日本研究团队测试海绵生物膜反应器实现海水养殖零换水

日本长冈技术科技大学研究团队完成一项为期116天的试点试验，验证了串联式厌氧与好氧下流悬挂海绵反应器（DHS）在海水循环水养殖系统（RAS）中的脱氮效果。该系统以日本鲆为研究对象，通过重力驱动的海绵生物膜处理单元替代传统曝气与化学药剂添加，在优化运行参数后实现了养殖水体氨氮与亚硝酸盐的稳定控制，并彻底取消了常规换水操作。

试验采用500升养殖池，初始放养密度约3.7千克/立方米，投喂商业颗粒饲料（日投喂量为体重的2%），海水盐度约30‰。水流从养殖池泵入100升厌氧DHS反应器（填充50升海绵载体及反硝化颗粒污泥），随后依靠重力流入下游的好氧DHS反应器进行末端净化与复氧，经紫外线消毒后回流至鱼池。补水仅用于弥补蒸发与采样损耗。试验分阶段调整两个核心变量：初期不外加碳源；第32天起投加乙酸钠维持碳氮比（C/N）为3，并将好氧海绵体积从15升逐步扩大至40升（水力停留时间2.0分钟）；Zui终阶段将厌氧段C/N比提升至6。作者指出，因参数为顺序调整而非独立因子设计，结果反映的是系统的综合响应。

试验数据显示，当好氧海绵体积增至40升（约占池容4%）且C/N比达到6时，系统水质显著稳定。总氨氮降至0.78±0.98毫克/升，亚硝酸盐浓度接近或低于检出限，硝酸盐缓慢累积但始终控制在海水RAS运行阈值以下。在此条件下，养殖池pH值全程维持在7.0以上，无需额外投加碱性物质；溶解氧持续高于8.0毫克/升，得益于好氧段的自然复氧作用。该配置成功消除了对传统除气塔、曝气池及碱液投加系统的依赖。

基于16S rRNA基因测序的微生物群落分析揭示了反应器的功能机制。好氧DHS上层海绵中，具有高氨亲和力的氨氧化古菌（Candidatus Nitrosopumilus）占主导，适应低氧与波动pH环境；亚硝酸盐氧化菌Nitrospira直至第49天才被检出，与其生长缓慢及对盐度敏感的特性相符，也解释了早期的亚硝酸盐积累。值得注意的是，好氧反应器内反硝化细菌丰度常高于硝化菌，印证了海绵内部微缺氧区可实现同步硝化反硝化。厌氧DHS则以利用乙酸盐的反硝化菌Sedimenticola为主，证实了异养反硝化是主要脱氮路径。研究同时提示，氨氧化古菌通常排放较少的一氧化二氮，若未来能富集完全氨氧化菌（comammox），或可进一步降低毒性风险与温室气体排放，但该推测尚需宏基因组学验证。

工程运行方面，海绵反应器在116天内未出现堵塞、生物质过度堆积或压降显著增加，无需反冲洗、清洗或更换填料，仅需定期检查循环泵。重力通风设计避免了强制曝气的能耗，多孔结构也降低了结垢风险。不过，研究团队明确说明，本次试点未量化能耗、资本支出与运营成本，确切的经济效益需待后续技术经济评估确认。

该研究承认其单点试点与顺序实验设计的局限性，跨系统比较需谨慎。下一步工作将聚焦于独立重复验证、一氧化二氮排放定量、comammox富集策略开发，以及在不同物种下的商业化规模验证。若这些步骤取得进展，此类低成本、低环境影响的海绵反应器有望成为节水性水产养殖的关键技术之一。