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[技术] 生物絮团的前世今生

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发表于 2019-9-24 09:37:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
生物絮团技术,Biofloc Technology,BFT。什么是生物絮团?简单来说,生物絮团就是由水中细菌、微藻以及原生动物附着于水体中的絮团而形成的团状物,附着物以细菌为主。这个高端、大气、上档次的名字是水产人的创意。因为这个技术,在其他领域早已存在,只是叫法不同而已:在污水处理行业里已经应用了100多年了,只不过不叫“Biofloc”,而叫“Biosludge”;在海洋生态学里叫“Marine-snow”;在传统水产养殖的教科书里叫“有机碎屑”。

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生物絮团养殖技术,还有各种不同叫法,如碳氮平衡技术、零换水技术。其实,可以这么认为,这种养殖技术的基本原理是碳氮平衡,手段是生物絮团,目标是零换水。也可以这么描述:生物絮团养殖技术是基于化学计量原理,用有机化合物做能源和蛋白质骨架,利用微生物(絮团)将水产养殖过程产生的氨氮转化为生物蛋白,实现零换水的一种水产养殖技术。


我们不妨把传统池塘养殖和生物絮团养殖做个比较:

1、功能生物:池塘养殖-一藻类,生物絮团-一细菌。


2、氮处理化学计量公式:
16NH4+92C02+92H20+14HCO3+H2PO4->C106H264O110N16P+10602(传统池塘养殖)
NH4 +7.08CH2O+HCO3 +2.0602->C5H7O2N+6.06H20+3.07CO2(生物絮团养殖)
3、没有两个池塘的藻类组成可以完全相同。同样,也没有两个养殖系统的生物絮团微生物组成可以完全相同。
4、同一个传统池塘在整个养殖过程中藻类组成会发生演替。同样,同一个养殖系统里的生物絮团的微生物组成在整个养殖过程中也在不断演变。
5、藻类之间一般不共生,不同藻类彼此出现的先后没有严格的必然顺序,但生物絮团微生物之间却存在着各种各样的共生关系,有些微生物在絮团中的出现却有严格的时间顺序,例如:氨化细菌一亚硝化细菌一硝化细菌。

6、池塘建立藻类生态多样性很容易,几天就可以完成了;生物絮团建立微生物生态多样性不容易,需要比较漫长的时间。即使接种活性淤泥,一个污水处理厂运行调试成熟也需要3~6个月的时间。



在一个开放(非封闭、非无菌)环境、自然网罗外界微生物的条件下,决定一个微生物生态系统最终组成的主要因素包括: 培养基组成、电位(溶解氧)、盐度和温度等。可以用一句话概括,即条件决定终点一一系统的生物化学、物理等条件决定生态系统的最终结构组成。打个比方,如果建个沼气池,无论开始污染或接种什么细菌,最终只能形成生产沼气的微生物体系。

生物絮团是一个非常复杂、具备相对完善生物代谢机能的生态系统,一个相对成熟的生物絮团系统不是简单地由一种或几种细菌组成,而是包含着成百上千种功能各异又互相关联的微生物种类。


影响生物絮团的微生物种群结构的因素有:

饲料

饲料是生物絮团养殖系统最大宗的投入品,是构成生物絮团养殖系统中决定微生物种群的主要“培养基”的主体,是影响微生物组成主要因素之一。国外报道过的南美白对虾饲料蛋白质含量最高的是68.8%。我国大多数饲料蛋白质含量一般在40%。投入到养殖系统中的饲料蛋白氮只有四个去处:①转化为对虾蛋白氮; ②转化为絮团蛋白氮(包括游离状态的菌和藻类); ③遗留水体中的无机氮; ④异化为气态的氮(离开养殖系统)。对于常规生物絮团养殖系统来说,投入到养殖系统中的蛋白氮主要以前两者的形式存在。也就是说,对于常规生物絮团技术体系来说,投入到养殖系统的饲料蛋白质,如果不转化为对虾蛋白质,最终会转化为絮团蛋白质,并且消耗碳源。

假设对虾蛋白质含量为16%(湿基)絮团蛋白质含量0.81%(湿基)(絮团干物质含量约1.8%絮团干物质蛋白质含量约45%),对于不同蛋白质含量和蛋白质效率的饲料,每生产1干克南美白对虾理论上会同时产生多少生物絮团?


当饲料蛋白质含量为38%,蛋白质效率为35%时:每生产1千克对虾将产生36.68升生物絮团;

当饲料蛋白质含量为38%,蛋白质效率为40%时:每生产1千克对虾将产生29.63升生物絮团;

当饲料蛋白质含量为38%,蛋白质效率为45%时:每生产1千克对虾将产生24.14升生物絮团;

当饲料蛋白质含量为40%,蛋白质效率为35%时:每生产1千克对虾将产生36.68升生物絮团;

当饲料蛋白质含量为40%,蛋白质效率为40%时:每生产1千克对虾将产生29.63升生物絮团;

当饲料蛋白质含量为40%,蛋白质效率为45%时:每生产1千克对虾将产生24.14升生物絮团。



可见生物絮团养殖系统生物絮团产量相对于对虾产量而言只与蛋白质效率有关,与蛋白质含量无关。反过来,对于给定絮团生物量的情况下,对虾产量(即系统承载密度)取决于蛋白质效率。


