（2010）研究表明，硝酸盐的累积能明

显抑制虾类存活率，并引发胰腺病变，降低产量。目

前，提高鲜活海产品存活率的手段主要是采取低温

暂养。低温暂养可有效保证海产品的鲜活度（何登

菊等，2010；王荣业，2018），尤其是低温高湿环境能

降低其代谢水平，而有利于提高鲜活海产品的存活

率（张饮江等，2005）；但低温条件下脱氮微生物难以

富集，导致暂养系统的水质较差（Shapovalova et al.，

2008）。因此，富集培养耐盐、耐低温的脱氮菌及合

理构建脱氮系统是解决传统海水暂养系统海产品存

活率问题的关键。Larsen等（2015）研究表明，将水

温降至15 ℃能有效提高美国牡蛎的存活效果，且降

低副溶血性弧菌和创伤弧菌的感染风险。王振华等

（2015）研究发现，水温以1 ℃/h的速度降至应激温度

［（14.3±0.8）℃］时，吉富罗非鱼的血糖、肌糖原和乳酸

水平均呈上升趋势，其中肌糖原上升趋势最明显；低

温应激影响在24 h后通过罗非鱼自身调整消除，各

生理生化指标最终趋于稳定。潘澜澜等（2017）研究

发现，净化暂养循环水系统与低温离水保活相结合

能有效延长虾夷扇贝的保活时间并提高其品质。贾

晋和贾涛（2018）针对国内小龙虾市场供不应求的现

状，自主研发了一套低温暂养循环水系统，有效解决

了小龙虾车载运输及车间长期暂养的问题。【本研究

切入点】综上所述，如何优化海水暂养系统水体循环，

实现低温脱氮效果的同时保证海产品存活率，且经

济有效是构建海产品活体循环暂养系统亟待解决的

关键问题（黄啸和陆茵，2010；张成林等，2016），但目

前鲜见低温条件下海水暂养装置脱氮系统构建及其

应用的相关研究报道。【拟解决的关键问题】针对暂

养水体温度低、碳氮比低及溶解氧高等特点，采用农

业废弃物玉米芯作为碳源和生物膜载体，通过驯化

低温脱氮菌（硝化菌和反硝化菌）并结合人工强化挂

膜方式建立同步硝化反硝化脱氮系统，最终设计出

一种可有效降低海水暂养循环系统中氮浓度的新型

脱氮技术工艺，旨在提高鲜活海产品的暂养存活率，

确保健康安全海产品的流通及满足人们的膳食

需求。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

硝化菌样品于2018年3月采自上海海洋大学海

参循环水养殖系统，水温15.0 ℃。反硝化菌样品采

自上海海洋大学滨海基地池塘养殖底泥，4 ℃保存

备用。玉米芯取自上海市宝山区罗南镇罗南新村农

田，以蒸馏水浸泡4 h过滤清洗后，置于鼓风干燥箱

中50.0 ℃干燥12 h，取出置于干燥器中保存备用。

参照常规海产品循环暂养系统的水质指标（表1），以

海水晶配制人工海水（盐度25.00‰~27.00‰），添加

适量硝酸钾、硫酸铵和磷酸二氢钾后即获得试验用

养殖海水。

1. 2 硝化菌和反硝化菌驯化富集培养

硝化菌与反硝化菌驯化富集培养装置见图1。

硝化菌驯化：取500 mL水样放入5 L锥形瓶中，加入

were 83.50% and 12.90% respectively. The relative abundance of gammaproteobacteria in denitrifying bacteria enrichmentsolution was 91.30%. By scanning electron microscopy，it was found that microbial membrane covered the surface ofcorn cob in denitrification reactor，and the number of pore in the surface decreased greatly. Corn cob was also used as so-lid carbon source to promote denitrification. Within 60 d of operation of corn cob denitrification reactor，the removal ratesof total nitrogen，ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in outlet water increased first and then decreased with time. Thehighest removal rates were（63.46±0.55）%，（62.79±0.52）% and（65.00±0.63）% respectively.【Conclusion】Corn cobdenitrification reactor with corn cob as carbon source and biofilm carrier and artificial strengthening film formation canrealize simultaneous nitrification and denitrification process. The effect of denitrification is good and the system can runfor a long time. It also has the characteristics of simple construction process，small size and low cost. It is suitable formost marine products temporary maintenance system.

