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生物强化反应器净化循环养殖废水的研究

钱伟  
【摘要】:封闭循环水养殖系统中,水质的好坏是系统能否正常运行的关键之处。对水环境的管理与控制一直以来是高密度养殖的核心技术,也是国内外研究的热点。生物脱氮是从废水中去除氮素污染较为经济有效的方法之一。为提高整个循环养殖废水的水质处理效果,运用生物强化反应器,对反应器运行工艺、碳源及C/N的优选等进行了研究。主要研究成果归纳如下: 1.利用生物膜的高效截留原理,运用生物强化反应器,在装有高密度聚氨酯载体的反应器内接种具有硝化反硝化作用的复合菌群,经3周左右时间的人工挂膜后,弹性纤维载体表面出现了一层乳白色的生物薄膜,即生物膜。以循环养殖废水为处理对象,研究了不同水力停留时间(HRT)和温度(WT)对生物强化反应器净化水质效果的影响。结果显示HRT和WT对生物强化反应器净化养殖废水效果的影响显著(p0.05)。对HRT和WT各处理水平下的CODMn、TN、NH_4~+-N、NO_3~--N和NO_2~--N去除率进行差异显著性分析,并综合考虑反应器的运行时间、费用和操作等因素,选取HRT=18h、WT=30℃作为反应器的最佳运行条件。在此条件下反应器稳定运行4周左右时间。试验期间,CODMn、TN、NO3--N和NO_2~--N的平均去除率分别为47.1%、51.3%、47.0%和59.6%,NH4+-N的平均去除率接近80%。此外,还对反应器内载体表面的生物膜进行了可培养微生物数量动态监测。生物强化反应器在正式运行的25d内,其生物膜上的可培养微生物数量不断增多,氨氧化细菌(AOB)数量由35.9×10~4CFU/mg增长到89.4×104CFU/mg,硝化细菌(NOB)数量由25.8×10~4CFU/mg增长到61.7×10~4CFU/mg,反硝化细菌(DNB)数量由14.2×10~4CFU/mg增长到101.0×10~4CFU/mg;氨氧化细菌和硝化细菌在与氮素循环相关的可培养细菌中占据着主导地位(60.0%~81.3%),脱氮细菌不断地吸附于载体表面,并成功地定殖使得生物膜不断成熟和稳定。试验结果表明:生物强化反应器对循环养殖废水中有机物、氨氮及亚硝态氮等去除效果明显。 2.针对目前循环养殖废水水质处理过程中存在脱氮碳源不足的问题,本试验以NO_3~--N降解能力和低NO_2~--N积累量为碳源优化指标,研究了乙醇、丙三醇、葡萄糖、蔗糖、乙酸钠和酒石酸钾钠6种碳源及不同碳氮比(C/N)对复合菌群净化循环养殖废水效果的影响。碳源初筛结果显示,当以葡萄糖、蔗糖等糖类物质为外加碳源时,试验中有明显的NO_2~--N积累现象,最高可达12.4mg/L;当以醇类物质为外加碳源时, NO_2~--N积累量较少,最高也只有1.3mg/L。碳源复筛结果显示,不同碳源及C/N对养殖废水的NH_4~+-N去除率并无显著差异,且各处理组的NH4+-N去除率高达98.2%,显著地高于对照组(p0.05);当以乙醇为外加碳源且C/N为3:1时,复合菌群对养殖废水的TN、NH_4~+-N和NO3--N去除率分别高达93.3%、98.9%和91.8%,均显著地高于对照组(p0.05)。综合考虑外加碳源的实用性和经济性等因素,选取乙醇作为复合菌群净化养殖废水的外加碳源,相应的C/N为3:1。虽然外加碳源短期内会引起水体CODMn含量大幅升高,但可被复合菌群迅速降解;此外,外加碳源还能改善水体pH值,经处理组净化后的水体pH值维持在7.2~7.8。试验结果表明,循环养殖废水水质净化过程中添加相应的碳源及并适当控制C/N比能显著提高生物脱氮效率,改善池水水质。 3.在碳源优化试验的基础上,选取乙醇为外加碳源,C/N为3:1,考察外加碳源对生物强化反应器净化水质效果的影响,各组分别记为对照组(CK)、生物强化反应器组(EB)、外加碳源生物强化反应器组(EB+C)。试验结果显示,外加碳源能显著地提高系统的脱氮效率,EB+C组TN、NO_3~--N的去除率分别为66.7%、60.8%,均显著地高于对照组(10.3%、5.2%)和EB组(54.6%、45.8%)。试验过程中,外加碳源会造成反应器内生物量的变化,试验初期EB+C组载体表面脱氮细菌(AOB、NOB、DNB)总量为8.9×10~5CFU/mg,试验末期增长到4.7×10~6CFU/mg,高出对照组1~2个数量级。反应器载体表面微生物群落结构与水质指标间的冗余分析(RDA)表明:EB+C组TN、NH_4~+-N、NO_3~--N、NO_2~--N等水化指标与NOB、 AOB数量呈显著负相关性,TP、PO_4~(3-)-P等水化指标与微生物群落因子间的相关性较差,表明NOB、 AOB等脱氮细菌在对养殖废水的氮素去除中发挥了巨大的作用。试验结果表明,生物反应器应用外加碳源技术能显著改善出水水质,提高系统的生物脱氮效率。


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