使用NaOH和H2O2对商业淡水RAS进行全规模终末消毒：一项丹麦案例研究

《Aquacultural Engineering》：Full-Scale Terminal Disinfection of a Commercial Freshwater RAS Using NaOH and H?O?: A Danish Case Study

　　

一些鱼类养殖者已实施涵盖整个生产设施的强化清洁与消毒程序。尽管存在相关成本和停产时间，这些策略据报告改善了后续鱼类生产性能和系统功能。本研究记录了一项在开放1700 m³商业淡水虹鳟循环水养殖系统（recirculating aquaculture system, RAS）中进行的严格终末消毒程序。该处理是在生产间歇期、所有鱼已移除且系统在无排放条件下旁路循环水时进行的。简言之，首先加入2,000 L 27%氢氧化钠（NaOH），两天后再加入1,000 L 35%过氧化氢（H₂O₂）。随后系统在全循环模式下维持总共三天。在整个消毒期间监测水质参数，并在消毒前、中、后评估生物滤器性能。记录到极端水质条件，包括pH值连续三天超过11，循环H₂O₂浓度高于100 mg/L。过氧化氢浓度呈指数下降，半衰期约为8小时，施用后24小时内降至约20 mg/L。消毒程序显著改变了微生物特征。活细胞与死细胞比例从消毒前约75:25降至处理期间的7:93，而总细胞密度从3×10⁶增至接近2×10⁷ cells/mL。硝化作用被完全抑制，导致系统重启期间总氨氮（total ammonia nitrogen, TAN）和亚硝酸盐长期积累。生物滤器微生物活性降低了91%，表明部分生物膜群落在该处理中存活。由于未实现完全微生物消除，这些发现强调了生物膜的保护特性，并为限制RAS终末消毒效率的因素提供了新见解。结果进一步凸显了机械清洁和生物膜去除作为有效卫生方案组成部分的重要性，并证明需要定量方法评估水产养殖系统中的消毒效果。

**论文解读**

**研究背景与目的**

集约化陆生畜禽生产通常采用批次化管理，每轮生产后对设施和设备进行清洁与消毒（C&D），这是降低疾病传播、维持动物健康和生产性能的基础生物安全措施。然而，水产养殖系统的标准化卫生操作仍不够明确，行业指南尚在制定中。循环水养殖系统（RAS）通过机械、物理、化学和生物过程连续处理水质，但池壁、管道和处理单元会随时间积累有机物与生物膜，需要定期清洁和消毒。在低换水率、高投喂负荷的RAS中，有机物和溶解性营养物质积累，加上较长水力停留时间和稳定水温，可能促进条件致病菌在水体和生物膜中增殖。因此，有效的微生物管理策略对维持系统性能和鱼类健康至关重要。当病原微生物建立定植后，严格的消毒和休塘（fallowing）可能是切断感染循环、在引入新批次鱼前降低微生物丰度的必要手段。由于含鱼系统无法进行强化清洁消毒，一些丹麦养殖场已在停产期实施全系统终末消毒，主要目标是降低病原风险和恢复系统功能。然而，商业条件下此类程序的有效性资料有限。本研究旨在评估在一座配备移动床生物滤器的商业户外淡水鳟鱼RAS中，使用NaOH和H₂O₂进行严格终末消毒的效果与后果。论文发表在《Aquacultural Engineering》。

**关键技术方法**

研究在丹麦一座1700 m³商业淡水虹鳟RAS（50个养殖池，78 m³移动床生物滤器填料）进行。主要方法包括：连续水质监测（pH、溶解氧、温度）；标准化生物滤器活性测定——在载体填料反应器中开展TAN和亚硝酸盐氧化动力学试验，包括底物限制与饱和条件，计算一级/零级去除速率；以H₂O₂降解速率评估生物膜活性指数；TAN、NO₂^?-N、NO₃^?-N等化学分析；SYBR Green I和碘化丙啶双染结合流式细胞术定量总细胞密度与活/死细胞比例。采样覆盖消毒前正常生产、消毒期间及系统重启后。