Key words：seawater temporary nutrition circulation system；low temperature；corn cob；simultaneous nitrificationand denitrification；denitrification effect

兰燕月等：低温条件下海水暂养装置脱氮系统的构建及其应用效果


4 L改良Stephenson硝化菌培养液，以氯化钠调整盐

度至（25.00±0.50）‰，碳酸氢钠溶液调节pH 7.0~

7.5，充氧并搅拌，溶解氧含量保持在4 mg/L以上，

15.0 ℃恒温驯化培养60 d（郑林雪等，2015；刘洋等，

2017）。反硝化菌驯化：取适量底泥样品放入5 L锥

形瓶中，加入4 L反硝化菌培养液（硝酸钾2.00 g/L，

柠檬酸钠5.00 g/L，磷酸氢二钠1.00 g/L，硫酸镁0.02

g/L，磷酸氢二钾1.00 g/L），厌氧驯化培养15 d。

1. 3 人工强化挂膜

成功驯化富集培养硝化菌和反硝化菌后，取适

量反硝化菌液置于10 L玻璃容器中，参考邵留等

（2018）的人工强化挂膜方式，将玉米芯投放至反硝

化菌液中充分浸泡3 d，温度保持在15.0 ℃，然后将

驯化富集培养好的硝化菌用喷壶均匀喷洒在已浸泡

过反硝化菌的玉米芯柱外层。采用扫描电镜法对玉

米芯载体表面生物挂膜情况及生膜表面形态进行观

察分析。

1. 4 同步硝化反硝化脱氮系统构建

同步硝化反硝化脱氮系统即玉米芯脱氮反应

器装置（图2），玉米芯柱置于反应器内，反应器（底部

直径24 cm，高26 cm）为PVC材质，分别设有进水口

和出水口，进水口和出水口距反应器底部高度分别

为3和23 cm。将经人工强化挂膜的玉米芯（干重

1 kg）置于过筛孔径2 cm的网箱内塑成柱状，垂直固

定于反应器内。试验模拟循环暂养水由储水池

经蠕动泵推流进入反应器，控制流速为15.00±0.24

mL/min，反应器内温度保持在（15.0±0.2）℃，设3组

平行装置。

1. 5 微生物群落结构分析

微生物群落结构采用16S rRNA基因文库进行

分析，取混合样品，每个样品10 mL，以干冰冻存后

24 h内完成检测。硝化菌液高通量测序采用细菌通

用引物（5'-CARTGYCAYGTBGARTA-3'和5'-TWN

GGCATRTGRCARTC-3'），反硝化菌液高通量测序

采用 nrfA引物（5'-CARTGYCAYGTBGARTA-3'和

5' -TWNGGCATRTGRCARTC-3'）。具体技术路线

（潘彦硕等，2018；佟延南等，2018）：微生物组总

DNA提取→目标片段PCR扩增→扩增产物回收纯化

→扩增产物荧光定量→测序文库制备→上机进行高

通量测序。依据高通量测序所得数据分析菌种多样

性水平及样本菌群的代谢功能。

1. 6 水质检测方法

玉米芯脱氮反应器装置运行60 d，期间每2 d采

集1次进水口和出水口的水样。总氮采用过硫酸钾

氧化法测定，氨氮采用次溴酸盐氧化法测定，硝氮采

用锌—铬还原法测定，总有机碳（TOC）采用总有机

碳分析仪（TOC-L，日本岛津）进行测定，pH和水温

采用多参数水质分析仪进行检测。

1. 7 统计分析

试验数据采用Excel 2013和SPSS 20.0进行统计

分析。

2 结果与分析

2. 1 硝化菌和反硝化菌的驯化富集情况

利用微生物驯化富集培养装置，在低温条件下

将硝化菌和反硝化菌分别驯化富集培养60和15 d

后，硝化菌液和反硝化菌液各取2个平行样品。利用

图 1 驯化富集培养装置Fig.1 Domestication and enrichment device1：冷水机；2：硝化菌驯化富集培养瓶；3：反硝化菌驯化富集培养瓶；4：搅拌器；5：充氧头1：Water chiller；2：Acclimated and enriched culture bottle of nitrifyingbacteria；3：Acclimated and enriched culture bottle of denitrifying bacte-ria；4：Mixer；5：Oxygenation head

