荔枝核基生物质碳源在工厂化循环水养殖中的反硝化脱氮研究

摘要

生物过滤是工厂化循环水养殖水处理系统的核心技术，主要通过自养微生物的好氧硝化作用将氨氮转化成硝酸盐氮。但工厂化循环水养殖系统有机碳含量低，反硝化过程缺少碳源，导致工厂化循环水养殖系统硝酸盐氮积累，积累的硝酸盐氮会造成养殖生物生长速度减缓，成活率降低，免疫力下降。因此，为解决工厂化循环水养殖生物过滤环节有机碳不足导致的硝酸盐氮积累问题，开展了工厂化循环水养殖反硝化外加碳源及其释碳脱氮性能的研究。本研究选取华南地区来源广泛的农业废弃物稻壳和荔枝核作为天然生物质碳源，首先对两种生物材料的营养成分、生物毒性、微观形貌以及在海水中的释碳脱氮性能展开了对比研究；随后选择性能较优的荔枝核作为碳源，将其与聚乙烯醇(PVA)等高分子材料进行复合，以增加天然生物质碳源的孔隙率与机械强度，并对制备的复合碳源材料进行了表观形态、孔隙结构及其在海水中的释碳过程展开了研究。具体研究内容如下： (1)对稻壳和荔枝核生物质材料的营养成分、生物毒性、形态表征、官能团组成以及在海水中的释碳能力进行了初步筛选。营养成分结果显示，稻壳富含42.9%粗纤维，总有机碳含量达到58.17%；荔枝核中含有高达48.8%的淀粉，总有机碳含量达到60.07%。随后，对生物质材料中铜、铅、镉、铬、砷等重金属含量进行了分析，结果表明，稻壳中含66.9mg/kg铬，超出饲料卫生标准中允许含量的6倍；而荔枝核中各重金属含量都处于相对安全标准内。扫描电镜(SEM)和傅里叶红外光谱结果表明，稻壳外表面非常粗糙，横切面具有多孔结构；荔枝核外表面相对光滑，内部多为鹅卵石状的颗粒，颗粒间存在大量空隙结构；稻壳和荔枝核均含有大量亲水性官能团，使其具有良好的生物亲和性。稻壳和荔枝核的释碳结果显示，两种材料释碳过程相似，均为前4天的释碳速率快，第4-8天释放速率减慢，到第18-46天释碳趋于平缓，TOC浓度达到饱和。 (2)考察了粉碎的稻壳和荔枝核在人工海水中的反硝化脱氮性能。稻壳反硝化脱氮结果表明，简单粉碎稻壳的反硝化脱氮效果较差，仅在前3天有一定的脱氮效果，后10天的硝酸盐氮去除率都低于50%；相比荔枝核则具有良好的反硝化脱氮效果，荔枝核在第1-8天里的硝酸盐氮去除率达到98.4-100%，硝酸盐氮的去除速率达到192.4 mg N/(L?d)，出水亚硝酸盐氮未出现积累。微生物群落结构分析结果表明，稻壳和荔枝核脱氮实验污泥的微生物群落多样性和微生物丰度均增加，并且荔枝核污泥中反硝化优势菌较多。结合以上两部分的研究结果，荔枝核是一种更安全和有效的外加生物质碳源。 (3)以荔枝核作为碳源与聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠等进行复合，制备出不同荔枝核含量的荔枝核/PVA复合碳源。并对复合碳源材料的表观形态、孔隙结构和比表面积进行了研究，结果表明复合碳源具有规则的球体结构，冷冻干燥后直径为3.6-4mm，密度约为0.43 g/cm3，平均孔径约为5.93nm，BET比表面积为13.84-26.6 m2/g。复合碳源在海水中的释碳性能研究结果表明，复合碳源的前期释碳速率较快，但是在海水体系中出现吸水膨胀的现象，并在第4天全部破碎。从第三部分的研究结果得知荔枝核/PVA复合碳源的制备方法有待改进。 综上，荔枝核含有高达48.8%的淀粉，总有机碳含量达到60.07%，重金属含量处于相对安全标准范围内，且在海水中硝酸盐氮去除率可达98.4-100%，去除速率达到192.4 mg N/(L?d)，无亚硝酸盐氮积累，是一种安全且有效的外加生物质碳源基质。荔枝核与聚乙烯醇等高分子材料复合，可制备出形态良好、强度适中和孔隙率大的复合碳源，但需进一步对复合配方进行优化，解决其在海水中破碎的问题。

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第一章 引 言

1.1 工厂化循环水养殖水处理技术的研究进展

1.2 外加碳源的研究进展

1.3 本研究的目的和意义

1.4 技术路线

第二章 天然生物质碳源的初步筛选

2.1 材料与方法

2.2 实验结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 天然生物质材料的反硝化脱氮性能研究

3.1 材料与方法

3.2 结果与讨论

3.3本章小结

第四章 荔枝核/PVA复合碳源的制备与表征

4.1 材料与方法

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

致谢