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水质标准:总氨氮

克劳德·博伊德,博士

GAA通过其负责任的水产养殖计划为虾养殖场废水提出了一系列水质标准。本文是系列文章的一部分,涉及总氨氮(TAN)。

氮是调节自然和农业生态系统生产力的关键因素,因为氮是植物必需的营养素,蛋白质的主要成分,而且经常供不应求。氮与废水中的磷共存,这两种养分是水体富营养化的主要原因。

氮循环

复杂的氮循环在全球范围内起作用。循环中的大多数途径(图1)可以在所有生态系统中找到,包括水产养殖池塘。

总氨氮
图1.氮循环。箭头表示虾池中氮的移动。 ñ2 =氮气,NO3 =硝酸盐,NO2 =亚硝酸盐,NH3 =非离子氨,NH4 =铵,SON =可溶性有机氮。

大气中有大量的氮气以气态形式存在。氮可以通过闪电转化为硝酸盐,通过某些微生物固定在有机物中,并通过工业过程转化为肥料氮。在活生物体和死亡的有机物中发现了大量的氮。

生物排泄含氮废物,当细菌和其他微生物分解死亡的有机物时,它们会将氨氮释放到环境中。氨氮由非离子化氨(NH3)和铵离子(NH4 +)组成。当硝化生物氧化氨氮时会产生硝酸盐氮。

大多数植物更喜欢铵离子作为氮源,但也可以使用硝酸盐作为氮源。硝酸盐可通过反硝化细菌的活性转化回氮气。

用于水产养殖

氮以肥料(例如尿素,硝酸铵和硝酸钠)施用于水产养殖池,以促进浮游植物的生长并提高养殖种类的产量。饲料通常用于水产养殖,因为与单独使用化肥相比,它们可以增加养殖种类的产量。

饲料通常含有20%至40%的蛋白质,蛋白质的平均氮浓度为16%。施肥和饲料中施用到池塘的氮中约有20%到25%被保留在养殖物种的生物量中,并在收获时从池塘中去除(表1)。

博伊德,典型的氮气输入和输出,表1

输入项 输入项 产出 产出
饲料和肥料90%虾收获25%
供水和固氮10%反硝化12%
氨挥发18%
沉积物堆积10%
出水 35%
表1.氮的典型输入和输出。

 

浮游生物中的大部分肥料氮都转化为有机氮,养殖物种会排出氨氮,浮游植物也可以利用氨氮。微生物分解死的浮游生物,未食用的饲料和粪便,这些有机材料中所含的氮被回收利用。

池塘水中非气态氮的两种主要形式是颗粒态氮,溶解态有机氮和氨氮。硝化作用发生在水产养殖池中,但是大部分硝酸盐在沉积物中被反硝化。硝酸盐浓度通常远低于氨氮浓度。

水质标准:总磷

池塘中的氨

氨氮是池塘污水中令人关注的问题,因为它会引起富营养化,氨氮浓度高的水域通常含有明显的有机氮,氨氮对水生生物有潜在的毒性。非离子化氨和铵在水中的温度和pH依赖性平衡如下:

NH3 + H + = NH4 +

随着pH值的增加,非离子氨的含量也会增加。在pH 7和28摄氏度下,非离子氨的含量不到1.0%,但是在pH 9和相同温度下,非离子形式的比例增加到约40%。温度升高还会导致非离子氨的比例升高,但温度的影响要比pH小得多。

非离子氨氮是该化合物的有毒形式。总氨氮的浓度高于每升3或4毫克会导致对pH值大于8.5或9的温水水生生物的毒性。

减少富营养化

通过将废水中的总氨氮浓度限制在不会在混合区中引起毒性的浓度,富营养化的潜力也大大降低了。总氨氮的限值通常在废水许可证中确定,但很少规定总氮的浓度限值。当然,在某些许可下,总氮负荷可能会有限制。

氮负荷的计算需要有关污水量和总氮浓度的数据。例如,假设一个养虾场的出水量为每天20,000立方米,平均总氮浓度为每升4毫克(克每立方米)。总氮负荷为每天20,000立方米x每立方米4克=每天80公斤。

GAA废水标准

全球水产养殖联盟的总氨氮排放标准最初是每升5毫克,目标是每升3毫克。在半精养水产养殖中很容易遵守这些标准,其中饲料投入通常每天每公顷少于30-40公斤。总氨氮浓度很少会升高到每升1毫克以上,很少会超过每升2毫克。半集约化农场主致力于将浓度保持在每升1毫克以下。

由于为不同的生产水平设定不同的标准存在困难,GAA采取了基于集约化虾类养殖的总氨氮标准,该浓度通常超过每升5毫克,甚至可以达到每升10毫克。因此,在集约化水产养殖中要符合GAA的标准将更加困难。

减少废水中的氨

减少水产养殖池塘废水中总氨氮浓度的方法包括:

  • 仅在需要促进浮游植物生长时才适量使用肥料。
  • 不要以很高的速度放养和喂食,以免池塘的水质恶化。
  • 避免喂食过多的养殖物种。
  • 购买含氮量不超过养殖物种所需的饲料。
  • 在集约化池塘中使用机械曝气,以避免溶解氧浓度低于3-4毫克每升。

池塘中的浓度变化

池塘中的总氨氮浓度会在几天内逐渐变化。随着养殖时间的延长和摄食率的增加,它们往往会增加。随着太阳辐射的输入,pH和水温升高和降低,非离子氨浓度每天都会变化。

通常用于氨氮的分析方法无法区分未电离的氨和铵。必须使用表格将非离子氨的浓度估算出来,该表格将非离子氨的百分比与温度和pH值联系起来。这些表格可以在有关水产养殖水质的书籍中找到。

仅测量废水中的总氨氮即可满足GAA标准。但是,某些废水许可证要求提供非离子氨的数据。

抽样与分析

用于总氨氮分析的样品应放在塑料瓶中,放在冰上,收集后六到八小时进行分析。可以与私人或大学实验室签约进行分析,但是通常无法在所需的时间内发送样品。因此,农场技术人员可以进行分析。

对于海水或微咸水,水杨酸盐法最适合用于总氨氮分析。奈斯勒法和酚盐法最适合于淡水。美国科罗拉多州洛夫兰的哈希化学公司销售用于水杨酸盐和Nesslers方法的总氨氮测试程序。常规实验室通过三种方法测量总氨氮的说明可在标准水分析手册中找到,例如 水和废水检查的标准方法。

(编辑’注意:本文最初发表于2001年8月的 全球水产养殖倡导者


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