图 2 玉米芯脱氮反应器装置Fig.2 Denitrification device schematic for corn cob1：储水池；2：蠕动泵；3：进水口；4：出水口；5：玉米芯柱；6：曝气头；7：冷水机；8：网箱1：Reservoir；2：Peristaltic pump；3：Inlet；4：Outlet；5：Corn cob co-lumn；6：Aerator；7：Cold water machine；8：Cages

水质指标Water quality总氮（mg/L）Total nitrogen氨氮（mg/L）Ammonia nitrogen硝态氮（mg/L）Nitrate nitrogenpH溶解氧（mg/L）Dissolved oxygen

最大值Maximum

43.50± 0.119.90±0.0534.33±0.118.02±0.017.21±0.01

最小值Minimum

40.40±0.118.57±0.0530.21±0.116.57±0.014.73±0.01

平均值Mean

40.66±0.118.98±0.05

31.24±0.107.26±0.015.64±0.01

表 1 常规海产品循环暂养系统的水质指标Table 1 Indicators of water quality for conventional seawatertemporary nutrition circulation system

8期 ·1839·

驯化富集液Acclimated and enriched liquid

硝化菌Nitrifying bacteria

反硝化菌Denitrifying bacteria

样本Sample样品1样品2样品1样品2

有效测序量（条）Effective sequencing quantity（strip）

12076110677214234884697

门Phylum

1316

11821480

纲Class

2629

11621450

目Order

4756

10941353

科Family

7794

11351409

属Genus

132145965

1200

种Species

5668

11851487

表 2 各分类水平下的微生物类群数量Table 2 Microbial clusters on each classification level

图 3 驯化富集微生物在纲水平下的群落结构特征Fig.3 Community structure on class level of acclimated and enriched microbe

A：硝化菌富集液；B：反硝化菌富集液A：Nitrifying bacteria enriched liquid；B：Denitrifying bacteria enriched liquid

