循环水养殖废水生物脱氮技术及其影响因素研究
中国水产养殖规模连续24年居世界第一位，然而常规的流水养殖模式在消耗大量水资源的同时，也带来大量的水体污染。循环水养殖能够利用物理、生物处理等模块有效处理养殖出水，使水体循环利用，在节约水资源同时保证食品和环境安全。移动床生物膜反应器(MBBR)作为一种高效的硝化反应器常作为循环水养殖的生物过滤部分，然而该反应器在水产养殖废水脱氮应用过程中还存在启动过程慢，循环水系统中氨氮去除速率影响因素研究不足以及硝化产生的硝态氮去除等问题。 因此，本研究通过筛选异氧硝化细菌以强化MBBR启动过程，进一步探明MBBR运行过程中氨氮去除速率影响因素，并结合固相反硝化技术去除积累的硝态氮，最终应用于中试锦鲤循环水养殖中废水脱氮过程，为MBBR在淡水循环水养殖系统中的进一步应用提供了数据和理论基础。 筛选获得了高效异养硝化细菌并优化了其异养硝化培养条件。分离纯化了31株异氧硝化细菌并从中筛选鉴定了一株高效异氧硝化-好氧反硝化菌株-副球菌属（Paracoccus）N74-1菌株，明确其最适生长条件为以丁二酸钠为碳源，温度为30℃，碳氮比6，pH值为9，该条件下N74-1菌株氨氮去除速率为8.0mg/(Lh);具有好氧反硝化功能，在160mg/L的初始亚硝氮条件下，24h亚硝氮去除率为94.1％。在三种悬浮塑料多孔填料中，通过挂膜量、厚度、硝化效率及生物膜中硝化细菌相对丰度的综合对比，筛选了高密度聚乙烯K2填料作为MBBR生物膜载体;利用异养硝化细菌N74-1将MBBR启动时间缩短1/3（10天），明确在100mg TAN/（L载体·d）的氨氮负荷条件下，经生物强化MBBR出水氨氮浓度小于0.5mg/L，但负荷高于200mg TAN/(L载体·d)后MBBR出水水质不稳定;在模拟水产养殖条件下，N74-1菌剂能够在20d内完成移动床反应器的启动，并在12.5kg/m3的养殖条件下满足养殖需求;通过研究不同流速条件对鲟鱼循环水养殖MBBR启动的影响研究，表明流速会影响鲟鱼养殖中MBBR反应器启动过程中氨氮和亚硝氮浓度。不同水流速条件下，亚硝氮去除效率增长与群落中硝化细菌（Nitrospira）相对应。 研究了温度、循环水流速、碳氮比及初始氨氮浓度对循环水养殖MBBR氨氮去除速率的影响，并建立了氨氮去除速率的二次多项式回归模型。单因素影响结果表明，在15-30℃范围内，升高温度有利于氨氮和亚硝氮的去除，且25℃时氨氮去除速率约为15℃时2倍。流速在0.5L/min时有最高的氨氮去除速率，但提高流速有利于亚硝氮的去除。过低碳氮比（0和0.5）不利于氨氮，尤其是亚硝氮的去除，充足的碳源既有利于硝化也有利于好氧反硝化作用。初始氨氮浓度低于15mg/L时24h可完全去除，即该种填料的最大负荷约在150-200mg TAN/(L填料d)之间。建立了初始氨氮浓度、COD/TAN、循环水流速3个因素影响MBBR氨氮去除速率的二次多项式回归模型，回归模型极显著(p=0.0007)，可对循环水养殖系统内MBBR反应器的氨氮去除速率进行分析和预测。明确固相反硝化技术可以有效去除循环水养殖系统中硝态氮，初步掌握该技术对硝化系统和养殖水体中微生物群落的影响规律。反硝化反应器可控制养殖系统中硝态氮浓度低于10mg/L。微生物群落分析表明，固相反硝化反应器使细菌多样性上升，循环水养殖系统中细菌群落结构受到明显影响，其中变形菌门和厚壁菌门的相对丰度有所增加，而硝化螺菌门丰度有所下降。 生物强化MBBR在中试锦鲤循环水养殖中的应用表明，利用异养硝化细菌N74-1生物强化可使MBBR在一个月内顺利启动;在200多天的中试养殖过程中，不同养殖密度条件下，MBBR反应器VTR有明显不同，造成养殖池氨氮和亚硝氮浓度在不同养殖密度条件下差异明显;流速对VTR也有一定影响，不同流速(2m3/h和1m3/h)的氨氮浓度均有显著不同;利用Biolog ECO板和高通量测序分析结果表明，微生物群落的功能变化与构成相关，低养殖密度条件下利用大分子有机物的种属如Sphingobium和Hyphomicrobium相对丰度占优，因而碳源利用特征为酚酸类碳源利用率较高;随着密度提高，能利用简单有机物如单糖的红杆菌属等菌株相对丰度增加，群落中总体单糖利用能力对应上升;另一方面，水体中的氨氮、亚硝和硝态氮浓度与Bdellovibrionaceae、Caldilineaceae（暖绳菌科）、Roseiflexus、Rhodobacter（红杆菌）、Rhodobacteraceae等菌株的相对丰度显著相关。
循环水养殖废水;移动床生物膜反应器;氨氮去除速率;生物强化
北京化工大学
博士
环境工程
海热提
2016
中文
X714;X703.3
157
2017-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）