氢自养反硝化系统在循环水养殖中的开发与应用：高效脱氮与鱼类生长的双赢策略

本研究针对循环水养殖系统（RAS）中硝酸盐积累导致鱼类健康问题，开发了一种非加压滴滤式氢自养反硝化（HD）系统。实验证明该系统最高脱氮速率达504.0 g N/m3/d，氢气和二氧化碳消耗量分别为5.5L/gN和2.1L/gN。优势菌群Thauera和Dechloromonas占比超60%，反硝化功能基因表达上调。系统出水回用后未影响虹鳟生长，为RAS提供了生物兼容性脱氮新方案。

　　

随着全球水产养殖产量的持续增长（2022年达9400万吨），循环水养殖系统（RAS）因其节水和环境可控的优势成为重要养殖模式。然而RAS中鱼类排泄物和残饵产生的氨氮经硝化作用转化为硝酸盐（NO₃^?-N），在富氧环境中不断积累，浓度超过80-100 mg/L时会引发虹鳟代谢性血红素症，导致存活率从92.5%降至87.9%。传统异养反硝化（HeDn）需添加有机碳源（如甲醇、葡萄糖），可能引起水质恶化；硫自养反硝化会产生硫化氢风险；厌氧氨氧化（anammox）需要精确控制氨氮与亚硝酸盐比例。这些限制促使研究人员开发更安全高效的脱氮技术。

日本山梨大学河流盆地环境跨学科中心的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表论文，开发了一种用于RAS的氢自养反硝化（HD）系统。该系统以氢气（H₂）为电子 donor，通过反应式NO₃^? + 3.03 H₂ + H⁺ + 0.229 HCO₃^? → 0.477 N₂ + 3.60 H₂O + 0.0458 C₅H₇O₂N实现脱氮，具有不产生二次污染、污泥产量少等优势。

研究采用实验室规模RAS（60L水体）养殖成年虹鳟（Oncorhynchus mykiss），通过载体筛选实验确定聚烯烃海绵（Aquacube）的污泥固定能力是聚丙烯环的12倍（1.43±0.70 g/m3）。比较滴滤式与移动床生物膜系统后，选择滴滤式反应器（5.2L容积，40%填充率）。系统持续通入H₂（10 mL/min）和间歇补充CO₂（维持pH=7.45±0.25），通过调节水力停留时间（HRT从10h至0.5h）优化性能。采用微气相色谱分析排气成分，qPCR检测反硝化功能基因（narG, nirK, nirS, nosZ），16S rRNA测序分析微生物群落。

3.1 HD系统开发

聚烯烃海绵凭借3000 m2/m3的高比表面积成为最佳载体。滴滤式系统在HRT=1h时脱氮速率（80.5±2.0 g N/m3/d）显著高于移动床系统（p<0.05），因其创造了更大气-水界面增强气体溶解。

3.2 RAS实验中HD系统的脱氮性能

系统在HRT=1h时达到最高脱氮性能：氮去除率（NRE）94.2%，氮去除速率（NRR）504.0 g N/m3/d，H₂利用率87.3%（理论值4.8L/gN，实测5.5L/gN）。挥发性固体（VS）含量增长5倍至17.04±0.94 g/反应器，表明生物量持续积累。HRT=0.5h时虽出现亚硝酸盐（NO₂^?-N）短暂积累，但3天内恢复稳定，排气中检测到N₂生成和H₂消耗，未发现CH₄产生。

3.3 HD系统出水对水质和鱼类生长的影响

实验组水箱氧化还原电位（ORP=229.2±40.5 mV）低于对照组（286.8±50.2 mV），但溶解氧（DO=7.0±0.5 mg/L）与对照组持平。活菌数（VB=2.1±0.6 log₁₀ CFU/mL）虽高于对照组，但经UV消毒单元控制后，虹鳟总重量从1042±17g增长至1815g，与对照组无显著差异，全程无死亡。

3.4 HD系统与水体微生物群落分析

海绵载体中Thauera（33.4%）和Dechloromonas（30.6%）成为优势菌属，较接种污泥（19.8%和<1%）显著富集。16S rRNA基因丰度达13.4 log₁₀ copies/g-VS，反硝化功能基因narG、nirS、nosZ等同步上调。出水菌群结构与载体差异显著，且检测到潜在致病菌Flavobacterium（实验组水体最高占16.0%），但未表现致病性。

研究证实非加压滴滤式HD系统可高效处理RAS废水，最大脱氮速率504.0 g N/m3/d超越多数已报道的异养（438 g N/m3/d）和硫自养（800 g N/m3/d）系统。Thauera和Dechloromonas的关键作用及功能基因表达增强揭示了微生物机制。系统出水不影响鱼类生长，为RAS提供了安全可靠的脱氮解决方案。该技术尤其适用于太空养殖等极端环境，可利用电解水产生H₂和回收呼吸产生的CO₂实现物质循环。未来需优化载体层高度和填料比例以进一步提升H₂利用效率，并加强长期运行中病原菌控制研究。