养殖系统生物膜法运行条件优化及其厌氧反硝化特性的研究

发布时间：2020-09-23 10:20

【摘要】：微生物及其胞外多聚物在生物膜内呈空间分布,其脱氮功能与膜生物反应器(MBR)中的非生物因子和附着微生物群落结构有直接关系。近年来对于MBR运行条件的探究大都是对于单个或两个因素组合的研究,对于多因素共同作用的报道很少。同时生物膜形成初期,生物膜表面以好氧层为主,好氧细菌是优势菌属,随着生物膜的构建逐渐形成以兼性厌氧和厌氧细菌为主的兼性厌氧层和厌氧层,而厌氧反硝化又是生物脱氮必不可少的环节。在之前的研究中,大部分都是在有氧情况下探究生物膜附着微生物碳源代谢特征,对生物膜附着微生物厌氧条件下的碳源代谢特征的研究鲜有报道。那么,如何探究生物膜反应的最佳条件?如何分析附着微生物在厌养条件下碳源代谢特征及群落结构特征?如何提高生物膜脱氮效率?本实验使用自制曝气式柱状膜生物反应器结合正交试验探索MBR最优反应条件;同时在水产养殖系统中加入生态基作为生物膜的载体,利用Biolog微平板技术研究生物膜形成过程中厌氧条件下微生物群落碳源代谢特征,利用Miseq测序技术研究生物膜从挂膜到成熟阶段其附着微生物群落结构,旨在探索生物膜形成过程中附着微生物厌氧条件下的碳源代谢差异,结合生物膜形成过程中附着微生物群落结构的变化规律,从而阐明微生物厌氧条件下碳源代谢特征,了解生物膜厌氧反硝化过程,为提高生物膜脱氮效率提供理论参考。主要研究结果如下:1)正交试验中大部分实验组在实验第18天左右完成挂膜,9组实验组在生物膜挂膜阶段,NH_4~+-N去除率可达85%左右,NO_3~--N去除率可达90%左右,NO_2~--N去除率稳定在60~80%之间,PO_4~(3+)-P去除率稳定在40%以上。实验结果表明各要素对NH_4~+-N去除率影响的强弱依次为:HRTpHDOC\N,其中HRT对NH_4~+-N去除率的影响最大。MBR运行最优运行参数是HRT为4 h,DO为6±0.5mg\L,C\N为3/1,pH为7,优化后的MBR的NH_4~+-N去除率高达89.44%。2)随着生物膜的形成,附着微生物厌氧条件下AWCD值显著增加(P0.05),即碳源利用能力逐渐增强。生物膜形成过程中附着微生物在厌氧条件下对六大类碳源的利用情况与有氧条件下差异显著,厌氧条件下附着微生物对胺类的利用率最高,而在有氧情况下对多聚物类和氨基酸类需求较高;生物膜附着微生物厌氧条件下对于单一碳源的利用情况与有氧条件下利用情况也不尽相同,厌氧条件下附着微生物对单一碳源的种类需求显著少于有氧条件下对单一碳源的需求。3)Miseq测序的结果表明生物膜附着微生物优势菌门包含Proteobacteria、Bacteroidetes、Cyanobacteria和Firmicutes。本实验中,生物膜形成过程中附着微生物富集程度较高的细菌包括α-变形菌纲的Rhodobacter、β-变形菌纲的Janthinobacterium、伯克氏菌目(Burkholderiales)和γ-变形菌纲,黄单胞菌科(Xanthomonadaceae),Thermomonas,Rhodobacter和Janthinobacterium这两种细菌在生物膜反硝化过程中起到重要作用。
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S964;X714
【图文】：

生物膜反应器,反应器

其对氨氮和亚硝态氮的去除可以达到很好的效果[77]，而在生物膜反应器处理养殖水体过程中，其运行条件是该工艺的核心[78]。本实验利用正交试验，探究了不同 HRT、DO、C\N 和 pH 对养殖尾水的处理效果，确定了 MBR 的最佳运行工艺，以期为生物膜处理技术在养殖系统中的应用提供技术参考。2.1 材料与方法2.1.1 反应器运行状况该生物膜反应器为自制曝气式柱状生物膜反应器，反应器体积为 10 L，鞣性材料作为填料。反应器的工艺流程如图 2。该反应器通过蠕动泵把废水通过左侧塑胶皮管打进反应器，废水流经微生物填料，从右侧较高的出水塑胶皮管流出实验用水为草鱼养殖尾水，从珠江水产研究所草鱼养殖池获取。

去除率,实验组

2.2.1.1 NH4+-N、NO2 -N、NO3 -N 和 PO43+-P 去除率的动态变化实验开始检测实验用水的 NH4+-N 含量为 0.1218 mg\L，NO3 -N 含量mg\L，NO2 -N 含量为 7.2 mg\L，PO43+-P 含量为 5.7 mg\L，水体温度保持左右。MBR启动初期，9个实验组氨氮起始去除率相差较大，最低为第9组去除率只有 4.41%，最高为第 3 组，其 NH4+-N 去除率为 40.40%，如图 3 可得，不同条件下 MBR 的各组 NH4+-N 去除率的变化趋势相同，都是变化 NH4+-N 去除率增高，但第 4 组 NH4+-N 去除率在第 2 次检测时有所大部分的实验组 NH4+-N 去除率后期逐渐稳定，基本保持在 80%左右，只7 和 8 组 NH4+-N 去除率在后期有所下降，其中第 8 组下降幅度较大，最测算其去除率只有 70.71%。

数据分布,去除率,亚硝态氮,实验组

上海海洋大学硕士学位论文注：1~9 表示实验组别，横坐标表示检测时间，图中去除率为均值，下同。Note: 1~9 indicates the experimental group, and the abscissa indicates thedetection time. The removal rate in the figure is the mean value, the same below.反应器初始阶段 9 组实验组 NO2 -N 去除率集中在 10%~25%之间，相比初阶段 NH4+-N 去除率的集散程度，NO2 -N 的数据分布较为集中；最低为第 7（8.96%），最高为第 9 组（24.05%）（图 4）。由图 4 可得，随着时间变化，不条件下各个实验组的 NO2 -N 去除率都是逐渐上升的，且其 NO2 -N 去除率在验后期基本都稳定在 90%左右。

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