相对丰度（

%）

Rel

ativ

eab

unda

nce

100.00

80.00

60.00

40.00

20.00

0.00样品2 Sample 2

100.00

80.00

60.00

40.00

20.00

0.00

相对丰度（

%）

Rel

ativ

eab

unda

nce

样品1 Sample l 样品2 Sample 2样品1 Sample l

微生物高通量测序技术对富集液内的微生物群落结

构进行检测分析，经低温、高盐度驯化富集培养的硝

化菌富集液和反硝化菌富集液在各分类水平下的微

生物类群数量如表2所示。在门水平上，硝化菌富集

液、反硝化菌富集液的优势菌群均以变形菌门（Pro-

teobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）为主，对应的

相对丰度分别为95.76%和2.70%、95.21%和3.54%。

在纲水平上，硝化菌富集液中以γ变形菌纲（Gam-

maproteobacteria）和α-变形杆菌纲（Alphaproteobac-

teria）为主（图3-A），其相对丰度分别为83.50%和

12.90%；而在反硝化菌富集液中以γ变形菌纲为主

要纲（图3-B），其相对丰度为91.30%。

2. 2 微生物膜表观结构的电镜扫描结果

使用反硝化菌液浸泡玉米芯3 d后，再将硝化菌

液喷洒于玉米芯表层，肉眼观察玉米芯表面附着有

透明水状膜。通过电镜对玉米芯表面生物膜的附着

情况及其表面形态进行扫描分析，结果显示，玉米芯

经人工强化挂膜后其表层孔隙数量明显减少（图4-A

和图4-B），即减少的孔隙可能已被微生物所附着；而

未挂膜的玉米芯表层呈蜂窝状，孔隙数较多（图4-C

和图4-D）。

2. 3 玉米芯脱氮反应器的脱氮效果

试验期间玉米芯脱氮反应器装置出水口水样

的总氮、氨氮、硝氮浓度及其去除率变化情况分别

如图5-A、图5-B和图5-C所示。经人工强化挂膜，玉

米芯脱氮反应器运行2 d后，循环水样的总氮、氨

氮和硝氮去除率分别为（54.03 ± 0.41）%、（46.56 ±

0.32）%和（56.60±0.40）%。在整个试验期间，总氮去

除率随时间推移呈先升高后降低的变化趋势，最高

可达（63.46±0.55）%，试验后期去除率降低的原因是

微生物数量减少所致。玉米芯脱氮反应器装置运行

期间，氨氮、硝氮的去除率最高可达（62.79±0.52）%

和（65.00±0.63）%，其变化趋势与总氮基本一致，说明

经低温、高盐驯化富集培养的硝化菌和反硝化菌在

玉米芯脱氮反应器装置系统内具有良好的适应性。

试验前、中期循环水样的总氮、氨氮和硝氮均

能保持相对稳定的去除率，基本维持在（45.00 ±

0.33）%~（65.00±0.71）%；试验后期（≥45 d），总氮、氨

氮和硝氮的去除率呈明显下降趋势。结合图5-D可

看出，出水口水样TOC浓度下降明显，说明玉米芯内

易分解有机物被大量消耗，反硝化碳源不断减少，从

而导致总氮去除率下降；但硝氮去除率仍保持在

（50.00±0.48）%~（42.00±0.34）%，可能是玉米芯此时

又作为固相碳源，促使反硝化过程得以持续进行。

3 讨论

3. 1 微生物驯化富集培养与人工强化挂膜

目前，人们对海产品质量及水质量要求越来越

高与暂养系统水处理效果较差的矛盾日益突出。本

研究用于低温、高盐驯化富集培养的微生物种类是

常用水处理菌群，且与多数同步硝化反硝化反应器

细菌群落分布情况一致。Bae等（2010）研究发现，厌

氧氨氧化生物反应器启动后其细菌群落结构中以变

形菌门为主，占42.00%，且远高于浮霉菌门（Plancto-

A B



0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

0510152025303540455055600.0

4.0

8.0

12.0

16.0

20.0

出水 TOC浓度 TOC concentration of effluent水温 Water temperature

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

0 510152025303540455055600.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

硝氮去除率 Nitrate removal rate硝氮出水浓度 Nitrate effluent

0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00100.00

0 510152025303540455055600.00

2.00

4.00

6.00

8.00

氨氮去除率 Ammonia nitrogen removing ratio氨氮出水浓度 Ammonia nitrogen effluent

0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00100.00

0510152025303540455055600.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.00

总氮去除率 Total nitrogen removal rate总氮出水浓度 Total nitrogen effluent

图 5 玉米芯脱氮反应器的脱氮效果Fig.5 Denitrification effects of denitrification reactor for corn cob

A：出水口总氮浓度和去除率变化情况；B：出水口氨氮浓度和去除率变化情况；C：出水口硝氮浓度和去除率变化情况；D：出水口水温和TOC浓度变化情况

A：Total nitrogen concentration and removal rate change at outlet；B：Ammonia nitrogen concentration and removal rate change at outlet；C：Nitratenitrogen concentration and removal rate change at outlet；D：Water temperature and TOC concentration at outlet

总氮去除率（

%）

Tota

lnit

roge

nre

mov

alra

te

反应时间（d）Reaction time

总氮浓度（

mg/

L）To

taln

itro

gen

conc

entr

atio

n


硝氮去除率（

%）

Nit

rate

nitr

ogen

rem

oval

rate


硝氮浓度（

mg/

L）N

itra

teni

trog

enco

ncen

trat

ion

TO

C浓度（

mg/

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OC

conc

entr

atio

n

水温（℃）

Wat

erte

mpe

ratu

re


总氮去除率 Total nitrogen removal rate出水口总氮浓度 Total nitrogen concentration at outlet

氨氮去除率 Ammonia nitrogen removal rate出水口氨氮浓度 Ammonia nitrogen concentration at outlet

硝氮去除率 Nitrate nitrogen removal rate出水口硝氮浓度 Nitrate nitrogen concentration at outlet

TOC浓度 TOC concentration出水口水温 Water temperature at outlet

A B

C D

图 4 玉米芯表面生物膜的电镜扫描结果Fig.4 Scanning electron microscopy of corn cob surface biofilm

A和B：挂膜后的玉米芯表层；C和D：挂膜前的玉米芯表层A and B：The surface of the corn cob after biofilm formation；C and D：The surface of the corn cob before biofilm formation

