工厂化海水养殖废水和水体的氨氮处理研究

摘要

近年来，以仿刺参、大菱鲆、红鳍东方鲀等为主的海水养殖产业得到了迅猛的发展。在养殖引起的水质恶化影响到养殖动物生长繁殖的同时，大量海水养殖废水的肆意排放也给近海的生态环境造成了巨大的影响，近岸海域的环境恶化，赤潮频发，渔业资源退化，生态平衡和生物多样性也遭到了严重的破坏。海水养殖取水水域的水质下降也给我国海水养殖和海洋渔业经济带来了巨大损失。氨氮和亚硝态氮是海水养殖水体和废水中主要的可溶性污染物，形成快且浓度高，是最难以降解的有毒物质。现在，废水处理技术主要以生活污水和工业废水处理的方法为主，专门针对海水养殖水体净化和废水处理的研究还比较少。对于海水养殖体系来说，海水中的盐度和离子效应，养殖水体中污染结构与常见陆源污水的差异，以及海水专用益生菌的种类稀缺，都使得海水养殖水体净化与废水处理难度进一步加大。
　　本研究主要针对海水养殖的水体净化和废水处理，分别系统测定了不同的水处理方法对氨氮和亚硝态氮的去除效果。根据结果和处理目的对处理方法进行了优化。针对海水养殖废水中氨氮和亚硝态氮高的特点，优化间歇式活性污泥处理系统水处理工艺并研制成控温、进水、反应、沉降和排水全自动一体化的海水养殖废水处理的SBR反应器，为海水低碳高氮养殖废水快速高效、低成本无害化的水处理技术提供了一定的理论和实践基础。此外，针对海水养殖水体中氨氮和亚硝态氮产生的过程，从海水养殖环境中筛选具有净水功能的土著益生菌，优化混合液体发酵工艺并应用载体固定化技术，研制出海水养殖专业的载体固定化复合微生态净水剂，测定了其对仿刺参养殖水体的净水效果以及对仿刺参幼参的益生作用，为仿刺参的绿色、安全、健康的生态养殖提供了一定的理论与实际的研究价值。本论文研究的主要工作可概括为以下几个方面:
　　1.针对实际海水养殖废水低C/N的特点，采用SBR工艺结合硅藻土载体固定化颗粒污泥的新方法，验证对海水养殖废水中氨氮和亚硝态氮去除效果，同时还考察活性污泥中载体固定化情况、菌群动态变化以及自养型硝化细菌间的优势调控。
　　(1)通过驯化活性污泥，采用SBR工艺的硅藻土载体生物反应器可处理氨氮浓度约为50mg L-1的实际海水养殖废水。在22±4℃的条件下，水力停留时间为11h(沉降10 min)、系统溶解氧≥4.5 mg L-1,强化自养型氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的共生协同作用，经过34 d约100个周期的运行后系统进入稳定期，NH4+-N和COD去除率分别在98.93％和76.62％以上。从第35 d开始，反应器出水中COD和NH4+-N、NO2-N的浓度基本满足海水养殖水排放要求。
　　(2)硅藻土载体加速好氧硝化污泥的载体颗粒化进程，提高沉降性能。污泥颗粒照片和扫描电镜结果显示，活性污泥里的菌群可以固定在硅藻土的表面或包裹在硅藻土外部，形成较大的载体污泥颗粒和载体生物聚集体，有助于增加好氧颗粒污泥的强度及稳定性，提高微生物间的协作和活性，并提高生存繁殖能力和对环境的耐受能力。
