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臭氧在水产养殖与加工的应用技术(一)

 
     
     
 

是一种强氧化剂,具有很强的灭菌消毒、除味、去色、降解有机物的特性。应用臭氧进行消毒净化,具有无毒、无害、无任何残留的特点,臭氧被誉为是当前世界上最洁净的消毒剂。经臭氧处理后水质状况得到明显改善。在国外,臭氧在水产方面的应用有较多的报道,自 1929 年开始就有人撰文发表臭氧在水产养殖及加工中应用效果的文章,其后的几十年间众多学者应用臭氧在水产养殖、幼鱼培育、病害防治、控制赤潮及灭菌消毒以及水产晶加工、贝类净化等方面进行了大量试验和多方面应用。面对我国水产业的发展趋势,臭氧技术将会得到更加广泛深入的应用。结合水产行业的特点对臭氧的应用技术进行深入研究,将会对水产业的发展起到积极的促进作用。

1 臭氧的消毒与净化作用

1.1 臭氧与无机物的反应 :臭氧与氰化物、锰、铁、硫化氢、亚硝酸盐都会发生氧化反应。

1.2 臭氧与有机物反应

臭氧同有机物反应一般有两种途径。一为直接反应。即臭氧以分子形式直接同水体中的有机物进行反应;二为间接反应,即臭氧是以在水体中分解后产生的反应性很强的一系列自由基中反应最强烈的是 OH - 。

Hoigne and bader 证明, PH 偏低时反应趋于间接反应。水体中的无机量对间接反应起抑制作用,因为他们极易同 OH - 进行反应,从而使 OH - 与有机物反应受到抑制。

臭氧同含氮有机物的反应,水体中含氮有机物包含腐殖物质,叶绿素,氨基酸,胺类,硝基化合物,农药等。 Laplaich(1982) 认为臭氧同胺类反应体在分子内进行重排,形成 N - 羟基胺,氮氧配体化合物等,这些物质在进一步臭氧化后形成各种醛,酰胺,酸等物质。

1.2. 1 臭氧与酚。对于水源来说,酚的污染具有很大的危害性。在被酚污染的天然水的自净过程中,酚被空气中的氧氧化缩合生成腐殖酸或氧化水解使其芳香核打开后生成一系列氧的化合物,最终可分解成二氧化碳,水和脂肪酸。国内外研究已经证实,臭氧与酚的反应进行的非常迅速,氧化酚的臭氧消耗量为, 1 ppm 酚需要 2-4 ppm 臭氧。

1.2. 2 臭氧与农药。 当采用臭氧氧化某些农药是,在溶液得到脱嗅同时,原来的化合物也得到彻底破坏。 98% 的磷酰胺可分解,并生成无毒的产物(这时的臭氧浓度为 4.6 mg/mg ) . 采用臭氧的剂量为 3 mg/mg 时可将甲基对硫磷及硝基苯酚破坏掉,这时的反应产物无嗅味。敌敌畏与臭氧反应极为强烈,当臭氧剂所消耗臭氧的数据差别较大,有的油品臭氧消耗量可达 3 mg/g. 在实践中采用氧化法及混凝法联合处理时,可以从天然水中完全去除石油的剩余含量。

1.3 臭氧的脱色与除臭用途

1.3.1 臭氧对水中的着色有机物具有氧化脱色作用,微量的臭氧也能收到良好效果,高柳等对脱色效果进行了实验。大部分天然地表水所以出现色度,是因为水中存在着带色的腐殖酸,这些物质都是高分子,多官能含氮的环状结构化合物。臭氧对于腐殖酸溶液的脱色作用(约 70% )与氧化破坏作用无关,因为在这种情况下,碳转换为碳酸气不超过 30% 。臭氧开始反应时煤气羟基和侧链被氧化成羰基化合物,碳酸气和挥发酸。这时所观察到的脱色过程大致可解释为,酚的羟基被氧化为相应的醌。进一步的臭氧氧化反应使起其分子在与芳香核的连接桥处断裂并生成起较弱色染色作用的白腐酸。在大剂量投加臭氧情况下,通过生成草酸的过程而发生环的破坏,从而强化了脱色的过程。

