生物滤池及人工湿地净化工厂化海水养殖废水效果研究

论文摘要

工厂化循环水养殖模式具有高效、可控、节水省地、对环境污染小等特点,正逐渐在世界各国水产养殖业中得到重视和应用,是未来水产养殖业可持续发展的主要方向之一。本论文以养殖污水处理单元生物滤池和人工湿地为研究核心,进行了封闭循环水养殖系统中生物滤池的挂膜研究及水处理效率分析,并运用PCR-DGGE技术分析了不同时期生物滤池中生物膜上的微生物群落结构变化;模拟养殖废水,构建室内复合垂直流人工湿地系统,探讨了人工湿地净化海水养殖废水的影响因素,在此基础上确定了人工湿地的最佳运行参数,研究了人工湿地净化养殖废水的效果并分析其净化机理,主要结论如下:1.在生物滤池中添加一定量的微生态制剂和营养盐,经过1个月的生物挂膜,生物载体表面形成了群落结构比较稳定的生物膜。进行封闭式循环水养殖半滑舌鳎生产性试验,系统运行稳定,生物滤池能有效降低水体中NH4+-N、NO2--N、CODMn和PO43--P的浓度,使养殖水体中污染物的浓度维持在合理的水平,半滑舌鳎生长良好。2.在生物膜形成过程及系统运行时期,经传统微生物培养的异养细菌,氨氧化细菌,硝化菌的数量都呈现出先增加后逐渐减少直至达到稳定的趋势。异养细菌的数量比氨氧化细菌和硝化菌高出1-2个数量级。各个时期生物载体上微生物群落的组成非常丰富,Shannon指数分别为1.53、1.44、1.57、1.08、1.27和1.30。不同时期生物载体上的微生物种类有一定的变化,存在一些各自特有的种属和共有的种属。除A4期与B1期Cs值偏低外,其余任何两个相邻时期的Cs值都很大,表明微生物群落的变化与演替是缓慢而有规律的,从而保证了生物滤池处理养殖废水效果的稳定性。3.生物滤池中微生物种群分布较为广泛,鉴定出的33条带分别属于变形菌门（Proteobacteria）的α-、β-、γ-变形菌纲（Proteobacteria） （17个OTUs）,厚壁菌门（Firmicutes）的芽孢杆菌纲（Bacilli）（1个OTUs）和拟杆菌门（Bacteroidetes）的黄杆菌纲（Flavobacteria） （15个OTUs）,主要优势种群以Proteobacteria和Flavobacteria为主,存在多类细菌共同作用于养殖水体污染物的去除,其中Nitrosomonas参与了系统的硝化过程,参与反硝化过程的主要是黄杆菌（Flavobacteriaceae bacterium）等兼性厌氧细菌。这些功能性细菌在整个系统的运行中起了非常重要的作用。4.随着盐度的升高,人工湿地对PO43--P的去除率显著下降,但对NH4+-N和CODMn的去除率并没有发生显著的变化,去除率稳定在65%78%之间,芦苇作为人工湿地植物,经过驯化后有较强的耐盐性,在盐度20下生长良好;随着水力负荷的增加,人工湿地对CODMn、NH4+-N和PO43--P的去除率呈现出降低的趋势,变化显著（P <0.05）;当污染负荷增加时,去除率呈现出先增加后降低的趋势,在污染负荷为CODMn 10 mg/L、NH4+-N 2 mg/L、PO43--P 0.5 mg/L时,水质处理效果最高,其平均去除率分别为75%,62%和49%;当DO浓度增加时,人工湿地对CODMn、NH4+-N和PO43--P的去除率无显著变化（P >0.05）。5.在优化工况下,人工湿地连续运行2个月,SS平均去除率在90%以上,NH4+-N和BOD5平均去除率在70%以上,CODMn平均去除率在60%以上,NO2--N、NO3--N、TN、PO43--P、TP、和TOC平均去除率在30%-50%之间,出水水质良好,基本符合养殖用水回用标准。6.生物滤池和人工湿地在处理和净化海水养殖废水方面具有一定的实际应用价值和优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 文献综述
• 第一节 工厂化循环水养殖概况
• 1 工厂化循环水养殖的定义及特点
• 2 工厂化循环水养殖的发展现状
• 2.1 国外研究进展
• 2.2 国内发展状况
• 3 存在问题及对策
• 3.1 水处理设备技术有待提高
• 3.2 生物净化能力有待提高
• 3.3 饲料问题
• 3.4 相应政策的欠缺
• 第二节 工厂化循环水养殖系统中生物膜法水处理技术的研究
• 1 生物膜法处理技术
• 1.1 浸没式生物滤池
• 1.2 滴流式生物滤塔
• 1.3 生物净化机
• 1.4 生物流化床
• 2 生物载体上的微生物
• 2.1 生物载体上微生物的种类
• 2.2 好氧微生物处理
• 2.3 厌氧微生物处理
• 3 生物膜在载体表面的形成过程
• 3.1 微生物在载体表面的生长过程