　　(3)通过变性梯度凝胶电泳分析表明，反应器后期的主要优势菌群为光合细菌属、硝化杆菌属、噬纤维菌目、海杆菌属和亚硝化单胞菌属等。
　　(4)通过荧光原位杂交分析表明，自养型的AOB和NOB成为反应器系统中的优势菌群。
　　2.针对实际海水养殖水体中可溶性污染物的特点，从海水养殖环境中筛选具有净水功能的土著益生菌，优化混合液体发酵工艺并应用载体固定化技术，研制出海水养殖专业的载体固定化复合微生态净水剂，测定了其对仿刺参养殖水体的净水效果以及对仿刺参幼参的益生作用。
　　(1)利用唯一氮源选择性培养基，从海水养殖环境中筛选到两株具有高效净水能力的菌株。通过16S rRNA基因测序、系统发育树同源性鉴定、菌落形态以及常规生理生化鉴定，初步确定菌株JS-01为枯草芽孢杆菌，JS-02菌株为侧孢短芽孢杆菌。在DO≥4.5 mg L-1的条件下，在24 h内，JS-01菌株对浓度为50 mg L-1的氨氮降解效率达98.5％; JS-02菌株对20 mg L-1的亚硝酸盐降解效率达95.2％。
　　(2)芽孢杆菌JS-01和JS-02对盐度、温度、酸度、胆盐以及蛋白酶具有良好的耐受性。毒性试验结果表明芽孢杆菌JS-01和JS-02对仿刺参无致病能力，其菌株之间也无明显拮抗作用。同时发现芽孢杆菌JS-01和JS-02对灿烂弧菌、黄海希瓦氏菌、溶藻弧菌和迟缓爱德华氏菌等仿刺参致病菌表现出了中等非特异性的拮抗作用，而对哈维氏弧菌和副溶血弧菌的拮抗作用不明显。
　　(3)对芽孢杆菌JS-01和JS-02混合液体发酵和载体固定化条件进行优化。通过单因素条件分析，确定其混合液体发酵最佳条件是温度为30℃，初始pH值为7.5,接种量为5％，发酵转数为300 rpm，发酵周期为22～24 h;最佳发酵氮源是豆饼粉，碳源是葡萄糖和玉米粉，最佳碳氮比为1∶4;载体最佳吸附条件是硅藻土添加量为10 g L-1,玉米芯添加量为5g L-1,搅拌速率为200rpm，吸附时间为60 min。制成的载体固定化JS复合芽孢杆菌干粉制剂的活菌终浓度可以达到5×109 CFU g-1,芽孢产率高于90％。
　　(4)通过养殖场实际应用考察载体固定化JS复合芽孢杆菌制剂的水体净化效果，以及对仿刺参生长性能及非特异性免疫的益生效果。结果表明，在正常10d倒池条件下，载体固定化JS复合芽孢杆菌制剂能够将水体中COD、NH4+-N和NO2--N的浓度分别控制在6.5 mg L-1、0.5 mg L-1和0.135 mg L-1以下，NH4+N和NO2--N的平均去除率分别为82.85％和75.78％。通过应用含有Bacillus subtilis JS-01和Brevibacillus laterosporusJS-02的JS复合芽孢杆菌制剂，能够显著提高仿刺参幼参的生长性能和存活率，降低饵料系数和脏壁比，并能稳定仿刺参的体腔细胞数和增强其吞噬活性。此外，JS复合芽孢杆菌制剂能够显著提高仿刺参的溶菌酶、碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等非特异免疫相关酶的活性。