1.3.2 臭氧在水中除臭极为有效。水中的臭气物质除了工业污染引起以外,还可有微生物引起土臭,霉臭,藻臭等。据微生物研究,水中的好气性放线菌而生成霉臭;由于放线菌产生抗生物质使细菌死亡而发臭。研究结果证明,发出土臭的物质是水中微生物的代谢物质,取名为 geosmin(C 12 H 18 O 22 ), 发出霉臭的化合物称为 mucidune(C 12 H 18 O 2 )

小岛等报告,添加 4.8 ppm 臭氧,臭气度为 40 度的水能变为无臭,在小型实验装置中加入 2 ppm 臭氧,可使臭气度从 20 降到 0 。有试验证明在去除水中 25 度以下的臭气,臭氧注入率为 0.1-1.5 ppm.

1.4 臭氧对水中微生物的杀灭作用

1.4.1 臭氧对水中细菌的作用

臭氧对水中细菌的杀灭作用效果显著,我们针对不同的养殖育苗生产和试验环境,进行了如试验。

1.4.1.1 海胆育苗用水杀菌试验。 1996 年 8 月在大连碧龙海珍品有限公司,应用 QT-5 型臭氧水处理器进行试验,其结果见表 1 。可以看出,但臭氧投加量为 1 mg/l 时,就可以有效的杀灭海水中的细菌,其杀菌效果可以满足海胆育苗生产用水需要。

表 1 海胆育苗用海水杀菌试验

处理水量

臭氧投加量

试验 1

试验 2

细菌总数

灭菌率

细菌总数

灭菌率

空白

0

1420 个 /ml

 

12400 个 /ml

 

5 t/h

1 g/h

0 个 /ml

100%

30 个 /ml

99.70%

4 t/h

1.25 g/h

0 个 /ml

100%

20 个 /ml

99.84%

3 t/h

1.67 g/h

0 个 /ml

100%

10 个 /ml

99.91%

2 t/h

2.5 g/h

0 个 /ml

100%

0 个 /ml

100%

1995 年 5 月 24 日,在大连吕顺水产养殖公司,应用 QT--50 型臭氧水处理器对水产品加工使用的地下井水进行灭菌试验,灭菌效果见表 2 。由于地下水无藻、无其他杂质,当臭氧投加量为 0.47 mg / l 时灭菌率就可达到 97.99 %, 当投加量为 0.63 mg / l 时,灭菌率近乎于 100% 。

表 2 井水灭菌实验

水流量

m 3 /h

臭氧产量

g/h

臭氧投加量

g/m 3

细菌总数

个 /ml

灭菌率

%

31.5

0

0

599

对照组

31.5

15

0.47

12

97.99

31.5

20

0.63

< 1

99.83

31.5

25

0.79

< 1

99.83

1.4.1.2 河蟹育苗用水杀菌试验 .(1997 年 3 月至 5 月间,分别在塘沽区塘宁育苗场;大港区大华育苗场对河蟹育苗用水的臭氧处理灭菌效果进行了试验。在含有藻类的育苗水体中,当水体中细菌总数在 10 2 数量级以上,在臭氧投加量为 1.2 mg / 1 时,对水中的细菌杀灭率可达到 90% 以上。同时可以有效的杀灭水体中的弧菌,当臭氧投加量为 2 mg/l 时,弧菌杀灭率可达 99% 以上。

1.4.2 臭氧对浮游生物的作用

在 1997 年 3 月至 5 月间,利用 QT 一 20 型臭氧水处理器对臭氧在海水中杀灭浮游生物效果进行试验。根据文献对于浮游生物,溶解臭氧浓度 0.5 — 1 ppm 便能破坏藻类原生动物。对于小型软体动物,溶解臭氧浓度为 2.2 ppm 时,处理时间 30 分钟能杀死 98% 的幼虫。在臭氧注入量为 2.2 — 3 ppm 时,能得到 50% 的杀藻结果。

