生物过滤处理模拟海水养殖废水试验研究

摘要

海水养殖已成为最重要的蛋白质来源之一，随着养殖规模和养殖强度的增加，海水养殖日趋规模化和工业化，导致废水排放量迅速增加，并具有水量大、强度高和治理难等特点。大量的海水养殖废水进入海洋水体后，会导致海水中营养盐含量急剧升高，藻类等异常繁殖，赤潮频发，并对海洋物种多样性造成破坏，带来严重的海洋环境污染问题。
　　基于此，本课题针对海水养殖废水的排放特点，通过小试试验考察天然滤料（沸石、火山岩、陶粒）在不同盐度条件下的氨氮吸附性能；结合经济成本分析，选择了沸石滤料生物滤池作为主要研究对象，通过接种不同的污泥种泥，对比考察了不同的进水盐度条件下，沸石生物滤池的挂膜启动及污染物去除情况；在稳定运行的基础上，通过调节运行条件，探究了不同工况下生物滤池的工艺特性；最后，采用PCR-DGGE等分子生物学技术，考察在反应器稳定运行后，系统内微生物种群结构变化规律研究。
　　研究结果表明，随着盐度的增加，火山岩、沸石和陶粒滤料的氨氮吸附性能普遍有所降低，且达到吸附平衡的时间延长。沸石滤料从50min延长到90min，火山岩滤料从30min延长到80min，陶粒滤料从20min延长到90min。盐度为0g/L下，以上三种滤料对氨氮的吸附等温线都更符合Freundlich方程，表明三种滤料既有单层吸附还有多层吸附。随着盐度增加到30g/L，沸石、火山岩对氨氮的吸附既有单层吸附还有多层吸附，陶粒滤料对氨氮的吸附以单层吸附为主。三种滤料在盐度为0g/L下及达到30g/L后，对氨氮的吸附动力学均可以采用准二级吸附动力学模型加以描述。盐度条件下沸石对氨氮吸附效果依然优于火山岩和陶粒，因此，在后续研究中选择沸石作为主要的考察对象。
　　在盐度为30g/L的稳定进水条件下，利用海底底泥和普通活性污泥为种泥，启动1＃（接种海底底泥）和2#（接种普通活性污泥）生物滤池反应器，两个模型反应器分别于39天和35天挂膜成功，且2#出水效果好于1#；在进水盐度逐渐升高（从0逐渐增加至30g/L）的启动条件下，3#（接种海底底泥）、4#（接种活性污泥）反应器完成挂膜的启动时间为60和65天，且3#出水效果好于4#。对比1#和3#，2#和4#说明，不论接种普通活性污泥还是海底底泥，对生物滤池的启动时间影响不大，但是直接在高盐度进水条件下启动，有利于耐盐嗜盐微生物的驯化富集，可以有效缩短反应器启动时间。
　　在HRT为30min，气水比为3:1，水温20℃左右时，考察了稳定运行阶段生物滤池对污染物的去除效果。结果表明，1#、2#、3#、4#反应器氨氮平均去除率分别为91％、95.7%、96.5%、88.1%；亚硝态氮平均去除率分别为89.2%、94.8%、97.2%、84.9%；对高锰酸盐指数的平均去除率分别为49.86%、53.9%、54.5%、48.1%。
　　本试验考察范围内，随着温度的升高，生物滤池对氨氮和高锰酸盐指数的去除效果表现出逐渐增强的趋势。通过调整气水比与水力停留时间，考察了模型反应器对氨氮和高锰酸盐指数的去除效果。综合考虑实际工程中的经济成本和处理要求，选择最佳气水比为3:1，最佳水力停留时间为30min，此时出水的氨氮浓度满足海水养殖废水的排放要求。在氨氮冲击负荷条件下，生物滤池对氨氮和高锰酸盐指数的去除稳定，说明生物滤池具有抗氨氮冲击负荷的能力；随着有机物冲击负荷的不断升高，模型反应器对高锰酸盐指数的去除率逐渐升高，而氨氮去除率却出现了下降的趋势，这是由于硝化细菌与异养菌之间存在对溶解氧、营养物质的竞争，从而影响硝化作用的速率。
　　分子生物学分析结果表明，不同的进水方式下接种不同污泥，模型反应器在完成启动30天后，滤池中微生物群落具有良好的丰度，1#、2#、3#、4#样品的香农多样性指数分别为2.65、2.88、2.84、2.85。生物种群相似性分析表明，接种污泥对生物菌群的影响小于启动方式。进水盐度30g/L下生物滤池完成启动30天后，系统中优势种群主要有变形菌门（ Proteobacteria）中的Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria菌纲、拟杆菌门（Bacteroidetes）中的黄杆菌纲（Flavobacteriia）以及厚壁菌门（Firmicutes）中的芽孢杆菌纲（Bacilli）；进水盐度逐渐升高下生物滤池完成启动30天后，主要的优势种群为γ-变形菌纲中的海洋螺菌目（ Oceanospirillales）和硝化菌属（ Nitrobacter）、拟杆菌门（Bacteroidetes）中的黄杆菌纲（Flavobacteriia）、厚壁菌门（Firmicutes）中的芽孢杆菌纲（Bacilli）和梭菌纲（Clostridia）。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 海水养殖废水的处理方法

1.3 生物过滤技术研究现状

1.4 课题研究的目的、意义与内容

第二章 试验材料和方法

2.1 试验设计

2.2 试验材料和装置

2.3 试验方法

第三章 不同盐度条件下生物滤料对氨氮的吸附特性研究

3.1 生物滤料的性能及技术经济分析

3. 2 盐度为0g/L时生物滤料对氨氮的吸附特性研究

3.3 盐度升高条件下生物滤料对氨氮的吸附特性研究

3.4 本章小结

第四章 沸石生物滤池处理模拟海水养殖废水的启动特性

4.1 挂膜启动方式

4.2 不同盐度条件下两种挂膜启动方式生物滤池的处理效果

4.3 影响海水养殖废水处理沸石生物滤池启动的主要因素分析

4.4 启动期间沸石生物滤池的生物相特征

4.5 本章小结

第五章 沸石生物滤池对模拟海水养殖废水的处理效果及运行特性

5.1 沸石生物滤池对模拟海水养殖废水的处理效果

5.2 影响沸石生物滤池处理模拟海水养殖废水效果的主要因素

5.3 本章小结

第六章 沸石生物滤池处理模拟海水养殖废水的微生物种群结构研究

6.1 总DNA的提取及电泳检测

6.2 生物种群结构分析

6.3 本章小结

第七章 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

参考文献

致谢

附录