环境生物技术处理畜禽养殖废水的生物学效应研究

论文摘要

近年来，随着规模化畜禽养殖业的快速发展，畜禽排泄物和其他废弃物的产生量随之快速增加，造成环境污染，使畜禽养殖业发展与环境污染的矛盾日益凸现，其本身也成为畜禽养殖业可持续发展的制约因素。畜禽养殖污染已成为当前继工业污染、生活垃圾污染后的第三大污染源。畜禽养殖污染源来自于从畜禽体内排出的有害气体、粪便及其分解产生的臭气、动物体表掉落的毛屑以及养殖场站的冲洗废水。畜禽养殖污染治理难度大，方法较多，其中环境生物学方法是净化畜禽养殖废水的核心技术。本文探讨了好氧微生物和人工湿地技术处理畜禽养殖废水的生物学效应。好氧微生物处理主要研究在短程硝化反硝条件下的脱氮效果，探讨了间歇好氧系统中pH、氨氮负荷和碳氮比（C／N）、溶解氧（DO）几种运行参数对形成HNO2积累的影响，在SBR系统中实现短程硝化的途径，以及如何通过改变间歇式好氧系统的运行参数和模式来实现稳定亚硝酸的积累。人工湿地试验在四川农业大学教学科研园区的畜禽养殖污水处理站的水平流人工湿地系统中进行，湿地植物采用芦苇（Phragmites australis（clav．）Trin），以及在湿地处理中未见报的水山姜（Alpinia aquatuca（koen．）Rose），基质采用紫色土、河沙、砾石。研究了湿地系统在畜禽养殖废水中的脱氮除磷作用；采用两种浓度畜禽废水（高浓度畜禽废水原水和经一倍稀释的畜禽废水）处理芦苇，对芦苇的芦苇根系活力、丙二醛（MDA）含量、叶绿素含量、游离脯氨酸含量、超氧化物歧化酶（SOD）及过氧化物酶（POD）活性等生理特性的影响进行了测试；对高浓度畜禽废水污染胁迫下，湿地植物芦苇的RAPD指纹图谱的变化进行了研究。研究结果表明：（1）pH值大于9时，影响亚硝酸细菌的活性，使亚硝酸盐积累减小。pH值通过影响分子态游离氨（FA）浓度来影响亚硝酸盐的积累过程，pH值为8.5时达到最好的脱氮效果，亚硝酸积累量大，而此时磷去除效果相对也较好，主要是好氧反硝化菌在对除磷起作用。控制运行过程中的曝气量、pH值一定时，氨氮负荷较高有利于亚硝酸的积累，并且也有较好的脱氮效果，但如果过高却会抑制亚硝酸细菌的活性，而硝酸细菌的活性有所提高。保持进水稳定的氨氮负荷、DO和pH值，进水的COD值变化对亚硝酸积累也有影响，当C／N=7时亚硝酸积累量大，脱氮率、除磷率和COD去除率均高。（2）SBR系统中，保持F／M、C／N、pH、MLSS和温度恒定的情况下，DO浓度与三氮浓度有良好的相关性，当DO为3.0mg／L时，亚硝基氮的积累率达到了85％，出水氨氮为0mg／L，达到了良好的短程硝化反硝化目的。保持DO值为2.0mg／L-7.0mg／L下，SBR系统运行良好，除7.0mg／L外，其他浓度下，总氮去除率都达到了99％以上，COD去除率保持在95％左右，出水水质很好。磷的去除率随DO值的增高总体下降并呈反常波动，DO值为0.5-1.0mg／L时，在短程硝化反硝化系统中总磷的去除率能够达到90％。（3）土壤对磷的吸附随着振荡时间的增加而增加，沙和砾石的吸附量在振荡时间为8小时最大；Langmuir方程，Freundlish方程，Temkin方程都能很好拟合人工湿地基质对磷的等温吸附数量，其中Langmuir等温式的拟合程度最好；三种基质在磷吸附上不存在竞争吸附。人工湿地对磷的去除主要机理是基质对磷的吸附，土壤的吸附量大于河沙，砾石的吸附量最小。规模化人工湿地中，基质对磷的吸收是沿床体方向逐渐增大的。畜禽养殖废水对N、P在植物器官中的分布有一定的影响。水山姜根的吸氮能力最好，芦苇地上部分吸氮能力好于地下部分。对于吸磷来说，水山姜除磷能力不明显，芦苇叶的吸磷效果最好。（4）对于氮磷的去除，有植物系统的去除率要高于无植物系统，通过方差分析，这种差异并不明显，说明湿地中植物去除并非脱氮除磷的主要原因．