1.4.2.1 臭氧对浮游动物的作用。臭氧对水中浮游生物的杀灭作用是一个受多种因素影响的复杂过程。尽管在每次试验中的水质生化条件不同,其数据有较大的差异,但不难看出水中浮游动物对臭氧反应敏感。在一般情况下,臭氧投加量为 2.08 mg / l 时,对浮游动物的杀灭率就可达到 95 %以上。臭氧投加量为 4.17 mg / 1 时对浮游动物的杀灭率可达到 100% 。

1.4.2.2 臭氧对浮游植物的作用。浮游植物对于臭氧的反应似乎不那么敏感。臭氧投加量为 1.2mg / l 时灭藻率为 31 — 36% ,臭氧投加量为 2.08 mg / 1 时对藻类的杀灭率可达 50% 以上,当臭氧投加量达 4.17 mg / 1 时对藻类的杀灭率为 89 %左右。

1.4.2.3 臭氧对不同种类浮游植物的作用。臭氧对不同种类的浮游植物的杀灭作用是不同的,对此我们分别在塘沽区塘宁育苗场、大港区大华育苗场进行了臭氧对蓝藻、绿藻、金藻、硅藻作用效果进行试验分析,臭氧对不同种类的浮游植物作用效果差异较大,对金藻的杀灭效果最强烈,对硅藻次之,对蓝绿藻的杀灭作用最差。总体分析,臭氧对浮游植物的杀灭作用不但与其种类有关,而且还受其绝对数量的直接影响。藻类的绝对数量大,则需臭氧投加量加大。其中蓝绿藻绝对数量大,总体灭藻率则下降。

1.4.3 臭氧对赤潮生物的作用

赤潮是指海洋中的浮游生物爆发性增殖,造成海水变色。由于其生物种群不同可呈现红、褐或灰黑色。赤潮会对近岸海洋生物造成严重危害。据质料报道臭氧可以有效的杀灭赤潮生物,分解赤潮生物毒素。 1995 年 8 月 28 日大连水产学校刘永清等在山东长岛县砣矶岛附近海域发现赤潮,并应用臭氧对赤潮生物 ( 夜光虫 ) 进行了杀灭试验,经臭氧处理后夜光虫发生粉碎性破裂。 1998 年 10 月 6 日天津市水产研究所对渤海湾赤潮生物多甲藻进行了臭氧杀灭试验。多甲藻经臭氧处理 10 分钟后,外壳破碎解体色素完全消失。

1.5 讨论与小结

1.5.1 臭氧作为一种强氧化剂,对水中的多种化学物质有着强烈的氧化和降解作用,使水质得到有效的净化。对化学物质的降解所消耗的臭氧,与其物质的性质有关,并与浓度成正比。为了实现对水质的有效的净化,一般情况都采用过量投入法,使水中保持一定量的溶解臭氧。

1.5.2 臭氧对水中细菌的杀灭作用是十分有效的。对仅含细菌的水体只需投加少量臭氧,低于 0.5 ppm 时就可以达到 97% 以上的灭菌率。如果水中含有浮游植物及其他物质,要得到有效的灭菌则需要提高臭氧投加量。试验表明弧菌对臭氧反应敏感,一般弧菌数在 10 2 数量级/ ml 时,臭氧投加量为 1.25 ppm 就可以达到 90 以上的杀灭率。

1.5.3 臭氧对水中不同生物作用效果是不同的。对浮游动物有很强的杀灭力,在浮游生物总量较少的条件下只需投加较少的臭氧,就可以有效的杀灭水中的浮游动物。臭氧对浮游植物的杀灭是有选择性的,要对蓝、绿藻进行有效的杀灭,就需要投加大量臭氧,这是不经济的做法。有质料报道用混凝法先去除大部分藻类,再用臭氧进行后处理的方法是经济有效的。