**研究结果**

**3.1 终末消毒期间的水质**

连续监测显示，添加NaOH后pH迅速升至11.95，并持续三天保持在11以上。溶解氧从正常运行的50–60%饱和度升至接近100%饱和度，表明微生物呼吸和耗氧因灭活而停止。加入H₂O₂后，溶解氧进一步升至约18 mg O₂/L，超过大气饱和水平，与过氧化氢酶促分解产氧一致。H₂O₂浓度在公共出水渠峰值超过120 mg/L，随后呈指数衰减，半衰期约8.4 h，24 h内降至约20 mg/L。

**3.2 生物滤器硝化性能**

标准化加标试验显示，消毒前最大TAN去除速率为320–344 g N m^?3 d^?1，最大亚硝酸盐去除速率为260–331 g N m^?3 d^?1。消毒期间及重启后一周，氨氧化和亚硝酸盐氧化均无法检测到，速率<1 g N m^?3 d^?1。六周后TAN氧化恢复至约280 g N m^?3 d^?1，相当于消毒前水平的82–88%；亚硝酸盐氧化仅恢复至约86 g N m^?3 d^?1，为消毒前水平的26–33%。结果表明终末消毒完全抑制了硝化群落，恢复缓慢且不完整。

**3.3 系统重启后TAN和亚硝酸盐浓度**

重新放养鱼并恢复投喂后，TAN浓度快速上升至约4.5 mg/L，随后在7–8月间波动于约2.0 mg/L。亚硝酸盐浓度在重启后前两周接近零，四周后达到约4.5 mg NO₂^?-N/L峰值，之后在8月逐渐下降。这说明硝化能力恢复延迟，导致亚硝酸盐积累成为重启期的主要瓶颈。

**3.4 生物膜微生物活性**

以H₂O₂降解速率表示的生物膜活性指数在消毒前三次采样中稳定在0.24–0.27 h^?1每载体。消毒期间该指数降至约0.02 h^?1每载体，活性下降超过90%，但未完全丧失。重启一周后活性部分恢复，六周后回到约0.26 h^?1每载体，接近消毒前水平。这表明消毒未实现生物膜相关微生物的完全根除，部分群落存活并参与系统再定植。

**3.5 细胞密度与细胞完整性**

流式细胞术显示，消毒前完整细胞比例为72.4–83.4%，总细胞密度为2.0±0.1×10⁶至4.9±0.6×10⁶ cells/mL。消毒期间完整细胞比例降至6.8±2.3%，总细胞密度升至20.1±2.4×10⁶ cells/mL。这一变化反映了化学处理导致生物膜脱落和细胞膜破坏，但同时仍存在少量存活微生物，证明完全灭菌未能实现。

**讨论与结论**

讨论指出，开放RAS中的鱼类易受病原影响，现场兽医曾记录细菌性鳃病和Costia感染反复暴发；终末消毒后鱼类健康状况似乎改善，但本研究未调查病原丰度。消毒导致极端碱性条件和H₂O₂暴露，OH^?可通过皂化反应破坏细胞膜，H₂O₂分解主要依赖生物催化并释放氧气。残余H₂O₂在排放前经人工湿地和木片生物反应器完全降解。硝化被完全抑制，亚硝酸盐氧化菌比氨氧化菌更敏感，因此亚硝酸盐积累持续数周。生物膜活性残余表明生物膜为存活的微生物提供了保护；混凝土池壁未机械清洁，可能成为有机物和生物膜库并降低消毒效率。流式细胞术证实细胞大量死亡和生物膜释放，但存活部分说明彻底灭菌难以实现。未来清洁与消毒策略应强调机械清洁和生物膜去除，并采用定量指标评估消毒效果。

总体结论是：严格的化学消毒可大幅降低微生物丰度并重置生物滤器硝化性能，但无法实现完全微生物消除；生物膜的保护作用限制了终末消毒效率。该结果凸显了机械清洁和生物膜去除作为有效卫生方案关键环节的重要性，并证明水产养殖系统需要建立定量评估消毒效果的标准化方法。