文|面包夹知识
编辑|面包夹知识
«——【·前言·】——»
中国观赏鱼养殖产业近年来呈现出快速发展的趋势。根据2022年的数据，全国观赏鱼产业产值达到110.92亿元，同比增长16.93%，其中淡水观赏鱼产值达96.43亿元。
观赏鱼养殖业作为典型的水资源依赖型行业，其发展受到养殖水质优劣的直接影响，为了确保观赏鱼养殖生产安全，对观赏鱼养殖水质进行有效处理至关重要。
目前，生物法是最常见的观赏水族水处理方法，然而该方法存在一些不足，例如占地面积大、启动速度慢，且缺乏消毒灭菌功能，因此观赏养殖需要探索更高效的水处理技术。
臭氧(O3)和紫外线(UV)被广泛应用于水产养殖水处理中，O3是一种较强氧化剂，可去除水中的无机污染物和有机污染物，同时也具有较强的杀菌能力，且对水质条件的影响较小。
而UV则可以有效杀灭微生物，但其无法去除养殖水中的氨氮和有机物，且易受水体浑浊度的影响。
单一的水处理技术在实际应用中往往具有一定局限性，但耦合技术可以将不同技术进行有效组合，以提高水处理效率。
已有研究表明，在UV的照射下，水中的O3可以产生氧化性更强的羟基自由基(•OH)，其氧化还原电位达2.80V，•OH的化学反应速率常数比O3高出近7个数量级，可显著提高难降解有机污染物的矿化效率。
•OH不但可以有效去除水中铁锰离子、硫化物、腐殖质等无机和有机污染物，还可以有效杀灭病毒和细菌，且反应过程不受水质条件影响。
而且•OH的寿命极短，水处理过程不会产生二次化学污染，那么在淡水观赏鱼养殖的水处理中，将O3和UV两种水处理技术耦合，构建的O3/UV水处理系统，如何去除观赏鱼养殖水中的无机污染物、有机污染物和致病菌呢？
«——【·O3/UV水处理系统的构建·】——»
O3/UV水处理系统如图1所示，主要由圆柱形玻璃钢水槽(容积300L)、管道增压泵(功率370W，最高扬程38m)、空气源O3发生器(功率80W，臭氧产量3g/h)、管道式UV装置(功率40W，主波长254nm，UV灯管长80cm)、活性炭罐(高108cm，直径22cm)及PP棉过滤器(孔径5μm)组成。
玻璃钢水槽底部出水管口与管道增压泵相连，O3发生器通过射流混合器与主管道连接，产生的O3在主管道中与待处理水混合后，流经管道式UV装置，再流经活性炭罐和PP棉过滤器后，自流回玻璃钢水槽。
试验过程中玻璃钢水槽内待处理水量为200L，系统中水的流速控制在950L/h。
参考锦鲤养殖过程中的水质状况，将一定量分析纯的氯化铵、亚硝酸钠和葡萄糖配制成母液后添加到玻璃钢水槽中，使得配制水中总氨态氮(TAN)初始浓度分别为0.51、0.96和1.97mg/L，亚硝酸盐氮(NO2--N)初始浓度分别为0.34、0.62和1.08mg/L，化学需氧量(COD)初始浓度分别为2.05、5.30和11.37mg/L。
O3/UV系统启动运行后，定时取玻璃钢水槽中的水样，每个样品均三个重复。
水中TAN、NO2--N和COD浓度的测定分别采用次溴酸盐氧化法、盐酸萘乙二胺分光光度法和碱性高锰酸钾法(GB17378.4-2007)。
O3/UV系统对水中污染物的去除率RA(%)和去除效率RE(mg/(L·h))可分别用如下公式计算：
为了考察O3/UV对大肠杆菌Escherichiacoli的杀灭效果，将取自于大连海洋大学病害实验室的大肠杆菌单菌落加到灭菌后的LB肉汤培养基中，恒温振荡过夜(37℃，150r/h，12h)培养。
将培养的大肠杆菌菌液加入玻璃钢水槽中，O3/UV耦合系统启动后7.5、15.0、22.5和30.0min取水样100.0mL，水样经0.22μm滤膜过滤后，滤膜上截留物用生理盐水冲洗到15mL离心管中形成悬浊液，以生理盐水为参比，调节测定OD600的值为0.3。
取1.0mL调节之后的菌液为原液，用无菌水逐步将原液稀释为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8的菌液，设置3个平行。
将原液和稀释液各取200.0μL均匀涂布到LB琼脂培养基表面，将接种好的平板倒置放于37℃恒温培养箱中培养12h。