复合床的除去率均高于单独的植物床（NO2--N除外）。（5）一级处理工艺（气浮塔）和二级处理工艺（CASS池）出水按不同比例混合，对模拟人工湿地的脱氮除磷能力有一定影响：对于TP的去除，芦苇（Phragmitesaustralis）、水山姜和复合床都在进水比为7：3时最大；对于COD的去除，三种湿地床均在进水比为8：2时最大；对于Ni4+-N的去除，三种湿地床均在进水比为5：5时最大。C／N比对模拟人工湿地的脱氮能力也有一定影响：芦苇床氨氮去除的最佳碳氮比为1：1；水山姜床氨氮去除的最佳碳氮比为3：1；复合床氨氮去除的最佳碳氮比为4：1。另外，模拟人工湿地的除磷能力随着基质中FeCl3含量的增加而增强。（6）通过对污水处理站人工湿地不同部位基质的硝化、反硝化强度研究发现：人工湿地系统硝化能力在床体前端最低，反硝化能力在床体前端最大；硝化和反硝化速率均在0-8h时最大；硝化与反硝化强度具有较明显的分层现象，上层强度高于下层，并且沿床体方向呈现负相关；不同的碳源对反硝化强度有影响：不加碳源＜5倍碳源＜3倍碳源。通过定期对其不同部位的水质进行监测，各污染物浓度沿床体方向是不断降低的，而且其降解效率随着时间和部位的变化而变化。对于氨氮来说，8月份的时候除氨氮的效果最好，在前端降解最快；除磷效果在7月份的时候最好，在湿地后半部分降解最快。（7）采用两种浓度畜禽废水（高浓度畜禽废水原水和经一倍稀释的中浓度畜禽废水）胁迫湿地植物芦苇，研究其对芦苇叶片和根系生理特性的影响。结果表明，两种浓度畜禽废水对芦苇的生理特性的影响相似，但胁迫强度不同，各生理指标在长时间连续胁迫下的变化幅度为高浓度畜禽废水大于中浓度畜禽废水，说明高浓度畜禽废水较中浓度畜禽废水对芦苇的生理影响更为强烈。人工湿地试验地中生长的芦苇，除MDA含量和SOD活性较江河河心滩清水中自然生长状态下生长的芦苇低外，其余生理指标均较高。（8）在两种浓度畜禽废水胁迫下芦苇SOD活性明显上升；POD活性在胁迫初始时急速下降，到中后期则逐步恢复到胁迫前的水平；CAT活性则在整个处理期间逐渐下降。POD活性的变化趋势说明胁迫初期芦苇受到的伤害较大，随着胁迫时间的延长，芦苇对畜禽废水的胁迫逐渐产生适应性，胁迫未能引起芦苇体内有害物质H2O2的大量积累。SOD活性明显上升说明芦苇在畜禽废水胁迫下其体内产生了大量的超氧阴离子自由基（O2），要消除O2带来的危害必然会生成产物H2O2，而POD和CAT活性的变化趋势说明POD和CAT并未能起到因消除O2带来的危害而产生的H2O2的作用，因此推测芦苇体内存在另一种保护机制消除H2O2累积带来的危害，这种保护机制可能是一些非酶促活性氧清除系统在发生作用。（9）在畜禽废水胁迫下，芦苇根系活力明显上升、MDA含量缓慢下降、游离脯氨酸含量在急速下降后稳定在一个较低水平。畜禽废水胁迫条件下芦苇根系活力上升有利于芦苇抵抗胁迫所带来的危害，增加抗氧化能力；在长达近一个月的胁迫中芦苇根系活力仍然维持在一个较高水平，说明芦苇的生长状况未受到较大影响；MDA是膜脂过氧化的重要产物，MDA的缓慢降低显示了芦苇在畜禽废水污染胁迫下，细胞膜系统并未遭受大的破坏，细胞膜脂过氧化作用较小，具体表现为电解质渗漏减小，质膜透性降低。脯氨酸含量的下降则说明芦苇并未能够启动脯氨酸含量的累积机制来增强对畜禽废水胁迫的抗逆性，不利于芦苇抵抗逆境的伤害，但从另一个角度说明芦苇受到的伤害较小，芦苇对畜禽废水胁迫具有较强的抗逆性。（10）总叶绿素含量在两种浓度畜禽废水胁迫下都呈现缓慢下降的趋势，而叶绿素a／b值则均呈现上升趋势；总叶绿素含量缓慢下降说明芦苇叶片光合作用受到部分影响，芦苇叶片有衰老迹象，但并未对芦苇的生长状况产生较大影响。叶绿素a／b值上升是由于叶绿素b下降幅度比叶绿素a下降幅度更大所致。