以上只是理论分析,实际生产过程中由于生物絮团系统还存在着不同程度的氮异化功能,对于某个具体生物絮团养殖系统而言,需要根据自身的絮团组成进行合理的修正。



(2)养殖动物

本系统中为南美白对虾,南美白对虾的代谢终产物一一粪便与尿液,是构成生物絮团系统中微生物种群的“培养基”的重要组分,是影响微生物组成主要因素之一。


(3)碳源

在生物絮团养殖系统中,碳源是仅次于饲料的大宗投人品,不同碳源种类强烈地影响着絮团的微生物组成。理论上,任何能被微生物用来做能源和蛋白质骨架的有机碳都可以作为碳源,包括所有单糖、双糖、多糖(如淀粉)以及各种有机酸、醇等,甚至纤维素。


从经济角度上讲,碳源应该是以当地最方便、最廉价的农副产品为首选。除了目前广泛使用的甘蔗糖蜜,红糖外,可作为碳源的相对廉价而又丰富的一些常见农副产品有玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、地瓜淀粉等。当然,使用淀粉作为碳源,必须对絮团中的微生物预先进行驯化。


对于普通生物絮团(氮同化)技术而言,使用碳源的原则有两个,一个是所使用的碳源必须能使微生物对碳源的利用和对氨氮的利用同步;另一个是能利用这些碳源的微生物种类越多越好。


当然,如果能对这些农副产品预先进行发酵后再使用,效果就会好很多。许多人不理解使用发酵糖蜜与直接使用糖蜜的区别。它们的区别在于:糖蜜只是糖蜜,能直接利用糖蜜的微生物相对比较单一;而发酵糖蜜已经不是糖蜜了,糖蜜发酵后,已经转化为数以万计的有机化合物,包括各种有机酸、维生素、每个细胞几乎都需要的所有酶系和各种各样的生物活性因子,能促进各种各样的微生物生长。尤其是建立生物絮团的前期,使用发酵糖蜜比使用糖蜜更有利于生物絮团生物多样性的建立在碳源的使用频率方面,为了方便,一般情况下是与饲料同时使用。但是,一天使用一次或几天使用一次是不正确的,因为对虾氨氮的分泌是连续的,微生物的生长也是连续的,供应给微生物的碳源也必须是连续的。由于糖蜜具有一定的物理化学特性,如黏度、渗透压,短时间内大剂量使用将改变养殖水体的许多物理化学特性,影响水体的气体交换,甚至抑制某些比较娇气的微生物的生长。因此,可溶性碳源最理想的添加形式是流加一一少量、连续。


(4)盐度

虽然许多微生物具有广盐性,能够在不同的盐度下生存生长,但它们在不同盐度下的生理活性、竞争优势有所不同; 对于那些对盐度相对敏感的微生物而言,盐度不同,微生物种类自然也不同。


(5)微量元素(或离子)组成

微量元素不仅是微生物的营养素,而且不同微生物对微量元素有各自的需求,微量元素组成不同或缺失不同将导致形成不同的优势微生物群落。离子的价数在作为络合、架桥、形成絮团结构方面的能力也有很大的差异:单价离子(如钠、钾)没有架桥能力,甚至由于过多的单价离子封闭了细菌表面的负电荷致使细菌之间不能架桥而无法形成絮团;二价离子(如钙、镁)具有架桥能力;三价离子(如铝、铁)具有强烈架桥、絮凝能力。


(6)电位(溶解氧)

生物絮团具有一定的“大小”,细菌由于密度大,耗氧水平高,会在絮团“颗粒”的内外,形成一定的电位梯度:在水体溶解氧浓度高、絮团颗粒小的情况下,电位梯度小,组成絮团的细菌中,好氧细菌的比例增加;在水体溶解氧浓度低、絮团颗粒大的情况下,组成絮团的细菌中,兼性厌氧、甚至厌氧细菌的比例增加。溶解氧水平还决定一种微生物代谢终产物的形态,进而影响下游的微生物组成。如酵母菌,在高氧条件下代谢终产物是二氧化碳,而在缺氧条件下代谢终产物是乙醇。所以,不同溶解氧水平状态下,酵母菌的下游微生物不同。


(7)水体运动速度

水体的运动对生物絮团具有一定的“剪切力”,运动速度越大,剪切力越强,生物絮团的颗粒越小。絮团颗粒小,氧容易渗透,絮团内部含氧量高,导致好氧细菌多、厌氧细菌少,即影响絮团细菌的呼吸类型和微生物的群落组成。


(8)温度

不同微生物具有不同的温度适应范围,温度不仅影响着微生物的代谢、生长和功能,也影响着微生物种群。


(9)其他投入品

如各种水质调节剂、微生物制剂等等,尤其是微生物制剂(微生物活性物质)对微生物生态演变具有“蝴蝶效应”。


(10)絮团“年龄”

由于絮团中各种微生物的繁殖周期不同,更新(捞走或换水同时带走絮团)速度超过某些微生物的繁殖周期(繁殖一代的时间)时,这些微生物的比例将越来越少,甚至缺失。

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