1.5.4 电极电位是反映水质富氧与还原物质多少的一个综合指标。对于遭受严重污染的水体,因其水中还原物质多耗氧量大,即水中电极电位较低有的呈现为负值。经臭氧处理后水中还原物质减少,水电极电位明显提高,说明水向富氧化转化水质得到明显的改善。而且随着臭氧投加量的加大,电位线性增加可以说水质得到进一步改善。但是电极电位与水中各生化物质之间的关系,目前尚不清楚,应进一步深入研究与探讨。

2 臭氧在水产养殖中的应用与研究

2.1 概述

自八十年代以来我国水产养殖业有了快速发展,水平不断提高。随着养殖业的发展,海、淡水育苗已步入工业化生产阶段。工厂化育苗技术的日趋成熟,又促进水产养殖业的进一步发展和提高。由于近年来工、农业污染日益严重,造成了养殖水环境不断恶化,因水质污染造成水产育苗的减产或绝产、越冬亲鱼或苗种的大批死亡事件及养殖病害频繁发生,所有这些严重制约了渔业生产的进一步发展。 面对日趋恶化的水质环境,有关科研、生产部门在水处理及鱼病防治等方面采取措施,但使用常规水处理难以从根本上改善养殖育苗水质。如何对生产用水进行有效的处理,改善和净化养殖、育苗水质:是今后发展健康养殖、节水渔业一个十分重要的问题,尤其是在水质源严重不足的今天,这个问题显得更为重要。

多年来众多学者应用臭氧在水产养殖、幼鱼培育、病害防治、控制赤潮及灭菌消毒等方面进行了大量试验和多方面应用。有质料证明,应用臭氧进行水的净化消毒比其他水处理系统更具有竞争力。据质料报道,经臭氧处理后的水可以改善细胞呼吸条件,促进生物生长。用其进行水产育苗和幼鱼培育,可以大幅度降低幼苗死亡率,鱼的食物转化率可以显著提高。

在国内,臭氧在水产养殖和育苗中应用起步较晚。九十年代中期一些研究机构进行过应用试验,也有一些水产生产单位开始应用。例如:厦门海洋研究所与清华大学利用臭氧进行了对虾养殖防病试验。辽宁鞍山、大连,山东长岛等地的一些研究、教学及生产单位在鱼的养殖,海参、鲍鱼、牡蛎和扇贝等品种的养殖和育苗进行了试验并在应用中取得较好的效果。

在目前的应用中,由于有些应用单位对臭氧性质和应用技术不甚了解,应用臭氧造成鱼类大批死亡事件也有发生。同时在国内也未见到关于臭氧在水产养殖及育苗生产的优化模式,水产养殖水处理,鱼病防治和促进生物生长等方面的深入研究和系统报道。我们针对上述情况进行臭氧在水产养殖方面的研究,找出臭氧应用的规律性,研究提出应用臭氧进行水产育苗的优化模式,研制出适用的臭氧水处理设备,这些研究和试验工作将对促进水产健康、节水养殖技术和工厂化养殖及育苗业的发展有着重要意义。

2.2 中华绒螯蟹育苗臭氧技术的研究

2.2.1 臭氧处理水培育中华绒螯蟹苗优化条件的试验研究

目前河蟹育苗工艺都采用静水充气、开放式工艺。每天需要更换大量海水,以增加育苗池中的溶解氧来改变水质污染程度,同时还需使用药物来抑制致病菌的繁殖。但到育苗后期,池底有机质沉积过多,造成池水下层氧债高,致病菌大量繁殖,水质恶化,造成幼体大量死亡。因此,利用经臭氧处理后的水体来维持良好的生态环境,为河蟹幼体提供一个良好的水环境已成为河蟹育苗成败关键。

为了找出臭氧水河蟹育苗的优化条件,进行臭氧处理水量、育苗密度、换水量三因素三水平正交试验,并利用灰色系统关联度分析方法,分析因素之间作用关系,以期获得臭氧水添加量,育苗密度、换水量的合理组合、验证臭氧在河蟹育苗中的作用,总结出臭氧处理水进行河蟹工厂化育苗的优化工艺 .