C

B

D

A

氨氮浓度（

mg/

L）A

mm

onia

nitr

ogen

conc

entr

atio

n

氨氮去除率（

%）

Am

mon

iani

trog

enre

mov

alra

te

8期 ·1841·

mycetes）的20.00%。李滨等（2012）通过分析稳定运

行的UASB厌氧氨氧化反应器，也发现是变形菌门

占据主导位置（41.90%）。本研究结果表明，硝化菌

富集液、反硝化菌富集液的优势菌群均以变形菌门

和拟杆菌门为主，但在纲水平上，硝化菌富集液中以

γ变形菌纲和α-变形杆菌纲为主，其相对丰度分别为

83.50%和12.90%，而在反硝化菌富集液中γ变形菌

纲为主要纲，其相对丰度为91.30%。变形菌纲是一

类分布广泛的环境微生物类群，可从海洋、超盐环

境、碱性或酸性生境中分离获得。张现辉和孔凡晶

（2010）研究表明，西藏扎布耶盐湖的细菌类群多样

性主要分布在变形菌纲、拟杆菌纲（Bacteroidetes）、

芽孢杆菌纲（Bacilli）和疣微菌纲（Verrucomicrobiae）

中，尤其以变形菌纲为主。朱德锐等（2012）研究发

现，青海湖湖域生境中的嗜盐微生物以γ-变形菌纲

为优势类群，约占68.60%。可见，本研究通过低温、

高盐驯化富集培养获得的菌群是适用于海水养殖水

处理的菌种。

驯化富集培养的微生物菌群能利用玉米芯作

为生物膜载体进行人工强化挂膜，而载体表面粗糙

程度和孔隙度是影响微生物附着和生长的重要因

素，因为附着载体比表面积和孔隙越大，与微生物可

接触面积就越大，越有利于微生物附着（李华等，

2016）。玉米芯作为生物膜附着载体应用于污水处

理时，可间接增大与水体的接触面积，从而提高水体

净化效率（陈涛等，2018；邵留等，2018）。从本研究

中玉米芯挂膜前后的电镜扫描结果可知，玉米芯表

层孔隙多且密集，非常有利于微生物附着。挂膜后

的玉米芯表层孔隙明显减少，说明微生物在低温、高

盐条件下挂膜情况良好。

3. 2 装置脱氮效果及其作用机理分析

玉米芯脱氮反应器装置运行期间，pH始终稳定

在7.2~7.6，适宜于同步硝化反硝化的发生（邹联沛

等，2001）。本研究以玉米芯作为载体，通过人工强

化挂膜，使玉米芯内部附着反硝化菌、外部附着硝化

菌，即实现同步硝化反硝化过程。邵留等（2018）利

用玉米芯作为生物膜载体以去除罗非鱼养殖水体中

的总氮，其去除效果良好，去除率达85%。本研究构

建的玉米芯脱氮反应器装置在低温、高盐环境下

可持续运行并保证较高的总氮去除效果［总氮去除

率（63.46±0.55）%］，说明该装置可在低温、高盐条件

下同步实现硝化反硝化脱氮，且能保持长期运行。

玉米芯脱氮反应器装置运行40 d后，出水口水样的

TOC浓度（约30 mg/L）进入稳定期，结合硝氮去除率

的变化趋势可知，试验前、中期是以玉米芯所分解的

有机物作为微生物反硝化碳源，从而促进脱氮（王芳

等，2014；陈涛等，2018）；试验后期当水体中碳源含

量较低时，玉米芯本身可作为固相碳源，释放出一定

量的有机碳促进反硝化持续进行。在同步硝化反硝

化的过程中，碳源含量直接影响脱氮效率（赵冰怡

等，2009）。本研究利用可释放溶解性有机碳的玉米

芯，经微生物菌液人工强化挂膜后将其置于反应器

中用于处理海产品暂养污水，效果佳且可保证系统

长期运行。此外，玉米芯表层附着的硝化菌需消耗

大量进水溶解氧，导致扩散至玉米芯柱内部的溶解

氧减少，促使玉米芯内部呈缺/厌氧环境，而有利于

反硝化菌的生长与繁殖；当水体中碳源含量不足时，

玉米芯所释放的有机碳源亦可保证反硝化过程顺利

进行。

4 结论

以玉米芯为碳源和生物膜载体、利用人工强化

挂膜构建的玉米芯脱氮反应器装置能同步实现硝化

反硝化过程，脱氮效果佳且可保证系统长期运行，还

具有构建工艺简单、体积小及成本低等特点，适用于

大部分海产品低温暂养系统。

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（责任编辑兰宗宝）


低温条件下海水暂养装置脱氮系统的构建...

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