因此，叶绿素a／b值应受到叶绿素a和叶绿素b两种因素共同作用，单纯把叶绿素a／b值下降作为衡量植物叶片衰老的重要指标是有一定适用范围的。（11）从畜禽废水胁迫下芦苇的生理指标的变化结果显示出，高浓度和中浓度畜禽废水胁迫对芦苇的生长状况影响较小，表现了较强的抗逆性和耐受性。在160个随机引物中进行筛选，找到三个能够扩增出差异且重复性较好的RAPD引物：S74、S516和S14，说明在高浓度畜禽废水长期污染胁迫下芦苇在DNA水平上产生了变异，芦苇在高浓度畜禽废水污染胁迫下的抗污染和旺盛生长特性也可能与这种变异有关。本研究结果为在分子水平上进一步揭示人工湿地植物的强去污能力机理和抗污染特性提供了参考依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 畜禽废水好氧生物处理研究进展
• 1.3 人工湿地脱氮除磷研究进展
• 1.4 畜禽废水胁迫对芦苇生理特性的影响研究进展
• 1.5 畜禽废水胁迫对芦苇的诱导变异研究进展
• 1.6 研究目的与意义
• 2 材料方法
• 2.1 畜禽废水好氧生物处理
• 2.1.1 实验用水
• 2.1.2 实验装置
• 2.1.3 实验方法
• 2.1.4 水质指标及测定方法
• 2.2 芦苇、水山姜床人工湿地在畜禽养殖废水处理中的脱氮除磷
• 2.2.1 试验材料与试验设计
• 2.2.2 测定项目与方法
• 2.3 畜禽废水胁迫对芦苇生理特性的影响
• 2.3.1 废水来源及成份
• 2.3.2 试验材料和污染处理
• 2.3.3 试验方法
• 2.3.4 数据处理与分析
• 2.4 畜禽废水胁迫对芦苇的诱导变异
• 2.4.1 供试材料
• 2.4.2 试剂
• 2.4.3 仪器
• 2.4.4 DNA提取及提纯
• 2.4.5 DNA质量检测
• 2.4.6 RAPD反应体系及扩增条件
• 2.4.7 PCR产物电泳检测
• 3 结果与分析
• 3.1 间歇式好氧法处理畜禽废水研究
• 3.1.1 pH、MLSS、C/N、DO对短程硝化反硝化的实现及脱氮除磷的效果影响
• 3.1.2 间歇式活性污泥反应器的运行模式
• 3.2 芦苇、水山姜床人工湿地在畜禽养殖废水处理中的脱氮除磷作用
• 3.2.1 模拟人工湿地脱氮
• 3.2.2 规模化人工湿地脱氨除磷
• 3.2.3 湿地基质和植物中N、P含量
• 3.3 畜禽废水胁迫对芦苇生理特性的影响
• 3.3.1 对芦苇根系活力的影响
• 3.3.2 对芦苇丙二醛（MDA）含量的影响
• 3.3.3 对芦苇叶绿素含量的影响
• 3.3.4 对芦苇游离脯氨酸（Pro）含量的影响
• 3.3.5 对芦苇超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响
• 3.3.6 对芦苇过氧化物酶（POD）活性的影响
• 3.3.7 对芦苇过氧化氢酶（CAT）活性的影响
• 3.3.8 对芦苇质膜透性的影响
• 3.4 畜禽废水胁迫对芦苇诱的导变异
• 4 结论与讨论
• 4.1 畜禽废水好氧生物处理
• 4.1.1 短程硝化反硝化处理条件
• 4.1.2 畜禽废水好氧处理规律
• 4.1.3 短程生物脱氮处理畜禽废水的运行模式确定
• 4.2 芦苇、水山姜床人工湿地在畜禽养殖废水处理中的脱氮除磷
• 4.2.1 人工湿地基质磷吸附特性
• 4.2.2 模拟人工湿地脱氮除磷
• 4.2.3 规模化湿地系统脱氮除磷
• 4.2.4 湿地基质吸磷量
• 4.2.5 湿地植物各器官氮磷含量
• 4.3 畜禽废水胁迫对芦苇生理特性的影响
• 4.4 畜禽废水胁迫对芦苇的诱导变异
• 5 参考文献
• 6 致谢
• 7 附录:读博士期间发表的论文