该试验于 1997 年 3 — 4 月在塘沽塘宁水产育苗进行,应用由天津市水产研究所和清华大学共同研制的 QT 一 20 臭氧水处理器,臭氧投加量为每立方米水体 1 — 1.5 g

2.2.1.1 正交试验设计

试验因素的确定: A 一臭氧水添加量: B 一幼体密度; C 一换水量。试验水平确定:每个因素设三个水平,见表 3. 试验分组方案;采用 L 9 (3 4 ) 正交表共设 9 个试验组 . 试验期间投喂饵料种类为单胞藻、蛋黄、酵母、螺旋藻粉、轮虫及卤虫无节幼体 . 每天测定一次 p H 值、盐度,隔天测定一次溶解氧 .Z 1 一 Z 2 和 Z 3 一大眼幼体期间,对氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、耗氧量和细菌总数等指标进行测定 .

表 3 臭氧育河蟹苗试验因素水平表

      因素

水平

臭氧水添加量

A %

培育幼体密度

B 万体 /m 3

换 水 量

C %

1

A 1 0

B 1 15.66

C 1 20

2

A 2 50

B 2 23.49

C 2 25

3

A 3 100

B 3 31.32

C 3 33

2.2.1.2 试验结果

试验所用时间 16 天,河蟹大眼幼体出苗情况试验结果见表 4 。

表 4 河蟹大眼幼体出苗试验结果

试验号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

出苗(只)

436

506

572

425

510

550

531

561

534

出苗率( % )

18.5

21.4

24.4

12.1

14.5

15.6

11.3

11.9

11.4

活力状况

正常

正常

正常

较差

较差

较差

较差

较差

2.2.1.3 灰色系统关联度分析

利用灰色系统关联度分析方法,计算出水质生化条件对出苗量影响的关联度,排出关联序,以直接反映出各个子序列对同一个母序列的“优劣”或“主次”关系,从而找出影响出苗量的各个生化因素间的主次关系。

利用处理后的数据进行氨氮、亚硝酸盐、耗氧量、细菌总数对河蟹出苗量影响的关联度计算。设出苗量为母序列,表示为 X l (k)(k=1 , 2 ,…… 9 为试验组编号 ) 则: X 1 (k)= ( (X 1 (1) , X 1 (2) ,……, X 1 (9) ),设氨氮、亚硝酸盐、耗氧量、细菌总数为子序列,分别表示为: X 2 (k) 、 X 3 (k) 、 X 4 ( k )、 X 5 (k) ,求得关联度 R :

R=(r 1,2 , r 1 , 3 , r l,4 , r 1 , 5 )=(0.210 , 0.172 , 0.199 , 0.249)

上述结果表明,水体中细菌总数对河蟹出苗量影响最为显著,其次是氨氮、耗氧量,而亚硝酸盐影响最小。从表 5 中可以看出,水中氨氮、耗氧量对试验因素中的臭氧水添加量的关联度最大,亚硝酸盐对布苗密度关联最大。表明臭氧处理水可有效改善育苗水环境中氨氮、 COD 状况,其中添加臭氧水育苗的各试验组的氨氮、 COD ,均明显低于对照组。氨氮可下

降 31.59 — 31.89 %, COD 下降 30.66 ~ 45.33 %,细菌总数下降 34.17 — 58.35 %。

表 5 试验因子对应水化指标的关联度

         指标

因素

关 联 度 R

氨氮

亚硝酸盐

化学耗氧量

臭氧水添加量

0.304

0.306

0.309

布苗密度

0.159

0.415

0.277

换水量

0.302

0.311

0.258

水源经臭氧处理后,阻断了致病菌进入育苗水体的途径,且有利于有益细菌的生长,有利于降解有机物质,从而改善了育苗池生态环境。

2.2.1.4 因素水平优化组合分析

根据表 6 可以看出,三个指标的计算结果针对三个因素的主次顺序分别为:出苗量 A>C>B ,出苗密度 B>A>C ,活力系数 B>>A , C 。从出苗量这一指标来看,优化水平组合应为 A 3 C 3 B 3 :从出苗率指标看,应为 B 1 A 3 C 3 ;从活力系数指标看,应为 B 3 A 3 C 1,3 。对三组综合分析看,因素的优化组合应为 A 3 B 1 C 1 。