取出培养后的平板，以30~200个单菌落的稀释度计数，根据统计的菌落数，计算出同一稀释度3个平板的菌落平均数，水样中大肠杆菌量(cfu/mL)=同一稀释度3次重复的平均菌落数×稀释倍数×5。
试验所用锦鲤(体长(13.1±0.4)cm，体重(64.8±8.0)g)购自辽宁省大连市香炉礁花鸟鱼市场，暂养期间日投饵量为鱼体平均体重的3%~5%。
取200L锦鲤养殖水置于O3/UV水处理系统的玻璃钢水槽中，水中TAN、NO2--N和COD初始浓度分别为2.21、0.59和4.61mg/L，O3/UV水处理系统启动后分别于第3、6、9和12h取玻璃钢水槽中水样，每个样品三个平行，测定水中TAN、NO2--N和COD浓度。
«——【·养殖水质的处理效果·】——»
图2为O3/UV水处理系统对配制水中TAN的去除效果。
由图2可知，水中不同初始浓度的TAN经O3/UV处理过程中，TAN的浓度均呈下降趋势。当水中TAN的初始浓度为0.51mg/L时，处理12h后TAN浓度降至0.21mg/L，去除率达到58.8%；
当TAN初始浓度为0.96mg/L时，12h后水中TAN浓度降至0.53mg/L，去除率为44.8%；
当水中TAN的初始浓度为1.97mg/L时，经过12h的处理后，水中TAN浓度降至1.30mg/L，去除率为34.0%。
结果表明，O3/UV水处理系统能够实现水中的TAN去除，但对水中TAN的去除率随着水中TAN初始浓度的增高而降低。
图3为O3/UV水处理系统对配制水中NO2--N的去除，可见配制水中NO2--N浓度随处理时间增加而快速降低。
当配制水中NO2--N的初始浓度为0.34mg/L时，处理1h后，水中NO2--N浓度降至0.030mg/L，NO2--N的去除率达到91.1%；
当水中NO2--N的初始浓度为0.62mg/L时，1h后水中NO2--N浓度降至0.19mg/L，NO2--N去除率为69.3%；
当NO2--N的初始浓度为1.08mg/L时，经过1h的O3/UV处理后，水中NO2--N浓度降至0.64mg/L，NO2--N的去除率为40.7%。
结果表明，O3/UV水处理系统能够有效去除水中NO2--N，但对水中NO2--N的去除率随着水中NO2--N初始浓度的增高而降低。
图4为O3/UV水处理系统对配制水中COD的处理效果。
由图4可知，水中COD浓度均随处理时间增加而降低。当配制水中COD的初始浓度为2.05mg/L时，经过12h的处理，水中COD的浓度降至1.18mg/L，COD的去除率为42.4%；
当水中COD的初始浓度为5.30mg/L时，12h后水中COD浓度降至1.54mg/L，COD的去除率达到70.9%；
当配制水中COD的初始浓度提升至11.37mg/L时，经过12h的处理，水中COD浓度降至7.22mg/L，COD的去除率仅为36.5%。
结果可知，当水中COD的初始浓度分别为2.05、5.30和11.37mg/L时，究构建的O3/UV水处理系统在12h内对初始浓度为5.30mg/L的COD去除率最高。
O3/UV水处理系统对配制水中TAN、NO2--N和COD的去除效率如表1所示。
由表1可知，O3/UV水处理系统对配制水中TAN、NO2--N和COD的去除效率均随初始浓度的增加而增加。
当配制水中TAN的初始浓度从0.51mg/L升高至1.97mg/L时，O3/UV水处理系统对TAN的去除效率从0.025mg/(L·h)提高至0.056mg/(L·h)。
O3/UV水处理系统对配制水中NO2--N的去除效率明显高于对TAN的去除，当配制水中NO2--N的初始浓度为1.08mg/L时，O3/UV水处理系统对其去除效率可以达到0.440mg/(L·h)。
O3/UV水处理系统对配制水中COD的去除效率与水中COD的初始浓度有关，当水中COD浓度从2.05mg/L升高至11.37mg/L时，O3/UV水处理系统对水中COD的去除效率从0.037mg/(L·h)提高至0.346mg/(L·h)。