目录

声明

摘要

缩写词

前言

1 绪论

1．1 海水养殖业的发展现状及其对环境生态的影响

1．1．1 海水养殖业的发展现状

1．1．2 海水养殖业对环境的影响

1．2 海水养殖水的特征

1．2．1 海水养殖污染物的主要来源

1．2．2 海水养殖主要的水质指标

1．2．3 海水养殖水处理与传统废水处理的差异

1．3 海水养殖水处理技术的研究进展

1．3．1 物理处理法

1．3．2 化学处理法

1．3．3 生物处理法

1．4 益生菌在海水养殖中的应用现状

1．4．1 益生菌的净水机理和益生作用

1．4．2 净水益生菌的种类

1．5 微生物固定化技术的研究进展

1．5．1 微生物固定化的方法

1．5．2 微生物固定化的载体

1．6 本研究的主要研究目的

2 高氨氮海水养殖废水处理的研究

2．1 前言

2．2 实验材料与仪器

2．2．1 主要试剂

2．2．2 仪器设备

2．2．3 实验材料和设备

2．2．4 实验废水

2．2．5 接种污泥和反应时间

2．3 实验方法

2．3．1 实验分析项目以及检测方法

2．3．2 微生物群落组成结构及动态变化解析

2．3．3 数据统计分析

2．4 实验结果

2．4．1 SBR反应器的启动及氨氮去除的性能

2．4．2 产H+现象对NH4+-N和COD去除率的影响

2．4．3 硅藻土载体好氧硝化污泥的形成

2．4．4 微生物菌群透射电镜分析

2．4．5 微生物群落结构扫描电镜分析

2．4．6 微生物群落组成与结构分析

2．4．6 微生物群落结构荧光原位杂交分析

2．5 讨论

2．6 小结

3 氨氮和亚硝态氮降解菌的分离、鉴定以及生物学特性

3．1 前言

3．2 材料和方法

3．2．1 实验试剂

3．2．2 仪器设备

3．2．3 实验样品

3．2．4 实验病原菌

3．3 实验方法

3．3．1 水质分析项目及检测方法

3．3．2 菌株的筛选、分离与纯化

3．3．3 氨氮降解和亚硝态氮降解能力的检测

3．3．4 菌株的分类鉴定

3．3．5 筛选菌株的生理生化特征分析

3．3．6 筛选菌株的生物学特性分析

3．3．7 筛选菌株的拮抗实验

3．3．8 筛选菌株对仿刺参安全性实验

3．3．9 数据统计分析

3．4 实验结果

3．4．1 氢氦降解菌和亚硝态氮降解菌的筛选

3．4．2 筛选菌株的菌落形态特征

3．4．3 筛选菌株的16S rDNA基因序列鉴定结果及生理生化特征

3．4．4 芽孢杆菌JS-01和JS-02的生物学特性

3．4．5 芽孢杆菌JS-01和JS-02菌株的生长曲线

3．4．6 芽孢杆菌JS-01和JS-02菌株之间的拮抗作用

3．4．7 芽孢杆菌JS-01和JS-02对病原菌的拮抗效果

3．4．8 芽孢杆菌JS-01和JS-02对仿刺参的安全性实验

3．5 讨论

3．6 小结

4 芽孢杆菌JS-01和JS-02发酵条件与载体固定化优化

4．1 前言

4．2 材料和方法

4．2．1 实验试剂

4．2．2 种子培养基和发酵培养基

4．2．3 益生菌菌株来源

4．2．4 仪器设备

4．3 实验方法

4．3．1 芽孢杆菌液体发酵条件的优化

4．3．2 液体发酵培养基的优化

4．3．3 发酵、载体固定化、菌粉制备工艺

4．3．4 芽孢杆菌样品菌量测定

4．3．5 载体吸附率的检测

4．3．6 芽孢杆菌形态和载体固定化样品形态观察

4．3．7 数据统计分析

4．4 实验结果

4．4．1 液体发酵条件的优化

4．4．2 发酵培养基的优化

4．4．3 载体的吸附率

4．4．4 芽孢杆菌和载体固定化样品形态特征

4．5 讨论

4．6 小结

5 芽孢杆菌对养殖水体净化、仿刺参生长及非特异性免疫的影响

5．1 前言

5．2 材料和方法

5．2．1 实验动物和益生菌来源

5．2．2 实验试剂

5．2．3 仪器设备

5．2．4 微生态净水剂和饲料制备

5．2．5 实验分组及养殖管理

5．2．6 水质监测

5．2．7 实验方法

5．2．8 数据统计分析

5．3 实验结果

5．3．1 净水剂对仿刺参池塘养殖水质和环境的影响

5．3．2 净水剂对仿刺参生长性能的影响

5．3．4 净水剂对仿刺参免疫活性的影响

5．4 讨论

5．5 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