表 6 河蟹育苗试验综合分析表

指标

出苗量

出苗率

活力系数

A

B

C

A

B

C

A

B

C

K 1

464

505

516

14

21.4

15.3

66.7

100

77.3

K 2

526

495

488

15.9

14.1

15

77.3

53.3

66.7

K 3

552

542

538

17.1

11.5

16.7

77.3

60

77.3

R

88

47

50

3.1

9.9

1.7

6.6

46.7

6.6

优水平

A 3

B 3

C 3

A 3

B 1

C 3

A 2 , 3

B 1

C 1 , 3

2.2.1.5 分析和小结

育苗水源经臭氧处理后,水中氨氮、耗氧量、亚硝酸盐和细菌总数都可以得到大幅度的降解,其降解幅度与臭氧投加量紧密相关。由于臭氧在水中发生还原反应,产生氧化能力极强的原子氧 (O) 和羟基 (OH) ,能迅速氧化水中的有机物质、杀灭细菌。因此,池中水质得到了明显净化,并且无毒、无害、无任何残留物,为河蟹幼体提供了一个良好的生态环境,可以有效地提高出苗量,是适合于河蟹育苗生产上应用的水处理技术。

从关联度分析结果表明,影响出苗量的作用因子的主次顺序为:细菌总数 > 氨氮 > 耗氧量 > 亚硝酸盐。其中细菌是主要作用因素,尤其是厌氧的致病菌。经综合推断,布苗密度与细菌总数紧密相关。因此,合理密度是高效育苗的一项重要措施。从整体考虑,工厂化育苗全部使用臭氧水,加上换水量适当,采用合理的布苗密度即 A 3 B 1 C 1 是优化的组合。

2.2.2 臭氧在内陆水域育苗水处理工艺

1997 — 1998 年,分别在天津市大港油田钻井一公司育苗场和江苏省扬州市江洋特种水产公司育苗场进行了臭氧水处理为主的综合水处理工艺的研究。前者距海岸 20 余公里,育苗水体为 1445M 3 ; 后者距海岸 200 余公里,育苗水体为 2100M 3 。水源均以盐场的卤水来配制用以育苗,用水量共为 5.6 万吨。 经臭氧处理后循环封闭使用,以用于培养单细胞藻类、亲蟹暂养、育苗等,共培育出大眼幼体 559.5 公斤,在生产上取得了突破。具体做法如下:

2.2.2.1 水源配置和设施

两个育苗场都用车、船从海边拉运盐场的卤水。卤水盐度为 42 — 900‰ 配制成 18 — 23‰ 。盐度的水作为育苗水源。

2.2.2.2 水处理机、功能、处理量

选用由天津市水产研究所、清华大学共同研制的 QT 一 20 型臭氧水处理机。该机具有体积小、重量轻、效率高、使用方便等特点。其主要功能是清除有毒有害物质、杀菌灭藻、氧化部分重金属离子和有机物。处理后的水质符合渔业水质标准。在育苗过程中循环使用净化水,处理水量 10 — 20 吨/小时,可按净化程度和水质要求,任意调整水处理量。

2.2.2.3 水处理工艺流程

用卤水配制育苗水源,经沉淀、过滤后进入育苗池供孵幼和培育幼体使用。育苗池排出的废海水经过滤和沉淀,通过臭氧水处理机处理,然后将处理水汇集到蓄水池,经过滤沉淀进入调盐配水池,再经过滤沉淀,并化验合格后再次进入育苗池使用,形成闭式循环。

2.2.2.4 臭氧水处理效果和产量

育苗池排出的废海水,经过臭氧水处理机处理后,亚硝酸盐显著降解,再经物理、化学和生物的综合处理,其它多项水质综合指标符合国家渔业水质标准 . 处理净化的水质变化见表 7 、表 8

表 7 1996-1997 年度大港河蟹育苗场臭氧处理水质变化情况(处理量 5T/h )

 
     
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