可降解聚合物PCL和PHBV养殖用水中脱氮效果的研究

发布时间：2020-05-10 10:25

【摘要】：在水产养殖活动中,硝酸盐氮的污染问题一直是被重点关注和迫切解决的,在常用的脱氮方法中,固相反硝化(Solid-phase denitrification)具有简单、易调控的特点,利用可降解聚合物(Biodegradable polymers,BDPs)同时作为载体和缓释碳源。本文以聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)和β-羟基丁酸与戊酸酯共聚物(β-polyhydroxybutyrate-hydroxyvalerate,PHBV)为载体和碳源,对照两种碳源处理循环水养殖水中高浓度的硝酸盐氮的结果,探索PCL和PHBV的降解释放溶解性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)的规律、PCL和PHBV为碳源反硝化反应器的建立启动的特征,和反应器稳定挂膜后的长期处理效果,为养殖废水的反硝化提供技术支持,为新型循环水系统反硝化装备提供理论基础。1.无菌条件下几种理化因子对PCL和PHBV产生DOC效率的影响研究了非生物因素条件下碳源PCL和PHBV在各种条件下的释放规律,然后再探究碳源在非生物因素条件下降解的部分能否用于反硝化作用,结果表明,PHBV在非生物因素下基本不释放DOC,温度的升高和增加摇床的震荡条件会增加PCL的释碳能力,pH对于PCL的释碳能力没有显著影响,水溶液中的溶解性有机碳过高会抑制PCL的释放。PCL在非生物因素条件下释放的DOC可以用于反硝化作用,以PCL自然浸出液和葡萄糖作为碳源的反硝化作用,平均去除率分别为(31±2)%和(28±2)%,出水DOC分别为10.38±1.25 mg/L和12.84±1.08mg/L。2.PCL和PHBV为碳源固相反硝化反应器的启动研究了以PCL和PHBV为碳源和载体建立连续式反硝化反应器的挂膜启动阶段对硝酸盐氮的去除效果以及水质指标的浓度变化。PCL和PHBV为碳源的反应器挂膜时间分别为21天和17天,最高去除率分别为(57.43±1.43)%和(36.44±1.48)%,PCL作为碳源的反硝化平均去除率显著性高于PHBV作为碳源的反硝化去除率。整个实验期间,亚硝酸盐氮和氨氮都没有发生积累,并且维持在较低水平,亚硝酸盐氮平均水平低于0.1 mg/L。氨氮平均浓度维持在0.5 mg/L左右。3.可降解聚合物PCL和PHBV为碳源固相反硝化长期处理循环水养殖水脱氮效果研究研究了以PCL和PHBV为碳源和载体挂膜成功的反应器对循环水养殖水长期处理效果的对比,结果表明,NO_3~--N为81.1~132.65 mg/L的养殖水,水流速度为1 L/h进入分别以PCL和PHBV为固相反硝化碳源的反应器,填充率为19%,在反应器为期102天的运转中,PCL和PHBV两种碳源的硝酸盐平均去除率分别为(54.32±15.85)%和(39.75±12.42)%。氨氮和亚硝氮没有发生积累,PCL的使用效果优于PHBV。去除1 g NO_3~--N需要分别消耗PCL和PHBV为(1.01±0.11)g和(3.37±0.39)g。应用二代测序技术表明,PCL的优势菌为Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Chlorobi(绿菌门)。PHBV的优势菌为Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Firmicutes(厚壁菌门)。在属水平下,PCL颗粒表面生物膜的优势菌为食酸菌属(Acidovorax,27%)和革兰氏阴性反硝化细菌(Denitratisoma,7%)。PHBV颗粒表面的微生物中,优势菌为食酸菌属(Acidovorax,18%)和蛭弧菌属(Bdellovibrio,8%)。检查出的细菌中,食酸菌属(Acidovorax)既可以降解BDPs又可以进行反硝化作用。
【图文】：

示意图,实验装置,示意图,硝酸盐

器进出水参数。表 2-2 反应器进水参数Tab.3-2 The Influent parameter of reactor参数进水 3--N/（mg·L-1） 53.8-162.0 O2--N/（mg·L-1） 0-0.9 +-N/（mg·L-1） 0.6-17.0 DOC/（mg·L-1） 14.3-61.2 后（即三个平行组的出水硝酸盐趋于稳定且显著 25 ℃PCL 的浸出液，并添加硝酸钾将硝酸盐调然释放到水体的碳能否用于反硝化，以葡萄糖为为对照。挂膜阶段每 2 天取样，之后每天取酸氮（NO2--N）、氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）、分析、水温（℃）、DO、pH 值等水质指标。

曲线,溶液,曲线,二级动力学

图 2-2 PCL 和 PHBV 的释碳结果（a）及更换溶液后 PCL 的释碳曲线（b）Fig.2-2 DOC releasing curve of PCL(a) 、PHBV and PCL after replacing solution(b)2.2.2 释碳动力学和释碳率PHBV 在去离子水中基本不释放，DOC 浓度低于 1 mg/L。PCL 材料的释碳过程满足二级动力学公式，溶液中 DOC 浓度（c）和时间（t）符合二级动力学关系[7]，2d c/ dt kc（2-2）即，1/c-1/ck /tm （2-3）式中[7]，Cm为单位质量材料在溶液中释放的饱和 DOC 浓度，mg/（g·L），k 为常数，h·g·L/mg.令 K 1/k，，K 为传质系数，反应释放阻力，mg/（h·L·g），根据公式 2-3 可得，1/2Kc /tm （2-4）式中[7]，1/2t 是释放浓度达饱和浓度一半所用时间，h.
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S959

【参考文献】