海洋循环水养殖水处理系统中硝化细菌特性及硝化效能

摘要

随着人们生活水平的日益提高，海产品已经成为人类所需蛋白质的重要来源。传统的静态和流水式工厂化养殖增加了蛋白质的产量，但产生的环境问题却越来越严重。循环水工厂化养殖是环境友好型的高密度养殖方式，目前在我国发展缓慢，主要的原因在于无法快速去除生成的氨氮，这已经成为制约行业发展的瓶颈。本文主要就海洋循环水养殖过程中硝化单元的细菌特性和脱氮效能进行了基础研究，以促进海洋循环水养殖在我国的发展。
　　模拟循环水养殖系统特点，并结合海洋硝化细菌的生理特征，采用“混养”富集方式，通过不断提高氨氮浓度进行海洋硝化细菌的富集驯化；前期进行自养富集，每周调整氨氮浓度和环境条件，后期进行异养（添加鱼饵浸出液）富集，每天调整氨氮浓度和环境条件。经过80d的混养富集，富集体系中氨氮去除速率可以达到5-6mg L-1d-1，亚硝态氮积累缓慢，最后达到14mg L-1，硝态氮浓度低于1mgL-1；异养富集阶段总氮的损失率在50％以上，显示有好氧反硝化细菌存在；具有硝化功能的海洋细菌在自养后期和异养阶段快速增长，数目增加了15倍。
　　海洋硝化细菌的自养富集比混养富集更精确的控制了环境条件，每天调整各种环境参数并添加定量氨氮，使富集体系的氨氮浓度不断提高，最后达到8mgL-1。48d的富集过程中，氨氮的去除率接近100%，亚硝态氮和硝态氮浓度不断升高；亚硝盐氧化速率不断提高，最后可将每天氨氧化产生的亚硝态氮全部转化为硝态氮；富集过程中，海洋硝化细菌总数升高了21倍。海洋亚硝酸细菌适应性强，在2-8mg L-1范围内表现出较高的氧化能力。两次富集都显示当富集液中氨氮浓度在2-8mg L-1时，海洋硝化细菌的数目增加较快；频繁调整各种环境参数，尤其是氨氮浓度有利于海洋硝化细菌的富集。海洋硝化细菌的富集可以为循环水养殖过程中硝化单元的快速启动提供硝化和好氧反硝化菌源。
　　利用选择性培养基，从富集体系中分离到7株海洋硝化细菌，复筛试验表明菌株MN-2和MN-3是脱氮效果较好的菌株。通过生理生化、脂肪酸分析、形态观察和16S rDNA系统发育分析对分离的菌株进行了多项分类，结果表明菌株 MN-2属于假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas)，与已报道序列最高的相似性为97%；MN-3属于海杆菌属(Marinobacter)，与已发表序列的相似性最高为98%；菌株 MN-2对糖的利用力较强，MN-3对蛋白类物质利用能力较好，两株菌都可以在较广的盐度范围内、较低温度下生长；两株细菌中短链脂肪酸的含量较高，而MN-2中长链脂肪酸含量也较高；氮平衡试验表明菌株MN-2具有异养硝化和好氧反硝化功能，菌株MN-3具有异养硝化功能，能同时进行氨氧化和亚硝酸盐氧化；自养生长环境中，菌株MN-3的代时为8.89h，异养环境中为5.94h；异养条件下菌株MN-3最高生长量是自养条件下的3.92倍，异养培养的菌株MN-3硝化能力大大提高，初步确定菌株MN-2和MN-3为假交替单胞菌属和海杆菌属的新菌株。
　　以聚乙烯醇（PVA）小球（φ=4mm和φ=2mm）和颗粒活性炭为载体构建上流淹没式膜生物反应器对富集体系中的海洋硝化细菌进行了吸附固定和脱氮效能的研究。循环吸附固定16天反应器开始具有完整的硝化功能；水力停留时间（HRT）为1h，进水氨氮浓度低于0.6mg L-1时，氨氮未检出，当HRT为5h，亚硝态氮降低到0.1mg L-1。当进水浓度为0.6mg L-1，HRT为15min，以颗粒活性炭为载体的反应器氨氮去除率为90%，氮去除速率为70gm-3d-1。
　　在上流淹没式膜生物反应器中进行了菌株MN-3的吸附固定及脱氮效能的研究，结果显示以PVA混合球和颗粒活性炭为载体的反应器脱氮效能较好，在HRT为1h，两种载体的反应器都表现出较高的氨氮去除速率；PVA混合球反应器和颗粒活性炭反应器在合适的条件下最高氨氮去除速率34.64g m-3d-1和30.55g m-3d-1。6L循环水30h的脱氮效能试验表明，反应器出水和水槽中亚硝态氮的浓度一直保持在较低的浓度，前6个h，PVA混合球反应器和颗粒活性炭反应器中氨氮去除速率为25.2g m-3d-1和23g m-3d-1。随时间延长、HRT变小，细菌流失严重，导致后期氨氮的去除速率降低。结合两株细菌的氮代谢特征，提出了以菌株MN-2和MN-3为核心的新型脱氮工艺。

目录

海洋循环水养殖水处理系统中硝化细菌特性及硝化效能

CHARACTERISTICAND NITRIFICATIONG

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪 论

1.1 本研究课题的学术背景及其理论与实际意义

1.2 海水产养殖业的现状和发展趋势

1.3 循环水养殖中氨氮的产生及其危害

1.4 工厂化养殖体系中光合生物脱氮

1.5 工厂化养殖体系中微生物脱氮技术和工艺

1.6 工厂化养殖中的反硝化技术

1.7 本课题研究目的及主要内容

第2 章 试验系统设计和试验方法

2.1 试验系统设计

2.2 检测项目和分析方法

2.3 试验器材

第3 章 海洋硝化细菌富集体系构建及硝化特性

3.1 保持恒定氨氮浓度下海洋硝化细菌的富集和驯化

3.2 添加恒定氨氮浓度下海洋氨氧化细菌的富集与驯化

3.3 海洋硝化细菌的分离

3.4 富集驯化过程影响因素分析

3.5 本章小结

第4 章 海洋硝化细菌生理生态特性解析

4.1 海洋硝化细菌的扩大培养

4.2 菌株表型特征

4.3 生理生化特性

4.4 系统发育分析

4.5 脂肪酸分析

4.6 氮平衡分析

4.7 周质硝酸盐还原酶亚基基因（napA）的扩增（PCR 反应）

4.8 本章小结

第5 章 海洋硝化细菌固定化及其生物强化效能

5.1 混合菌液的吸附固定及硝化效能

5.2 菌株MN-3 固定化及其强化效能

5.3 新型生物脱氮工艺的建立

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历