固定化微生物与植物联合净化养殖废水的研究

【摘要】：水质与水产养殖系统持续、稳定、健康运行密切相关,养殖废水净化成为养殖过程(特别是闭合循环养殖系统)的一个重要环节。许多研究发现利用植物或微生物对养殖废水进行处理是一种经济有效的方法。本论文从水产养殖系统排污口筛选出脱氮效果较好的异养硝化菌,之后将筛选出的异养硝化菌固定化于陶粒或人工水草中,最后将固定化微生物分别与夏秋季蔬菜植物—水蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk)和冬春季牧草—多花黑麦草(Lolium multiflorum Lam. )联合净化养殖废水,研究结果概况如下: 1、通过富集、分离、初筛选和复筛选,从水产养殖闭合循环系统的排污口原位筛选出8株异养硝化菌,将这8株菌分别处理灭菌的水产养殖废水,从中挑选出脱氮效果较好的X1、X2、X3和X4菌株。24h内,X1、X2和X3对养殖废水中氨氮的去除率分别为80.01%、67.65%和66.49%,120h内,X4对氨氮的去除率也达到75.01%;96h内,X1、X2、X3和X4对TN的去除率分别为32.63%、31.77%、12.03%和21.48%,并且在处理过程中各处理组均无亚硝态氮和硝态氮积累现象。通过形态观察、生理生化试验和16S rDNA序列分析初步确定X1、X2、X3和X4分别为假单胞菌(Pseudomonas sp.)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、弯曲芽孢杆菌(Bacillus flexus)和中间苍白杆菌(Ochrobactrum intermedium)。 2、在好氧条件下,以葡萄糖和硝酸钠为唯一碳源和氮源时,X1、X2和X3去除硝态氮的能力强,并且氨氮和亚硝态氮基本无积累,具有好氧反硝化能力,其中X1的能力最强;而X4不能生长,无去除硝态氮的能力,不具有好氧反硝化能力。在厌氧或兼性厌氧条件下,以葡萄糖和硝酸钠为唯一碳源和氮源时, X1、X2、X3和X4均不能生长,无去除硝态氮的能力,四株菌不具有厌氧反硝化能力。通过查阅大量资料发现只有X2(巨大芽孢杆菌)和X3(弯曲芽孢杆菌)是无致病性菌,可直接用于水产养殖废水的原位处理。在实验室条件下研究发现:在中性环境中,温度为30℃时,菌株X2的脱氮效果最佳;在中性偏碱性环境中,温度为30～37℃时,菌株X3的脱氮效果最佳。并且X2和X3混合菌对废水的脱氮效果好于X2或X3单种菌。 3、以陶粒和人工水草为载体,采用吸附法对混合菌(X2、X3)进行固定化,比较了固定化时间(1、3、5、7、10d)对固定化效果的影响,以及在处理人工模拟废水时,固定化时间对固定化微生物陶粒和固定化微生物人工水草的氨氮去除和脱氮效果的影响。结果显示:固定化时间对固定化效果和固定化微生物的氨氮去除和脱氮效果有显著影响。固定化5d的陶粒的效果最好,并且固定化5d和7d的陶粒对废水的氨氮去除和脱氮效果最好;固定化时间对人工水草固定化效果影响较小,除了固定化时间为1d外,其他固定时间处理之间的固定化效果差异不明显,而且固定化3d和5d的人工水草对废水的氨氮去除和脱氮效果最好。 固定化微生物陶粒和固定化微生物人工水草对废水中氨氮的去除率以及脱氮效果之间比较差异不明显。但由于陶粒孔隙的孔径比人工水草小,更容易滞留微生物;强度大,耐水力冲击;浮性大,好氧微生物易生长繁殖,因此固定化微生物陶粒更适合于水产养殖废水处理。 固定化微生物陶粒与陶粒相比,固定化微生物陶粒对人工模拟废水的脱氮效果更好,固定化陶粒中的微生物可以利用废水中的有机物生长繁殖,再通过硝化反硝化作用进行脱氮。 4、用固定化微生物与植物联合、游离微生物与植物联合、植物、固定化微生物、游离微生物以及对照组分别处理水产养殖废水,结果显示: ⑴较高温度条件下,水蕹菜与微生物联合以及水蕹菜或微生物单独处理养殖废水均有一定的净化效果。从对TN的去除效果分析,总体效果为固定化菌+水蕹菜(IB+I)游离菌+水蕹菜(FB+I)水蕹菜(I)固定化菌(IB)游离菌(FB),其中游离菌组净化效果与对照组(CK)没有显著差异。各处理组对氨氮、亚硝态氮、硝态氮和CODMn均有去除效果,对氨氮的去除效果最好。随着处理时间的延长,水蕹菜与微生物联合作用的效果更加明显;并且与游离微生物相比,固定化微生物的优势也不断显示出来。试验结束时,IB+I、FB+I、I、IB、FB和CK对TN的去除率分别为74.94%、59.78%、49.18%、17.91%、1.45%和1.21%,各处理组之间的差异显著(p0.05)。 ⑵在较低温度条件下,多花黑麦草与微生物联合以及多花黑麦草或微生物单独处理水产养殖废水也具有一定的效果,但效果不如高温条件下采用水蕹菜和微生物联合作用或者单独作用。从对TN的去除效果分析,总体效果为固定化菌+多花黑麦草(IB+L)=游离菌+多花黑麦草(FB+L)多花黑麦草(L)固定化菌(IB)游离菌(FB),其中游离菌组净化效果与对照组(CK)没有显著差异。各处理组对氨氮的去除效果明显,去除速率最快;而从对亚硝态氮和硝态氮的去除效果上看,含有多花黑麦草的处理效果好,单独微生物处理组效果不明显。这可能是低温时,微生物的作用未正常发挥,植物的作用被凸显。 ⑶从植物根际微生物数量动态变化分析发现:不论是高温还是低温,植物与微生物联合处理组的植物根际微生物的数量高于植物单独处理组,且高温时差异更明显。试验过程中,植物根际微生物的数量先升后降,从细菌平板上可观察到X2(巨大芽孢杆菌)和X3(弯曲芽孢杆菌)的优势性随处理时间的延长逐渐消失。 ⑷通过相关性分析发现:同一时间段内,各处理组对TN、氨氮、亚硝态氮、硝态氮和CODMn的去除率与植物根际微生物总量之间成正相关,高温条件下,相关性显著;不论高温还是低温,植物对各氮素和CODMn的去除率与植物根际细菌总量之间的正相关性高于放线菌,且真菌的正相关性最小。