图5为O3/UV水处理系统对水中大肠杆菌的处理效果。
如图5所示，水中大肠杆菌的初始浓度为1.575×108cfu/mL，采用O3/UV水处理系统处理0.125h后，水中大肠杆菌浓度降至6.45×107cfu/mL。随着水处理时间延长，水中大肠杆菌浓度持续下降，0.5h后水中大肠杆菌浓度降至1.525×107cfu/mL，对大肠杆菌的杀灭率已达到90%以上。
选择锦鲤养殖水为实际水处理对象，图6为O3/UV水处理系统对锦鲤养殖水中TAN、NO2--N和COD的去除效果。
图6(a)为O3/UV对锦鲤养殖水中TAN的去除效果，可见水中TAN初始浓度为2.21mg/L，随着处理时间延长，水中TAN的浓度逐渐降低，12h后水中TAN浓度降至1.57mg/L，去除率为29.0%。
图6(b)为O3/UV对锦鲤养殖水中初始浓度为0.59mg/L的NO2--N的去除，可见3h后水中NO2--N的浓度已降至0.08mg/L，去除率已达到86.4%，且在6h时水中NO2--N的浓度已低于检测下限，表明O3/UV系统可以快速去除锦鲤养殖水中的NO2--N。
图6(c)为O3/UV对锦鲤养殖水中COD的处理效果，当锦鲤养殖水中COD的初始浓度为4.61mg/L时，6h后水中COD的浓度已降至2.36mg/L，12h后水中COD的浓度降至1.37mg/L，12h的去除率为70.3%。
«——【·讨论·】——»
传统的锦鲤养殖过程中水资源消耗较大，且外排尾水中有机物、氮磷等污染物会造成潜在的受纳水体的富营养化。
水资源短缺和环保压力增大已影响以锦鲤养殖为代表的淡水观赏鱼养殖产业的可持续发展。
因此，可实现水中污染物的快速去除和水资源循环使用的水质调控设备应用前景广阔。
采用生物法进行养殖水质调控方面的研究较多，利用人工构建的上流式藻丛刷系统处理观赏鱼养殖用水，结果表明该系统能够有效净化观赏鱼养殖用水水质，在适宜的养殖密度和适当的投饵条件下，水中TAN浓度可以维持在0.011～0.028mg/L范围内，NO2--N浓度维持在0.001～0.002mg/L范围内。
将生物絮团技术应用于锦鲤养殖中，发现生物絮团(碳氮比为20:1)能有效净化养殖水质，同时可提高饲料利用效率，减少了水体污染。
有学者研究了16种观赏植物对水体中氮磷的净化能力，研究结果表明黄菖蒲、花叶芦竹和千屈菜可作为生态浮床的净水植物。
虽然生物法能够去除养殖水中的污染物，但采用生物法的观赏养殖水处理过程极易受外界气候及环境条件变化的影响，新材料和新工艺应用促进了锦鲤养殖水质调控技术发展。
研究人员考察了碳纤维对锦鲤养殖水体的净化效果，发现碳纤维具有良好的生物兼容性，在碳纤维投放密度0.3kg/m3时，在养殖21d内COD和TAN的去除率分别达到71.96%和58.11%。
选用火山石作为锦鲤养殖池生物滤材时，由于火山石具有较高比表面积，有利于生物膜的生长，能够有效去除锦鲤养殖水中的COD和TAN。
研究表明O3/UV水处理系统对水中大肠杆菌0.5h后的杀灭率已达到90%以上，表明O3/UV水处理系统具有消毒杀菌功能，这个结果与相关研究人员采用O3和UV耦合对饮用水中大肠杆菌的杀菌效果一致。
O3/UV耦合锦鲤养殖水处理系统，能够实现对水中污染物和致病微生物的去除，不仅可以单独构成水处理单元，也可以与不同的养殖系统复合，适用范围广。
«——【·结语·】——»
O3/UV水处理系统能够实现水中TAN、NO2--N和COD的去除，且去除效率均随初始浓度的增加而增加，但对水中TAN和NO2--N去除率随着的初始浓度的增高而降低。
当锦鲤实际养殖水中TAN、NO2--N和COD的初始浓度分别为2.21、0.59和4.61mg/L时，经O3/UV水处理系统12h处理后，水中TAN、NO2--N和COD的去除率分别为29.0%、100%和70.3%，去除效率分别为0.053、0.170和0.270mg/(L·h)。
由此可知将O3和UV两种水处理技术耦合，构建的O3/UV水处理系统，在去除观赏鱼养殖水中的无机污染物、有机污染物和致病菌时能起到良好效果。