• 3.2 影响微生物在载体表面生长的因素
• 3.2.1 微生物自身性质
• 3.2.2 水温
• 3.2.3 水力负荷
• 3.2.4 生物载体类型
• 3.2.5 pH
• 4 生物膜净化养殖水体的机理与过程研究
• 第三节 工厂化养殖系统中人工湿地的应用研究
• 1 人工湿地概况
• 2 人工湿地净化水产养殖废水的机理
• 2.1 脱氮机理
• 2.2 除磷机理
• 2.3 有机物和悬浮物去除机理
• 3 人工湿地处理水产养殖废水的影响因素
• 3.1 湿地类型
• 3.2 植物的种类
• 3.3 填料的种类
• 3.4 系统设计因子
• 第四节 本文研究目的和内容
• 1. 研究目的
• 2. 研究内容
• 第二章 封闭循环水养殖系统中生物滤池的水处理效率及微生物群落结构变化分析
• 第一节 封闭循环水养殖系统中生物滤池挂膜及水处理效率
• 1 材料和方法
• 1.1 封闭循环水处理工艺
• 1.2 养殖品种
• 1.3 生物挂膜及系统运行
• 1.4 各项指标检测及数据处理
• 2 结果与分析
• 2.1 生物滤池中生物膜形成过程
• 2.1.1 生物载体表面生物膜的变化
• ＋^-N浓度变化'>2.1.2 生物滤池挂膜期NH4_＋^-N浓度变化
• 2^--N 浓度变化'>2.1.3 生物滤池挂膜期 NO₂^--N 浓度变化
• 3^--N 浓度变化'>2.1.4 生物滤池挂膜期NO₃^--N 浓度变化
• 2.2 系统运行时生物滤池的水处理效率
• 4^＋-N去除情况'>2.2.1 NH₄^＋-N去除情况
• 2^--N 去除情况'>2.2.2 NO₂^--N 去除情况
• 3^--N 去除情况'>2.2.3 NO₃^--N 去除情况
• Mn 去除情况'>2.2.4 COD_Mn去除情况
• 4^3--P 去除情况'>2.2.5 PO₄^3--P 去除情况
• 第二节 封闭循环水养殖系统生物滤池中微生物群落结构变化分析
• 1 材料与方法
• 1.1 循环水养殖系统处理工艺
• 1.2 样品的采集
• 1.3 细菌的培养计数
• 1.4 生物膜总DNA 的提取与纯化
• 1.5 PCR 扩增及变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析
• 1.6 PCR-DGGE 图谱统计分析
• 1.7 目的条带回收、重扩增、测序及序列系统发育树构建
• 2 结果与讨论
• 2.1 生物载体上细菌的动态变化
• 2.2 生物膜上总DNA 的提取与16S rDNA 的PCR 扩增
• 2.3 细菌群落指纹图谱分析
• 2.4 目的条带的系统发育分析
• 本章小结
• 第三章 人工湿地净化海水养殖废水影响因素与效果分析
• 第一节 人工湿地净化海水养殖废水的影响因素分析
• 1 材料与方法
• 1.1 试验装置
• 1.2 实验设计
• 1.3 数据处理及水质指标检测方法
• 2 结果与讨论
• 4^＋-N、NO₂^--N 和NO₃^--N 浓度的变化'>2.1 人工湿地中微生物强化阶段NH₄^＋-N、NO₂^--N 和NO₃^--N 浓度的变化
• 2.2 人工湿地处理效果影响因素分析
• 4^＋-N、COD_Mn和PO₄^3--P 的去除率'>2.2.1 不同盐度梯度下NH₄^＋-N、COD_Mn和PO₄^3--P 的去除率
• 4^＋-N、COD_Mn和PO₄^3--P 的去除率'>2.2.2 不同水力负荷下NH₄^＋-N、COD_Mn和PO₄^3--P 的去除率
• 4^＋-N、COD_Mn和PO₄^3--P 的去除率'>2.2.3 不同污染负荷下NH₄^＋-N、COD_Mn和PO₄^3--P 的去除率
• 4^＋-N、COD_Mn和PO₄^3--P 的去除率'>2.2.4 不同DO 条件下NH₄^＋-N、COD_Mn和PO₄^3--P 的去除率
• 第二节 人工湿地净化海水养殖废水效果及净化机理初步研究
• 1 材料与方法
• 1.1 试验装置
• 1.2 实验设计
• 1.3 数据处理及水质指标检测方法
• 2 结果与讨论
• 2.1 系统运行期间温度、pH、DO 变化情况
• 2^<sup>-N、NH₄^＋-N、NO₃^--N 和TN 的去除情况'>2.2 NO₂^<sup>-N、NH₄^＋-N、NO₃^--N 和TN 的去除情况
• 4^3--P 和TP 的去除情况'>2.3 PO₄^3--P 和TP 的去除情况
• 2.4 SS的去除情况
• Mn、BOD₅ 和TOC 去除情况'>2.5 COD_Mn、BOD₅ 和TOC 去除情况
• 本章小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